JP2020025493A - Recombinant yeast, and method for producing ethanol using the same - Google Patents

Recombinant yeast, and method for producing ethanol using the same Download PDF

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Abstract

To provide recombinant yeast with improved assimilation ability of acetic acid without breaking a glycerol production pathway which causes reduction of ethanol fermentation, and a method for producing ethanol using the recombinant yeast.SOLUTION: Recombinant yeast into which acetaldehyde dehydrogenase gene and a molecular chaperone gene that belongs to an HSP70 family or an HSP40 family are introduced, and a method for producing ethanol in which the recombinant yeast is cultured to perform ethanol fermentation.SELECTED DRAWING: None

Description

本発明は、組換え酵母及び当該組換え酵母を用いたエタノールの製造方法に関する。   The present invention relates to a recombinant yeast and a method for producing ethanol using the recombinant yeast.

セルロース系バイオマスは、エタノール等の有用なアルコールや有機酸の原料として有効に利用されている。セルロース系バイオマスを利用したエタノール製造において、エタノール生産量を向上させるため、基質として5単糖のキシロースを利用できる酵母が開発されている。例えば、特許文献1は、Pichia stipitis由来のキシロースリダクターゼ遺伝子及びキシリトールデヒドロゲナーゼ遺伝子とS. cerevisiae由来のキシルロキナーゼ遺伝子を染色体に組み込んだ酵母を開示している。   Cellulosic biomass is effectively used as a raw material for useful alcohols such as ethanol and organic acids. In the production of ethanol using cellulosic biomass, yeast capable of using pentasaccharide xylose as a substrate has been developed to improve ethanol production. For example, Patent Document 1 discloses a yeast in which a xylose reductase gene and a xylitol dehydrogenase gene derived from Pichia stipitis and a xylulokinase gene derived from S. cerevisiae are integrated into a chromosome.

また、酢酸は、セルロース系バイオマスの加水分解物に多く含まれ、酵母のエタノール発酵を阻害することが知られている。特に、キシロースの資化遺伝子を導入した酵母においては、キシロースを糖源としたエタノール発酵を著しく阻害することが知られている(非特許文献1及び2)。   It is known that acetic acid is contained in a large amount in the hydrolyzate of cellulosic biomass and inhibits ethanol fermentation of yeast. In particular, it is known that yeast into which a xylose assimilation gene has been introduced significantly inhibits ethanol fermentation using xylose as a sugar source (Non-Patent Documents 1 and 2).

一方、セルロース系バイオマスをセルラーゼで糖化したものを発酵したもろみには、主として、未発酵残渣、難発酵残渣、酵素及び発酵用微生物が含まれている。もろみを含む反応液を次に行う発酵に利用することで発酵用微生物の再利用ができ、発酵用微生物の新規投入量を削減でき、低コスト化を図ることができる。しかし、この場合、もろみに含まれる酢酸も同時に持ち込まれることになり、その結果、発酵培地に含まれる酢酸の濃度が上昇し、エタノール発酵を阻害する虞がある。また、発酵槽内のもろみを、減圧に保持したフラッシュタンクに送り、フラッシュタンク内でエタノールを除去した後、もろみを発酵槽に返送するような連続発酵法においても、酢酸をもろみから取り除くことは難しいため、酢酸による発酵阻害が重要な問題となる。   On the other hand, mash obtained by fermenting saccharified cellulosic biomass with cellulase mainly contains unfermented residues, poorly fermented residues, enzymes and microorganisms for fermentation. The fermentation microorganisms can be reused by using the reaction liquid containing moromi for the next fermentation, the amount of new fermentation microorganisms to be input can be reduced, and the cost can be reduced. However, in this case, acetic acid contained in the mash is also brought in at the same time, and as a result, the concentration of acetic acid contained in the fermentation medium increases, which may hinder ethanol fermentation. Also, in a continuous fermentation method in which the mash in the fermenter is sent to a flash tank maintained at reduced pressure, ethanol is removed in the flash tank, and then the mash is returned to the fermenter, it is not possible to remove acetic acid from the mash. Since it is difficult, fermentation inhibition by acetic acid becomes an important problem.

酢酸による発酵阻害を回避するため、エタノール発酵で一般的に用いられる菌株であるサッカロマイセス・セレビジエのLPP1遺伝子やENA1遺伝子の過剰発現(非特許文献3)、FPS1遺伝子の破壊(非特許文献4)により、酢酸存在下でエタノールの発酵能力が改善されている報告がある。しかしながら、これらの報告は、グルコースを基質とした場合のエタノール発酵の結果であり、酢酸により発酵が著しく阻害されるキシロースを基質とした場合のエタノール発酵に対する効果は不明である。また、これらに報告された変異酵母を用いたとしても、上述したような発酵菌体再利用や連続発酵の際に問題になる酢酸の持ち込み量を減らすことには繋がらない。   In order to avoid fermentation inhibition by acetic acid, overexpression of LPP1 gene and ENA1 gene of Saccharomyces cerevisiae, a strain commonly used in ethanol fermentation (Non-patent document 3), and disruption of FPS1 gene (Non-patent document 4) There is a report that the fermentation ability of ethanol is improved in the presence of acetic acid. However, these reports are the results of ethanol fermentation using glucose as a substrate, and the effect on ethanol fermentation using xylose, whose fermentation is significantly inhibited by acetic acid, is unknown. Further, the use of the mutant yeasts reported therein does not lead to a reduction in the amount of acetic acid brought in, which is a problem in the above-mentioned recycling of fermentation cells and continuous fermentation.

酢酸による発酵阻害を回避する別の方法としては、培地中の酢酸をエタノール発酵と同時に代謝させることが考えられる。しかし、酢酸の代謝は好気的な反応であり、エタノールの代謝経路と重複する。そのため、好気的な条件で発酵を行うと酢酸を代謝させることができる可能性はあるものの、同時に目的物質であるエタノールも代謝される。   As another method for avoiding the inhibition of fermentation by acetic acid, acetic acid in the medium may be metabolized simultaneously with ethanol fermentation. However, acetic acid metabolism is an aerobic reaction and overlaps the ethanol metabolic pathway. Therefore, when fermentation is performed under aerobic conditions, acetic acid may be metabolized, but at the same time, ethanol, which is a target substance, is also metabolized.

エタノールが代謝されない嫌気的な条件で酢酸を代謝させるために、サッカロマイセス・セレビジエのグルセリン生産経路のGPD1・GPD2遺伝子を破壊した株に、アセトアルデヒド脱水素酵素(EC 1.2.1.10)をコードする遺伝子を導入することで、酢酸を資化させた報告がある(非特許文献5及び6並びに特許文献2〜4)。なお、アセトアルデヒド脱水素酵素は以下の可逆反応を触媒する。   In order to metabolize acetic acid under anaerobic conditions in which ethanol is not metabolized, a gene encoding acetaldehyde dehydrogenase (EC 1.2.1.10) was introduced into the saccharomyces cerevisiae strain in which the GPD1 and GPD2 genes of the glycerin production pathway were disrupted. Thus, there are reports that acetic acid has been assimilated (Non-Patent Documents 5 and 6 and Patent Documents 2 to 4). In addition, acetaldehyde dehydrogenase catalyzes the following reversible reaction.

アセトアルデヒド+NAD+コエンザイムA⇔アセチルコエンザイムA+NADH+H+ Acetaldehyde + NAD + + Coenzyme A ⇔ acetyl coenzyme A + NADH + H +

なお、GPD1・GPD2遺伝子によるグルセリン生産経路は、下記式に示すように、代謝で発生する余剰の補酵素NADHをNADに酸化する経路である。 The glycerin production pathway by the GPD1 and GPD2 genes is a pathway that oxidizes surplus coenzyme NADH generated by metabolism to NAD + as shown in the following formula.

0.5グルコース+NADH+H++ATP→グリセリン+NAD+ADP+Pi 0.5 glucose + NADH + H + + ATP → glycerin + NAD + + ADP + Pi

よってGPD1・GPD2遺伝子を破壊することでこの反応経路を破壊し、アセトアルデヒド脱水素酵素を導入することで余剰の補酵素NADHを供給し、下記の反応が進む。   Therefore, this reaction pathway is disrupted by disrupting the GPD1 and GPD2 genes, and surplus coenzyme NADH is supplied by introducing acetaldehyde dehydrogenase, and the following reaction proceeds.

アセチルコエンザイムA+NADH+H+→アセトアルデヒド+NAD+コエンザイムA Acetyl coenzyme A + NADH + H + → acetaldehyde + NAD + + coenzyme A

また、アセチルコエンザイムAは酢酸からアセチル-CoA合成酵素により合成され、アセトアルデヒドはエタノールに変換されることから、最終的には下記反応式になり、余剰の補酵素NADHが酸化されると同時に、酢酸も代謝される。   In addition, acetyl coenzyme A is synthesized from acetic acid by acetyl-CoA synthase, and acetaldehyde is converted into ethanol.Accordingly, the following reaction formula is finally obtained. Is also metabolized.

酢酸+2NADH+2H++ATP→エタノール+NAD+AMP+Pi Acetic acid + 2NADH + 2H + + ATP → ethanol + NAD + + AMP + Pi

上述したように、酵母に対する酢酸代謝能の付与メカニズムは、グリセリン経路を破壊する必要がある。しかしながら、GPD1遺伝子及びGPD2遺伝子の重複破壊株は、発酵能力が大幅に低下することが知られており、産業レベルでの実用性は低い。   As described above, the mechanism of imparting the ability to metabolize acetate to yeast needs to disrupt the glycerin pathway. However, the GPD1 gene and GPD2 gene double-disrupted strains are known to have significantly reduced fermentation ability, and are not practical at the industrial level.

GPD1・GPD2遺伝子を破壊する代わりに、キシロース代謝経路のキシロースレダクターゼ(XR)及びキシリトールデヒドロゲナーゼ(XDH)を導入することで、XRとXDH間の補酵素依存性の違いによる細胞内の酸化還元状態の不均衡を生じさせることで、余剰の補酵素NADHを供給する報告がある(非特許文献7)。すなわち、XRはキシロースをキシリトールに変換する際に補酵素として、主にNADPHを使用してNADP+に変換する一方、XDHはキシリトールをキシルロースへと変換する際に補酵素として、NAD+を使用してNADHに変換する。この様に両酵素の補酵素に対する要求性のアンバランスを生じることで、その結果NADHが蓄積する。しかし、このXR・XDH導入酵母によるキシロースからのエタノール発酵は、中間代謝物キシリトールが蓄積する。その結果、酢酸は代謝されるものの、エタノール収率が悪いため、実用的ではない。 By introducing xylose reductase (XR) and xylitol dehydrogenase (XDH) in the xylose metabolic pathway instead of disrupting the GPD1 and GPD2 genes, the intracellular redox state due to the difference in the coenzyme between XR and XDH is reduced. There is a report that a surplus coenzyme NADH is supplied by causing imbalance (Non-Patent Document 7). That is, XR uses NAD + as a coenzyme when converting xylose to xylitol, and mainly uses NADPH to convert it to NADP + , while XDH uses NAD + as a coenzyme when converting xylitol to xylulose. To convert to NADH. This imbalance of requirement for coenzymes of both enzymes results in accumulation of NADH. However, the ethanol fermentation from xylose by the XR / XDH-introduced yeast accumulates an intermediate metabolite xylitol. As a result, acetic acid is metabolized, but is not practical because the ethanol yield is poor.

GPD1遺伝子及びGPD2遺伝子の非破壊株にアセトアルデヒド脱水素酵素を導入した報告もある(非特許文献8)。しかしながら、非特許文献8には、アセトアルデヒド脱水素酵素の導入により酢酸の生産量が減少するものの、培地中の酢酸が減少するといった報告はない。さらに、この非特許文献8もまたキシロース資化酵母に関する報告ではない。   There is also a report in which acetaldehyde dehydrogenase was introduced into non-disrupted strains of the GPD1 gene and the GPD2 gene (Non-patent Document 8). However, Non-Patent Document 8 does not report that the amount of acetic acid in the medium is reduced although the production of acetic acid is reduced by the introduction of acetaldehyde dehydrogenase. Furthermore, Non-Patent Document 8 is also not a report on xylose-utilizing yeast.

さらにまた、アセトアルデヒド脱水素酵素遺伝子の導入に加え、トレハロースの生産経路を制御し、細胞内のトレハロース蓄積量を増加させた組換え酵母が、エタノール発酵等の培養の際に酢酸資化を改善できることが報告されている(特許文献5)。   Furthermore, in addition to the introduction of the acetaldehyde dehydrogenase gene, the recombinant yeast that controls the trehalose production pathway and increases intracellular trehalose accumulation can improve acetic acid utilization during culturing such as ethanol fermentation. Has been reported (Patent Document 5).

ところで、シャペロン(分子シャペロンや分子内シャペロンとも称される)は、立体構造が正しくとれていないタンパク質等を修復する機能があるタンパク質で、タンパク質の品質管理に重要な役割を果たしている。シャペロンとして機能する代表的なタンパクは熱ショックタンパク質(Heat shock protein;HSP)として知られている。分子シャペロンは多くのメンバーで構成されており、大腸菌から酵母や哺乳類まであらゆる生物種に保存されている。代表的なメンバーとしては、その分子量に応じてHSP40ファミリー、HSP60ファミリー、HSP70ファミリー、HSP90ファミリー、HSP100ファミリー等がある。   By the way, a chaperone (also referred to as a molecular chaperone or an intramolecular chaperone) is a protein having a function of repairing a protein or the like whose tertiary structure is not properly taken, and plays an important role in protein quality control. A typical protein that functions as a chaperone is known as a heat shock protein (HSP). Molecular chaperones are composed of many members and are conserved in all species, from E. coli to yeast and mammals. Representative members include the HSP40 family, HSP60 family, HSP70 family, HSP90 family, HSP100 family, and the like, depending on their molecular weight.

サッカロマイセス・セレビジエにおいて、異種の分子シャペロンを導入することで、他の異種タンパクの活性を向上させた例として、真正細菌由来のリブロース-1,5-ビスリン酸カルボキシラーゼの活性向上のためにHSP60ファミリーの大腸菌由来のGroLとそのサブユニットのGroSを発現させた例がある(非特許文献9)。   In Saccharomyces cerevisiae, an example of improving the activity of other heterologous proteins by introducing a heterologous molecular chaperone is the HSP60 family of eubacteria-derived ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase. There is an example in which GroL derived from Escherichia coli and its subunit GroS are expressed (Non-Patent Document 9).

特開2009-195220号公報JP 2009-195220A 国際公開第2011/010923号WO 2011/010923 国際公開第2011/140386号WO 2011/140386 国際公開第2014/074895号WO 2014/074895 国際公開第2017/022155号International Publication No. 2017/022155

FEMS Yeast Research, vol. 9, 2009, 358-364FEMS Yeast Research, vol. 9, 2009, 358-364 Enzyme and Microbial Technology 33, 2003, 786-792Enzyme and Microbial Technology 33, 2003, 786-792 Biotechnol. Bioeng. 2009, 103(3):500-512Biotechnol. Bioeng. 2009, 103 (3): 500-512 Biotechnol. Lett. 2011 33: 277-284Biotechnol. Lett. 2011 33: 277-284 Appl. Environ. Microbiol. 2010 76:190-195Appl. Environ. Microbiol. 2010 76: 190-195 Appl Environ Microbiol. 2015, 81, 8108-17Appl Environ Microbiol. 2015, 81, 8108-17 Nat Commun. 2013;4:2580Nat Commun. 2013; 4: 2580 Biotechnol. Lett. 2011, 33:1375-1380Biotechnol. Lett. 2011, 33: 1375-1380 Biotechnol. Biofuels, 2013,6:125Biotechnol. Biofuels, 2013,6: 125

ところが、上述したように、酵母によるエタノール発酵において、グルセリン生産経路の破壊とアセトアルデヒド脱水素酵素の導入を組み合わせることで、ある程度の酢酸資化は可能だが、酵母のエタノール発酵能力自体は低下する。一方、アセトアルデヒド脱水素酵素のみを導入した酵母の酢酸資化能力は不十分である。   However, as described above, in the ethanol fermentation by yeast, by combining the disruption of the glycerin production pathway and the introduction of acetaldehyde dehydrogenase, it is possible to utilize acetic acid to some extent, but the ethanol fermentation ability of the yeast itself decreases. On the other hand, the ability of the yeast into which only acetaldehyde dehydrogenase has been introduced to utilize acetic acid is insufficient.

そこで、本発明は、これらの実情に鑑み、エタノールの発酵が低下するグルセリン生産経路の破壊を伴わずに酢酸資化能力が向上した組換え酵母及び当該組換え酵母を用いたエタノールの製造方法を提供することを目的とする。   In view of these circumstances, the present invention provides a recombinant yeast having improved acetic acid assimilation ability without disrupting the glycerin production pathway in which ethanol fermentation is reduced, and a method for producing ethanol using the recombinant yeast. The purpose is to provide.

上記課題を解決するため鋭意研究を行った結果、アセトアルデヒド脱水素酵素遺伝子の導入に加え、所定のシャペロン(分子シャペロン及び分子内シャペロンと同義)を導入した組換え酵母が、エタノール発酵等の培養の際に酢酸資化を改善できることを見出し、本発明を完成するに至った。   As a result of intensive studies to solve the above problems, in addition to the introduction of the acetaldehyde dehydrogenase gene, recombinant yeast into which a predetermined chaperone (synonymous to molecular chaperone and intramolecular chaperone) has been introduced can be used for cultivation such as ethanol fermentation. At this time, they found that acetic acid utilization could be improved, and completed the present invention.

