JP2022095080A - Method for producing carotenoid having allene structure - Google Patents

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Abstract

To provide a method for producing carotenoid having an allene structure of neoxanthin or the like while using a microorganism such as coliform bacillus and budding yeast or algae as a host.SOLUTION: A method for producing carotenoid having an allene structure in which a host having farnesyl diphosphate productivity into which (1) a gene group encoding a biosynthetic pathway from farnesyl diphosphate to zeaxanthin, (2) a gene encoding zeaxanthin epoxidase, and (3) a gene encoding neoxanthin synthase are introduced is cultured, and carotenoid having an allene structure is extracted from a host after being cultured. The above described (2) is a gene encoding ZEP derived from a higher plant, and the above described (3) is a gene encoding VDL1 derived from diatoms.SELECTED DRAWING: Figure 5

Description

本発明は、ヒトの健康への有用性が期待されるアレン(allene)構造を持つカロテノイドを、宿主を用いて生産する方法に関する。 The present invention relates to a method for producing a carotenoid having an allene structure, which is expected to be useful for human health, using a host.

カロテノイドは、すべての光合成生物(植物、藻類等)、及び一部の細菌、カビ、酵母などが生産する黄~橙~赤色の天然色素である。現在までに、自然界から750種以上のカロテノイドが単離・同定されている。このうち、我々に身近な光合成生物である植物や藻類由来のカロテノイドについても多数報告されている。 Carotenoids are yellow-orange-red natural pigments produced by all photosynthetic organisms (plants, algae, etc.) and some bacteria, molds, yeasts, etc. To date, more than 750 species of carotenoids have been isolated and identified from nature. Of these, many carotenoids derived from plants and algae, which are photosynthetic organisms familiar to us, have also been reported.

植物における光合成器官である葉のカロテノイドは通常、植物種によらず同じである(特許文献1、非特許文献1)。この生合成経路を、化学構造とともに図1に示した。これらのカロテノイドのうち、明確な色を持つものは、Lycopene(リコペン;リコピンとも呼ばれる)以降の生合成経路のカロテノイドである。なお、これらの中で商業化されているカロテノイドの比率は高く、Lycopene、β-Carotene(β-カロテン)、α-Carotene(α-カロテン)、Lutein(ルテイン)、Zeaxanthin(ゼアキサンチン)、β-Cryptoxanthin(β-クリプトキサンチン)が相当し、ヒトの健康増進に有用な機能性を有することが報告されている(非特許文献2)。 Leaf carotenoids, which are photosynthetic organs in plants, are usually the same regardless of the plant species (Patent Document 1, Non-Patent Document 1). This biosynthetic pathway is shown in FIG. 1 together with the chemical structure. Among these carotenoids, those with a clear color are carotenoids of the biosynthetic pathway after Lycopene (lycopene; also called lycopene). The proportion of commercially available carotenoids is high among these, Lycopene, β-Carotene (β-carotene), α-Carotene (α-carotene), Lutein (lutein), Zeaxanthin (zeaxanthin), β-Cryptoxanthin. It has been reported that (β-cryptoxanthin) corresponds to it and has a function useful for promoting human health (Non-Patent Document 2).

図1のカロテノイドに限らず機能性が期待される多くのカロテノイド(以下、「機能性カロテノイド」という)は、一般に製造コストがかかるため高価である。そこで近年、カロテノイドを微生物、特に、大腸菌(Escherichia coli)や出芽酵母(Saccharomyces cerevisiae)等の宿主を用いて安価に生産するためのバイオテクノロジー研究が盛んに行われてきた。なお、大腸菌や出芽酵母は、元々はカロテノイド生産能を持たないが、カロテノイド前駆体のファルネシル二リン酸(FPP;farnesyl diphosphate)は持っているため、FPPから下流のカロテノイド生合成遺伝子群を導入すれば各種機能性カロテノイドの生産が可能と考えられる。しかしながら、図1の葉由来カロテノイドの中で、微生物宿主で効率的に作れるものは、Lycopene、β-Carotene、Zeaxanthinくらいに限られていた。その大きな理由は、これら3つのカロテノイドは、植物だけでなく、大腸菌と同じ綱(class)に属する土壌細菌Pantoea ananatisをはじめとする一部の微生物でも生産しているため、これらのカロテノイド生合成遺伝子群(crt遺伝子群)を利用することができるからである。なお、これらのcrt遺伝子群がコードするCrt酵素の機能は、図1において括弧で示されている。 Not limited to the carotenoids shown in FIG. 1, many carotenoids (hereinafter referred to as “functional carotenoids”) that are expected to have functionality are generally expensive because of their high manufacturing costs. Therefore, in recent years, biotechnology research for inexpensive production of carotenoids using microorganisms, particularly hosts such as Escherichia coli and Saccharomyces cerevisiae , has been actively conducted. Although Escherichia coli and germinated yeast do not originally have the ability to produce carotenoids, they do have the carotenoid precursor farnesyl diphosphate (FPP), so the carotenoid biosynthetic genes downstream from the FPP should be introduced. If so, it is considered possible to produce various functional carotenoids. However, among the leaf-derived carotenoids shown in FIG. 1, those that can be efficiently produced by a microbial host are limited to Lycopene, β-Carotene, and Zeaxanthin. The main reason is that these three carotenoids are produced not only by plants but also by some microorganisms such as Pantoea ananatis , a soil bacterium belonging to the same class as Escherichia coli, so these carotenoid biosynthetic genes This is because a group ( crt gene group) can be used. The functions of the Crt enzyme encoded by these crt genes are shown in parentheses in FIG.

一方、葉由来の他のカロテノイドの中で商業化されていないものとして、Antheraxanthin(アンテラキサンチン)、Violaxanthin(ビオラキサンチン)、Neoxanthin(ネオキサンチン)が挙げられる。これらのうち、AntheraxanthinとViolaxanthinについては、リンドウ(Gentiana lutea)の花由来のZEP(ゼアキサンチンエポキダーゼ;zeaxanthin epoxidase)遺伝子(GlZEP)、又は赤ピーマン(パプリカ;Capsicum annuum)由来のZEP遺伝子(CaZEP)を、Zeaxanthinを効率生産する組換え大腸菌等に導入して、AntheraxanthinやViolaxanthinの生合成を行うことができることが報告されている(非特許文献2、3)。ただ、種々の植物または藻類由来の多くのZEP遺伝子が大腸菌でさえ機能しない(機能発現しない)ことがわかっている。たとえば、藻類の一種であるケイソウ(珪藻;Phaeodactylum tricornutum)やゼニゴケ(Marchantia polymorpha)由来のZEP遺伝子は大腸菌で機能発現しなかった(非特許文献3、4)。そのため、大腸菌等の微生物でViolaxanthinを効率生産するのは現在でも、必ずしも容易でない。 On the other hand, among other leaf-derived carotenoids, those that have not been commercialized include Antheraxanthin, Violaxanthin, and Neoxanthin. Of these, for Antheraxanthin and Violaxanthin, ZEP (zeaxanthin epoxidase) gene ( GlZEP ) derived from the flower of Lindou ( Gentiana lutea ) or ZEP gene ( CaZEP ) derived from red bell pepper (Paplica; Capsicum annuum ). , Zeaxanthin has been reported to be able to be introduced into recombinant Escherichia coli and the like for efficient production to carry out biosynthesis of Antheraxanthin and Violaxanthin (Non-Patent Documents 2 and 3). However, it is known that many ZEP genes derived from various plants or algae do not function (do not express function) even in E. coli. For example, the ZEP gene derived from diatom (diatom; Phaeodactylum tricornutum ) and liverwort ( Marchantia polymorpha ), which are a kind of algae, did not function in Escherichia coli (Non-Patent Documents 3 and 4). Therefore, it is not always easy to efficiently produce Violaxanthin with microorganisms such as Escherichia coli.

他方、Neoxanthinに関しては、大腸菌や出芽酵母を含む微生物宿主での生産の報告は全く無い。Neoxanthinは分子内にアレン(allene;C=C=C)構造を持つカロテノイドであり(図1参照)、このような構造を持つカロテノイドは、肥満予防など健康に良い機能性を有することがわかっている。このため、Neoxanthinなどのアレン(allene)構造を持つカロテノイドの微生物での生産が望まれていた。 On the other hand, regarding Neoxanthin, there are no reports of production in microbial hosts including Escherichia coli and Saccharomyces cerevisiae. Neoxanthin is a carotenoid with an allene (C = C = C) structure in the molecule (see Fig. 1), and it has been found that carotenoids with such a structure have health-friendly functionality such as obesity prevention. There is. Therefore, it has been desired to produce carotenoids having an allene structure such as neoxanthin by microorganisms.

特開2020-142992号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2020-142992

三沢典彦, 生物工学 93: 403-406, 2015Norihiko Misawa, Biotechnology 93: 403-406, 2015 久保亜希子, 佐原健彦, 竹村美保, 三沢典彦, スマートセルインダストリー -微生物細胞を用いた物質生産の展望-, 第3編 産業応用へのアプローチ, 第8章 植物由来カロテノイドの微生物生産, pp.195-205, シーエムシー出版, 2018.Akiko Kubo, Takehiko Sahara, Miho Takemura, Norihiko Misawa, Smart Cell Industry-Prospects for Material Production Using Microbial Cells-, Volume 3 Approaches to Industrial Applications, Chapter 8 Microbial Production of Plant-Derived Carotenoids, pp.195- 205, CMC Publishing, 2018. M. Takemura et al, Applied Microbiology and Biotechnology, 103: 9393-9399, 2019.M. Takemura et al, Applied Microbiology and Biotechnology, 103: 9393-9399, 2019. M. Dambek et al, Journal of Experimental Botany, 63: 5607-5612, 2012.M. Dambek et al, Journal of Experimental Botany, 63: 5607-5612, 2012.

本発明の課題は、大腸菌や出芽酵母などの微生物または藻類を宿主として、ネオキサンチンなどのアレン構造を有するカロテノイドの生産方法を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a method for producing a carotenoid having an allen structure such as neoxanthin, using a microorganism such as Escherichia coli or budding yeast or algae as a host.

本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意研究を行ったところ、ファルネシル二リン酸からゼアキサンチンまでの生合成経路をコードする遺伝子群、高等植物由来のゼアキサンチンエポキシダーゼをコードする遺伝子とともに、珪藻由来のVDL1遺伝子を大腸菌などのファルネシル二リン酸生産能を有する宿主に導入することにより、効率よくネオキサンチンが産生されるとともに、植物の葉では観察されないデエポキシネオキサンチンが産生されることを見出し、本発明を完成させるに至った。 As a result of diligent research to solve the above problems, the present inventors have conducted diatoms together with a gene group encoding a biosynthetic pathway from farnesyl diphosphate to zeaxanthin, a gene encoding zeaxanthin epoxidase derived from a higher plant, and a gene. It was found that by introducing the derived VDL1 gene into a host capable of producing farnesyl diphosphate such as Escherichia coli, neoxanthin is efficiently produced and deepoxyneoxanthin, which is not observed in plant leaves, is produced. , The present invention has been completed.

すなわち本発明は、
次の(1)~(3)の遺伝子または遺伝子群;
(1)ファルネシル二リン酸からゼアキサンチンまでの生合成経路をコードする遺伝子群
(2)ゼアキサンチンエポキシダーゼをコードする遺伝子
(3)ネオキサンチンシンターゼをコードする遺伝子
が導入されたファルネシル二リン酸生産能を持つ宿主を培養し、培養後の宿主からアレン構造を有するカロテノイドを抽出するアレン構造を有するカロテノイドの生産方法であって、
(2)ゼアキサンチンエポキシダーゼをコードする遺伝子が高等植物由来のZEPをコードする遺伝子であり、
(3)ネオキサンチンシンターゼをコードする遺伝子がVDL1をコードする遺伝子であることを特徴とするアレン構造を有するカロテノイドの生産方法である。
That is, the present invention
The following genes (1) to (3) or gene clusters;
(1) Genes encoding the biosynthetic pathway from farnesyl diphosphate to zeaxanthin (2) Genes encoding zeaxanthin epoxidase (3) Farnesyl diphosphate producing ability into which a gene encoding neoxanthin synthase is introduced It is a method for producing a carotenoid having an allen structure by culturing a host having the same and extracting a carotenoid having an allen structure from the host after culturing.
(2) The gene encoding zeaxanthin epoxidase is a gene encoding ZEP derived from higher plants.
(3) A method for producing a carotenoid having an allene structure, wherein the gene encoding neoxanthin synthase is a gene encoding VDL1.

本発明により、肥満予防効果などの機能性を有するネオキサンチンやデエポキシネオキサンチンなどのアレン構造を有するカロテノイドを効率よく低コストで大量生産することが可能である。 INDUSTRIAL APPLICABILITY According to the present invention, it is possible to efficiently mass-produce carotenoids having an allen structure such as neoxanthin and deepoxy neoxanthin having functions such as an obesity preventive effect at low cost.

植物の葉におけるカロテノイドの生合成経路及び各種カロテノイド生合成酵素の機能を示す図である。It is a figure which shows the biosynthetic pathway of carotenoid in the leaf of a plant, and the function of various carotenoid biosynthetic enzymes. 遺伝子組換え大腸菌(pACHP-Viol + pUC-PtVDL1)から抽出されたカロテノイドのHPLC分析およびNMR分析結果である。(A)は、遺伝子組換え大腸菌(pAC-Viol + pUC-PtVDL1)から抽出されたカロテノイド(上)、標品のNeoxanthin(中)、標品のDeepoxyneoxanthin(下)のクロマトグラム、(B)は遺伝子組換え大腸菌(pAC-Viol + pUC-PtVDL1)から精製されたNeoxanthinと思われるピーク化合物のNMR解析結果、(C)は遺伝子組換え大腸菌(pACHP-Viol + pUC-PtVDL1)から精製されたDeepoxyneoxanthinと思われるピーク化合物のNMR解析結果である。It is the result of HPLC analysis and NMR analysis of the carotenoid extracted from the recombinant Escherichia coli (pACHP-Viol + pUC-PtVDL1). (A) is a carotenoid (top) extracted from recombinant Escherichia coli (pAC-Viol + pUC-PtVDL1), neoxanthin (middle) of the standard, deepoxyneoxanthin (bottom) of the standard, and (B) is the chromatogram. As a result of NMR analysis of a peak compound that seems to be Neoxanthin purified from recombinant Escherichia coli (pAC-Viol + pUC-PtVDL1), (C) is Deepoxyneoxanthin purified from recombinant Escherichia coli (pACHP-Viol + pUC-PtVDL1). It is the result of NMR analysis of the peak compound which seems to be. 大腸菌形質転換用ベクター、pUC18、pACYC184の構造を示す図である。It is a figure which shows the structure of the Escherichia coli transformation vector, pUC18, pACYC184. 大腸菌形質転換用プラスミドpACHP-Viol, pUC-PtVDL1の構造を示す図である。It is a figure which shows the structure of the plasmid for E. coli transformation pACHP-Viol, pUC-PtVDL1. 本発明のカロテノイドの生産方法における合成経路を示す図である。It is a figure which shows the synthetic pathway in the carotenoid production method of this invention.