すなわち、本発明は、以下を包含する。
(1)アセトアルデヒド脱水素酵素遺伝子と、HSP70ファミリー又はHSP40ファミリーに属する分子シャペロン遺伝子を導入した組換え酵母。
(2)上記HSP70ファミリーに属する分子シャペロン遺伝子は、大腸菌由来のDnaK遺伝子又はその相同遺伝子である、(1)記載の組換え酵母。
(3)上記大腸菌由来のDnaK遺伝子は、以下の(a)又は(b)のタンパク質をコードする遺伝子である、(2)記載の組換え酵母。
(a)配列番号2に示すアミノ酸配列からなるタンパク質
(b)配列番号2に示すアミノ酸配列に対して90%以上の同一性を有するアミノ酸配列から成り、且つ分子シャペロン活性を有するタンパク質
(4)上記相同遺伝子は、サッカロマイセス・セレビジエ(Saccharomyces cerevisiae)におけるSSA1、SSA2、SSA3、SSA4、SSB1、SSB2、SSE1、SSE2、SSZ1、KAR2、LHS1、SSC1、SSQ1及びECM10からなる群から選ばれる一種のタンパク質をコードする遺伝子である、(2)記載の組換え酵母。
(5)上記HSP40ファミリーに属する分子シャペロン遺伝子は、大腸菌由来のDnaJ遺伝子又はその相同遺伝子である、(1)記載の組換え酵母。
(6)上記大腸菌由来のDnaJ遺伝子は、以下の(a)又は(b)のタンパク質をコードする遺伝子である、(5)記載の組換え酵母。
(a)配列番号4に示すアミノ酸配列からなるタンパク質
(b)配列番号4に示すアミノ酸配列に対して90%以上の同一性を有するアミノ酸配列から成り、且つ分子シャペロン活性を有するタンパク質
(7)上記相同遺伝子は、サッカロマイセス・セレビジエ(Saccharomyces cerevisiae)におけるYDJ1、XDJ1、APJ1、SIS1、DJP1、ZUO1、SWA2、JJJ1、JJJ2、JJJ3、CAJ1、CWC23、MDJ1、MDJ2、PAM18、JAC1、JID1、SCJ1、HLJ1、JEM1、SEC63及びERJ5からなる群から選ばれる一種のタンパク質をコードする遺伝子である、(5)記載の組換え酵母。
(8)アセトアルデヒド脱水素酵素遺伝子は、大腸菌由来のアセトアルデヒド脱水素酵素をコードするものである、(1)記載の組換え酵母。
(9)上記大腸菌由来のアセトアルデヒド脱水素酵素は、以下の(a)又は(b)のタンパク質である、(8)記載の組換え酵母。
(a)配列番号6、8又は10に示すアミノ酸配列から成るタンパク質
(b)配列番号6、8又は10に示すアミノ酸配列に対して90%以上の同一性を有するアミノ酸配列から成り、且つアセトアルデヒド脱水素酵素活性を有するタンパク質
(10)更にキシロースイソメラーゼ遺伝子が導入されたものである、(1)〜(9)のいずれか1記載の組換え酵母。
(11)キシロースイソメラーゼは、以下の(a)又は(b)のタンパク質である、(10)記載の組換え酵母。
(a)配列番号16に示すアミノ酸配列から成るタンパク質
(b)配列番号16に示すアミノ酸配列に対して90%以上の同一性を有するアミノ酸配列から成り、キシロースをキシルロースにする酵素活性を有するタンパク質
(12)更にキシルロキナーゼ遺伝子が導入されたものである、(1)〜(11)のいずれか1記載の組換え酵母。
(13)ペントースリン酸経路における非酸化過程の経路を構成する酵素群より選択される酵素をコードする遺伝子が更に導入されたものである、(1)〜(12)のいずれか1記載の組換え酵母。
(14)上記ペントースリン酸経路における非酸化過程の経路を構成する酵素群は、リボース-5-リン酸イソメラーゼ、リブロース-5-リン酸-3-エピメラーゼ、トランスケトラーゼ及びトランスアルドラーゼである、(13)記載の組換え酵母。
(15)アセトアルデヒドをエタノールに変換する活性を有するアルコール脱水素酵素遺伝子を高発現する、(1)〜(14)のいずれか1記載の組換え酵母。
(16)エタノールをアセトアルデヒドに変換する活性を有するアルコール脱水素酵素遺伝子の発現量が低下したものである、(1)〜(15)のいずれか1記載の組換え酵母。
(17)(1)〜(16)のいずれか1記載の組換え酵母を、グルコース及び/又はキシロースを含有する培地において培養してエタノール発酵を行う工程を含む、エタノールの製造方法。
(18)上記培地はセルロースを含有しており、上記エタノール発酵では、少なくともセルロースの糖化が同時に進行する、(17)記載の方法。
That is, the present invention includes the following.
(1) A recombinant yeast into which an acetaldehyde dehydrogenase gene and a molecular chaperone gene belonging to the HSP70 family or the HSP40 family have been introduced.
(2) The recombinant yeast according to (1), wherein the molecular chaperone gene belonging to the HSP70 family is a DnaK gene derived from Escherichia coli or a homologous gene thereof.
(3) The recombinant yeast according to (2), wherein the E. coli-derived DnaK gene is a gene encoding the following protein (a) or (b).
(a) a protein consisting of the amino acid sequence shown in SEQ ID NO: 2
(b) a protein consisting of an amino acid sequence having 90% or more identity to the amino acid sequence shown in SEQ ID NO: 2 and having a molecular chaperone activity (4) The homologous gene is SSA1 in Saccharomyces cerevisiae (2) the recombinant yeast according to (2), which is a gene encoding a protein selected from the group consisting of SSA2, SSA3, SSA4, SSB1, SSB2, SSE1, SSE2, SSZ1, KAR2, LHS1, SSC1, SSQ1, and ECM10. .
(5) The recombinant yeast according to (1), wherein the molecular chaperone gene belonging to the HSP40 family is a DnaJ gene derived from Escherichia coli or a homologous gene thereof.
(6) The recombinant yeast according to (5), wherein the E. coli-derived DnaJ gene is a gene encoding the following protein (a) or (b).
(a) a protein consisting of the amino acid sequence shown in SEQ ID NO: 4
(b) a protein consisting of an amino acid sequence having 90% or more identity to the amino acid sequence shown in SEQ ID NO: 4 and having a molecular chaperone activity (7) The homologous gene is YDJ1 in Saccharomyces cerevisiae , XDJ1, APJ1, SIS1, DJP1, ZUO1, SWA2, JJJ1, JJJ2, JJJ3, CAJ1, CWC23, MDJ1, MDJ2, PAM18, JAC1, JID1, SCJ1, HLJ1, JEM1, SEC63 and ERJ5 The recombinant yeast according to (5), which is a gene encoding a protein.
(8) The recombinant yeast according to (1), wherein the acetaldehyde dehydrogenase gene encodes acetaldehyde dehydrogenase derived from Escherichia coli.
(9) The recombinant yeast according to (8), wherein the acetaldehyde dehydrogenase derived from Escherichia coli is a protein of the following (a) or (b).
(a) a protein consisting of the amino acid sequence shown in SEQ ID NO: 6, 8 or 10
(b) a protein consisting of an amino acid sequence having 90% or more identity to the amino acid sequence shown in SEQ ID NO: 6, 8 or 10, and having acetaldehyde dehydrogenase activity (10) a xylose isomerase gene was further introduced The recombinant yeast according to any one of (1) to (9).
(11) The recombinant yeast according to (10), wherein the xylose isomerase is a protein of the following (a) or (b):
(a) a protein consisting of the amino acid sequence of SEQ ID NO: 16
(b) a protein comprising an amino acid sequence having 90% or more identity to the amino acid sequence shown in SEQ ID NO: 16 and having an enzymatic activity to convert xylose into xylulose The recombinant yeast according to any one of (1) to (11).
(13) The recombination according to any one of (1) to (12), wherein a gene encoding an enzyme selected from a group of enzymes constituting a non-oxidation process pathway in the pentose phosphate pathway is further introduced. yeast.
(14) The group of enzymes constituting the non-oxidation process pathway in the pentose phosphate pathway is ribose-5-phosphate isomerase, ribulose-5-phosphate-3-epimerase, transketolase, and transaldolase. )).
(15) The recombinant yeast according to any one of (1) to (14), which highly expresses an alcohol dehydrogenase gene having an activity of converting acetaldehyde to ethanol.
(16) The recombinant yeast according to any one of (1) to (15), wherein the expression level of an alcohol dehydrogenase gene having an activity of converting ethanol to acetaldehyde is reduced.
(17) A method for producing ethanol, comprising a step of culturing the recombinant yeast according to any one of (1) to (16) in a medium containing glucose and / or xylose to perform ethanol fermentation.
(18) The method according to (17), wherein the medium contains cellulose, and in the ethanol fermentation, at least saccharification of cellulose proceeds simultaneously.

本発明に係る組換え酵母によれば、エタノール発酵等の培養に際して培地中の酢酸濃度を低減することができる。したがって、本発明に係る組換え酵母を利用することで、培地中の酢酸に起因する発酵阻害を効果的に回避することができる。その結果、本発明に係る組換え酵母を利用したエタノールの製造方法では、エタノール発酵の効率を高く維持することができ、優れたエタノール収率を達成することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to the recombinant yeast which concerns on this invention, the acetic acid concentration in a culture medium can be reduced at the time of culture | cultivation, such as ethanol fermentation. Therefore, by using the recombinant yeast according to the present invention, fermentation inhibition caused by acetic acid in the medium can be effectively avoided. As a result, in the method for producing ethanol using the recombinant yeast according to the present invention, the efficiency of ethanol fermentation can be kept high, and an excellent ethanol yield can be achieved.

また、本発明に係る組換え酵母を利用したエタノールの製造方法によれば、例えば、組換え酵母を再利用する場合や連続培養に使用する場合において酢酸の持ち込み量を低減することができ、優れたエタノール収率を維持することができる。   In addition, according to the method for producing ethanol using the recombinant yeast according to the present invention, for example, when the recombinant yeast is reused or used for continuous culture, the amount of acetic acid brought in can be reduced, and the method is excellent. Ethanol yield can be maintained.

<組換え酵母>
本発明に係る組換え酵母は、アセトアルデヒド脱水素酵素遺伝子及びHSP70ファミリー又はHSP40ファミリーに属する分子シャペロン遺伝子を導入した組換え酵母である。本発明に係る組換え酵母は、培地に含まれる酢酸を代謝することができ、エタノール発酵等の培養に伴って培地中の酢酸濃度が低減するといった特徴がある。
<Recombinant yeast>
The recombinant yeast according to the present invention is a recombinant yeast into which an acetaldehyde dehydrogenase gene and a molecular chaperone gene belonging to the HSP70 family or the HSP40 family have been introduced. The recombinant yeast according to the present invention is characterized in that it can metabolize acetic acid contained in a medium, and the acetic acid concentration in the medium decreases with culturing such as ethanol fermentation.

ここで、HSP70ファミリーに属する分子シャペロン遺伝子は、ATPの加水分解のエネルギーを利用して多くの種類のタンパク質の構造形成や機能発現に関わっている分子シャペロンの一種をコードしている。酵母に導入するHSP70ファミリーに属する分子シャペロン遺伝子としては、特に限定されず、如何なる生物由来の遺伝子を使用しても良い。また、HSP70ファミリーに属する分子シャペロン遺伝子は、酵母等の真菌以外の生物、例えば、細菌や動物、植物、昆虫、藻類由来の遺伝子を使用する場合、導入する酵母におけるコドン使用頻度に併せて塩基配列を改変した遺伝子を使用することが好ましい。   Here, the molecular chaperone gene belonging to the HSP70 family encodes one of molecular chaperones involved in the structure formation and function expression of many types of proteins using the energy of ATP hydrolysis. The molecular chaperone gene belonging to the HSP70 family to be introduced into yeast is not particularly limited, and a gene derived from any organism may be used. Further, the molecular chaperone gene belonging to the HSP70 family, organisms other than fungi such as yeast, for example, bacteria and animals, plants, insects, when using genes derived from algae, the nucleotide sequence according to the codon usage in the yeast to be introduced It is preferable to use a gene in which is modified.

HSP70ファミリーに属する分子シャペロン遺伝子としては、特に限定されないが、例えば大腸菌におけるDnaKと呼称される分子シャペロンをコードする遺伝子(DnaK遺伝子)又はその相同遺伝子(DnaK相同遺伝子)を挙げることができる。   The molecular chaperone gene belonging to the HSP70 family is not particularly limited, and examples thereof include a gene encoding a molecular chaperone called DnaK in Escherichia coli (DnaK gene) or a homologous gene thereof (DnaK homologous gene).

DnaK遺伝子の塩基配列及びDnaK遺伝子がコードするタンパク質のアミノ酸配列をそれぞれ配列番号1及び2に示す。また、DnaK相同遺伝子としては、サッカロマイセス・セレビジエにおけるSSA1、SSA2、SSA3、SSA4、SSB1、SSB2、SSE1、SSE2、SSZ1、KAR2、LHS1、SSC1、SSQ1及びECM10からなる群から選ばれる一種のタンパク質をコードする遺伝子を挙げることができる。これらサッカロマイセス・セレビジエにおけるDnaK相同遺伝子に関する塩基配列及びアミノ酸配列は、Saccharomyces GENOME DATABASEやGenBank等のデータベースより取得することができる。   The nucleotide sequence of the DnaK gene and the amino acid sequence of the protein encoded by the DnaK gene are shown in SEQ ID NOs: 1 and 2, respectively. As the DnaK homologous gene, SSA1, SSA2, SSA3, SSA4, SSB1, SSB2, SSE1, SSE2, SSZ1, SZ1, KAR2, LHS1, SSC1, SSQ1 in Saccharomyces cerevisiae, and a kind of protein selected from the group consisting of ECM10 Genes that can be used. The nucleotide sequence and amino acid sequence of the DnaK homologous gene in Saccharomyces cerevisiae can be obtained from databases such as Saccharomyces GENOME DATABASE and GenBank.

ただし、DnaK遺伝子としては、配列番号1及び2にて特定されるものに限定されず、HSP70ファミリーに属する分子シャペロンであれば、塩基配列やアミノ酸配列は異なるがパラログの関係又は狭義のホモログの関係にある遺伝子であっても良い。   However, the DnaK gene is not limited to those specified in SEQ ID NOs: 1 and 2, and if it is a molecular chaperone belonging to the HSP70 family, the base sequence and amino acid sequence are different, but the relationship of paralogs or the relationship of homologs in a narrow sense is different. May be the gene in the above.

また、HSP70ファミリーに属する分子シャペロン遺伝子は、これら配列番号1及び2にて特定されるものに限定されず、例えば、配列番号2のアミノ酸配列に対して70%以上、好ましくは80%以上、より好ましくは90%以上、最も好ましくは95%以上の配列類似性又は同一性を有するアミノ酸配列からなり、且つHSP70ファミリーに属する分子シャペロンをコードするものでも良い。配列類似性及び同一性の値は、BLASTアルゴリズムを実装したBLASTNやBLASTXプログラムにより算出することができる(デフォルトの設定)。なお、配列類似性の値は、一対のアミノ酸配列をペアワイズ・アライメント分析した際に完全に一致するアミノ酸残基と、物理化学的に機能が類似するアミノ酸残基との合計を算出し、比較した全アミノ酸残基中の上記合計数の割合として算出される。なお、同一性の値は、一対のアミノ酸配列をペアワイズ・アライメント分析した際に完全に一致するアミノ酸残基を算出し、比較した全アミノ酸残基中の上記アミノ酸残基数の割合として算出される。   The molecular chaperone genes belonging to the HSP70 family are not limited to those specified by SEQ ID NOs: 1 and 2, and may be, for example, 70% or more, preferably 80% or more, based on the amino acid sequence of SEQ ID NO: 2. It may be composed of an amino acid sequence having preferably 90% or more, most preferably 95% or more sequence similarity or identity, and may encode a molecular chaperone belonging to the HSP70 family. Sequence similarity and identity values can be calculated by the BLASTN or BLASTX programs implementing the BLAST algorithm (default settings). The value of sequence similarity was calculated by calculating the sum of amino acid residues that completely match when a pair of amino acid sequences were subjected to pairwise alignment analysis and amino acid residues having physicochemically similar functions. It is calculated as the ratio of the total number in all amino acid residues. Note that the identity value is calculated as a ratio of the number of the amino acid residues in all the compared amino acid residues by calculating an amino acid residue that completely matches when a pair of amino acid sequences are subjected to pairwise alignment analysis. .

さらに、HSP70ファミリーに属する分子シャペロン遺伝子は、これら配列番号1及び2にて特定されるものに限定されず、例えば、配列番号2のアミノ酸配列に対して、1又は数個のアミノ酸が置換、欠失、挿入又は付加されたアミノ酸配列を有し、HSP70ファミリーに属する分子シャペロンをコードするものでも良い。ここで、数個とは、例えば、2〜30個、好ましくは2〜20個、より好ましくは2〜10個、最も好ましくは2〜5個である。   Furthermore, the molecular chaperone genes belonging to the HSP70 family are not limited to those specified by SEQ ID NOS: 1 and 2, and for example, one or several amino acids may be substituted or deleted from the amino acid sequence of SEQ ID NO: 2. It may have a lost, inserted or added amino acid sequence and may encode a molecular chaperone belonging to the HSP70 family. Here, the number is, for example, 2 to 30, preferably 2 to 20, more preferably 2 to 10, and most preferably 2 to 5.

さらにまた、HSP70ファミリーに属する分子シャペロン遺伝子は、これら配列番号1及び2にて特定されるものに限定されず、例えば、配列番号1の塩基配列から成るDNAの相補鎖の全部又は一部に対して、ストリンジェントな条件下でハイブリダイズし、且つHSP70ファミリーに属する分子シャペロンをコードするものでもよい。ここでいう「ストリンジェントな条件」とはいわゆる特異的なハイブリッドが形成され、非特異的なハイブリッドが形成されない条件を意味し、例えばMolecular Cloning: A Laboratory Manual(Third Edition)を参照して適宜決定することができる。具体的には、サザンハイブリダイゼーションの際の温度や溶液に含まれる塩濃度、及びサザンハイブリダイゼーションの洗浄工程の際の温度や溶液に含まれる塩濃度によりストリンジェンシーを設定することができる。より詳細には、ストリンジェントな条件としては、例えば、ナトリウム濃度が25〜500mM、好ましくは25〜300mMであり、温度が42〜68℃、好ましくは42〜65℃である。より具体的には、5×SSC(83mM NaCl、83mMクエン酸ナトリウム)、温度42℃である。   Furthermore, molecular chaperone genes belonging to the HSP70 family are not limited to those specified in SEQ ID NOs: 1 and 2, and include, for example, all or part of the complementary strand of DNA consisting of the nucleotide sequence of SEQ ID NO: 1. Alternatively, it may hybridize under stringent conditions and encode a molecular chaperone belonging to the HSP70 family. The term "stringent conditions" as used herein means conditions under which a so-called specific hybrid is formed and a non-specific hybrid is not formed, and is appropriately determined by referring to, for example, Molecular Cloning: A Laboratory Manual (Third Edition). can do. Specifically, the stringency can be set according to the temperature at the time of Southern hybridization or the salt concentration contained in the solution, and the temperature at the washing step of Southern hybridization or the salt concentration contained in the solution. More specifically, as stringent conditions, for example, the sodium concentration is 25 to 500 mM, preferably 25 to 300 mM, and the temperature is 42 to 68 ° C, preferably 42 to 65 ° C. More specifically, 5 × SSC (83 mM NaCl, 83 mM sodium citrate) is at a temperature of 42 ° C.

上述したように、配列番号1と異なる塩基配列からなる遺伝子、又は配列番号2とは異なるアミノ酸配列をコードする遺伝子が、HSP70ファミリーに属する分子シャペロン遺伝子として機能するか否かは、当該遺伝子を適当なプロモーターとターミネーター等の間に組み込んだ発現ベクターを作製し、この発現ベクターを用いて例えば大腸菌等の宿主を形質転換し、発現するタンパク質がHSP70ファミリーに属する分子シャペロンとして機能するかを評価すればよい。タンパク質がHSP70ファミリーに属する分子シャペロンとして機能するかは、例えば、Sophia Diamant et al., J. Biol. Chem. 275, 21107-21113 (2000)におけるChaperone Activity Assayの欄に記載された方法により評価することができる。   As described above, whether a gene having a nucleotide sequence different from SEQ ID NO: 1 or a gene encoding an amino acid sequence different from SEQ ID NO: 2 functions as a molecular chaperone gene belonging to the HSP70 family is determined by determining whether the gene is suitable. If an expression vector integrated between a promoter and a terminator is prepared, a host such as Escherichia coli is transformed using the expression vector, and it is evaluated whether the expressed protein functions as a molecular chaperone belonging to the HSP70 family. Good. Whether the protein functions as a molecular chaperone belonging to the HSP70 family is evaluated, for example, by the method described in the section of Chaperone Activity Assay in Sophia Diamant et al., J. Biol. Chem. 275, 21107-21113 (2000). be able to.

一方、HSP40ファミリーに属する分子シャペロン遺伝子は、ATPに依存せず、HSP40ファミリーの分子シャペロンの機能発現を制御するコシャペロンをコードしている。酵母に導入するHSP40ファミリーに属する分子シャペロン遺伝子としては、特に限定されず、如何なる生物由来の遺伝子を使用しても良い。また、HSP40ファミリーに属する分子シャペロン遺伝子は、酵母等の真菌以外の生物、例えば、細菌や動物、植物、昆虫、藻類由来の遺伝子を使用する場合、導入する酵母におけるコドン使用頻度に併せて塩基配列を改変した遺伝子を使用することが好ましい。   On the other hand, the molecular chaperone gene belonging to the HSP40 family encodes a cochaperone that controls the functional expression of the HSP40 family molecular chaperone without depending on ATP. The molecular chaperone gene belonging to the HSP40 family to be introduced into yeast is not particularly limited, and a gene derived from any organism may be used. Further, the molecular chaperone gene belonging to the HSP40 family, organisms other than fungi such as yeast, for example, bacteria and animals, plants, insects, when using genes derived from algae, the nucleotide sequence according to the codon usage in the yeast to be introduced It is preferable to use a gene in which is modified.

HSP40ファミリーに属する分子シャペロン遺伝子としては、特に限定されないが、例えば大腸菌におけるDnaJと呼称される分子シャペロンをコードする遺伝子(DnaJ遺伝子)又はその相同遺伝子(DnaJ相同遺伝子)を挙げることができる。   The molecular chaperone gene belonging to the HSP40 family is not particularly limited, and examples thereof include a gene encoding a molecular chaperone called DnaJ in Escherichia coli (DnaJ gene) or a homologous gene thereof (DnaJ homologous gene).

DnaJ遺伝子の塩基配列及びDnaJ遺伝子がコードするタンパク質のアミノ酸配列をそれぞれ配列番号3及び4に示す。また、DnaJ相同遺伝子としては、サッカロマイセス・セレビジエにおけるYDJ1、XDJ1、APJ1、SIS1、DJP1、ZUO1、SWA2、JJJ1、JJJ2、JJJ3、CAJ1、CWC23、MDJ1、MDJ2、PAM18、JAC1、JID1、SCJ1、HLJ1、JEM1、SEC63及びERJ5からなる群から選ばれる一種のタンパク質をコードする遺伝子を挙げることができる。これらサッカロマイセス・セレビジエにおけるDnaJ相同遺伝子に関する塩基配列及びアミノ酸配列は、Saccharomyces GENOME DATABASEやGenBank等のデータベースより取得することができる。   The nucleotide sequence of the DnaJ gene and the amino acid sequence of the protein encoded by the DnaJ gene are shown in SEQ ID NOs: 3 and 4, respectively. Further, as DnaJ homologous genes, YDJ1, XDJ1, APJ1, SIS1, DJP1, ZUO1, SWA2, JJJ1, JJJ2, JJJ3, CAJ1, CWC23, MDJ1, MDJ2, PAM18, JAC1, JID1, SCJ1, HLJ1 in Saccharomyces cerevisiae Examples include a gene encoding one kind of protein selected from the group consisting of JEM1, SEC63 and ERJ5. The nucleotide sequence and amino acid sequence of the DnaJ homologous gene in Saccharomyces cerevisiae can be obtained from databases such as Saccharomyces GENOME DATABASE and GenBank.