本発明では、宿主に(1)ファルネシル二リン酸からゼアキサンチンまでの生合成経路をコードする遺伝子群、(2)ゼアキサンチンエポキシダーゼをコードする遺伝子及び(3)ネオキサンチンシンターゼをコードする遺伝子を導入する。 In the present invention, (1) a gene group encoding a biosynthetic pathway from farnesyl diphosphate to zeaxanthin, (2) a gene encoding zeaxanthin epoxidase, and (3) a gene encoding neoxanthin synthase are introduced into a host. ..

(1)ファルネシル二リン酸からゼアキサンチンまでの生合成経路をコードする遺伝子群
ファルネシル二リン酸からゼアキサンチンまでの生合成経路をコードする遺伝子群には、ファルネシル二リン酸(FPP)からゲラニルゲラニル二リン酸(GGPP)を合成するGGPPシンターゼ (CrtE)をコードする遺伝子(CrtE)、GGPPからフィトエンを合成するフィトエンシンターゼ (CrtB)をコードする遺伝子(CrtB)、フィトエンからリコペンを合成するフィトエンデサチュラーゼ(CrtI)をコードする遺伝子(CrtI)、リコペンからβ-カロテンを合成するリコペンβ-シクラーゼ(CrtY)をコードする遺伝子(CrtY)及びβ-カロテンからゼアキサンチンを合成するβ-カロテンハイドロキシラーゼ (CrtZ)をコードする遺伝子(CrtZ)が含まれる。カロテノイド生合成遺伝子群の由来は特に制限されないが、γ-プロテオバクテリア綱の土壌細菌パントエア・アナナティス(Pantoea ananatis)由来のものが好適に用いられる。
(1) Gene group encoding the biosynthetic pathway from farnesyl diphosphate to zeaxanthin The gene group encoding the biosynthetic pathway from farnesyl diphosphate to zeaxanthin includes farnesyl diphosphate (FPP) to geranylgeranyl diphosphate. The gene encoding GGPP synthase (CrtE) that synthesizes (GGPP) (CrtE), the gene encoding phytoensynthase (CrtB) that synthesizes phytoen from GGPP ( CrtB ), and the phytoendesaturase (CrtI) that synthesizes lycopene from phytoen . The gene encoding ( CrtI ), the gene encoding lycopene β-cyclase (CrtY) that synthesizes β-carotene from lycopene ( CrtY ), and the gene encoding β-carotene hydroxylase (CrtZ) that synthesizes zeaxanthin from β-carotene. ( CrtZ ) is included. The origin of the carotenoid biosynthesis gene group is not particularly limited, but those derived from the soil bacterium Pantoea ananatis of the γ-proteobacteria are preferably used.

(2)ゼアキサンチンエポキシダーゼをコードする遺伝子
ゼオキサンチンエポキシダーゼをコードする遺伝子として、パプリカ(赤ピーマン;Capsicum annuum)由来のZEP(zeaxanthin epoxidase)をコードする遺伝子(CaZEP)、リンドウ(Gentiana lutea)の花由来のZEP遺伝子(GlZEP)、シロイヌナズナ(Arabidopsis thaliana)由来のZEP遺伝子(AtZEP)等の高等植物由来のZEPを用いることができるが、このうち生産効率に優れることからパプリカ由来のZEP遺伝子が好適に用いられる。パプリカ由来のZEPをコードする遺伝子としては、配列番号4に示されるアミノ酸配列からなるタンパク質をコードする遺伝子、配列番号4に示されるアミノ酸配列において、1個又は複数個のアミノ酸が欠失、置換若しくは付加されたアミノ酸配列からなり、かつゼアキサンチンをエポキシ化しビオラキサンチンを合成するゼオキサンチンエポキシ化活性を有するタンパク質をコードする遺伝子、配列番号4に示されるアミノ酸配列からなるタンパク質と80%以上、好ましくは85%以上、より好ましくは90%以上、さらに好ましくは95%以上、最も好ましくは98%以上の相同性を有するアミノ酸配列からなり、かつゼアキサンチンをエポキシ化しビオラキサンチンを合成するゼオキサンチンエポキシ化活性を有するタンパク質をコードする遺伝子が好ましい。
このような遺伝子として、配列番号3に示される塩基配列からなる遺伝子が好ましい。また配列番号3に示される塩基配列からなる遺伝子と相補的な塩基配列からなるポリヌクレオチドとストリンジェントな条件下でハイブリダイズし、かつゼオキサンチンエポキシ化活性を有するタンパク質をコードする遺伝子、配列番号3に示される塩基配列からなる遺伝子と90%以上、好ましくは95%以上、より好ましくは98%以上の相同性を有する塩基配列からなり、かつゼアキサンチンをエポキシ化しビオラキサンチンを合成するゼオキサンチンエポキシ化活性を有するタンパク質をコードする遺伝子が好ましい。
(2) Gene encoding zeaxanthin epoxidase As a gene encoding zeaxanthin epoxidase, a gene encoding ZEP (zeaxanthin epoxidase) derived from papsicum annuum ( CaZEP ) and a flower of lindo ( Gentiana lutea ) ZEP derived from higher plants such as the ZEP gene derived from GlZEP and the ZEP gene derived from Arabidopsis thaliana (AtZEP ) can be used , but the ZEP gene derived from paprika is preferable because of its excellent production efficiency. Used. Examples of the gene encoding ZEP derived from paprika include a gene encoding a protein consisting of the amino acid sequence shown in SEQ ID NO: 4, and one or more amino acids deleted, substituted or deleted in the amino acid sequence shown in SEQ ID NO: 4. A gene consisting of an added amino acid sequence and encoding a protein having zeoxanthin epoxidation activity that epoxidizes zeaxanthin and synthesizes violaxanthin, 80% or more, preferably 85% or more of the protein consisting of the amino acid sequence shown in SEQ ID NO: 4. It consists of an amino acid sequence having a homology of% or more, more preferably 90% or more, further preferably 95% or more, and most preferably 98% or more, and has a zeoxanthin epoxidation activity for epoxidizing zeaxanthin and synthesizing violaxanthin. The gene encoding the protein is preferred.
As such a gene, a gene consisting of the base sequence shown in SEQ ID NO: 3 is preferable. In addition, SEQ ID NO: 3, a gene encoding a protein that hybridizes under stringent conditions with a polynucleotide having a base sequence complementary to the gene consisting of the base sequence shown in SEQ ID NO: 3 and has zeoxanthine epoxidation activity. Zeoxanthin epoxidation activity that consists of a base sequence having 90% or more, preferably 95% or more, more preferably 98% or more homology with the gene consisting of the base sequence shown in the above, and epoxidizes zeaxanthin to synthesize violaxanthin. A gene encoding a protein having the above is preferred.