ただし、DnaJ遺伝子としては、配列番号3及び4にて特定されるものに限定されず、HSP40ファミリーに属する分子シャペロンであれば、塩基配列やアミノ酸配列は異なるがパラログの関係又は狭義のホモログの関係にある遺伝子であっても良い。   However, the DnaJ gene is not limited to those specified in SEQ ID NOs: 3 and 4, and if it is a molecular chaperone belonging to the HSP40 family, the base sequence and amino acid sequence are different, but the relationship of paralogs or the relationship of homologs in a narrow sense is different. May be the gene in the above.

また、HSP40ファミリーに属する分子シャペロン遺伝子は、これら配列番号3及び4にて特定されるものに限定されず、例えば、配列番号4のアミノ酸配列に対して70%以上、好ましくは80%以上、より好ましくは90%以上、最も好ましくは95%以上の配列類似性又は同一性を有するアミノ酸配列からなり、且つHSP40ファミリーに属する分子シャペロンをコードするものでも良い。配列類似性及び同一性の値は、BLASTアルゴリズムを実装したBLASTNやBLASTXプログラムにより算出することができる(デフォルトの設定)。なお、配列類似性の値は、一対のアミノ酸配列をペアワイズ・アライメント分析した際に完全に一致するアミノ酸残基と、物理化学的に機能が類似するアミノ酸残基との合計を算出し、比較した全アミノ酸残基中の上記合計数の割合として算出される。なお、同一性の値は、一対のアミノ酸配列をペアワイズ・アライメント分析した際に完全に一致するアミノ酸残基を算出し、比較した全アミノ酸残基中の上記アミノ酸残基数の割合として算出される。   The molecular chaperone genes belonging to the HSP40 family are not limited to those specified by SEQ ID NOs: 3 and 4, and may be, for example, 70% or more, preferably 80% or more, based on the amino acid sequence of SEQ ID NO: 4. It may consist of an amino acid sequence having preferably 90% or more, most preferably 95% or more sequence similarity or identity, and may encode a molecular chaperone belonging to the HSP40 family. Sequence similarity and identity values can be calculated by the BLASTN or BLASTX programs implementing the BLAST algorithm (default settings). The value of sequence similarity was calculated by calculating the sum of amino acid residues that completely match when a pair of amino acid sequences were subjected to pairwise alignment analysis and amino acid residues having physicochemically similar functions. It is calculated as the ratio of the total number in all amino acid residues. Note that the identity value is calculated as a ratio of the number of the amino acid residues in all the compared amino acid residues by calculating an amino acid residue that completely matches when a pair of amino acid sequences are subjected to pairwise alignment analysis. .

さらに、HSP40ファミリーに属する分子シャペロン遺伝子は、これら配列番号3及び4にて特定されるものに限定されず、例えば、配列番号4のアミノ酸配列に対して、1又は数個のアミノ酸が置換、欠失、挿入又は付加されたアミノ酸配列を有し、HSP40ファミリーに属する分子シャペロンをコードするものでも良い。ここで、数個とは、例えば、2〜30個、好ましくは2〜20個、より好ましくは2〜10個、最も好ましくは2〜5個である。   Furthermore, the molecular chaperone genes belonging to the HSP40 family are not limited to those specified by SEQ ID NOS: 3 and 4, and for example, one or several amino acids may be substituted or deleted from the amino acid sequence of SEQ ID NO: 4. It may have a lost, inserted or added amino acid sequence and encode a molecular chaperone belonging to the HSP40 family. Here, the number is, for example, 2 to 30, preferably 2 to 20, more preferably 2 to 10, and most preferably 2 to 5.

さらにまた、HSP40ファミリーに属する分子シャペロン遺伝子は、これら配列番号3及び4にて特定されるものに限定されず、例えば、配列番号3の塩基配列から成るDNAの相補鎖の全部又は一部に対して、ストリンジェントな条件下でハイブリダイズし、且つHSP40ファミリーに属する分子シャペロンをコードするものでもよい。ここでいう「ストリンジェントな条件」とはいわゆる特異的なハイブリッドが形成され、非特異的なハイブリッドが形成されない条件を意味し、例えばMolecular Cloning: A Laboratory Manual(Third Edition)を参照して適宜決定することができる。具体的には、サザンハイブリダイゼーションの際の温度や溶液に含まれる塩濃度、及びサザンハイブリダイゼーションの洗浄工程の際の温度や溶液に含まれる塩濃度によりストリンジェンシーを設定することができる。より詳細には、ストリンジェントな条件としては、例えば、ナトリウム濃度が25〜500mM、好ましくは25〜300mMであり、温度が42〜68℃、好ましくは42〜65℃である。より具体的には、5×SSC(83mM NaCl、83mMクエン酸ナトリウム)、温度42℃である。   Furthermore, the molecular chaperone genes belonging to the HSP40 family are not limited to those specified by SEQ ID NOs: 3 and 4, and include, for example, all or a part of the complementary strand of DNA consisting of the nucleotide sequence of SEQ ID NO: 3. Alternatively, it may hybridize under stringent conditions and encode a molecular chaperone belonging to the HSP40 family. The term "stringent conditions" as used herein means conditions under which a so-called specific hybrid is formed and a non-specific hybrid is not formed, and is appropriately determined by referring to, for example, Molecular Cloning: A Laboratory Manual (Third Edition). can do. Specifically, the stringency can be set according to the temperature at the time of Southern hybridization or the salt concentration contained in the solution, and the temperature at the washing step of Southern hybridization or the salt concentration contained in the solution. More specifically, as stringent conditions, for example, the sodium concentration is 25 to 500 mM, preferably 25 to 300 mM, and the temperature is 42 to 68 ° C, preferably 42 to 65 ° C. More specifically, 5 × SSC (83 mM NaCl, 83 mM sodium citrate) is at a temperature of 42 ° C.

上述したように、配列番号3と異なる塩基配列からなる遺伝子、又は配列番号4とは異なるアミノ酸配列をコードする遺伝子が、HSP40ファミリーに属する分子シャペロン遺伝子として機能するか否かは、当該遺伝子を適当なプロモーターとターミネーター等の間に組み込んだ発現ベクターを作製し、この発現ベクターを用いて例えば大腸菌等の宿主を形質転換し、発現するタンパク質がHSP40ファミリーに属する分子シャペロンとして機能するかを評価すればよい。タンパク質がHSP40ファミリーに属する分子シャペロンとして機能するかは、例えば、Sophia Diamant et al., J. Biol. Chem. 275, 21107-21113 (2000)におけるChaperone Activity Assayの欄に記載された方法により評価することができる。   As described above, whether a gene having a nucleotide sequence different from SEQ ID NO: 3 or a gene encoding an amino acid sequence different from SEQ ID NO: 4 functions as a molecular chaperone gene belonging to the HSP40 family depends on whether the gene is appropriate. When an expression vector incorporated between a promoter and a terminator is prepared, a host such as Escherichia coli is transformed using this expression vector, and it is evaluated whether the expressed protein functions as a molecular chaperone belonging to the HSP40 family. Good. Whether the protein functions as a molecular chaperone belonging to the HSP40 family is evaluated, for example, by the method described in the Chaperone Activity Assay column in Sophia Diamant et al., J. Biol. Chem. 275, 21107-21113 (2000). be able to.

ところで、本発明に係る組換え酵母は、上述したHSP70ファミリー又はHSP40ファミリーに属する分子シャペロン遺伝子のみならず、アセトアルデヒド脱水素酵素遺伝子を導入した組換え酵母である。導入するアセトアルデヒド脱水素酵素遺伝子としては、特に限定されず、如何なる生物由来の遺伝子を使用しても良い。また、アセトアルデヒド脱水素酵素遺伝子は、酵母等の真菌以外の生物、例えば、細菌や動物、植物、昆虫、藻類由来の遺伝子を使用する場合、導入する酵母におけるコドン使用頻度に併せて塩基配列を改変した遺伝子を使用することが好ましい。   Incidentally, the recombinant yeast according to the present invention is a recombinant yeast into which not only the molecular chaperone gene belonging to the HSP70 family or the HSP40 family described above but also the acetaldehyde dehydrogenase gene has been introduced. The acetaldehyde dehydrogenase gene to be introduced is not particularly limited, and a gene derived from any organism may be used. In addition, the acetaldehyde dehydrogenase gene, when using genes derived from organisms other than fungi such as yeast, for example, bacteria, animals, plants, insects, and algae, modify the nucleotide sequence according to the codon usage in the yeast to be introduced. It is preferable to use a gene which has been prepared.

より具体的に、アセトアルデヒド脱水素酵素遺伝子としては、大腸菌におけるmhpF遺伝子や、Applied and Environmental Microbiology, May 2004, p. 2892-2897, Vol. 70, No. 5に開示されるようにEntamoeba histolyticaにおけるALDH1遺伝子を使用することができる。ここで、大腸菌におけるmhpF遺伝子の塩基配列及びmhpF遺伝子がコードするタンパク質のアミノ酸配列をそれぞれ配列番号5及び6に示す。   More specifically, the acetaldehyde dehydrogenase gene includes the mhpF gene in Escherichia coli and ALDH1 in Entamoeba histolytica as disclosed in Applied and Environmental Microbiology, May 2004, p. 2892-2897, Vol. 70, No. 5. Genes can be used. Here, the nucleotide sequence of the mhpF gene in Escherichia coli and the amino acid sequence of the protein encoded by the mhpF gene are shown in SEQ ID NOS: 5 and 6, respectively.

ただし、アセトアルデヒド脱水素酵素遺伝子としては、配列番号5及び6にて特定されるものに限定されず、EC番号1.2.1.10に定義される酵素であれば、塩基配列やアミノ酸配列は異なるがパラログの関係又は狭義のホモログの関係にある遺伝子であっても良い。アセトアルデヒド脱水素酵素遺伝子としては、例えば、大腸菌におけるadhE遺伝子及びeutE遺伝子、Clostridium beijerinckii由来のアセトアルデヒド脱水素酵素遺伝子及びChlamydomonas reinhardtii由来のアセトアルデヒド脱水素酵素遺伝子を挙げることができる。ここで、大腸菌におけるadhE遺伝子の塩基配列及びadhE遺伝子がコードするタンパク質のアミノ酸配列をそれぞれ配列番号7及び8に示す。また、大腸菌におけるeutE遺伝子の塩基配列及びeutE遺伝子がコードするタンパク質のアミノ酸配列をそれぞれ配列番号9及び10に示す。さらに、Clostridium beijerinckii由来のアセトアルデヒド脱水素酵素遺伝子の塩基配列及びこの遺伝子がコードするタンパク質のアミノ酸配列をそれぞれ配列番号11及び12に示す。また、Chlamydomonas reinhardtii由来のアセトアルデヒド脱水素酵素遺伝子の塩基配列及びこの遺伝子がコードするタンパク質のアミノ酸配列をそれぞれ配列番号13及び14に示す。   However, the acetaldehyde dehydrogenase gene is not limited to those specified in SEQ ID NOS: 5 and 6, and the enzyme defined in EC No. 1.2.1.10 has a different base sequence and amino acid sequence but a paralog. It may be a gene having a relation or a homolog relation in a narrow sense. Examples of the acetaldehyde dehydrogenase gene include the adhE gene and eutE gene in Escherichia coli, the acetaldehyde dehydrogenase gene derived from Clostridium beijerinckii, and the acetaldehyde dehydrogenase gene derived from Chlamydomonas reinhardtii. Here, the nucleotide sequence of the adhE gene in Escherichia coli and the amino acid sequence of the protein encoded by the adhE gene are shown in SEQ ID NOs: 7 and 8, respectively. The nucleotide sequence of the eutE gene in Escherichia coli and the amino acid sequence of the protein encoded by the eutE gene are shown in SEQ ID NOS: 9 and 10, respectively. Furthermore, the nucleotide sequence of the acetaldehyde dehydrogenase gene derived from Clostridium beijerinckii and the amino acid sequence of the protein encoded by this gene are shown in SEQ ID NOS: 11 and 12, respectively. The nucleotide sequence of the acetaldehyde dehydrogenase gene derived from Chlamydomonas reinhardtii and the amino acid sequence of the protein encoded by this gene are shown in SEQ ID NOS: 13 and 14, respectively.

また、アセトアルデヒド脱水素酵素遺伝子は、これら配列番号5及び6、7及び8、9及び10、11及び12並びに13及び14にて特定されるものに限定されず、例えば、配列番号6、8、10、12又は14のアミノ酸配列に対して70%以上、好ましくは80%以上、より好ましくは90%以上、最も好ましくは95%以上の配列類似性又は同一性を有するアミノ酸配列から成り、且つアセトアルデヒド脱水素酵素活性を有するタンパク質をコードするものでも良い。配列類似性及び同一性の値は、BLASTアルゴリズムを実装したBLASTNやBLASTXプログラムにより算出することができる(デフォルトの設定)。なお、配列類似性の値は、一対のアミノ酸配列をペアワイズ・アライメント分析した際に完全に一致するアミノ酸残基と、物理化学的に機能が類似するアミノ酸残基との合計を算出し、比較した全アミノ酸残基中の上記合計数の割合として算出される。なお、同一性の値は、一対のアミノ酸配列をペアワイズ・アライメント分析した際に完全に一致するアミノ酸残基を算出し、比較した全アミノ酸残基中の上記アミノ酸残基数の割合として算出される。   Further, the acetaldehyde dehydrogenase gene is not limited to those specified by SEQ ID NOS: 5 and 6, 7 and 8, 9 and 10, 11 and 12, and 13 and 14, and for example, SEQ ID NOs: 6, 8, An amino acid sequence having an amino acid sequence having a sequence similarity or identity of 70% or more, preferably 80% or more, more preferably 90% or more, and most preferably 95% or more with respect to the amino acid sequence of 10, 12 or 14; It may encode a protein having dehydrogenase activity. Sequence similarity and identity values can be calculated by the BLASTN or BLASTX programs implementing the BLAST algorithm (default settings). The value of sequence similarity was calculated by calculating the sum of amino acid residues that completely match when a pair of amino acid sequences were subjected to pairwise alignment analysis and amino acid residues having physicochemically similar functions. It is calculated as the ratio of the total number in all amino acid residues. Note that the identity value is calculated as a ratio of the number of the amino acid residues in all the compared amino acid residues by calculating an amino acid residue that completely matches when a pair of amino acid sequences are subjected to pairwise alignment analysis. .

さらに、アセトアルデヒド脱水素酵素遺伝子は、これら配列番号5及び6、7及び8、9及び10、11及び12並びに13及び14にて特定されるものに限定されず、例えば、配列番号6、8、10、12又は14のアミノ酸配列に対して、1又は数個のアミノ酸が置換、欠失、挿入又は付加されたアミノ酸配列を有し、アセトアルデヒド脱水素酵素活性を有するタンパク質をコードするものでも良い。ここで、数個とは、例えば、2〜30個、好ましくは2〜20個、より好ましくは2〜10個、最も好ましくは2〜5個である。   Furthermore, the acetaldehyde dehydrogenase genes are not limited to those specified by SEQ ID NOS: 5 and 6, 7 and 8, 9 and 10, 11 and 12, and 13 and 14, and for example, SEQ ID NOs: 6, 8, The protein may have an amino acid sequence in which one or several amino acids have been substituted, deleted, inserted or added to the amino acid sequence of 10, 12 or 14, and may encode a protein having acetaldehyde dehydrogenase activity. Here, the number is, for example, 2 to 30, preferably 2 to 20, more preferably 2 to 10, and most preferably 2 to 5.

さらにまた、アセトアルデヒド脱水素酵素遺伝子は、これら配列番号5及び6、7及び8、9及び10、11及び12並びに13及び14にて特定されるものに限定されず、例えば、配列番号5、7、9、11又は13の塩基配列から成るDNAの相補鎖の全部又は一部に対して、ストリンジェントな条件下でハイブリダイズし、且つアセトアルデヒド脱水素酵素活性を有するタンパク質をコードするものでもよい。ここでいう「ストリンジェントな条件」とはいわゆる特異的なハイブリッドが形成され、非特異的なハイブリッドが形成されない条件を意味し、例えばMolecular Cloning: A Laboratory Manual(Third Edition)を参照して適宜決定することができる。具体的には、サザンハイブリダイゼーションの際の温度や溶液に含まれる塩濃度、及びサザンハイブリダイゼーションの洗浄工程の際の温度や溶液に含まれる塩濃度によりストリンジェンシーを設定することができる。より詳細には、ストリンジェントな条件としては、例えば、ナトリウム濃度が25〜500mM、好ましくは25〜300mMであり、温度が42〜68℃、好ましくは42〜65℃である。より具体的には、5×SSC(83mM NaCl、83mMクエン酸ナトリウム)、温度42℃である。   Furthermore, the acetaldehyde dehydrogenase genes are not limited to those specified by SEQ ID NOS: 5 and 6, 7 and 8, 9 and 10, 11 and 12, and 13 and 14, and for example, SEQ ID NOs: 5, 7 , 9, 11 or 13 may encode a protein that hybridizes to all or a part of the complementary strand of DNA under stringent conditions and has acetaldehyde dehydrogenase activity. The term "stringent conditions" as used herein means conditions under which a so-called specific hybrid is formed and a non-specific hybrid is not formed, and is appropriately determined by referring to, for example, Molecular Cloning: A Laboratory Manual (Third Edition). can do. Specifically, the stringency can be set according to the temperature at the time of Southern hybridization or the salt concentration contained in the solution, and the temperature at the washing step of Southern hybridization or the salt concentration contained in the solution. More specifically, as stringent conditions, for example, the sodium concentration is 25 to 500 mM, preferably 25 to 300 mM, and the temperature is 42 to 68 ° C, preferably 42 to 65 ° C. More specifically, 5 × SSC (83 mM NaCl, 83 mM sodium citrate) is at a temperature of 42 ° C.

上述したように、配列番号5、7、9、11若しくは13と異なる塩基配列から成る遺伝子、又は配列番号6、8、10、12若しくは14とは異なるアミノ酸配列をコードする遺伝子が、アセトアルデヒド脱水素酵素遺伝子として機能するか否かは、当該遺伝子を適当なプロモーターとターミネーター等の間に組み込んだ発現ベクターを作製し、この発現ベクターを用いて例えば大腸菌等の宿主を形質転換し、発現するタンパク質のアセトアルデヒド脱水素酵素活性を測定すればよい。アセトアルデヒド脱水素酵素活性は、基質としてアセトアルデヒド、CoA及びNAD+を含む溶液を準備し、検査対象のタンパク質を適当な温度で作用させ、生成したアセチルCoAをリン酸アセチル転移酵素の作用によりアセチルリン酸に変換して測定でき、或いは生成するNADHを分光学的に計測して測定することができる。 As described above, a gene having a nucleotide sequence different from SEQ ID NO: 5, 7, 9, 11, or 13 or a gene encoding an amino acid sequence different from SEQ ID NO: 6, 8, 10, 12, or 14 is acetaldehyde dehydrogenated. Whether it functions as an enzyme gene, an expression vector is prepared by incorporating the gene between an appropriate promoter and terminator, etc., and a host such as Escherichia coli is transformed using this expression vector to express the protein to be expressed. The acetaldehyde dehydrogenase activity may be measured. Acetaldehyde dehydrogenase activity is determined by preparing a solution containing acetaldehyde, CoA and NAD + as a substrate, allowing the protein to be tested to act at an appropriate temperature, and converting the produced acetyl-CoA to acetyl phosphate by the action of phosphoacetyltransferase. Can be measured after conversion to NADH, or the generated NADH can be measured spectrophotometrically.