(3)ネオキサンチンシンターゼをコードする遺伝子
ネオキサンチンシンターゼをコードする遺伝子として、珪藻(Phaeodactylum tricornutum)由来のVDL1 (violaxanthin de-epoxidase-like protein 1)遺伝子を用いる。VDL1遺伝子としては、配列番号2に示されるアミノ酸配列からなるタンパク質をコードする遺伝子、配列番号2に示されるアミノ酸配列において、1個又は複数個のアミノ酸が欠失、置換若しくは付加されたアミノ酸配列からなり、かつビオラキサンチンからネオキサンチンを合成するネオキサンチン合成活性を有するタンパク質をコードする遺伝子、配列番号2に示されるアミノ酸配列からなるタンパク質と80%以上、好ましくは85%以上、より好ましくは90%以上、さらに好ましくは95%以上、最も好ましくは98%以上の相同性を有するアミノ酸配列からなり、かつビオラキサンチンからネオキサンチンを合成するネオキサンチン合成活性を有するタンパク質をコードする遺伝子が好ましい。
このような遺伝子として、配列番号1に示される塩基配列からなる遺伝子が好ましい。また配列番号1に示される塩基配列からなる遺伝子と相補的な塩基配列からなるポリヌクレオチドとストリンジェントな条件下でハイブリダイズし、かつビオラキサンチンからネオキサンチンを合成するネオキサンチン合成活性を有するタンパク質をコードする遺伝子、配列番号1に示される塩基配列からなる遺伝子と90%以上、好ましくは95%以上、より好ましくは98%以上の相同性を有する塩基配列からなり、かつビオラキサンチンからネオキサンチンを合成するネオキサンチン合成活性を有するタンパク質をコードする遺伝子が好ましい。ネオキサンチンシンターゼによってビオラキサンチンからネオキサンチンが合成される。またゼアキサンチンはゼアキサンチンエポキシダーゼによりアンテラキサンチンとなり、さらにビオラキサンチンが合成されるが、ネオキサンチンシンターゼによって、アンテラキサンチンからデエポキシネオキサンチンが合成される。
(3) Gene encoding neoxanthin synthase As a gene encoding neoxanthin synthase, a VDL1 (violaxanthin de-epoxidase-like protein 1) gene derived from diatom (Phaeodactylum tricornutum ) is used. The VDL1 gene is a gene encoding a protein consisting of the amino acid sequence shown in SEQ ID NO: 2, and an amino acid sequence in which one or more amino acids are deleted, substituted or added in the amino acid sequence shown in SEQ ID NO: 2. 80% or more, preferably 85% or more, more preferably 90% with the protein consisting of the amino acid sequence shown in SEQ ID NO: 2, a gene encoding a protein having neoxanthin synthesizing activity that synthesizes neoxanthin from violaxanthin. As described above, a gene having an amino acid sequence having a homology of 95% or more, more preferably 98% or more, and encoding a protein having a neoxanthin synthesizing activity for synthesizing neoxanthin from violaxanthin is preferable.
As such a gene, a gene consisting of the base sequence shown in SEQ ID NO: 1 is preferable. Further, a protein having a neoxanthin synthesizing activity that hybridizes under stringent conditions with a polynucleotide having a base sequence complementary to the gene consisting of the base sequence shown in SEQ ID NO: 1 and synthesizes neoxanthin from violaxanthin. Synthesize neoxanthin from violaxanthin, which consists of the encoding gene and the base sequence having 90% or more, preferably 95% or more, more preferably 98% or more homology with the gene consisting of the base sequence shown in SEQ ID NO: 1. A gene encoding a protein having neoxanthine synthase activity is preferable. Neoxanthin is synthesized from violaxanthin by neoxanthin synthase. Zeaxanthin is converted to antheraxanthin by zeaxanthin epoxidase, and violaxanthin is further synthesized. Neoxanthin synthase synthesizes deepoxyneoxanthin from antheraxanthin.

(4)イソペンテニル二リン酸イソメラーゼ遺伝子(IDI遺伝子)
イソペンテニル二リン酸イソメラーゼは、大腸菌や出芽酵母のFPP産生過程において、イソペンテニル二リン酸(イソペンテニルピロリン:IPP)をジメチルアリル二リン酸(DMAPP)に変換する。IDI遺伝子は、crt遺伝子群と共に発現させることによりカロテノイドを効率的に製造することが可能である。IDI遺伝子の由来は特に制限されないが、例えば緑藻Haematococcus pluvialus由来のIDI (IPP isomerase)が好適に用いられる。
イソペンテニル二リン酸イソメラーゼによりIPPとジメチルアリル二リン酸(DMAPP)の量比が調整される(特許文献1)。イソペンテニル二リン酸イソメラーゼには互いに構造が異なる、1型(type 1)と2型(type 2)のものが存在している。2型のIDI遺伝子は、α-プロテオバクテリア綱又はγ-プロテオバクテリア綱に属するカロテノイド産生細菌が有するカロテノイド生合成遺伝子群(carotenoid biosynthesis gene cluster)の中に時々一緒に存在している(三沢典彦, オレオサイエンス 9 (9): 385-391, 2009)。1型、2型にかかわらず、IDI遺伝子をカロテノイドやセスキテルペンといったテルペンの生合成遺伝子と共に大腸菌に導入して発現させると、IDI遺伝子を導入しない場合と比べて、テルペンの生産量が上昇することがわかっている(S. Kajiwara,P.D. Fraser, K. Kondo and N. Misawa, Biochem J., 324, 421-426. 1997)。ファルネシル二リン酸からゼアキサンチンまでの生合成経路をコードする遺伝子群、CaZEP遺伝子及びIDI遺伝子を導入し、共発現させることにより、ビオラキサンチンが効率よく生産され、ビオラキサンチンを基質としてネオキサンチンが高収量で生産される。
(4) Isopentenyl diphosphate isomerase gene ( IDI gene)
Isopentenyl diphosphate isomerase converts isopentenyl diphosphate (isopentenyl pyrophosphate: IPP) to dimethylallyl diphosphate (DMAPP) during the FPP production process of Escherichia coli and Saccharomyces cerevisiae. The IDI gene can efficiently produce carotenoids by expressing it together with the crt gene cluster. The origin of the IDI gene is not particularly limited, but for example, IDI (IPP isomerase) derived from the green alga Haematococcus pluvialus is preferably used.
The amount ratio of IPP and dimethylallyl diphosphate (DMAPP) is adjusted by isopentenyl-diphosphate isomerase (Patent Document 1). There are type 1 (type 1) and type 2 (type 2) isopentenyl diphosphate isomerases, which have different structures from each other. Type 2 IDI genes are sometimes present together in the carotenoid biosynthesis gene cluster of carotenoid-producing bacteria belonging to the α-Pseudomonadota or γ-Pseudomonadota (Norihiko Misawa, Oreoscience 9 (9): 385-391, 2009). Regardless of type 1 or type 2, when the IDI gene is introduced into Escherichia coli together with terpene biosynthetic genes such as carotenoids and sesquiterpenes and expressed, the production of terpenes increases compared to the case where the IDI gene is not introduced. Is known (S. Kajiwara, PD Fraser, K. Kondo and N. Misawa, Biochem J. , 324, 421-426. 1997). By introducing and co-expressing the genes encoding the biosynthetic pathway from farnesyl diphosphate to zeaxanthin, the CaZEP gene and the IDI gene, violaxanthin is efficiently produced, and neoxanthin is produced in high yield using violaxanthin as a substrate. Produced in.

(形質転換)
上記ファルネシル二リン酸からゼアキサンチンまでの生合成経路をコードする遺伝子群、パプリカ由来のZEPをコードする遺伝子及びVDL1をコードする遺伝子は、公知の方法により、大腸菌、出芽酵母、藻類などのファルネシル二リン酸生産能を有する宿主に導入することができる。以下、例として大腸菌を宿主とする場合の形質転換法について説明する。
(Transformation)
The gene group encoding the biosynthetic pathway from farnesyl diphosphate to zeaxanthin, the gene encoding ZEP derived from paprika, and the gene encoding VDL1 can be obtained by a known method for farnesyl diphosphate such as Escherichia coli, Saccharomyces cerevisiae, and algae. It can be introduced into a host capable of producing acid. Hereinafter, a transformation method using Escherichia coli as a host will be described as an example.