ところで、本発明に係る組換え酵母は、上述したHSP70ファミリー又はHSP40ファミリーに属する分子シャペロン遺伝子及びアセトアルデヒド脱水素酵素遺伝子を導入する酵母は、キシロース代謝能を有する酵母であることが好ましい。ここで、キシロース代謝能を有する酵母とは、本来的にはキシロース代謝能を有しない酵母に対してキシロースイソメラーゼ遺伝子が導入されることによりキシロース代謝能が付与された酵母、本来的にはキシロース代謝能を有しない酵母に対してキシロースイソメラーゼ遺伝子及びその他のキシロース代謝関連遺伝子が導入されることによりキシロース代謝能が付与された酵母、本来的にキシロース代謝能を有する酵母のいずれも含む意味である。   By the way, in the recombinant yeast according to the present invention, the yeast into which the molecular chaperone gene and the acetaldehyde dehydrogenase gene belonging to the HSP70 family or the HSP40 family described above are introduced is preferably a yeast having xylose metabolism ability. Here, a yeast having xylose metabolism ability is a yeast to which xylose metabolism ability has been imparted by introducing a xylose isomerase gene to a yeast originally having no xylose metabolism ability, originally a xylose metabolism. It is meant to include both yeast having xylose metabolism ability by introducing a xylose isomerase gene and other xylose metabolism-related genes into yeast having no ability, and yeast originally having xylose metabolism ability.

キシロース代謝能を有する酵母は、培地中に含まれるキシロースを資化してエタノールを生産することができる。なお、培地中に含まれるキシロースとは、キシロースを構成糖とするキシランやヘミセルロース等を糖化するプロセスによって得られたものでも良いし、培地に含まれるキシランやヘミセルロース等が糖化酵素により糖化されることで培地に供給されるものであってもよい。後者の場合は、所謂、同時糖化発酵の系を意味する。   A yeast having xylose metabolism ability can produce ethanol by utilizing xylose contained in a medium. The xylose contained in the medium may be obtained by a process of saccharifying xylan, hemicellulose, or the like having xylose as a constituent sugar, or xylan or hemicellulose contained in the medium may be saccharified by a saccharifying enzyme. May be supplied to the medium. The latter case means a so-called simultaneous saccharification and fermentation system.

キシロースイソメラーゼ遺伝子(XI遺伝子)としては、特に限定されず、如何なる生物種由来の遺伝子を使用しても良い。例えば、特開2011-147445号公報に開示されたシロアリの腸内原生生物由来の複数のキシロースイソメラーゼ遺伝子を、特に制限されることなく使用することができる。また、キシロースイソメラーゼ遺伝子としては、嫌気性のカビであるピロマイセス(Piromyces) sp. E2種由来(特表2005-514951号公報)、嫌気性のカビであるシラマイセス・アベレンシス(Cyllamyces aberensis)由来、バクテリアであるバクテロイデス・セタイオタミクロン(Bacteroides thetaiotaomicron)由来、バクテリアであるクロストリディウム・ファイトファーメンタス由来、ストレプトマイセス・ムリナスクラスター由来の遺伝子を利用することもできる。   The xylose isomerase gene (XI gene) is not particularly limited, and a gene derived from any species may be used. For example, a plurality of xylose isomerase genes derived from termite intestinal protists disclosed in JP-A-2011-147445 can be used without particular limitation. In addition, the xylose isomerase gene is derived from the anaerobic mold Piromyces sp. E2 species (Japanese Patent Publication No. 2005-514951), the anaerobic mold Syllamyces aberensis (Cyllamyces aberensis), and bacteria. Genes derived from a certain Bacteroides thetaiotaomicron, from a bacterium, Clostridium phytofermentus, and from a Streptomyces murinas cluster can also be used.

具体的に、キシロースイソメラーゼ遺伝子としては、ヤマトシロアリ(Reticulitermes speratus)腸内原生生物由来のキシロースイソメラーゼ遺伝子を使用することが好ましい。このヤマトシロアリ(Reticulitermes speratus)腸内原生生物由来のキシロースイソメラーゼ遺伝子のコーディング領域の塩基配列及び当該遺伝子がコードするタンパク質のアミノ酸配列をそれぞれ配列番号15及び16に示す。   Specifically, as the xylose isomerase gene, it is preferable to use a xylose isomerase gene derived from intestinal protists of the termite (Reticulitermes speratus). The nucleotide sequence of the coding region of the xylose isomerase gene derived from the intestinal protist of the termite (Reticulitermes speratus) and the amino acid sequence of the protein encoded by the gene are shown in SEQ ID NOS: 15 and 16, respectively.

ただし、キシロースイソメラーゼ遺伝子としては、配列番号15及び16にて特定されるものに限定されず、塩基配列やアミノ酸配列は異なるがパラログの関係又は狭義のホモログの関係にある遺伝子であっても良い。   However, the xylose isomerase gene is not limited to those specified in SEQ ID NOs: 15 and 16, and may be a gene having a different base sequence or amino acid sequence but having a paralog relationship or a narrow sense homolog relationship.

また、キシロースイソメラーゼ遺伝子は、これら配列番号15及び16にて特定されるものに限定されず、例えば、配列番号16のアミノ酸配列に対して70%以上、好ましくは80%以上、より好ましくは90%以上、最も好ましくは95%以上の配列類似性又は同一性を有するアミノ酸配列から成り、キシロースイソメラーゼ活性を有するタンパク質をコードするものでも良い。配列類似性及び同一性の値は、BLASTアルゴリズムを実装したBLASTNやBLASTXプログラムにより算出することができる(デフォルトの設定)。なお、配列類似性の値は、一対のアミノ酸配列をペアワイズ・アライメント分析した際に完全に一致するアミノ酸残基と、物理化学的に機能が類似するアミノ酸残基との合計を算出し、比較した全アミノ酸残基中の上記合計数の割合として算出される。なお、同一性の値は、一対のアミノ酸配列をペアワイズ・アライメント分析した際に完全に一致するアミノ酸残基を算出し、比較した全アミノ酸残基中の上記アミノ酸残基数の割合として算出される。   The xylose isomerase gene is not limited to those specified by SEQ ID NOS: 15 and 16, and is, for example, 70% or more, preferably 80% or more, more preferably 90% or more of the amino acid sequence of SEQ ID NO: 16. As described above, it may most preferably consist of an amino acid sequence having 95% or more sequence similarity or identity, and may encode a protein having xylose isomerase activity. Sequence similarity and identity values can be calculated by the BLASTN or BLASTX programs implementing the BLAST algorithm (default settings). The value of sequence similarity was calculated by calculating the sum of amino acid residues that completely match when a pair of amino acid sequences were subjected to pairwise alignment analysis and amino acid residues having physicochemically similar functions. It is calculated as the ratio of the total number in all amino acid residues. Note that the identity value is calculated as a ratio of the number of the amino acid residues in all the compared amino acid residues by calculating an amino acid residue that completely matches when a pair of amino acid sequences are subjected to pairwise alignment analysis. .

さらに、キシロースイソメラーゼ遺伝子は、これら配列番号15及び16にて特定されるものに限定されず、例えば、配列番号16のアミノ酸配列に対して、1又は数個のアミノ酸が置換、欠失、挿入又は付加されたアミノ酸配列を有し、キシロースイソメラーゼ活性を有するタンパク質をコードするものでも良い。ここで、数個とは、例えば、2〜30個、好ましくは2〜20個、より好ましくは2〜10個、最も好ましくは2〜5個である。   Furthermore, the xylose isomerase gene is not limited to those specified in SEQ ID NOs: 15 and 16, and for example, one or several amino acids may be substituted, deleted, inserted, or substituted for the amino acid sequence of SEQ ID NO: 16. It may be a protein having an added amino acid sequence and encoding a protein having xylose isomerase activity. Here, the number is, for example, 2 to 30, preferably 2 to 20, more preferably 2 to 10, and most preferably 2 to 5.

さらにまた、キシロースイソメラーゼ遺伝子は、これら配列番号15及び16にて特定されるものに限定されず、例えば、配列番号15の塩基配列から成るDNAの相補鎖の全部又は一部に対して、ストリンジェントな条件下でハイブリダイズし、且つキシロースイソメラーゼ活性を有するタンパク質をコードするものでもよい。ここでいう「ストリンジェントな条件」とはいわゆる特異的なハイブリッドが形成され、非特異的なハイブリッドが形成されない条件を意味し、例えばMolecular Cloning: A Laboratory Manual(Third Edition)を参照して適宜決定することができる。具体的には、サザンハイブリダイゼーションの際の温度や溶液に含まれる塩濃度、及びサザンハイブリダイゼーションの洗浄工程の際の温度や溶液に含まれる塩濃度によりストリンジェンシーを設定することができる。より詳細には、ストリンジェントな条件としては、例えば、ナトリウム濃度が25〜500mM、好ましくは25〜300mMであり、温度が42〜68℃、好ましくは42〜65℃である。より具体的には、5×SSC(83mM NaCl、83mMクエン酸ナトリウム)、温度42℃である。   Furthermore, the xylose isomerase gene is not limited to those specified by SEQ ID NOs: 15 and 16, and may be, for example, a stringent DNA with respect to all or a part of the complementary strand of DNA consisting of the nucleotide sequence of SEQ ID NO: 15. It may be a protein that hybridizes under various conditions and encodes a protein having xylose isomerase activity. The term "stringent conditions" as used herein means conditions under which a so-called specific hybrid is formed and a non-specific hybrid is not formed, and is appropriately determined by referring to, for example, Molecular Cloning: A Laboratory Manual (Third Edition). can do. Specifically, the stringency can be set according to the temperature at the time of Southern hybridization or the salt concentration contained in the solution, and the temperature at the washing step of Southern hybridization or the salt concentration contained in the solution. More specifically, as stringent conditions, for example, the sodium concentration is 25 to 500 mM, preferably 25 to 300 mM, and the temperature is 42 to 68 ° C, preferably 42 to 65 ° C. More specifically, 5 × SSC (83 mM NaCl, 83 mM sodium citrate) is at a temperature of 42 ° C.

上述したように、配列番号15と異なる塩基配列からなる遺伝子、又は配列番号16とは異なるアミノ酸配列をコードする遺伝子が、キシロースイソメラーゼ遺伝子として機能するか否かは、当該遺伝子を適当なプロモーターとターミネーター等の間に組み込んだ発現ベクターを作製し、この発現ベクターを用いて例えば大腸菌等の宿主を形質転換し、発現するタンパク質のキシロースイソメラーゼ活性を測定すればよい。キシロースイソメラーゼ活性とは、キシロースをキシルロースに異性化する活性を意味する。よって、キシロースイソメラーゼ活性は、基質としてキシロースを含む溶液を準備し、検査対象のタンパク質を適当な温度で作用させ、キシロースの減少量及び/又はキシルロースの生成量を測定することで評価できる。   As described above, whether a gene having a nucleotide sequence different from SEQ ID NO: 15 or a gene encoding an amino acid sequence different from SEQ ID NO: 16 functions as a xylose isomerase gene depends on whether the gene has an appropriate promoter and terminator. An expression vector integrated between the above steps may be prepared, a host such as Escherichia coli may be transformed with the expression vector, and the xylose isomerase activity of the protein to be expressed may be measured. The xylose isomerase activity means an activity of isomerizing xylose to xylulose. Therefore, xylose isomerase activity can be evaluated by preparing a solution containing xylose as a substrate, allowing the protein to be tested to act at an appropriate temperature, and measuring the amount of reduced xylose and / or the amount of xylulose produced.

特に、キシロースイソメラーゼ遺伝子としては、配列番号16に示すアミノ酸配列における特定のアミノ酸残基に対して特定の変異を導入したアミノ酸配列からなり、キシロースイソメラーゼ活性が向上した変異型キシロースイソメラーゼをコードする遺伝子を使用することが好ましい。具体的に、変異型キシロースイソメラーゼをコードする遺伝子としては、配列番号16に示すアミノ酸配列における337番目のアスパラギンがシステインに置換されたアミノ酸配列をコードする遺伝子を挙げることができる。配列番号16に示すアミノ酸配列における337番目のアスパラギンがシステインに置換されたアミノ酸配列から成るキシロースイソメラーゼは、野生型のキシロースイソメラーゼと比較して優れたキシロースイソメラーゼ活性を有する。なお、変異型キシロースイソメラーゼは、上記337番目のアスパラギンをシステインに置換したものに限定されず、上記337番目のアスパラギンをシステイン以外のアミノ酸に置換したものでも良いし、上記337番目のアスパラギンに加えて更に異なるアミノ酸残基を他のアミノ酸に置換したものでも良いし、上記337番目のアスパラギン以外の他のアミノ酸残基を置換したものでも良い。   In particular, as the xylose isomerase gene, a gene encoding a mutant xylose isomerase having an amino acid sequence obtained by introducing a specific mutation to a specific amino acid residue in the amino acid sequence shown in SEQ ID NO: 16 and having improved xylose isomerase activity is used. It is preferred to use. Specifically, examples of the gene encoding the mutant xylose isomerase include a gene encoding an amino acid sequence in which the asparagine at position 337 in the amino acid sequence shown in SEQ ID NO: 16 has been substituted with cysteine. Xylose isomerase consisting of an amino acid sequence in which the asparagine at position 337 in the amino acid sequence shown in SEQ ID NO: 16 has been substituted with cysteine has excellent xylose isomerase activity as compared with wild-type xylose isomerase. The mutant xylose isomerase is not limited to the 337th asparagine substituted with cysteine, and may be the 337th asparagine substituted with an amino acid other than cysteine, or in addition to the 337th asparagine. Further, a different amino acid residue may be substituted with another amino acid, or another amino acid residue other than the above-mentioned 337th asparagine may be substituted.

一方、キシロースイソメラーゼ遺伝子以外のキシロース代謝関連遺伝子とは、キシロースをキシリトールに変換するキシロースリダクターゼをコードするキシロースリダクターゼ遺伝子、キシリトールをキシルロースに変換するキシリトールデヒドロゲナーゼをコードするキシリトールデヒドロゲナーゼ遺伝子及びキシルロースをリン酸化してキシルロース5-リン酸を生成するキシルロキナーゼをコードするキシルロキナーゼ遺伝子を含む意味である。なお、キシルロキナーゼにより生成されたキシルロース5-リン酸は、ペントースリン酸経路に入り代謝されることとなる。   On the other hand, a xylose metabolism-related gene other than the xylose isomerase gene is a xylose reductase gene encoding xylose reductase that converts xylose to xylitol, a xylitol dehydrogenase gene encoding xylitol dehydrogenase that converts xylitol to xylulose, and phosphorylating xylulose. It is meant to include the xylulokinase gene encoding xylulokinase that produces xylulose 5-phosphate. In addition, xylulose 5-phosphate generated by xylulokinase enters the pentose phosphate pathway and is metabolized.

キシロース代謝関連遺伝子としては、特に限定されないが、Pichia stipitis由来のキシロースリダクターゼ遺伝子及びキシリトールデヒドロゲナーゼ遺伝子、Saccharomyces cerevisiae由来のキシルロキナーゼ遺伝子を挙げることができる(Eliasson A. et al., Appl. Environ. Microbiol, 66:3381-3386及びToivari MN et al., Metab. Eng. 3:236-249参照)。その他にも、キシロースリダクターゼ遺伝子としては、Candida tropicalisやCandida parapsilosis由来のキシロースリダクターゼ遺伝子を利用することができる。キシリトールデヒドロゲナーゼ遺伝子としては、Candida tropicalisやCandida parapsilosis由来のキシリトールデヒドロゲナーゼ遺伝子を利用することができる。キシルロキナーゼ遺伝子としては、Pichia stipitis由来のキシルロキナーゼ遺伝子を利用することもできる。   The xylose metabolism-related gene is not particularly limited, and examples thereof include a xylose reductase gene derived from Pichia stipitis and a xylitol dehydrogenase gene, and a xylulokinase gene derived from Saccharomyces cerevisiae (Eliasson A. et al., Appl.Environ.Microbiol. , 66: 3381-3386 and Toivari MN et al., Metab. Eng. 3: 236-249). In addition, as the xylose reductase gene, a xylose reductase gene derived from Candida tropicalis or Candida parapsilosis can be used. As the xylitol dehydrogenase gene, a xylitol dehydrogenase gene derived from Candida tropicalis or Candida parapsilosis can be used. The xylulokinase gene derived from Pichia stipitis can also be used as the xylulokinase gene.

また、キシロース代謝能を本来的に有する酵母としては、特に限定されないが、Pichia stipitis、Candida tropicalis及びCandida parapsilosis等を挙げることができる。   In addition, examples of yeast originally having xylose metabolism ability include, but are not particularly limited to, Pichia stipitis, Candida tropicalis, and Candida parapsilosis.

ところで、本発明に係る組換え酵母は、更に他の遺伝子が導入された酵母であってもよい。他の遺伝子としては特に限定されないが、例えば、グルコース等の糖代謝に関与する遺伝子を導入したものであっても良い。一例として組換え酵母は、β-グルコシダーゼ遺伝子を導入することでβ-グルコシダーゼ活性を有する酵母とすることができる。   Meanwhile, the recombinant yeast according to the present invention may be a yeast into which another gene has been introduced. The other gene is not particularly limited, but may be, for example, a gene into which a gene involved in sugar metabolism such as glucose is introduced. As an example, the recombinant yeast can be a yeast having β-glucosidase activity by introducing a β-glucosidase gene.

ここでβ-グルコシダーゼ活性とは、糖のβ-グリコシド結合を加水分解する反応を触媒する活性を意味する。すなわち、β-グルコシダーゼは、セロビオース等のセロオリゴ糖をグルコースに分解することができる。β-グルコシダーゼ遺伝子は、細胞表層提示型遺伝子として導入することもできる。ここで、細胞表層提示型遺伝子とは、当該遺伝子がコードするタンパク質が細胞の表層にディスプレイされるように発現するように改変された遺伝子である。例えば、細胞表層提示型β-グルコシダーゼ遺伝子とは、β-グルコシダーゼ遺伝子と細胞表層局在タンパク質遺伝子とを融合した遺伝子である。細胞表層局在タンパク質とは、酵母の細胞表層に固定され、細胞表層に存在するタンパク質をいう。例えば、凝集性タンパク質であるα-又はa-アグルチニン、FLOタンパク質等が挙げられる。一般に細胞表層局在タンパク質は、N末端側に分泌シグナル配列及びC末端側にGPIアンカー付着認識シグナルを有している。分泌シグナルを有する点では分泌性タンパク質と共通しているが、細胞表層局在タンパク質はGPIアンカーを介して細胞膜に固定されて輸送される点が分泌性タンパク質と異なる。細胞表層局在タンパク質は、細胞膜通過の際、GPIアンカー付着認識シグナル配列が選択的に切断され、新たに突出したC末端部分でGPIアンカーと結合して細胞膜に固定される。その後ホスファチジルイノシトール依存性ホスホリパーゼC(PI-PLC)によりGPIアンカーの根元部分が切断される。ついで、細胞膜から切り離されたタンパク質は細胞壁に組み込まれて細胞表層に固定され、細胞表層に局在する(例えば、特開2006-174767号公報参照)。   Here, β-glucosidase activity means an activity of catalyzing a reaction of hydrolyzing a β-glycosidic bond of a sugar. That is, β-glucosidase can degrade cellooligosaccharides such as cellobiose into glucose. The β-glucosidase gene can also be introduced as a cell surface display type gene. Here, the cell surface display type gene is a gene modified so that the protein encoded by the gene is expressed so as to be displayed on the cell surface. For example, the cell surface display type β-glucosidase gene is a gene obtained by fusing a β-glucosidase gene and a cell surface localization protein gene. The cell surface-localized protein refers to a protein that is fixed to the yeast cell surface and is present on the cell surface. For example, α- or a-agglutinin which is an aggregating protein, FLO protein and the like can be mentioned. Generally, a cell surface localized protein has a secretory signal sequence on the N-terminal side and a GPI anchor attachment recognition signal on the C-terminal side. Although they have a secretory signal, they are common to secretory proteins, but they differ from secretory proteins in that cell surface localization proteins are fixed to the cell membrane and transported via GPI anchors. When passing through the cell membrane, the cell surface localization protein selectively cleaves the GPI anchor attachment recognition signal sequence, binds to the GPI anchor at the newly protruding C-terminal portion, and is fixed to the cell membrane. Thereafter, the base of the GPI anchor is cleaved by phosphatidylinositol-dependent phospholipase C (PI-PLC). Next, the protein separated from the cell membrane is incorporated into the cell wall, fixed to the cell surface, and localized on the cell surface (for example, see JP-A-2006-174767).

β-グルコシダーゼ遺伝子としては、特に限定されないが、例えば、Aspergillus aculeatus由来のβ-グルコシダーゼ遺伝子(Murai et al., Appl. Environ. Microbiol. 64:4857-4861)を挙げることができる。その他にも、β-グルコシダーゼ遺伝子としては、Aspergillus oryzae由来のβ-グルコシダーゼ遺伝子、Clostridium cellulovorans由来のβ-グルコシダーゼ遺伝子及びSaccharomycopsis fibuligera由来のβ-グルコシダーゼ遺伝子等を利用することができる。   The β-glucosidase gene is not particularly limited, and examples thereof include a β-glucosidase gene derived from Aspergillus aculeatus (Murai et al., Appl. Environ. Microbiol. 64: 4857-4861). In addition, as the β-glucosidase gene, a β-glucosidase gene derived from Aspergillus oryzae, a β-glucosidase gene derived from Clostridium cellulovorans, a β-glucosidase gene derived from Saccharomycopsis fibuligera, and the like can be used.