大腸菌を宿主とする場合、その外来性遺伝子の導入方法は特に限定されず、導入したい外来性遺伝子を、公知の方法により適当なプロモータとターミネータの利用により発現する形にして大腸菌の形質転換用ベクターに挿入してプラスミドを作製し、該プラスミドを大腸菌の細胞に導入すればよい。複数の遺伝子を導入する場合、それらの遺伝子は、1つの形質転換用ベクターにより導入されてもよく、それぞれ異なる形質転換用ベクターにより導入されてもよい。 When Escherichia coli is used as a host, the method for introducing the exogenous gene is not particularly limited, and the exogenous gene to be introduced is expressed by a known method using an appropriate plasmid and terminator, and the vector for transforming E. coli. A plasmid may be prepared by inserting it into E. coli cells, and the plasmid may be introduced into E. coli cells. When a plurality of genes are introduced, those genes may be introduced by one transformation vector or may be introduced by different transformation vectors.

大腸菌の形質転換用ベクターは、導入遺伝子の数や種類等により適宜選択すればよいが、大腸菌のタンパク質発現用ベクター等が好ましく、例えば、pUC18、pACYC184、RSFDuet-1等が挙げられる。また、プロモータは、大腸菌中で発現できるものであればいずれを用いてもよい。例えば、T7プロモータ、lacZプロモータ、tacプロモータ等が挙げられる。中でも、導入した遺伝子が大腸菌において高発現することが好ましいことから、tacプロモータがより好ましい。また、導入した遺伝子が大腸菌において一過的に発現することが好ましい場合は、誘導プロモータを用いることが好ましく、IPTG等による誘導型T7プロモータ等がより好ましい。ターミネータとしては、導入する遺伝子等により適宜選択することができるが、例えば、T7ターミネータ、rrnBターミネータ等が挙げられる。 The Escherichia coli transformation vector may be appropriately selected depending on the number and type of transgenes and the like, but Escherichia coli protein expression vectors and the like are preferable, and examples thereof include pUC18, pACYC184 and RSFDuet-1. Moreover, any promoter may be used as long as it can be expressed in Escherichia coli. For example, T7 promoter, lacZ promoter, tac promoter and the like can be mentioned. Among them, the tac promoter is more preferable because the introduced gene is preferably highly expressed in Escherichia coli. When it is preferable that the introduced gene is transiently expressed in Escherichia coli, it is preferable to use an inducible promoter, and an inducible T7 promoter by IPTG or the like is more preferable. The terminator can be appropriately selected depending on the gene to be introduced and the like, and examples thereof include a T7 terminator and an rrnB terminator.

大腸菌形質転換ベクターにより目的とする外来性遺伝子が導入された大腸菌細胞を効率よく選抜するために、各種選抜マーカー遺伝子を用いてもよい。選抜マーカー遺伝子は、特に限定されず、公知のものを用いることができる。例えば、薬剤耐性を付与する遺伝子を選抜マーカーとして用い、この選抜マーカー遺伝子と外来性遺伝子とを含むプラスミド等を大腸菌形質転換ベクターとして大腸菌細胞に導入することが好ましい。これによって選抜マーカー遺伝子の発現から効率良く外来性遺伝子が導入された大腸菌細胞を選抜することができる。このような選抜マーカー遺伝子として、例えば、各種の薬剤耐性遺伝子等が挙げられる。より具体的には、例えば、アンピシリン耐性遺伝子、カナマイシン耐性遺伝子、テトラサイクリン耐性遺伝子等が挙げられる。また、該選抜マーカー遺伝子の上流及び下流には、該遺伝子を発現するためのプロモータ及びターミネータを有することが好ましい。 Various selectable marker genes may be used in order to efficiently select E. coli cells into which the target foreign gene has been introduced by the E. coli transformation vector. The selectable marker gene is not particularly limited, and a known gene can be used. For example, it is preferable to use a gene that imparts drug resistance as a selection marker, and to introduce a plasmid or the like containing the selection marker gene and an exogenous gene into E. coli cells as an E. coli transformation vector. As a result, Escherichia coli cells into which a foreign gene has been introduced can be efficiently selected from the expression of the selectable marker gene. Examples of such a selectable marker gene include various drug resistance genes. More specifically, for example, an ampicillin resistance gene, a kanamycin resistance gene, a tetracycline resistance gene and the like can be mentioned. Further, it is preferable to have a promoter and a terminator for expressing the gene upstream and downstream of the selectable marker gene.

このようにして調製された形質転換ベクターを大腸菌に導入する方法は特に制限されず、熱ショック法等公知の方法を用いて導入すればよい。外来性遺伝子が遺伝子組換え大腸菌において発現していることは、例えば、ノザンブロッティング、RT-PCR、ウェスタンブロッティング等の方法により確認することができる。また、大腸菌においてネオキサンチン、デエポキシネオキサンチン等が産生されていることは、例えば、HPLC分析等の方法により確認することができる。 The method for introducing the transformation vector thus prepared into Escherichia coli is not particularly limited, and may be introduced using a known method such as a heat shock method. The expression of the exogenous gene in recombinant Escherichia coli can be confirmed by, for example, methods such as Northern blotting, RT-PCR, and Western blotting. Further, it can be confirmed that neoxanthin, deepoxy neoxanthin and the like are produced in Escherichia coli by, for example, a method such as HPLC analysis.

遺伝子組換え大腸菌の培養方法は、特に限定されず公知の培養方法を用いることができる。培養後の遺伝子組換え大腸菌には、ネオキサンチン、デエポキシネオキサンチンなどのアレン構造を有するカロテノイドが含まれるため、公知の抽出方法により、これらのカロテノイドを得ることができる。 The method for culturing recombinant Escherichia coli is not particularly limited, and a known culturing method can be used. Since the transgenic Escherichia coli after culturing contains carotenoids having an allen structure such as neoxanthin and deepoxy neoxanthin, these carotenoids can be obtained by a known extraction method.

以下に実施例等を挙げて本発明を詳細に説明するが、本発明はこれらの例に限定されない。 Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to examples and the like, but the present invention is not limited to these examples.

<実施例1>
(ネオキサンチン生産用プラスミドの作製)
珪藻Phaeodactylum tricornutumVDL1 (violaxanthin de-epoxidase-like protein 1)遺伝子(PtVDL1遺伝子)のDNA断片は、大腸菌のコドン使用頻度に適した塩基配列に改変した設計図を用いて化学合成した。その塩基配列を配列番号1に示す。パプリカCapsicum annuumZEP (zeaxanthin epoxidase) 遺伝子(CaZEP遺伝子)のDNA断片は、大腸菌のコドン使用頻度に適した塩基配列に改変した設計図を用いて化学合成した。その塩基配列を配列番号3に示す。PtVDL1及びCaZEPのアミノ酸配列(配列番号2、4)はそれぞれ、DDBJ アクセッション番号 B7G087_PHATC及びアクセッション番号 XP_016561102.1から入手することができる。また、CaZEPの人工遺伝子断片には、5’末端にSpeIと3’末端にHindIIIサイトを付加し、PtVDL1の人工遺伝子断片には、5’末端にEcoRIと3’末端にSalIサイトを付加した。
<Example 1>
(Preparation of plasmid for neoxanthin production)
The DNA fragment of the VDL1 (violaxanthin de-epoxidase-like protein 1) gene ( PtVDL1 gene) of the diatom Phaeodactylum tricornutum was chemically synthesized using a design drawing modified to a base sequence suitable for the codon usage frequency of Escherichia coli. The base sequence is shown in SEQ ID NO: 1. The DNA fragment of the ZEP (zeaxanthin epoxidase) gene ( CaZEP gene) of paprika Capsicum annuum was chemically synthesized using a design drawing modified to a base sequence suitable for the codon usage frequency of E. coli. The base sequence is shown in SEQ ID NO: 3. The amino acid sequences of PtVDL1 and CaZEP (SEQ ID NOs: 2 and 4) can be obtained from DDBJ accession numbers B7G087_PHATC and accession numbers XP_016561102.1, respectively. In addition, the artificial gene fragment of CaZEP has Spe I at the 5'end and the HindIII site at the 3'end, and the artificial gene fragment of PtVDL1 has Eco RI at the 5'end and the Sal I site at the 3'end. Was added.