また、本発明に係る組換え酵母は、β-グルコシダーゼ遺伝子に加えて、或いはβ-グルコシダーゼ遺伝子以外に、セルラーゼを構成する他の酵素をコードする遺伝子を導入したものでもよい。β-グルコシダーゼ以外にセルラーゼを構成する酵素としては、結晶セルロースの末端からセロビオースを遊離するエキソ型のセロビオハイドロラーゼ(CBH1及びCBH2)、結晶セルロースを分解できないが非結晶セルロース(アモルファスセルロース)鎖をランダムに切断するエンド型のエンドグルカナーゼ(EG)を挙げることができる。   Further, the recombinant yeast according to the present invention may be one in which a gene encoding another enzyme constituting cellulase has been introduced in addition to the β-glucosidase gene or in addition to the β-glucosidase gene. In addition to β-glucosidase, enzymes that constitute cellulase include exo-type cellobiohydrolases (CBH1 and CBH2) that release cellobiose from the ends of crystalline cellulose, non-crystalline cellulose (amorphous cellulose) chains that cannot degrade crystalline cellulose. An end-type endoglucanase (EG) that cuts at random can be mentioned.

また、組換え酵母に導入する他の遺伝子としては、アセトアルデヒドをエタノールに変換する活性を有するアルコール脱水素酵素遺伝子(ADH1遺伝子)、酢酸をアセチル-CoAに変換する活性を有するアセチル-CoA合成酵素遺伝子(ACS1遺伝子)、アセトアルデヒドを酢酸に変換する活性を有する遺伝子(ALD4遺伝子、ALD5遺伝子及びALD6遺伝子)を挙げることができる。なお、エタノールをアセトアルデヒドに変換する活性を有するアルコール脱水素酵素遺伝子(ADH2遺伝子)を破壊しても良い。   Other genes to be introduced into the recombinant yeast include an alcohol dehydrogenase gene having an activity of converting acetaldehyde to ethanol (ADH1 gene) and an acetyl-CoA synthase gene having an activity of converting acetic acid to acetyl-CoA. (ACS1 gene) and genes having an activity of converting acetaldehyde to acetic acid (ALD4 gene, ALD5 gene and ALD6 gene). The alcohol dehydrogenase gene (ADH2 gene) having the activity of converting ethanol to acetaldehyde may be destroyed.

さらに、本発明に係る組換え酵母は、アセトアルデヒドをエタノールに変換する活性を有するアルコール脱水素酵素遺伝子(ADH1遺伝子)を高発現する特徴を有するものが好ましい。当該遺伝子を高発現させるには、内在する当該遺伝子のプロモーターを高発現用プロモーターに置換する、当該遺伝子を発現可能に有する発現ベクターを酵母に導入するといった方法が挙げられる。   Furthermore, the recombinant yeast according to the present invention preferably has a feature of highly expressing an alcohol dehydrogenase gene (ADH1 gene) having an activity of converting acetaldehyde to ethanol. Methods for high expression of the gene include a method of substituting an endogenous promoter of the gene with a promoter for high expression and a method of introducing an expression vector capable of expressing the gene into yeast.

Saccharomyces cerevisiaeのADH1遺伝子の塩基配列及び当該遺伝子がコードするタンパク質のアミノ酸配列をそれぞれ配列番号17及び18に示す。ただし、高発現対象のアルコール脱水素酵素遺伝子としては、配列番号17及び18にて特定されるものに限定されず、塩基配列やアミノ酸配列は異なるがパラログの関係又は狭義のホモログの関係にある遺伝子であっても良い。   The nucleotide sequence of the ADH1 gene of Saccharomyces cerevisiae and the amino acid sequence of the protein encoded by the gene are shown in SEQ ID NOS: 17 and 18, respectively. However, the alcohol dehydrogenase gene to be highly expressed is not limited to those specified in SEQ ID NOs: 17 and 18, and is a gene having a different base sequence or amino acid sequence but having a paralog relationship or a narrow homolog relationship. It may be.

また、アルコール脱水素酵素遺伝子は、これら配列番号17及び18にて特定されるものに限定されず、例えば、配列番号14のアミノ酸配列に対して70%以上、好ましくは80%以上、より好ましくは90%以上、最も好ましくは95%以上の配列類似性又は同一性を有するアミノ酸配列から成り、アルコール脱水素酵素活性を有するタンパク質をコードするものでも良い。配列類似性及び同一性の値は、BLASTアルゴリズムを実装したBLASTNやBLASTXプログラムにより算出することができる(デフォルトの設定)。なお、配列類似性の値は、一対のアミノ酸配列をペアワイズ・アライメント分析した際に完全に一致するアミノ酸残基と、物理化学的に機能が類似するアミノ酸残基との合計を算出し、比較した全アミノ酸残基中の上記合計数の割合として算出される。なお、同一性の値は、一対のアミノ酸配列をペアワイズ・アライメント分析した際に完全に一致するアミノ酸残基を算出し、比較した全アミノ酸残基中の上記アミノ酸残基数の割合として算出される。   The alcohol dehydrogenase gene is not limited to those specified by SEQ ID NOS: 17 and 18, and is, for example, 70% or more, preferably 80% or more, more preferably the amino acid sequence of SEQ ID NO: 14. It may consist of an amino acid sequence having 90% or more, most preferably 95% or more sequence similarity or identity, and may encode a protein having alcohol dehydrogenase activity. Sequence similarity and identity values can be calculated by the BLASTN or BLASTX programs implementing the BLAST algorithm (default settings). The value of sequence similarity was calculated by calculating the sum of amino acid residues that completely match when a pair of amino acid sequences were subjected to pairwise alignment analysis and amino acid residues having physicochemically similar functions. It is calculated as the ratio of the total number in all amino acid residues. Note that the identity value is calculated as a ratio of the number of the amino acid residues in all the compared amino acid residues by calculating an amino acid residue that completely matches when a pair of amino acid sequences are subjected to pairwise alignment analysis. .

さらに、アルコール脱水素酵素遺伝子は、これら配列番号17及び18にて特定されるものに限定されず、例えば、配列番号18のアミノ酸配列に対して、1又は数個のアミノ酸が置換、欠失、挿入又は付加されたアミノ酸配列から成り、アルコール脱水素酵素活性を有するタンパク質をコードするものでも良い。ここで、数個とは、例えば、2〜30個、好ましくは2〜20個、より好ましくは2〜10個、最も好ましくは2〜5個である。   Furthermore, the alcohol dehydrogenase gene is not limited to those specified by SEQ ID NOS: 17 and 18, and for example, substitution or deletion of one or several amino acids with respect to the amino acid sequence of SEQ ID NO: 18 It may consist of an inserted or added amino acid sequence and may encode a protein having alcohol dehydrogenase activity. Here, the number is, for example, 2 to 30, preferably 2 to 20, more preferably 2 to 10, and most preferably 2 to 5.

さらにまた、アルコール脱水素酵素遺伝子は、これら配列番号17及び18にて特定されるものに限定されず、例えば、配列番号17の塩基配列から成るDNAの相補鎖の全部又は一部に対して、ストリンジェントな条件下でハイブリダイズし、且つアルコール脱水素酵素活性を有するタンパク質をコードするものでもよい。ここでいう「ストリンジェントな条件」とはいわゆる特異的なハイブリッドが形成され、非特異的なハイブリッドが形成されない条件を意味し、例えばMolecular Cloning: A Laboratory Manual(Third Edition)を参照して適宜決定することができる。具体的には、サザンハイブリダイゼーションの際の温度や溶液に含まれる塩濃度、及びサザンハイブリダイゼーションの洗浄工程の際の温度や溶液に含まれる塩濃度によりストリンジェンシーを設定することができる。より詳細には、ストリンジェントな条件としては、例えば、ナトリウム濃度が25〜500mM、好ましくは25〜300mMであり、温度が42〜68℃、好ましくは42〜65℃である。より具体的には、5×SSC(83mM NaCl、83mMクエン酸ナトリウム)、温度42℃である。   Furthermore, the alcohol dehydrogenase gene is not limited to those specified by SEQ ID NOS: 17 and 18, and for example, for all or a part of the complementary strand of DNA consisting of the base sequence of SEQ ID NO: 17, It may hybridize under stringent conditions and encode a protein having alcohol dehydrogenase activity. The term "stringent conditions" as used herein means conditions under which a so-called specific hybrid is formed and a non-specific hybrid is not formed, and is appropriately determined by referring to, for example, Molecular Cloning: A Laboratory Manual (Third Edition). can do. Specifically, the stringency can be set according to the temperature at the time of Southern hybridization or the salt concentration contained in the solution, and the temperature at the washing step of Southern hybridization or the salt concentration contained in the solution. More specifically, as stringent conditions, for example, the sodium concentration is 25 to 500 mM, preferably 25 to 300 mM, and the temperature is 42 to 68 ° C, preferably 42 to 65 ° C. More specifically, 5 × SSC (83 mM NaCl, 83 mM sodium citrate) is at a temperature of 42 ° C.

上述したように、配列番号17と異なる塩基配列からなる遺伝子、又は配列番号18とは異なるアミノ酸配列をコードする遺伝子が、アセトアルデヒドをエタノールに変換する活性を有するアルコール脱水素酵素遺伝子として機能するか否かは、当該遺伝子を適当なプロモーターとターミネーター等の間に組み込んだ発現ベクターを作製し、この発現ベクターを用いて例えば酵母等の宿主を形質転換し、発現するタンパク質のアルコール脱水素酵素活性を測定すればよい。アセトアルデヒドをエタノールに変換するアルコール脱水素酵素活性は、基質としてアルデヒド及びNADH又はNADPHを含む溶液を準備し、検査対象のタンパク質を適当な温度で作用させ、生成するアルコールを計測するか、又はNAD+若しくはNADP+を分光学的に計測して測定することができる。 As described above, whether a gene having a nucleotide sequence different from SEQ ID NO: 17 or a gene encoding an amino acid sequence different from SEQ ID NO: 18 functions as an alcohol dehydrogenase gene having an activity of converting acetaldehyde to ethanol For this purpose, an expression vector in which the gene is inserted between an appropriate promoter and a terminator is prepared, and a host such as yeast is transformed with the expression vector, and the alcohol dehydrogenase activity of the expressed protein is measured. do it. Alcohol dehydrogenase activity for converting acetaldehyde to ethanol is prepared by preparing a solution containing an aldehyde and NADH or NADPH as a substrate, allowing the protein to be tested to act at an appropriate temperature, and measuring the alcohol produced, or NAD + Alternatively, NADP + can be measured spectrophotometrically.

さらに、本発明に係る組換え酵母は、エタノールをアセトアルデヒドに変換する活性を有するアルコール脱水素酵素遺伝子(ADH2遺伝子)の発現量が低下した特徴を有するものが好ましい。当該遺伝子の発現量を低下させるには、内在する当該遺伝子のプロモーターを改変する、当該遺伝子を欠損させるといった方法が挙げられる。当該遺伝子を欠損させる際には、二倍体の組換え酵母に存在する一対のADH2遺伝子のうち一方を欠損させても良いし、両方を欠損させても良い。遺伝子の発現を抑制する手法としては、所謂、トランスポゾン法、トランスジーン法、転写後遺伝子サイレンシング法、RNAi法、ナンセンス仲介減衰(Nonsense mediated decay, NMD)法、リボザイム法、アンチセンス法、miRNA(micro-RNA)法、siRNA(small interfering RNA)法等を挙げることができる。   Furthermore, the recombinant yeast according to the present invention preferably has a characteristic that the expression level of an alcohol dehydrogenase gene (ADH2 gene) having an activity of converting ethanol to acetaldehyde is reduced. Methods for reducing the expression level of the gene include modifying the endogenous promoter of the gene or deleting the gene. When the gene is deleted, one of the pair of ADH2 genes present in the diploid recombinant yeast may be deleted, or both may be deleted. Methods for suppressing gene expression include the so-called transposon method, transgene method, post-transcriptional gene silencing method, RNAi method, nonsense mediated decay (NMD) method, ribozyme method, antisense method, miRNA ( micro-RNA), siRNA (small interfering RNA) and the like.

Saccharomyces cerevisiaeのADH2遺伝子の塩基配列及び当該遺伝子がコードするタンパク質のアミノ酸配列をそれぞれ配列番号19及び20に示す。ただし、対象のアルコール脱水素酵素遺伝子としては、配列番号19及び20にて特定されるものに限定されず、塩基配列やアミノ酸配列は異なるがパラログの関係又は狭義のホモログの関係にある遺伝子であっても良い。   The nucleotide sequence of the ADH2 gene of Saccharomyces cerevisiae and the amino acid sequence of the protein encoded by the gene are shown in SEQ ID NOs: 19 and 20, respectively. However, the alcohol dehydrogenase gene of interest is not limited to those specified in SEQ ID NOs: 19 and 20, and is a gene having a different base sequence or amino acid sequence but having a paralog relationship or a narrow sense homolog relationship. May be.

また、アルコール脱水素酵素遺伝子は、これら配列番号19及び20にて特定されるものに限定されず、例えば、配列番号20のアミノ酸配列に対して70%以上、好ましくは80%以上、より好ましくは90%以上、最も好ましくは95%以上の配列類似性又は同一性を有するアミノ酸配列を有し、アルコール脱水素酵素活性を有するタンパク質をコードするものでも良い。配列類似性及び同一性の値は、BLASTアルゴリズムを実装したBLASTNやBLASTXプログラムにより算出することができる(デフォルトの設定)。なお、配列類似性の値は、一対のアミノ酸配列をペアワイズ・アライメント分析した際に完全に一致するアミノ酸残基と、物理化学的に機能が類似するアミノ酸残基との合計を算出し、比較した全アミノ酸残基中の上記合計数の割合として算出される。なお、同一性の値は、一対のアミノ酸配列をペアワイズ・アライメント分析した際に完全に一致するアミノ酸残基を算出し、比較した全アミノ酸残基中の上記アミノ酸残基数の割合として算出される。   The alcohol dehydrogenase gene is not limited to those specified by SEQ ID NOs: 19 and 20, and may be, for example, 70% or more, preferably 80% or more, more preferably, the amino acid sequence of SEQ ID NO: 20. It may have an amino acid sequence having a sequence similarity or identity of 90% or more, most preferably 95% or more, and may encode a protein having alcohol dehydrogenase activity. Sequence similarity and identity values can be calculated by the BLASTN or BLASTX programs implementing the BLAST algorithm (default settings). The value of sequence similarity was calculated by calculating the sum of amino acid residues that completely match when a pair of amino acid sequences were subjected to pairwise alignment analysis and amino acid residues having physicochemically similar functions. It is calculated as the ratio of the total number in all amino acid residues. Note that the identity value is calculated as a ratio of the number of the amino acid residues in all the compared amino acid residues by calculating an amino acid residue that completely matches when a pair of amino acid sequences are subjected to pairwise alignment analysis. .

さらに、アルコール脱水素酵素遺伝子は、これら配列番号19及び20にて特定されるものに限定されず、例えば、配列番号20のアミノ酸配列に対して、1又は数個のアミノ酸が置換、欠失、挿入又は付加されたアミノ酸配列から成り、アルコール脱水素酵素活性を有するタンパク質をコードするものでも良い。ここで、数個とは、例えば、2〜30個、好ましくは2〜20個、より好ましくは2〜10個、最も好ましくは2〜5個である。   Furthermore, the alcohol dehydrogenase gene is not limited to those specified by SEQ ID NOs: 19 and 20, and for example, substitution or deletion of one or several amino acids with respect to the amino acid sequence of SEQ ID NO: 20 It may consist of an inserted or added amino acid sequence and may encode a protein having alcohol dehydrogenase activity. Here, the number is, for example, 2 to 30, preferably 2 to 20, more preferably 2 to 10, and most preferably 2 to 5.

さらにまた、アルコール脱水素酵素遺伝子は、これら配列番号19及び20にて特定されるものに限定されず、例えば、配列番号19の塩基配列からなるDNAの相補鎖の全部又は一部に対して、ストリンジェントな条件下でハイブリダイズし、且つアルコール脱水素酵素活性を有するタンパク質をコードするものでもよい。ここでいう「ストリンジェントな条件」とはいわゆる特異的なハイブリッドが形成され、非特異的なハイブリッドが形成されない条件を意味し、例えばMolecular Cloning: A Laboratory Manual(Third Edition)を参照して適宜決定することができる。具体的には、サザンハイブリダイゼーションの際の温度や溶液に含まれる塩濃度、及びサザンハイブリダイゼーションの洗浄工程の際の温度や溶液に含まれる塩濃度によりストリンジェンシーを設定することができる。より詳細には、ストリンジェントな条件としては、例えば、ナトリウム濃度が25〜500mM、好ましくは25〜300mMであり、温度が42〜68℃、好ましくは42〜65℃である。より具体的には、5×SSC(83mM NaCl、83mMクエン酸ナトリウム)、温度42℃である。   Furthermore, the alcohol dehydrogenase gene is not limited to those specified by SEQ ID NOs: 19 and 20, and for example, for all or a part of the complementary strand of DNA consisting of the nucleotide sequence of SEQ ID NO: 19, It may hybridize under stringent conditions and encode a protein having alcohol dehydrogenase activity. The term "stringent conditions" as used herein means conditions under which a so-called specific hybrid is formed and a non-specific hybrid is not formed, and is appropriately determined by referring to, for example, Molecular Cloning: A Laboratory Manual (Third Edition). can do. Specifically, the stringency can be set according to the temperature at the time of Southern hybridization or the salt concentration contained in the solution, and the temperature at the washing step of Southern hybridization or the salt concentration contained in the solution. More specifically, as stringent conditions, for example, the sodium concentration is 25 to 500 mM, preferably 25 to 300 mM, and the temperature is 42 to 68 ° C, preferably 42 to 65 ° C. More specifically, 5 × SSC (83 mM NaCl, 83 mM sodium citrate) is at a temperature of 42 ° C.

上述したように、配列番号19と異なる塩基配列からなる遺伝子、又は配列番号20とは異なるアミノ酸配列をコードする遺伝子が、エタノールをアセトアルデヒドに変換する活性を有するアルコール脱水素酵素遺伝子として機能するか否かは、当該遺伝子を適当なプロモーターとターミネーター等の間に組み込んだ発現ベクターを作製し、この発現ベクターを用いて例えば酵母等の宿主を形質転換し、発現するタンパク質のアルコール脱水素酵素活性を測定すればよい。エタノールをアセトアルデヒドに変換するアルコール脱水素酵素活性は、基質としてアルコールとNAD+又はNADP+を含む溶液を準備し、検査対象のタンパク質を適当な温度で作用させ、生成するアルデヒドを計測するか、NADH又はNADPHを分光学的に計測して測定することができる。 As described above, whether a gene having a base sequence different from SEQ ID NO: 19 or a gene encoding an amino acid sequence different from SEQ ID NO: 20 functions as an alcohol dehydrogenase gene having an activity of converting ethanol to acetaldehyde For this purpose, an expression vector in which the gene is inserted between an appropriate promoter and a terminator is prepared, and a host such as yeast is transformed with the expression vector, and the alcohol dehydrogenase activity of the expressed protein is measured. do it. Alcohol dehydrogenase activity, which converts ethanol to acetaldehyde, can be determined by preparing a solution containing alcohol and NAD + or NADP + as a substrate, allowing the protein to be tested to act at an appropriate temperature, and measuring the aldehyde generated, or measuring NADH. Alternatively, NADPH can be measured by spectroscopic measurement.

さらに、組換え酵母に導入する他の遺伝子としては、バイオマスを構成するヘミセルロースに含まれる5炭糖であるL-アラビノースの代謝経路に関与する遺伝子を挙げることができる。このような遺伝子としては、例えば、原核生物由来のL-アラビノースイソメラーゼ遺伝子、L-リブロキナーゼ遺伝子、L-リブロース-5-ホスフェート4-エピメラーゼ遺伝子や、真核生物由来のL-アラビトール-4-デヒドロゲナーゼ遺伝子、L-キシロースレダクターゼ遺伝子を挙げることができる。   Further, examples of other genes to be introduced into the recombinant yeast include genes involved in the metabolic pathway of L-arabinose, which is a pentose contained in hemicellulose constituting biomass. Such genes include, for example, prokaryotic L-arabinose isomerase gene, L-librokinase gene, L-ribulose-5-phosphate 4-epimerase gene, and eukaryotic L-arabitol-4-dehydrogenase. And L-xylose reductase gene.

特に、組換え酵母に導入する他の遺伝子としては、培地中のキシロースの利用を促進できるような遺伝子を挙げることができる。具体的には、キシルロースを基質としてキシルロース-5-リン酸を生成する活性を有するキシルロキナーゼをコードする遺伝子を挙げることができる。キシルロキナーゼ遺伝子を導入することによって、ペントースリン酸経路の代謝流束を向上させることができる。   In particular, other genes to be introduced into the recombinant yeast include genes that can promote the use of xylose in the medium. Specific examples include a gene encoding xylulokinase having an activity of generating xylulose-5-phosphate using xylulose as a substrate. By introducing the xylulokinase gene, the metabolic flux of the pentose phosphate pathway can be improved.

さらに組換え酵母は、ペントースリン酸経路における非酸化過程の経路を構成する酵素群より選択される酵素をコードする遺伝子を導入することができる。ペントースリン酸経路における非酸化過程の経路を構成する酵素としては、リボース-5-リン酸イソメラーゼ、リブロース-5-リン酸-3-エピメラーゼ、トランスケトラーゼ及びトランスアルドラーゼを挙げることができる。これら酵素をコードする遺伝子を1種以上導入することが好ましい。また、これら遺伝子のうち2種以上組み合わせて導入することがより好ましく、3種以上組み合わせて導入することが更に好ましく、全種類の遺伝子を導入することが最も好ましい。   Further, the recombinant yeast can introduce a gene encoding an enzyme selected from a group of enzymes constituting a pathway of a non-oxidation process in the pentose phosphate pathway. Examples of the enzymes constituting the non-oxidation process pathway in the pentose phosphate pathway include ribose-5-phosphate isomerase, ribulose-5-phosphate-3-epimerase, transketolase, and transaldolase. It is preferable to introduce one or more genes encoding these enzymes. Further, it is more preferable to introduce two or more of these genes in combination, it is more preferable to introduce three or more of them in combination, and it is most preferable to introduce all kinds of genes.

より具体的にキシルロキナーゼ(XK)遺伝子としては、特に由来生物を限定せずに用いることができる。なおXK遺伝子は、キシルロースを資化する細菌や酵母など多くの微生物が保持している。XK遺伝子に関する情報は、NCBIのHP等の検索により適宜入手できる。好ましくは、酵母、乳酸菌、大腸菌、植物などに由来するXK遺伝子が挙げられる。XK遺伝子としては、例えば、S. cerevisiae S288C 株由来のXK遺伝子であるXKS1(GenBank:Z72979)(CDSのコード領域の塩基配列及びアミノ酸配列)が挙げられる。   More specifically, the xylulokinase (XK) gene can be used without any particular limitation on the source organism. The XK gene is carried by many microorganisms such as bacteria and yeast that utilize xylulose. Information on the XK gene can be appropriately obtained by searching the NCBI website and the like. Preferably, XK genes derived from yeast, lactic acid bacteria, Escherichia coli, plants and the like are mentioned. Examples of the XK gene include XKS1 (GenBank: Z72979), which is an XK gene derived from the S. cerevisiae S288C strain (base sequence and amino acid sequence of the coding region of CDS).

また、より具体的にトランスアルドラーゼ(TAL)遺伝子、トランスケトラーゼ(TKL)遺伝子、リブロース-5-リン酸エピメラーゼ(RPE)遺伝子、リボース-5-リン酸ケトイソメラーゼ(RKI)遺伝子は、特に由来生物を限定せずに用いることができる。これら遺伝子はペントースリン酸経路を備える多くの生物であれば保持している。例えば、S.cerevisiaeなど汎用酵母もこれらの遺伝子を保持している。これらの遺伝子に関する情報は、NCBI等のHPにアクセスすることにより適宜入手できる。好ましくは、真核細胞又は酵母等、宿主真核細胞と同一の属、さらに好ましくは宿主真核細胞と同一種に由来の各遺伝子が挙げられる。TAL遺伝子としてはTAL1遺伝子、TKL遺伝子としてはTKL1遺伝子及びTKL2遺伝子、RPE遺伝子としてはRPE1遺伝子、RKI遺伝子としてはRKI1遺伝子を好ましく用いることができる。例えば、これら遺伝子としては、S. cerevisiae S288 株由来のTAL1遺伝子であるTAL1遺伝子(GenBank:U19102)、S. cerevisiae S288 株由来のTKL1遺伝子(GenBank:X73224)、S. cerevisiae S288 株由来のRPE1遺伝子(GenBank:X83571)、S. cerevisiae S288 株由来のRKI1遺伝子(GenBank:Z75003)が挙げられる。   More specifically, the transaldolase (TAL) gene, the transketolase (TKL) gene, the ribulose-5-phosphate epimerase (RPE) gene, and the ribose-5-phosphate ketoisomerase (RKI) gene are particularly Can be used without limitation. Many genes having the pentose phosphate pathway carry these genes. For example, general-purpose yeasts such as S. cerevisiae also carry these genes. Information on these genes can be obtained as appropriate by accessing HP such as NCBI. Preferably, each gene is derived from the same genus as the host eukaryotic cell, such as eukaryotic cells or yeast, and more preferably from the same species as the host eukaryotic cell. The TAL gene can be preferably used as the TAL gene, the TKL1 and TKL2 genes can be used as the TKL gene, the RPE1 gene can be used as the RPE gene, and the RKI1 gene can be preferably used as the RKI gene. For example, these genes include TAL1 gene (GenBank: U19102), which is a TAL1 gene derived from S. cerevisiae S288 strain, TKL1 gene (GenBank: X73224) derived from S. cerevisiae S288 strain, and RPE1 gene derived from S. cerevisiae S288 strain (GenBank: X83571) and the RKI1 gene (GenBank: Z75003) derived from S. cerevisiae S288 strain.

<組換え酵母の作製>
上述したアセトアルデヒド脱水素酵素遺伝子を宿主となる酵母のゲノムに導入し、且つトレハロース蓄積に関与する酵素を当該酵母で制御することにより、本発明に係る組換え酵母を作製することができる。ここで、アセトアルデヒド脱水素酵素遺伝子は、キシロース代謝能を有しない酵母に導入しても良いし、キシロース代謝能を本来的に有する酵母に導入しても良いし、キシロース代謝能を有しない酵母にキシロース代謝関連遺伝子と共に導入されても良い。また、アセトアルデヒド脱水素酵素遺伝子及び上述した遺伝子を酵母に導入する際、全ての遺伝子を同時に導入しても良いし、異なる発現ベクターを利用して逐次導入しても良い。
<Preparation of recombinant yeast>
The recombinant yeast according to the present invention can be produced by introducing the above-mentioned acetaldehyde dehydrogenase gene into the genome of a yeast serving as a host and controlling the enzyme involved in trehalose accumulation by the yeast. Here, the acetaldehyde dehydrogenase gene may be introduced into a yeast that does not have xylose metabolism, may be introduced into a yeast that originally has xylose metabolism, or may be introduced into a yeast that does not have xylose metabolism. It may be introduced together with a xylose metabolism-related gene. When the acetaldehyde dehydrogenase gene and the above-mentioned genes are introduced into yeast, all the genes may be introduced simultaneously, or they may be introduced sequentially using different expression vectors.

宿主として用いることができる酵母としては、特に限定するものではないがCandida Shehatae、Pichia stipitis、Pachysolen tannophilus、Saccharomyces cerevisiae及びSchizosaccharomyces pombeなどの酵母が挙げられ、特にSaccharomyces cerevisiaeが好ましい。また、酵母としては、実験面での利便性のために使われる実験株でも良いし、実用面での有用性のために使われている工業株(実用株)でも良い。工業株としては、例えば、ワイン、清酒や焼酎作りに用いられる酵母株を挙げることができる。   Examples of the yeast that can be used as a host include, but are not limited to, yeasts such as Candida Shehatae, Pichia stipitis, Pachysolen tannophilus, Saccharomyces cerevisiae, and Schizosaccharomyces pombe, with Saccharomyces cerevisiae being particularly preferred. In addition, the yeast may be an experimental strain used for convenience in experiments, or an industrial strain (practical strain) used for usefulness in practical use. Examples of industrial strains include yeast strains used for making wine, sake, and shochu.

また、宿主となる酵母としては、ホモタリック性を有する酵母を使用することが好ましい。特開2009-34036号公報に開示される手法によれば、ホモタリック性を有する酵母を利用することで、簡便にゲノムへの多コピー遺伝子導入が可能となる。ホモタリック性を有する酵母とは、ホモタリックな酵母と同義である。ホモタリック性を有する酵母としては、特に限定されず、如何なる酵母をも使用することができる。ホモタリック性を有する酵母としては、Saccharomyces cerevisiae OC-2株(NBRC2260)を挙げることができるが、これに限定されるものではない。その他にもホモタリック性を有する酵母としては、アルコール酵母(台研396号、NBRC0216)(出典:「アルコール酵母の諸特性」酒研会報、No37、p18-22(1998.8))、ブラジルと沖縄で分離したエタノール生産酵母(出典:「ブラジルと沖縄で分離したSaccharomyces cerevisiae野生株の遺伝学的性質」日本農芸化学会誌、Vol.65、No.4、p759-762(1991.4))及び180(出典「アルコール発酵力の強い酵母のスクリーニング」日本醸造協会誌、Vol.82、No.6、p439-443(1987.6))を挙げることができる。また、ヘテロタリックな表現型を示す酵母においても、HO遺伝子を発現可能に導入することによってホモタリック性を有する酵母として使用することができる。すなわち、本発明において、ホモタリック性を有する酵母とは、HO遺伝子を発現可能に導入された酵母も含む意味である。   It is preferable to use a yeast having homothallic properties as a host yeast. According to the technique disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2009-34036, the use of yeast having homothallic properties makes it possible to easily introduce a multicopy gene into the genome. The homothallic yeast has the same meaning as the homothallic yeast. The yeast having homothallic properties is not particularly limited, and any yeast can be used. Examples of the yeast having homothallic property include, but are not limited to, Saccharomyces cerevisiae OC-2 strain (NBRC2260). Other yeasts with homothallic properties include alcohol yeast (Taken No. 396, NBRC0216) (Source: "Properties of alcohol yeast", Sakeken Kaiho, No. 37, p18-22 (1998.8)), isolated in Brazil and Okinawa Ethanol-producing yeast (Source: "Genetic properties of wild strains of Saccharomyces cerevisiae isolated in Brazil and Okinawa", Journal of the Japanese Society of Agricultural Chemistry, Vol. 65, No. 4, p759-762 (1991.4)) and 180 (Source: "Alcohol" Screening of yeast having strong fermentation power ", Journal of the Japan Brewing Association, Vol. 82, No. 6, p439-443 (1987.6). Also, yeast having a heterothallic phenotype can be used as a homothallic yeast by introducing the HO gene in an expressible manner. That is, in the present invention, the yeast having homothallic properties includes a yeast into which the HO gene has been introduced so that it can be expressed.

なかでも、Saccharomyces cerevisiae OC-2株は、従来ワイン醸造の場面で利用されてきた安全性を確認されている菌株であるため好ましい。また、Saccharomyces cerevisiae OC-2株は、後述する実施例で示したように、高糖濃度の条件下におけるプロモーター活性が優れた菌株であるため好ましい。特にSaccharomyces cerevisiae OC-2株は、高糖濃度条件においてピルビン酸脱炭酸酵素遺伝子(PDC1)のプロモーター活性が優れているため好ましい。   Among them, the Saccharomyces cerevisiae OC-2 strain is preferred because it is a strain that has been used in wine brewing and has been confirmed to be safe. In addition, the Saccharomyces cerevisiae OC-2 strain is preferable because it has excellent promoter activity under high sugar concentration conditions, as shown in Examples described later. In particular, the Saccharomyces cerevisiae OC-2 strain is preferable since the pyruvate decarboxylase gene (PDC1) promoter activity is excellent under high sugar concentration conditions.

また、導入する遺伝子のプロモーターとしては、特に限定されないが、例えばグリセルアルデヒド3リン酸デヒドロゲナーゼ遺伝子(TDH3)のプロモーター、3-ホスホグリセレートキナーゼ遺伝子(PGK1)のプロモーター、高浸透圧応答7遺伝子(HOR7)のプロモーターなどが利用可能である。なかでもピルビン酸脱炭酸酵素遺伝子(PDC1)のプロモーターが下流の目的遺伝子を高発現させる能力が高いために好ましい。   Further, the promoter of the gene to be introduced is not particularly limited, for example, a glyceraldehyde 3-phosphate dehydrogenase gene (TDH3) promoter, a 3-phosphoglycerate kinase gene (PGK1) promoter, a hyperosmotic response 7 gene ( HOR7) promoter can be used. Among them, the promoter of the pyruvate decarboxylase gene (PDC1) is preferable because of its high ability to highly express the downstream target gene.

すなわち、上述した遺伝子は、発現を制御するプロモーターやその他の発現制御領域とともに酵母のゲノムに導入してもよい。または、上述した遺伝子は、宿主となる酵母のゲノムに本来的に存在する遺伝子のプロモーターやその他の発現制御領域により発現制御されるように導入してもよい。   That is, the above-described gene may be introduced into the yeast genome together with a promoter for controlling expression and other expression control regions. Alternatively, the above-described gene may be introduced such that its expression is controlled by the promoter of the gene originally present in the genome of the yeast as a host or other expression control regions.

また、上述した遺伝子を導入する方法としては、酵母の形質転換方法として知られている従来公知のいかなる手法をも適用することができる。具体的には、例えば、エレクトロポレーション法“Meth. Enzym., 194, p182 (1990)”、スフェロプラスト法“Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 75 p1929(1978)”、酢酸リチウム法“J.Bacteriology, 153, p163(1983)”、Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 75 p1929 (1978)、Methods in yeast genetics, 2000 Edition : A Cold Spring Harbor Laboratory Course Manualなどに記載の方法で実施可能であるが、これに限定されない。   As a method for introducing the above-mentioned gene, any conventionally known method known as a yeast transformation method can be applied. Specifically, for example, electroporation method “Meth. Enzym., 194, p182 (1990)”, spheroplast method “Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 75 p1929 (1978)”, lithium acetate method Natl. Acad. Sci. USA, 75 p1929 (1978), Methods in yeast genetics, 2000 Edition: A Cold Spring Harbor Laboratory Course Manual, etc., "J. Bacteriology, 153, p163 (1983)". It can be implemented, but is not limited to this.

<エタノール製造>
本発明に係るエタノールの製造方法は、上記組換え酵母を使用し、培地に含まれる糖源からエタノールを合成する方法である。本発明に係るエタノールの製造方法では、上記組換え酵母により培地に含まれる酢酸を代謝することができ、エタノール発酵に伴って培地中の酢酸濃度が低減するといった特徴がある。
<Ethanol production>
The method for producing ethanol according to the present invention is a method for synthesizing ethanol from a sugar source contained in a medium using the above-mentioned recombinant yeast. The method for producing ethanol according to the present invention is characterized in that acetic acid contained in a medium can be metabolized by the above-mentioned recombinant yeast, and the concentration of acetic acid in the medium decreases with ethanol fermentation.

上記組換え酵母を使用してエタノールを製造する際には、少なくともグルコース及び/又はキシロースを含有する培地にてエタノール発酵培養を行う。すなわち、エタノール発酵を行う培地とは、炭素源として少なくともグルコース及び/又はキシロースを含有することとなる。なお、培地には、他の炭素源が含まれていても良い。   When producing ethanol using the above-mentioned recombinant yeast, ethanol fermentation culture is performed in a medium containing at least glucose and / or xylose. That is, the medium for ethanol fermentation contains at least glucose and / or xylose as a carbon source. The medium may contain another carbon source.

また、エタノール発酵に利用する培地に含まれるグルコース及び/又はキシロースは、セルロース系バイオマス由来とすることができる。ここで、セルロース系バイオマスとしては、従来公知の前処理を施したものであっても良い。前処理としては、特に限定されないが、例えば、リグニンを微生物によって分解する処理や、セルロース系バイオマスの粉砕処理等を挙げることができる。また、前処理としては、例えば、粉砕したセルロース系バイオマスを希硫酸溶液やアルカリ溶液、イオン液体に浸漬する処理、水熱処理、微粉砕処理といった処理を適用しても良い。これら前処理により、バイオマスの糖化率を向上させることができる。   In addition, glucose and / or xylose contained in a medium used for ethanol fermentation can be derived from cellulosic biomass. Here, the cellulosic biomass may be one subjected to a conventionally known pretreatment. The pretreatment is not particularly limited, and examples thereof include a treatment for decomposing lignin by a microorganism and a pulverization treatment for cellulosic biomass. Further, as the pretreatment, for example, a treatment of immersing the pulverized cellulosic biomass in a dilute sulfuric acid solution, an alkali solution, or an ionic liquid, a hydrothermal treatment, or a pulverization treatment may be applied. By these pretreatments, the saccharification rate of biomass can be improved.

換言すれば、上記培地は、セルロース系バイオマス等のセルロース及びセルラーゼを含む組成であってもよい。この場合、上記培地には、セルラーゼがセルロースに作用することで生成するグルコースを含有することとなる。   In other words, the medium may have a composition containing cellulose such as cellulosic biomass and cellulase. In this case, the medium contains glucose produced by cellulase acting on cellulose.

さらに、上記培地は、セルロース系バイオマスと、セルロース系バイオマスに含まれるヘミセルロースを糖化してキシロースを生成するヘミセルラーゼとを含む組成であってもよい。この場合、上記培地には、ヘミセルラーゼがヘミセルロースに作用することで生成するキシロースを含有することとなる。   Further, the medium may have a composition containing cellulosic biomass and hemicellulase that saccharifies hemicellulose contained in the cellulosic biomass to produce xylose. In this case, the medium contains xylose generated by the action of hemicellulase on hemicellulose.

また、エタノール発酵に利用する培地は、セルロース系バイオマスを糖化処理した後の糖化液を添加してもよい。この場合、糖化液には、残存するセルロースやセルラーゼと生成されたグルコース、残存するヘミセルロースやヘミセルラーゼと生成されたキシロースが含まれる。   Further, a saccharified solution obtained by saccharifying cellulosic biomass may be added to a medium used for ethanol fermentation. In this case, the saccharified solution contains remaining cellulose and cellulase and generated glucose, and remaining hemicellulose and hemicellulase and generated xylose.

以上のように、本発明に係るエタノールの製造方法は、少なくともグルコース及び/又はキシロースを糖源とするエタノール発酵の工程を含むこととなる。本発明に係るエタノールの製造方法は、グルコース及び/又はキシロースを糖源としたエタノール発酵によりエタノールを製造することができる。本発明に係る組換え酵母を利用したエタノールの製造方法では、エタノール発酵の後、培地からエタノールを回収する。エタノールの回収方法は、特に限定されず、従来公知のいかなる方法も適用することができる。例えば、上述したエタノール発酵が終了した後、固液分離操作によってエタノールを含む液層と、組換え酵母や固形成分を含有する固層とを分離する。その後、液層に含まれるエタノールを蒸留法によって分離・精製することで、純度の高いエタノールを回収することができる。なお、エタノールの精製度は、エタノールの使用目的にあわせて適宜調整することができる。   As described above, the method for producing ethanol according to the present invention includes at least the step of ethanol fermentation using glucose and / or xylose as a sugar source. The method for producing ethanol according to the present invention can produce ethanol by ethanol fermentation using glucose and / or xylose as a sugar source. In the method for producing ethanol using the recombinant yeast according to the present invention, ethanol is recovered from the medium after ethanol fermentation. The method for recovering ethanol is not particularly limited, and any conventionally known method can be applied. For example, after the above-described ethanol fermentation is completed, a liquid layer containing ethanol and a solid layer containing recombinant yeast and solid components are separated by a solid-liquid separation operation. Thereafter, by separating and purifying the ethanol contained in the liquid layer by a distillation method, highly pure ethanol can be recovered. In addition, the purification degree of ethanol can be appropriately adjusted according to the purpose of use of ethanol.

一般に、バイオマスに由来する糖を利用してエタノールを製造する場合、上述した前処理や糖化処理において酢酸やフルフラールといった発酵阻害物質が生産される場合がある。特に酢酸については、酵母の生育・増殖を阻害し、キシロースを糖源とするエタノール発酵の効率を低下させることが知られている。   Generally, when producing ethanol using sugar derived from biomass, a fermentation inhibitor such as acetic acid or furfural may be produced in the above-described pretreatment or saccharification treatment. In particular, acetic acid is known to inhibit the growth and growth of yeast and reduce the efficiency of ethanol fermentation using xylose as a sugar source.