大腸菌形質転換用ベクターとして、pACYC184とpUC18を用いた(図3)。SpeIおよびHindIIIで切断したCaZEP断片を切り出し、公知の方法に従って調製されたゼアキサンチン生産用プラスミドpACHP-Zea(M. Takemura et al, Tetrahedron Letters, 56: 6063-6065, 2015.)のSpeI-HindII部位に挿入し、プラスミドpACHP-Violを作製した(図4A)。EcoRIおよびSalIで切断した珪藻のPtVDL1遺伝子断片を切り出し、ベクターpUC18のEcoRI-SalI部位に挿入し、プラスミドpUC-PtVDL1を作製した(図4B)。 PACYC184 and pUC18 were used as E. coli transformation vectors (Fig. 3). Spe I- of the zeaxanthin production plasmid pACHP-Zea (M. Takemura et al, Tetrahedron Letters, 56: 6063-6065 , 2015.) prepared by cutting out CaZEP fragments cleaved with Spe I and Hind III and prepared according to a known method. The plasmid pACHP-Viol was prepared by inserting it into the Hin dII site (Fig. 4A). A PtVDL1 gene fragment of diatom cleaved with Eco RI and Sal I was excised and inserted into the Eco RI- Sal I site of vector pUC18 to prepare plasmid pUC-PtVDL1 (Fig. 4B).

トマト (Solanum lycopersicum)のNSY遺伝子(SlNSY遺伝子; F. Bouvier et al, European Journal of Biochemistry, 267: 6346-6352, 2000.)及びNXD1遺伝子(SlNXD1遺伝子;H. Neuman et al, The Plant Journal, 78: 80-93, 2014.)のDNA断片は、大腸菌のコドン使用頻度に適した塩基配列に改変した設計図を用いて化学合成した。珪藻のPtVDL1遺伝子断片の場合と同様に、各々の遺伝子断片をベクターpUC18のEcoRI-SalI部位に挿入し、プラスミドpUC-SlNSY及びpUC-SlNXD1を作製した。 NSY gene ( SlNSY gene; F. Bouvier et al, European Journal of Biochemistry, 267: 6346-6352, 2000.) and NXD1 gene ( SlNXD1 gene; H. Neuman et al, The Plant Journal, 78) of tomato ( Solanum lycopersicum ) : 80-93, 2014.) DNA fragments were chemically synthesized using a design drawing modified to a base sequence suitable for the frequency of codon use in E. coli. As in the case of the PtVDL1 gene fragment of diatom, each gene fragment was inserted into the Eco RI- Sal I site of the vector pUC18 to prepare plasmids pUC-SlNSY and pUC-SlNXD1.

<実施例2>
(大腸菌の形質転換)
実施例1で作製したプラスミドpACHP-ViolならびにpUC-PtVDL1(またはpUC-SlNSYまたはpUC-SlNXD1)を用いて、大腸菌を公知の方法により形質転換した。具体的には次のように行った。
大腸菌(JM101(DE3))、SOB培地(2%バクトトリプトン、0.5%イーストエクストラクト、10 mM NaCl、2.5 mM KCl、10 mM MgCl2、10 mM MgSO4)で培養した後、TBバッファー(10 mM PIPES (pH6.7), 15 mM CaCl2, 250 mM KCl, 55 mM MnCl2・4H2O)で処理した。そして、実施例1で作製したプラスミドpACHP-Violを、処理した大腸菌と混合し、氷上で静置した。42℃の熱ショックをかけた後、SOC培地で培養し、薬剤含有培地に撒いた。一晩培養後、出てきた薬剤耐性コロニーを、形質転換大腸菌(遺伝子組換え大腸菌)として得た。薬剤(抗生物質)としては、クロラムフェニコール(30mg/L)を培地に加えた。
上記で作製した、pACHP-Violを有しビオラキサンチンを生産する大腸菌(JM101(DE3))を、SOB培地(2%バクトトリプトン、0.5%イーストエクストラクト、10 mM NaCl、2.5 mM KCl、10 mM MgCl2、10 mM MgSO4)で培養した後、TBバッファー(10 mM PIPES (pH6.7), 15 mM CaCl2, 250 mM KCl, 55 mM MnCl2・4H2O)で処理した。そして、実施例1で作製したプラスミドpUC-PtVDL1(またはpUC-SlNSYまたはpUC-SlNXD1)を、処理した大腸菌と混合し、氷上で静置した。42℃の熱ショックをかけた後、SOC培地で培養し、薬剤含有培地に撒いた。一晩培養後、出てきた薬剤耐性コロニーを、形質転換大腸菌(遺伝子組換え大腸菌)として得た。薬剤(抗生物質)としては、クロラムフェニコール(30mg/L)とアンピシリン(40 mg/L)を培地に加えた。
<Example 2>
(Transformation of E. coli)
Escherichia coli was transformed by a known method using the plasmids pACHP-Viol and pUC-PtVDL1 (or pUC-SlNSY or pUC-SlNXD1) prepared in Example 1. Specifically, it was done as follows.
After culturing in Escherichia coli (JM101 (DE3)), SOB medium (2% bactotrypton, 0.5% yeast extract, 10 mM NaCl, 2.5 mM KCl, 10 mM MgCl 2 , 10 mM DDL 4 ), TB buffer (10) Treatment with mM PIPES (pH 6.7), 15 mM CaCl 2 , 250 mM KCl, 55 mM MnCl 2.4H 2 O ). Then, the plasmid pACHP-Viol prepared in Example 1 was mixed with the treated E. coli and allowed to stand on ice. After applying a heat shock at 42 ° C, the cells were cultured in SOC medium and sprinkled on a drug-containing medium. After culturing overnight, the drug-resistant colonies that emerged were obtained as transformed Escherichia coli (recombinant Escherichia coli). As a drug (antibiotic), chloramphenicol (30 mg / L) was added to the medium.
The SOB medium (2% bactotrypton, 0.5% yeast extract, 10 mM NaCl, 2.5 mM KCl, 10 mM) was prepared from the above-prepared Escherichia coli (JM101 (DE3)) having pACHP-Viol and producing violaxanthin. After culturing in MgCl 2 , 10 mM DDL 4 ), it was treated with TB buffer (10 mM PIPES (pH 6.7), 15 mM CaCl 2 , 250 mM KCl, 55 mM MnCl 2.4H 2 O ). Then, the plasmid pUC-PtVDL1 (or pUC-SlNSY or pUC-SlNXD1) prepared in Example 1 was mixed with the treated E. coli and allowed to stand on ice. After applying a heat shock at 42 ° C, the cells were cultured in SOC medium and sprinkled on a drug-containing medium. After culturing overnight, the drug-resistant colonies that emerged were obtained as transformed Escherichia coli (recombinant Escherichia coli). As drugs (antibiotics), chloramphenicol (30 mg / L) and ampicillin (40 mg / L) were added to the medium.

<実施例3>
上記の遺伝子組換え大腸菌を37℃、2YT(2 x YT)培地(1.6%バクトトリプトン、1%イーストエクストラクト、0.5% NaCl)で培養した。その際に、培地は2リットル(L)の三角フラスコに400 mL入れたものを2本用い、抗生物質クロラムフェニコール(30 mg/L)とアンピシリン(40 mg/L)を培地に加えた。OD600が0.4-0.6になるまで培養した後、0.05 mMのIPTGを加え、20℃で2晩培養した。培養した菌液を遠心分離し、菌体を得た。菌体にメタノールを加え、よく懸濁した後、1 M Tris (pH7.5)と1 M NaCl溶液を加えた。さらにクロロホルムを加え、よく懸濁した後、遠心分離を行った。カロテノイド抽出液(クロロホルム層)を回収した。
<Example 3>
The above recombinant E. coli was cultured in 2 YT (2 x YT) medium (1.6% bactotrypton, 1% yeast extract, 0.5% NaCl) at 37 ° C. At that time, two mediums containing 400 mL in a 2 liter (L) Erlenmeyer flask were used, and the antibiotics chloramphenicol (30 mg / L) and ampicillin (40 mg / L) were added to the medium. .. After culturing until OD 600 reached 0.4-0.6, 0.05 mM IPTG was added and the cells were cultured at 20 ° C. for 2 nights. The cultured bacterial solution was centrifuged to obtain bacterial cells. Methanol was added to the cells and suspended well, and then 1 M Tris (pH 7.5) and 1 M NaCl solution were added. Chloroform was further added, the suspension was well suspended, and then centrifugation was performed. The carotenoid extract (chloroform layer) was recovered.

上記の抽出溶液をエバポレーターで濃縮乾固した後、酢酸エチルに溶解し、それぞれのカロテノイド成分をHPLCにより分離し、精製した。
HPLCの条件:
HPLCカラム Acquity 1.7 μm BEH UPLC C18 (2.1 id X 100 mm)
移動層0-15分 溶媒CH3CN:H2O (85:15)、 流速 0.2 ml/min、検出450 nm
NMRはVarian INOVA 500MHz CDCL3溶媒で測定した。
The above extraction solution was concentrated to dryness with an evaporator, then dissolved in ethyl acetate, and each carotenoid component was separated by HPLC and purified.
HPLC conditions:
HPLC column Acquity 1.7 μm BEH UPLC C18 (2.1 id X 100 mm)
Moving layer 0-15 minutes Solvent CH 3 CN: H 2 O (85:15), flow rate 0.2 ml / min, detection 450 nm
NMR was measured with Varian INOVA 500MHz CDCL3 solvent.

大腸菌に、2つのプラスミドpACHP-ViolとpUC-PtVDL1を導入した遺伝子組換え大腸菌により生産されたカロテノイドのHPLC分析ならびにNMR分析を行った。その結果、組換え大腸菌の生産するカロテノイドは、Zeaxanthin、Violaxanthin、Neoxanthin、Deepoxyneoxanthin等であった。このHPLC分析の結果を図2(A)に示した。標品との比較から、NeoxanthinおよびDeepoxyneoxanthinと保持時間が同じであるピークを見出した。そして、これらピーク化合物のNMR解析の結果、図2(B)(C)に示すように、既報のNeoxanthinおよびDeepoxyneoxanthinと一致した。以上のことから、pACHP-ViolとpUC-PtVDL1を導入した組換え大腸菌において、NeoxanthinとDeepoxyneoxanthinが生産されていることが見出された。
一方、プラスミドpACHP-ViolとpUC-SlNSYを導入した組換え大腸菌、及びプラスミドpACHP-ViolとpUC-SlNXD1を導入した組換え大腸菌においては、Violaxanthinに対するどんな変換産物も認められなかった。
HPLC analysis and NMR analysis of carotenoids produced by recombinant E. coli into which two plasmids pACHP-Viol and pUC-PtVDL1 were introduced into E. coli were performed. As a result, the carotenoids produced by recombinant E. coli were Zeaxanthin, Violaxanthin, Neoxanthin, Deepoxyneoxanthin and the like. The result of this HPLC analysis is shown in FIG. 2 (A). From the comparison with the standard, a peak with the same retention time as Neoxanthin and Deepoxyneoxanthin was found. Then, as a result of NMR analysis of these peak compounds, as shown in FIGS. 2 (B) and 2 (C), they were in agreement with the previously reported Neoxanthin and Deepoxyneoxanthin. From the above, it was found that Neoxanthin and Deepoxyneoxanthin are produced in recombinant Escherichia coli into which pACHP-Viol and pUC-PtVDL1 have been introduced.
On the other hand, in the recombinant E. coli into which the plasmids pACHP-Viol and pUC-SlNSY were introduced, and the recombinant E. coli into which the plasmids pACHP-Viol and pUC-SlNXD1 were introduced, no conversion product for Violaxanthin was observed.

珪藻Phaeodactylum tricornutum由来のZEP遺伝子は大腸菌で機能しないことが知られていたにもかかわらず(非特許文献3、4)、珪藻由来のVDL1遺伝子が大腸菌内で効率的に機能発現し、Neoxanthin及びDeepoxyneoxanthinを産生できることは思いもよらないことであり、これによって、大腸菌や出芽酵母を含む微生物での生産の報告は全く無かったNeoxanthin及びDeepoxyneoxanthinの生産が実現できた。本発明の生産方法によるアレン構造を有するカロテノイドの合成経路を図5に示す。
この方法により、植物の葉では観察されないDeepoxyneoxanthinが生産されるとともに、ビオラキサンチンからの合成に加え、デエポキシネオキサンチンからもネオキサンチンが合成されることから、効率よくネオキサンチンを生産することが可能となる。
Although it was known that the ZEP gene derived from the diatom Phaeodactylum tricornutum does not function in E. coli (Non-Patent Documents 3 and 4), the VDL1 gene derived from diatom efficiently expresses its function in E. coli, and Neoxanthin and Deepoxyneoxanthin are expressed. It was unexpected to be able to produce Neoxanthin and Deepoxyneoxanthin, which had never been reported in microorganisms including Escherichia coli and Saccharomyces cerevisiae. FIG. 5 shows the synthetic route of a carotenoid having an allene structure by the production method of the present invention.
By this method, Deepoxyneoxanthin, which is not observed in the leaves of plants, is produced, and in addition to the synthesis from violaxanthin, neoxanthin is also synthesized from deepoxyneoxanthin, so that neoxanthin can be efficiently produced. It becomes.

本発明は、通常の培養装置を用いて容易に機能性カロテノイドを安価に生産し、安定的に供給できる方法として有用である。
INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention is useful as a method for easily producing functional carotenoids at low cost using a normal culture apparatus and stably supplying them.

Claims (11)