しかしながら、本発明においては、アセトアルデヒド脱水素酵素遺伝子を導入し、且つ
HSP70ファミリー又はHSP40ファミリーに属する分子シャペロン遺伝子を導入した組換え酵母を使用しているため、培地に含まれる酢酸を代謝することができ、培地に含まれる酢酸濃度を低く抑えることができる。よって、本発明に係るエタノールの製造方法は、アセトアルデヒド脱水素酵素遺伝子及びHSP70ファミリー又はHSP40ファミリーに属する分子シャペロン遺伝子を導入していない酵母を使用した場合と比較して優れたエタノール収率を達成できる。
However, in the present invention, the acetaldehyde dehydrogenase gene is introduced, and
Since a recombinant yeast into which a molecular chaperone gene belonging to the HSP70 family or the HSP40 family has been introduced is used, acetic acid contained in the medium can be metabolized, and the concentration of acetic acid contained in the medium can be reduced. Therefore, the method for producing ethanol according to the present invention can achieve an excellent ethanol yield as compared with the case where yeast which does not introduce an acetaldehyde dehydrogenase gene and a molecular chaperone gene belonging to the HSP70 family or the HSP40 family is used. .

また、本発明に係るエタノールの製造方法によれば、組換え酵母を所定期間培養した後においても培地中の酢酸濃度が低いため、所定期間培養後の培地の一部を利用して新たに培養を開始する連続培養系に使用しても、酢酸の持ち込み量を低減できる。また、本発明に係るエタノールの製造方法によれば、エタノール発酵工程の終了後、菌体を回収して再利用する場合でも同様な理由から酢酸の持ち込み量を低減できる。   Further, according to the method for producing ethanol according to the present invention, even after culturing the recombinant yeast for a predetermined period of time, the concentration of acetic acid in the medium is low. , The amount of acetic acid brought in can be reduced. Further, according to the method for producing ethanol according to the present invention, the amount of acetic acid brought in can be reduced for the same reason even when the cells are collected and reused after the end of the ethanol fermentation step.

さらに、本発明に係るエタノールの製造方法は、培地に含まれるセルロースをセルラーゼにより糖化する工程と、キシロースと糖化により生成されたグルコースとを糖源とするエタノール発酵の工程とが同時に進行する、いわゆる同時糖化発酵処理としても良い。ここで、同時糖化発酵処理とは、セルロース系バイオマスを糖化する工程とエタノール発酵工程とを区別せずに同時に実施する処理を意味する。   Furthermore, in the method for producing ethanol according to the present invention, the step of saccharifying cellulose contained in the culture medium with cellulase and the step of ethanol fermentation using xylose and glucose generated by saccharification as a sugar source proceed simultaneously, so-called, Simultaneous saccharification and fermentation may be used. Here, the simultaneous saccharification and fermentation treatment means a treatment that is simultaneously performed without distinguishing between a step of saccharifying cellulosic biomass and an ethanol fermentation step.

なお、糖化方法としては、特に限定されないが、セルラーゼやヘミセルラーゼ等のセルラーゼ製剤を利用する酵素法等を挙げることができる。セルラーゼ製剤は、セルロース鎖及びヘミセルロース鎖の分解に関与する複数の酵素を含んでおり、エンドグルカナーゼ活性、エンドキシラナーゼ活性、セロビオヒドロラーゼ活性、グルコシダーゼ活性及びキシロシダーゼ活性等の複数の活性を示す。セルラーゼ製剤としては、特に限定されないが、例えば、Trichoderma reeseiや、Acremonium cellulolyticusなどが生産するセルラーゼを挙げることができる。セルラーゼ製剤としては、市販されているものを使用しても良い。   The saccharification method is not particularly limited, and examples thereof include an enzyme method using a cellulase preparation such as cellulase and hemicellulase. The cellulase preparation contains a plurality of enzymes involved in the degradation of cellulose chains and hemicellulose chains, and exhibits a plurality of activities such as endoglucanase activity, endoxylanase activity, cellobiohydrolase activity, glucosidase activity, and xylosidase activity. Examples of the cellulase preparation include, but are not particularly limited to, cellulases produced by Trichoderma reesei, Acremonium cellulolyticus, and the like. A commercially available cellulase preparation may be used.

同時糖化発酵処理では、セルロース系バイオマス(前処理後であってもよい)を含む培地にセルラーゼ製剤と上述した組換え酵母とを加え、所定の温度範囲で当該組換え酵母を培養する。培養温度としては特に限定されないが、エタノール発酵の効率を考慮して25〜45℃とすることができ、30〜40℃とすることが好ましい。また、培養液のpHを4〜6とすることが好ましい。また、培養に際して、攪拌や振とうしてもよい。さらに、先に酵素の至適温度(40〜70℃)で糖化を行い、その後、温度を所定の温度(30〜40℃)に下げて組換え酵母を添加するといった変則的な同時糖化発酵でもよい。   In the simultaneous saccharification and fermentation treatment, a cellulase preparation and the above-mentioned recombinant yeast are added to a medium containing cellulosic biomass (which may be after pretreatment), and the recombinant yeast is cultured in a predetermined temperature range. The cultivation temperature is not particularly limited, but may be 25 to 45 ° C, preferably 30 to 40 ° C, in consideration of the efficiency of ethanol fermentation. Further, the pH of the culture solution is preferably set to 4 to 6. In the culture, stirring and shaking may be performed. Furthermore, even in an irregular simultaneous saccharification and fermentation in which saccharification is first performed at the optimum temperature of the enzyme (40 to 70 ° C), and then the temperature is lowered to a predetermined temperature (30 to 40 ° C) and recombinant yeast is added. Good.

以下、実施例を用いて本発明をより詳細に説明するが、本発明の技術的範囲はこれら実施例に限定されるものではない。   Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples, but the technical scope of the present invention is not limited to these Examples.

〔実施例1〕
本実施例では、アセトアルデヒド脱水素酵素遺伝子を導入し、且つHSP70ファミリー又はHSP40ファミリーに属する分子シャペロン遺伝子を導入した組換え酵母を作製し、この組換え酵母の酢酸代謝能を評価した。
[Example 1]
In this example, a recombinant yeast into which an acetaldehyde dehydrogenase gene was introduced and into which a molecular chaperone gene belonging to the HSP70 family or the HSP40 family was introduced was prepared, and the acetic acid metabolizing ability of this recombinant yeast was evaluated.

<導入ベクターの作製>
(1)adhE・ADH1遺伝子発現及びADH2遺伝子破壊用プラスミド
ADH2遺伝子座にADH2遺伝子を破壊しながら、E. coli由来のアセトアルデヒド脱水素遺伝子(adhE)及び、S. cerevisiae OC-2株由来のアルコールデヒドロゲナーゼ1(ADH1)遺伝子を酵母に導入するために必要な配列を含むプラスミド、pUC-5U_ADH2-P_TDH3-ADH1-T_ADH1-T_DIT1-adhE-P_HOR7-LoxP-P_TEF1-SAT-T_LEU2-P_GAL1-CRE-T_CYC1-LoxP-3U_ADH2を作製した。
<Preparation of transfection vector>
(1) Plasmid for adhE / ADH1 gene expression and ADH2 gene disruption
It is necessary to introduce the acetaldehyde dehydrogenation gene (adhE) from E. coli and the alcohol dehydrogenase 1 (ADH1) gene from S. cerevisiae OC-2 into yeast while disrupting the ADH2 gene at the ADH2 locus. A plasmid containing the sequence, pUC-5U_ADH2-P_TDH3-ADH1-T_ADH1-T_DIT1-adhE-P_HOR7-LoxP-P_TEF1-SAT-T_LEU2-P_GAL1-CRE-T_CYC1-LoxP-3U_ADH2, was prepared.

このプラスミドには、5’側に、TDH3プロモーターが付加されADH1遺伝子、HOR7プロモーターとDIT1ターミネーターが付加されたadhE遺伝子(NCBIアクセスNo.945837、全長を酵母のコドン使用頻度に合わせてコドンを変換した配列を全合成したもの)、酵母ゲノム上への相同組換え領域として、ADH2遺伝子の5’側末端より上流約700bpの領域の遺伝子配列(5U_ADH2)、及びADH2遺伝子3’側末端より下流の約800bpの領域のDNA配列(3U_ADH2)、マーカーとして、nourseothricin耐性遺伝子を含む遺伝子配列(natマーカー)並びに、loxP配列部位特異的に組換え反応を行うDNA組換え酵素Cre遺伝子が含まれるように構築した。Cre遺伝子(NCBIアクセスNo.2777477、全長を酵母のコドン使用頻度に合わせてコドンを変換した配列を全合成したもの)はGAL1プロモーターが付加されており、ガラクトースが含まれる培地で、発現誘導が可能であり、大腸菌での発現を抑制するために、Saccharomyces cerevisiae BY4742株のCOX5B遺伝子に含まれるイントロンの配列を融合したものを使用した。   In this plasmid, the ADH1 gene with the addition of the TDH3 promoter and the adhE gene with the addition of the HOR7 promoter and the DIT1 terminator (NCBI access No. 945837, the full length was changed to match the codon usage in yeast on the 5 'side) Sequence), a homologous recombination region on the yeast genome, a gene sequence (5U_ADH2) of a region about 700 bp upstream from the 5 'end of the ADH2 gene, and a gene sequence downstream from the 3' end of the ADH2 gene. It was constructed to include a DNA sequence (3U_ADH2) of an 800 bp region, a gene sequence containing a nourseothricin resistance gene (nat marker) as a marker, and a DNA recombinase Cre gene that performs a recombination reaction in a loxP sequence site-specific manner. . Cre gene (NCBI Access No. 2777477, full-length synthesized sequence of codons converted to match the codon usage of yeast) has a GAL1 promoter added, and its expression can be induced in a galactose-containing medium In order to suppress expression in Escherichia coli, a product obtained by fusing the intron sequence contained in the COX5B gene of Saccharomyces cerevisiae BY4742 was used.

マーカー遺伝子とCre遺伝子は2つのLoxP配列間に挟まれており、Cre遺伝子を発現することで、マーカーとCre遺伝子を同時に除去することが可能である。   The marker gene and the Cre gene are sandwiched between two LoxP sequences, and by expressing the Cre gene, the marker and the Cre gene can be simultaneously removed.

なお、各DNA配列は表1のプライマーを用いたPCRにより増幅することが可能である。各DNA断片を結合するため、プライマーは隣接DNA配列と約15bp重複するようにDNA配列を付加されており、それらを用いて、Saccharomyces cerevisiae BY4742ゲノム又はadhE合成遺伝子DNAを鋳型に目的のDNA断片を増幅、In-Fusion(登録商標) HD Cloning Kit等を用いて順次DNA断片を結合、プラスミドpUC19にクローニングして最終目的のプラスミドを作製した。   Each DNA sequence can be amplified by PCR using the primers in Table 1. In order to bind each DNA fragment, a primer is added with a DNA sequence so as to overlap with an adjacent DNA sequence by about 15 bp, and using them, a DNA fragment of interest is prepared using the Saccharomyces cerevisiae BY4742 genome or adhE synthetic gene DNA as a template. Amplification, DNA fragments were sequentially linked using In-Fusion (registered trademark) HD Cloning Kit and the like, and cloned into plasmid pUC19 to prepare a final target plasmid.

(2)eutE・ADH1遺伝子発現及びADH2遺伝子破壊用プラスミド
ADH2遺伝子座にADH2遺伝子を破壊しながら、E. coli由来のアセトアルデヒド脱水素遺伝子(eutE)及び、S. cerevisiae OC-2株由来のADH1遺伝子を酵母に導入するために必要な配列を含むプラスミド、pUC-5U_ADH2-P_TDH3-ADH1-T_ADH1-T_DIT1-eutE-P_HOR7-LoxP-P_TEF1-SAT-T_LEU2-P_GAL1-CRE-T_CYC1-LoxP -3U_ADH2を作製した。
(2) plasmid for eutE / ADH1 gene expression and ADH2 gene disruption
A plasmid containing a sequence necessary for introducing the acetaldehyde dehydrogenation gene (eutE) derived from E. coli and the ADH1 gene derived from the S. cerevisiae OC-2 strain into yeast while disrupting the ADH2 gene at the ADH2 locus; pUC-5U_ADH2-P_TDH3-ADH1-T_ADH1-T_DIT1-eutE-P_HOR7-LoxP-P_TEF1-SAT-T_LEU2-P_GAL1-CRE-T_CYC1-LoxP-3U_ADH2 was prepared.

このプラスミドには、5’側にTDH3プロモーターが付加されたADH1遺伝子、HOR7プロモーターとDIT1ターミネーターが付加されたeutE遺伝子(NCBIアクセスNo. 946943, 全長を酵母のコドン使用頻度に合わせてコドンを変換した配列を全合成したもの)、酵母ゲノム上への相同組換え領域として、ADH2遺伝子の5’側末端より上流約700bpの領域の遺伝子配列(5U_ADH2)、及びADH2遺伝子3’側末端より下流の約800bpの領域のDNA配列(3U_ADH2)、マーカーとして、natマーカー並びに、loxP配列部位特異的に組換え反応を行うDNA組換え酵素Cre遺伝子が含まれるように構築した。マーカー遺伝子とCre遺伝子は2つのLoxP配列間に挟まれており、Cre遺伝子を発現することで、マーカーとCre遺伝子を同時に除去することが可能である。   This plasmid contains the ADH1 gene with a TDH3 promoter added to the 5 'end, and the eutE gene with a HOR7 promoter and a DIT1 terminator added (NCBI Access No. 946943, whose codons have been converted to match the codon usage in yeast. Sequence), a homologous recombination region on the yeast genome, a gene sequence (5U_ADH2) of a region about 700 bp upstream from the 5 'end of the ADH2 gene, and a gene sequence downstream from the 3' end of the ADH2 gene. An 800 bp DNA sequence (3U_ADH2) was constructed so as to include a nat marker and a DNA recombinase Cre gene that performs a recombination reaction in a loxP sequence site-specific manner as a marker. The marker gene and the Cre gene are sandwiched between two LoxP sequences, and by expressing the Cre gene, the marker and the Cre gene can be simultaneously removed.

なお、各DNA配列は表1のプライマーを用いたPCRにより増幅することが可能である。各DNA断片を結合するため、プライマーは隣接DNA配列と約15bp重複するようにDNA配列を付加されており、それらを用いて、プラスミドpUC-5U_ADH2-P_TDH3-ADH1-T_ADH1-T_DIT1-adhE-P_HOR7- LoxP-P_TEF1-SAT-T_LEU2-P_GAL1-CRE- T_CYC1-LoxP -3U_ADH2又はeutE合成遺伝子DNAを鋳型に目的のDNA断片を増幅、In-Fusion(登録商標)HD Cloning Kit等を用いて順次DNA断片を結合、プラスミドpUC19にクローニングして最終目的のプラスミドを作製した。   Each DNA sequence can be amplified by PCR using the primers in Table 1. To bind each DNA fragment, a primer is added with a DNA sequence so that the adjacent DNA sequence overlaps by about 15 bp, and using them, plasmid pUC-5U_ADH2-P_TDH3-ADH1-T_ADH1-T_DIT1-adhE-P_HOR7- Amplify the target DNA fragment using LoxP-P_TEF1-SAT-T_LEU2-P_GAL1-CRE-T_CYC1-LoxP-3U_ADH2 or eutE synthetic gene DNA as a template, and sequentially convert the DNA fragments using In-Fusion (registered trademark) HD Cloning Kit or the like. After ligation and cloning into plasmid pUC19, the final target plasmid was prepared.

(3)DnaJ遺伝子導入用プラスミド
SUC2遺伝子座の上流にE. coli由来の分子シャペロンのDnaJ遺伝子を酵母に導入するために必要な配列を含むプラスミド、pUC-5U850_SUC2-P_FBA1-dnaJ-T_RPL3-LoxP66- P_TEF1-SAT-T_LEU2-P_GAL1-Cre-T_CYC1- LoxP71-5U_SUC2を作製した。
(3) DnaJ gene transfer plasmid
A plasmid containing the sequence necessary to introduce the DnaJ gene of the molecular chaperone from E. coli upstream of the SUC2 locus into yeast, pUC-5U850_SUC2-P_FBA1-dnaJ-T_RPL3-LoxP66- P_TEF1-SAT-T_LEU2-P_GAL1- Cre-T_CYC1-LoxP71-5U_SUC2 was produced.

このプラスミドには、FBA1プロモーターとRPL3ターミネーターが付加されたDnaJ遺伝子(NCBIアクセスNo.944753、全長を酵母のコドン使用頻度に合わせてコドンを変換した配列を全合成したもの)、酵母ゲノム上への相同組換え領域として、SUC2遺伝子の5’側末端より上流約850から1450bpの領域の遺伝子配列(5U850_SUC2)、及び5’側末端より上流約850bの領域のDNA配列(5U_SUC2)、マーカーとして、natマーカー並びに、loxP配列部位特異的に組換え反応を行うDNA組換え酵素Cre遺伝子が含まれるように構築した。マーカー遺伝子とCre遺伝子は2つのLoxP配列間に挟まれており、Cre遺伝子を発現することで、マーカーとCre遺伝子を同時に除去することが可能である。   This plasmid contains the DnaJ gene (NCBI access No.944753, full-length synthesized sequence of codons converted to match the codon usage frequency of yeast) with the addition of the FBA1 promoter and RPL3 terminator. As a homologous recombination region, a gene sequence (5U850_SUC2) in a region of about 850 to 1450 bp upstream from the 5 ′ end of the SUC2 gene, a DNA sequence (5U_SUC2) in a region of about 850 b upstream from the 5 ′ end, and nat as a marker It was constructed so as to include a marker and a DNA recombinase Cre gene that performs a recombination reaction in a loxP sequence site-specific manner. The marker gene and the Cre gene are sandwiched between two LoxP sequences, and by expressing the Cre gene, the marker and the Cre gene can be simultaneously removed.

なお、各DNA配列は表1のプライマーを用いたPCRにより増幅することが可能である。各DNA断片を結合するため、プライマーは隣接DNA配列と約15bp重複するようにDNA配列を付加されており、それらを用いて、プラスミドpUC-5U_ADH2-P_TDH3-ADH1-T_ADH1-T_DIT1-adhE-P_HOR7- LoxP-P_TEF1-SAT-T_LEU2-P_GAL1-CRE- T_CYC1-LoxP -3U_ADH2、Saccharomyces cerevisiae BY4742株ゲノムもしくはDnaJ合成遺伝子DNAを鋳型に目的のDNA断片を増幅、In-Fusion(登録商標) HD Cloning Kit等を用いて順次DNA断片を結合、プラスミドpUC19にクローニングして最終目的のプラスミドを作製した。   Each DNA sequence can be amplified by PCR using the primers in Table 1. To bind each DNA fragment, a primer is added with a DNA sequence so that the adjacent DNA sequence overlaps by about 15 bp, and using them, plasmid pUC-5U_ADH2-P_TDH3-ADH1-T_ADH1-T_DIT1-adhE-P_HOR7- LoxP-P_TEF1-SAT-T_LEU2-P_GAL1-CRE-T_CYC1-LoxP-3U_ADH2, Saccharomyces cerevisiae BY4742 strain genome or DnaJ synthetic gene DNA to amplify target DNA fragment as template, In-Fusion (registered trademark) HD Cloning Kit, etc. The DNA fragments were sequentially ligated and cloned into plasmid pUC19 to prepare the final target plasmid.

(4)DnaK遺伝子導入用プラスミド
SUC2遺伝子座の上流にE. coli由来の分子シャペロンのDnaK遺伝子を酵母に導入するために必要な配列を含むプラスミド、pUC-5U850_SUC2-P_HOR7-dnaK-T_DIT1-LoxP66- P_TEF1-SAT-T_LEU2-P_GAL1-Cre-T_CYC1- LoxP71-5U_SUC2を作製した。
(4) DnaK gene transfer plasmid
A plasmid containing the sequence necessary for introducing the DnaK gene of the molecular chaperone derived from E. coli upstream of the SUC2 locus into yeast, pUC-5U850_SUC2-P_HOR7-dnaK-T_DIT1-LoxP66-P_TEF1-SAT-T_LEU2-P_GAL1- Cre-T_CYC1-LoxP71-5U_SUC2 was produced.

このプラスミドには、5’側にHOR7プロモーターとDITターミネーターが付加されたDnaK遺伝子(NCBIアクセスNo.944750、全長を酵母のコドン使用頻度に合わせてコドンを変換した配列を全合成したもの)、酵母ゲノム上への相同組換え領域として、SUC2遺伝子の5’側末端より上流約850から1450bpの領域の遺伝子配列(5U850_SUC2)、及び5’側末端より上流約850bの領域のDNA配列(5U_SUC2)、マーカーとして、natマーカー並びに、loxP配列部位特異的に組換え反応を行うDNA組換え酵素Cre遺伝子が含まれるように構築した。   This plasmid contains the DnaK gene (NCBI Access No. 944750, a full-length sequence obtained by converting codons in accordance with the codon usage frequency of yeast) with the addition of the HOR7 promoter and DIT terminator on the 5 'side. As a homologous recombination region on the genome, a gene sequence of a region of about 850 to 1450 bp upstream from the 5 ′ end of the SUC2 gene (5U850_SUC2), and a DNA sequence of a region of about 850 b upstream of the 5 ′ end (5U_SUC2), The marker was constructed to include the nat marker and the Cre gene, a DNA recombinase that performs recombination reaction in a loxP sequence-specific manner.

なお、各DNA配列は表1のプライマーを用いたPCRにより増幅することが可能である。各DNA断片を結合するため、プライマーは隣接DNA配列と約15bp重複するようにDNA配列を付加されており、それらを用いて、プラスミドpUC-5U850_SUC2-P_FBA1-dnaJ-T_RPL3-LoxP66- P_TEF1-SAT-T_LEU2-P_GAL1-Cre-T_CYC1- LoxP71-5U_SUC2又はDnaK合成遺伝子DNAを鋳型に目的のDNA断片を増幅、In-Fusion(登録商標)HD Cloning Kit等を用いて順次DNA断片を結合、プラスミドpUC19にクローニングして最終目的のプラスミドを作製した。   Each DNA sequence can be amplified by PCR using the primers in Table 1. To bind each DNA fragment, a primer is added with a DNA sequence so that the adjacent DNA sequence overlaps by about 15 bp, and using them, plasmid pUC-5U850_SUC2-P_FBA1-dnaJ-T_RPL3-LoxP66-P_TEF1-SAT- Amplify the target DNA fragment using T_LEU2-P_GAL1-Cre-T_CYC1-LoxP71-5U_SUC2 or DnaK synthetic gene DNA as a template, sequentially bind DNA fragments using In-Fusion (registered trademark) HD Cloning Kit, etc., and clone to plasmid pUC19. Thus, a final target plasmid was prepared.

Figure 2020025493
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<ベクター導入酵母株の作製>
2倍体酵母のSaccharomyces cerevisiae OC-2株(NBRC2260)を宿主とし、酵母の形質転換はFrozen-EZ Yeast Transformation II(ZYMO RESEARCH)を用い、添付のプロトコルに従って行った。
<Preparation of vector-introduced yeast strain>
The diploid yeast Saccharomyces cerevisiae OC-2 strain (NBRC2260) was used as a host, and the yeast was transformed using Frozen-EZ Yeast Transformation II (ZYMO RESEARCH) according to the attached protocol.

pUC-5U_ADH2-P_TDH3-ADH1-T_ADH1-T_DIT1-adhE-P_HOR7-LoxP-P_TEF1-SAT-T_LEU2-P_GAL1-CRE-T_CYC1-LoxP-3U_ADH又はpUC-5U_ADH2-P_TDH3-ADH1-T_ADH1-T_DIT1-eutE-P_HOR7- LoxP-P_TEF1-SAT-T_LEU2-P_GAL1-CRE- T_CYC1-LoxP -3U_ADH2の相同組換え部位をPCRで増幅した断片を用いて、OC-2株の形質転換を行い、nourseothricinを含むYPD寒天培地に塗布し、生育したコロニーを純化した。純化されたそれぞれの選択株を胞子形成培地(1g/L リン酸カリウム、1g/L イーストエキストラクト、0.5g/L ブドウ糖、20g/L 寒天)で胞子を形成させ、ホモタリック性を利用して2倍化を行った。2倍体である染色体のADH2遺伝子座領域に、ADH1遺伝子とadhE遺伝子もしくは、ADH1遺伝子とeutE遺伝子が組み込まれ、ADH2遺伝子が破壊されている株を取得した。さらにそれぞれの株をYPGa a(10g/Lイーストエキス、20g/Lペプトン、20g/Lガラクトース)培地で培養し、Cre遺伝子の発現を誘導し、Cre/LoxP部位特異的組換え反応により、natマーカー及びCre遺伝子を除去した。これをUz2405dSm株とUz2233dSm株とした。   pUC-5U_ADH2-P_TDH3-ADH1-T_ADH1-T_DIT1-adhE-P_HOR7-LoxP-P_TEF1-SAT-T_LEU2-P_GAL1-CRE-T_CYC1-LoxP-3U_ADH or pUC-5U_ADH2-P_TDH3-ADH1-T_ADHOR-E_T-ADH1-E Using a fragment obtained by amplifying the homologous recombination site of LoxP-P_TEF1-SAT-T_LEU2-P_GAL1-CRE-T_CYC1-LoxP-3U_ADH2 by PCR, the OC-2 strain was transformed and applied to a YPD agar medium containing nourseothricin. The grown colonies were purified. Each of the purified selected strains is sporulated on a sporulation medium (1 g / L potassium phosphate, 1 g / L yeast extract, 0.5 g / L glucose, 20 g / L agar), and homosolic. Doubling was performed. A strain was obtained in which the ADH1 gene and the adhE gene or the ADH1 gene and the eutE gene were integrated into the ADH2 locus region of the diploid chromosome, and the ADH2 gene was disrupted. Each strain was further cultured in a YPGa a (10 g / L yeast extract, 20 g / L peptone, 20 g / L galactose) medium to induce the expression of the Cre gene, and a nat marker was obtained by a Cre / LoxP site-specific recombination reaction. And the Cre gene was removed. These were designated as Uz2405dSm and Uz2233dSm strains.

プラスミドpUC-5U850_SUC2-P_FBA1-dnaJ-T_RPL3-LoxP- P_TEF1-SAT-T_LEU2-P_GAL1-Cre-T_CYC1- LoxP-5U_SUC2、pUC-5U850_SUC2-P_HOR7-dnaK-T_DIT1-LoxP66- P_TEF1-SAT-T_LEU2-P_GAL1-Cre-T_CYC1- LoxP71-5U_SUC2の各プラスミドの相同組換え部位間をPCRで増幅した断片を用いて、上記Uz2405dSm株とUz2233dSm株の形質転換を行い、nourseothricinを含むYPD寒天培地に塗布し、生育したコロニーを純化した。純化されたUz2405dSm株由来の選択株をそれぞれUz2805及びUz2801と命名し、Uz2233dSm株由来の選択株をそれぞれUz2806及びUz2802株と命名した。なお、それぞれの株はヘテロに(1コピー)組換えが起こっていることを確認した。
なお、作製した株の遺伝型を下記表2にまとめた。
Plasmid pUC-5U850_SUC2-P_FBA1-dnaJ-T_RPL3-LoxP- P_TEF1-SAT-T_LEU2-P_GAL1-Cre-T_CYC1- LoxP-5U_SUC2, pUC-5U850_SUC2-P_HOR7-dnaK-T_DIT1-LoxP66-P_TE1-LE Using a fragment amplified by PCR between the homologous recombination sites of the respective plasmids of -T_CYC1-LoxP71-5U_SUC2, the Uz2405dSm strain and the Uz2233dSm strain were transformed, applied to YPD agar medium containing nourseothricin, and grown colonies. Was purified. The purified selected strains derived from the Uz2405dSm strain were named Uz2805 and Uz2801, respectively, and the selected strains derived from the Uz2233dSm strain were named Uz2806 and Uz2802, respectively. It was confirmed that each strain had a heterologous (one copy) recombination.
The genotypes of the prepared strains are summarized in Table 2 below.

Figure 2020025493
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<発酵試験>
作製した株から3株を選び、フラスコ発酵試験を以下のように実施した。グルコース濃度20g/LのYPD液体培地(イーストエキストラクト 10g/L、ペプトン 20g/L、グルコース 20g/L)を20ml分注した100ml容バッフル付きフラスコに供試株を植菌し、30℃、 120rpmで24時間培養を行った。集菌後、エタノール生産用の培地(グルコース225g/L、イーストエキストラクト10g/L、ペプトン20g/L、酢酸2.0g/L)を4.9ml分注した24穴ディープウエルプレートに植菌し(菌濃度0.3g乾燥菌体/L)、振盪培養(230rpm、振幅25mm、30℃)、温度を31℃で発酵試験を行った。なお、24穴ディープウエルプレートは各処理区に逆止弁のついたシリコン製の蓋を被せ、発生した二酸化炭素ガスは外気に抜けるものの、外部から酸素は入らないようにすることで、各処理区が嫌気的に保たれるようにした。
<Fermentation test>
Three strains were selected from the prepared strains, and a flask fermentation test was performed as follows. The test strain was inoculated into a 100 ml baffled flask into which 20 ml of a YPD liquid medium having a glucose concentration of 20 g / L (yeast extract 10 g / L, peptone 20 g / L, glucose 20 g / L) was dispensed at 30 ° C. and 120 rpm. For 24 hours. After collection, the cells were inoculated into a 24-well deep well plate into which 4.9 ml of a medium for ethanol production (glucose 225 g / L, yeast extract 10 g / L, peptone 20 g / L, acetic acid 2.0 g / L) was dispensed. A fermentation test was performed at 0.3 g of dry cells / L), shaking culture (230 rpm, amplitude 25 mm, 30 ° C.) and a temperature of 31 ° C. The 24-well deep well plate was covered with a silicon lid with a check valve in each treatment zone, and the generated carbon dioxide gas was released to the outside air, but oxygen was not allowed to enter from outside. Was kept anaerobic.

発酵液中のグルコース、酢酸、エタノールについてHPLC(Prominence;島津製作所)を使用して、下記条件にて測定した。
カラム:AminexHPX-87H
移動相:0.01N H2SO4
流量:0.6ml/min
温度:30℃
検出器:示差屈折率検出器 RID-10A
Glucose, acetic acid, and ethanol in the fermentation broth were measured using HPLC (Prominence; Shimadzu) under the following conditions.
Column: AminexHPX-87H
Mobile phase: 0.01NH 2 SO 4
Flow rate: 0.6ml / min
Temperature: 30 ° C
Detector: Differential refractive index detector RID-10A

<発酵試験結果>
表3に示すように、アセトアルデヒド脱水素酵素遺伝子を導入し、分子シャペロン遺伝子を導入していないコントロール株と比較して、アセトアルデヒド脱水素酵素遺伝子とDnaJ遺伝子又はDnaK遺伝子と導入した組換え酵母株は、酢酸消費速度が1.3〜1.5倍に改善することが明らかとなった。この結果より、アセトアルデヒド脱水素酵素遺伝子と、HSP70ファミリー又はHSP40ファミリーに属する分子シャペロン遺伝子とを導入した組換え酵母を用いることで、培地中の酢酸濃度を低減することができる。
<Fermentation test results>
As shown in Table 3, the recombinant yeast strain in which the acetaldehyde dehydrogenase gene was introduced and the DnaJ or DnaK gene was introduced as compared with the control strain in which the molecular chaperone gene was not introduced. It was found that the acetic acid consumption rate was improved by 1.3 to 1.5 times. From these results, it is possible to reduce the acetic acid concentration in the medium by using a recombinant yeast into which the acetaldehyde dehydrogenase gene and the molecular chaperone gene belonging to the HSP70 family or the HSP40 family have been introduced.

特に、HSP70ファミリーの分子シャペロン遺伝子であるDnaK遺伝子をアセトアルデヒド脱水素酵素遺伝子のうちeutE遺伝子とともに導入した組換え酵母の方が、adhE遺伝子とともに導入した組換え酵母と比較して優れた酢酸消費速度を達成することができた。   In particular, the recombinant yeast in which the DnaK gene, which is a molecular chaperone gene of the HSP70 family, was introduced together with the eutE gene among the acetaldehyde dehydrogenase genes, had a higher acetic acid consumption rate than the recombinant yeast introduced with the adhE gene. Could be achieved.

Figure 2020025493
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Claims (18)

アセトアルデヒド脱水素酵素遺伝子と、HSP70ファミリー又はHSP40ファミリーに属する分子シャペロン遺伝子を導入した組換え酵母。   A recombinant yeast into which an acetaldehyde dehydrogenase gene and a molecular chaperone gene belonging to the HSP70 family or the HSP40 family have been introduced. 上記HSP70ファミリーに属する分子シャペロン遺伝子は、大腸菌由来のDnaK遺伝子又はその相同遺伝子である、請求項1記載の組換え酵母。   The recombinant yeast according to claim 1, wherein the molecular chaperone gene belonging to the HSP70 family is a DnaK gene derived from Escherichia coli or a homologous gene thereof. 上記大腸菌由来のDnaK遺伝子は、以下の(a)又は(b)のタンパク質をコードする遺伝子である、請求項2記載の組換え酵母。
(a)配列番号2に示すアミノ酸配列からなるタンパク質
(b)配列番号2に示すアミノ酸配列に対して90%以上の同一性を有するアミノ酸配列から成り、且つ分子シャペロン活性を有するタンパク質
The recombinant yeast according to claim 2, wherein the E. coli-derived DnaK gene is a gene encoding the following protein (a) or (b).
(a) a protein consisting of the amino acid sequence shown in SEQ ID NO: 2
(b) a protein consisting of an amino acid sequence having 90% or more identity to the amino acid sequence shown in SEQ ID NO: 2 and having a molecular chaperone activity
上記相同遺伝子は、サッカロマイセス・セレビジエ(Saccharomyces cerevisiae)におけるSSA1、SSA2、SSA3、SSA4、SSB1、SSB2、SSE1、SSE2、SSZ1、KAR2、LHS1、SSC1、SSQ1及びECM10からなる群から選ばれる一種のタンパク質をコードする遺伝子である、請求項2記載の組換え酵母。   The homologous gene, Saccharomyces cerevisiae (Saccharomyces cerevisiae) SSA1, SSA2, SSA3, SSA4, SSB1, SSB2, SSE1, SSE2, SSZ1, KAR2, LHS1, SSC1, SSQ1, SSQ1 and a type of protein selected from the group consisting of ECM10. 3. The recombinant yeast according to claim 2, which is an encoding gene. 上記HSP40ファミリーに属する分子シャペロン遺伝子は、大腸菌由来のDnaJ遺伝子又はその相同遺伝子である、請求項1記載の組換え酵母。   The recombinant yeast according to claim 1, wherein the molecular chaperone gene belonging to the HSP40 family is a DnaJ gene derived from Escherichia coli or a homologous gene thereof. 上記大腸菌由来のDnaJ遺伝子は、以下の(a)又は(b)のタンパク質をコードする遺伝子である、請求項5記載の組換え酵母。
(a)配列番号4に示すアミノ酸配列からなるタンパク質
(b)配列番号4に示すアミノ酸配列に対して90%以上の同一性を有するアミノ酸配列から成り、且つ分子シャペロン活性を有するタンパク質
The recombinant yeast according to claim 5, wherein the E. coli-derived DnaJ gene is a gene encoding the following protein (a) or (b):
(a) a protein consisting of the amino acid sequence shown in SEQ ID NO: 4
(b) a protein consisting of an amino acid sequence having 90% or more identity to the amino acid sequence shown in SEQ ID NO: 4 and having a molecular chaperone activity
上記相同遺伝子は、サッカロマイセス・セレビジエ(Saccharomyces cerevisiae)におけるYDJ1、XDJ1、APJ1、SIS1、DJP1、ZUO1、SWA2、JJJ1、JJJ2、JJJ3、CAJ1、CWC23、MDJ1、MDJ2、PAM18、JAC1、JID1、SCJ1、HLJ1、JEM1、SEC63及びERJ5からなる群から選ばれる一種のタンパク質をコードする遺伝子である、請求項5記載の組換え酵母。   The homologous gene, YDJ1, XDJ1, APJ1, SIS1, DJP1, ZUO1, SWA2, JJJ1, JJJ2, JJJ3, CAJ1, CWC23, MDJ1, MDJ2, PAM18, JAC1, JID1 in Saccharomyces cerevisiae The recombinant yeast according to claim 5, which is a gene encoding one kind of protein selected from the group consisting of JEM1, SEC63, and ERJ5. アセトアルデヒド脱水素酵素遺伝子は、大腸菌由来のアセトアルデヒド脱水素酵素をコードするものである、請求項1記載の組換え酵母。   The recombinant yeast according to claim 1, wherein the acetaldehyde dehydrogenase gene encodes acetaldehyde dehydrogenase derived from Escherichia coli. 上記大腸菌由来のアセトアルデヒド脱水素酵素は、以下の(a)又は(b)のタンパク質である、請求項8記載の組換え酵母。
(a)配列番号6、8又は10に示すアミノ酸配列から成るタンパク質
(b)配列番号6、8又は10に示すアミノ酸配列に対して90%以上の同一性を有するアミノ酸配列から成り、且つアセトアルデヒド脱水素酵素活性を有するタンパク質
The recombinant yeast according to claim 8, wherein the acetaldehyde dehydrogenase derived from Escherichia coli is a protein of the following (a) or (b).
(a) a protein consisting of the amino acid sequence shown in SEQ ID NO: 6, 8 or 10
(b) a protein consisting of an amino acid sequence having 90% or more identity to the amino acid sequence shown in SEQ ID NO: 6, 8 or 10, and having acetaldehyde dehydrogenase activity
更にキシロースイソメラーゼ遺伝子が導入されたものである、請求項1〜9いずれか一項記載の組換え酵母。   The recombinant yeast according to any one of claims 1 to 9, further comprising a xylose isomerase gene introduced therein. キシロースイソメラーゼは、以下の(a)又は(b)のタンパク質である、請求項10記載の組換え酵母。
(a)配列番号16に示すアミノ酸配列から成るタンパク質
(b)配列番号16に示すアミノ酸配列に対して90%以上の同一性を有するアミノ酸配列から成り、キシロースをキシルロースにする酵素活性を有するタンパク質
The recombinant yeast according to claim 10, wherein the xylose isomerase is a protein of the following (a) or (b):
(a) a protein consisting of the amino acid sequence of SEQ ID NO: 16
(b) a protein consisting of an amino acid sequence having 90% or more identity to the amino acid sequence shown in SEQ ID NO: 16 and having an enzymatic activity to convert xylose to xylulose
更にキシルロキナーゼ遺伝子が導入されたものである、請求項1〜11いずれか一項記載の組換え酵母。   The recombinant yeast according to any one of claims 1 to 11, further comprising a xylulokinase gene introduced therein. ペントースリン酸経路における非酸化過程の経路を構成する酵素群より選択される酵素をコードする遺伝子が更に導入されたものである、請求項1〜12いずれか一項記載の組換え酵母。   The recombinant yeast according to any one of claims 1 to 12, wherein a gene encoding an enzyme selected from a group of enzymes constituting a non-oxidation process pathway in the pentose phosphate pathway is further introduced. 上記ペントースリン酸経路における非酸化過程の経路を構成する酵素群は、リボース-5-リン酸イソメラーゼ、リブロース-5-リン酸-3-エピメラーゼ、トランスケトラーゼ及びトランスアルドラーゼである、請求項13記載の組換え酵母。   The group of enzymes constituting a non-oxidation process pathway in the pentose phosphate pathway is ribose-5-phosphate isomerase, ribulose-5-phosphate-3-epimerase, transketolase and transaldolase, according to claim 13, Recombinant yeast. アセトアルデヒドをエタノールに変換する活性を有するアルコール脱水素酵素遺伝子を高発現する、請求項1〜14いずれか一項記載の組換え酵母。   The recombinant yeast according to any one of claims 1 to 14, which highly expresses an alcohol dehydrogenase gene having an activity of converting acetaldehyde to ethanol. エタノールをアセトアルデヒドに変換する活性を有するアルコール脱水素酵素遺伝子の発現量が低下したものである、請求項1〜15いずれか一項記載の組換え酵母。   The recombinant yeast according to any one of claims 1 to 15, wherein the expression level of an alcohol dehydrogenase gene having an activity of converting ethanol to acetaldehyde is reduced. 請求項1〜16いずれか一項記載の組換え酵母を、グルコース及び/又はキシロースを含有する培地において培養してエタノール発酵を行う工程を含む、エタノールの製造方法。   A method for producing ethanol, comprising a step of culturing the recombinant yeast according to any one of claims 1 to 16 in a medium containing glucose and / or xylose to perform ethanol fermentation. 上記培地はセルロースを含有しており、上記エタノール発酵では、少なくともセルロースの糖化が同時に進行する、請求項17記載の方法。   18. The method according to claim 17, wherein the medium contains cellulose, and in the ethanol fermentation, at least saccharification of cellulose proceeds simultaneously.
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