次の遺伝子または遺伝子群(1)~(3);
(1)ファルネシル二リン酸からゼアキサンチンまでの生合成経路をコードする遺伝子群
(2)ゼアキサンチンエポキシダーゼをコードする遺伝子
(3)ネオキサンチンシンターゼをコードする遺伝子
が導入されたファルネシル二リン酸生産能を持つ宿主を培養し、培養後の宿主からアレン構造を有するカロテノイドを抽出するアレン構造を有するカロテノイドの生産方法であって、
(2)ゼアキサンチンエポキシダーゼをコードする遺伝子が高等植物由来のZEPをコードする遺伝子であり、
(3)ネオキサンチンシンターゼをコードする遺伝子が珪藻由来のVDL1をコードする遺伝子であることを特徴とするアレン構造を有するカロテノイドの生産方法。
The following genes or gene clusters (1) to (3);
(1) Genes encoding the biosynthetic pathway from farnesyl diphosphate to zeaxanthin (2) Genes encoding zeaxanthin epoxidase (3) Farnesyl diphosphate producing ability into which a gene encoding neoxanthin synthase is introduced It is a method for producing a carotenoid having an allen structure by culturing a host having the same and extracting a carotenoid having an allen structure from the host after culturing.
(2) The gene encoding zeaxanthin epoxidase is a gene encoding ZEP derived from higher plants.
(3) A method for producing a carotenoid having an allene structure, wherein the gene encoding neoxanthin synthase is a gene encoding VDL1 derived from diatom.
アレン構造を有するカロテノイドがネオキサンチンである請求項1記載のアレン構造を有するカロテノイドの生産方法。 The method for producing a carotenoid having an allene structure according to claim 1, wherein the carotenoid having an allene structure is neoxanthin. アレン構造を有するカロテノイドがデエポキシネオキサンチンである請求項1記載のアレン構造を有するカロテノイドの生産方法。 The method for producing a carotenoid having an allene structure according to claim 1, wherein the carotenoid having an allene structure is deepoxy neoxanthin. (1)ファルネシル二リン酸からゼアキサンチンまでの生合成経路をコードする遺伝子群が、GGPPシンターゼ (CrtE)をコードする遺伝子、フィトエンシンターゼ (CrtB)をコードする遺伝子、フィトエンデサチュラーゼ(CrtI)をコードする遺伝子、リコペンβ-シクラーゼ(CrtY)をコードする遺伝子及びβ-カロテンハイドロキシラーゼ (CrtZ)をコードする遺伝子を含有するものである請求項1~3のいずれかの項記載のアレン構造を有するカロテノイドの生産方法。 (1) The genes encoding the biosynthetic pathway from farnesyl diphosphate to zeaxanthin are the gene encoding GGPP synthase (CrtE), the gene encoding phytoene synthase (CrtB), and the gene encoding phytoendesaturase (CrtI). , Production of a carotenoid having an allen structure according to any one of claims 1 to 3, which contains a gene encoding lycopene β-cyclase (CrtY) and a gene encoding β-carotene hydroxylase (CrtZ). Method. VDL1をコードする遺伝子が、以下の(a)~(f)のいずれかの遺伝子である請求項1~4のいずれかの項記載のアレン構造を有するカロテノイドの生産方法。
(a)配列番号1に示される塩基配列からなる遺伝子
(b)配列番号1に示される塩基配列からなる遺伝子と相補的な塩基配列からなるポリヌクレオチドとストリンジェントな条件下でハイブリダイズし、かつネオキサンチン合成活性を有するタンパク質をコードする遺伝子
(c)配列番号1に示される塩基配列からなる遺伝子と90%以上の相同性を有する塩基配列からなり、かつネオキサンチン合成活性を有するタンパク質をコードする遺伝子
(d)配列番号2に示されるアミノ酸配列からなるタンパク質をコードする遺伝子
(e)配列番号2に示されるアミノ酸配列において、1個又は複数個のアミノ酸が欠失、置換若しくは付加されたアミノ酸配列からなり、かつネオキサンチン合成活性を有するタンパク質をコードする遺伝子
(f)配列番号2に示されるアミノ酸配列からなるタンパク質と80%以上の相同性を有するアミノ酸配列からなり、かつネオキサンチン合成活性を有するタンパク質をコードする遺伝子
The method for producing a carotenoid having an allen structure according to any one of claims 1 to 4, wherein the gene encoding VDL1 is any of the following genes (a) to (f).
(A) A gene consisting of the base sequence shown in SEQ ID NO: 1 (b) Hybridizing under stringent conditions with a polynucleotide having a base sequence complementary to the gene consisting of the base sequence shown in SEQ ID NO: 1 and Gene encoding a protein having neoxanthin synthesizing activity (c) Encoding a protein having a base sequence having 90% or more homology with the gene consisting of the base sequence shown in SEQ ID NO: 1 and having neoxanthine synthesizing activity. Gene (d) Gene encoding a protein consisting of the amino acid sequence shown in SEQ ID NO: 2 (e) Amino acid sequence in which one or more amino acids are deleted, substituted or added in the amino acid sequence shown in SEQ ID NO: 2. Gene consisting of and encoding a protein having neoxanthin synthesizing activity (f) It consists of an amino acid sequence having 80% or more homology with the protein consisting of the amino acid sequence shown in SEQ ID NO: 2, and has neoxanthine synthesizing activity. Genes that encode proteins
高等植物由来のZEPをコードする遺伝子が、パプリカ、シロイネナズナ及びリンドウよりなる群から選ばれる1種のZEPをコードする遺伝子である請求項1~5のいずれかの項記載のアレン構造を有するカロテノイドの生産方法。 The carotenoid having an allen structure according to any one of claims 1 to 5, wherein the gene encoding ZEP derived from a higher plant is a gene encoding one ZEP selected from the group consisting of paprika, white sardine and gentian. Production method. 高等植物由来のZEPをコードする遺伝子が、パプリカ由来のZEPをコードする遺伝子である請求項6記載のアレン構造を有するカロテノイドの生産方法。 The method for producing a carotenoid having an allen structure according to claim 6, wherein the gene encoding ZEP derived from a higher plant is a gene encoding ZEP derived from paprika. パプリカ由来のZEPをコードする遺伝子が、以下の(g)~(l)のいずれかの遺伝子である請求項7記載のアレン構造を有するカロテノイドの生産方法。
(g)配列番号3に示される塩基配列からなる遺伝子
(h)配列番号3に示される塩基配列からなる遺伝子と相補的な塩基配列からなるポリヌクレオチドとストリンジェントな条件下でハイブリダイズし、かつゼオキサンチンエポキシ化活性を有するタンパク質をコードする遺伝子
(i)配列番号3に示される塩基配列からなる遺伝子と90%以上の相同性を有する塩基配列からなり、かつゼオキサンチンエポキシ化活性を有するタンパク質をコードする遺伝子
(j)配列番号4に示されるアミノ酸配列からなるタンパク質をコードする遺伝子
(k)配列番号4に示されるアミノ酸配列において、1個又は複数個のアミノ酸が欠失、置換若しくは付加されたアミノ酸配列からなり、かつゼオキサンチンエポキシ化活性を有するタンパク質をコードする遺伝子
(l)配列番号4に示されるアミノ酸配列からなるタンパク質と80%以上の相同性を有するアミノ酸配列からなり、かつゼオキサンチンエポキシ化活性を有するタンパク質をコードする遺伝子
The method for producing a carotenoid having an allen structure according to claim 7, wherein the gene encoding ZEP derived from paprika is any of the following genes (g) to (l).
(G) A gene consisting of the base sequence shown in SEQ ID NO: 3 (h) Hybridizing under stringent conditions with a polynucleotide having a base sequence complementary to the gene consisting of the base sequence shown in SEQ ID NO: 3 and Gene encoding a protein having zeoxanthine epoxidation activity (i) A protein having a base sequence having 90% or more homology with the gene consisting of the base sequence shown in SEQ ID NO: 3 and having zeoxanthine epoxidation activity. Gene encoding (j) Gene encoding a protein consisting of the amino acid sequence shown in SEQ ID NO: 4 (k) In the amino acid sequence shown in SEQ ID NO: 4, one or more amino acids have been deleted, substituted or added. A gene consisting of an amino acid sequence and encoding a protein having zeoxanthin epoxidation activity (l) A gene consisting of an amino acid sequence having 80% or more homology with the protein consisting of the amino acid sequence shown in SEQ ID NO: 4 and zeoxanthin epoxy Gene encoding a protein with chemogenic activity
宿主が、さらに
(4)イソペンテニル二リン酸イソメラーゼをコードする遺伝子
を導入されたものである請求項1~8のいずれかの項に記載のアレン構造を有するカロテノイドの生産方法。
The method for producing a carotenoid having an allen structure according to any one of claims 1 to 8, wherein the host has further introduced (4) a gene encoding isopentenyl diphosphate isomerase.
宿主が微生物である請求項1~9のいずれかの項に記載のアレン構造を有するカロテノイドの生産方法。 The method for producing a carotenoid having an allen structure according to any one of claims 1 to 9, wherein the host is a microorganism. 微生物が大腸菌である請求項10に記載のアレン構造を有するカロテノイドの生産方法。

The method for producing a carotenoid having an allen structure according to claim 10, wherein the microorganism is Escherichia coli.

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