JP2022101424A - Methods for producing biochemicals using enzyme genes derived from brevundimonas strain and compositions made thereby - Google Patents

Methods for producing biochemicals using enzyme genes derived from brevundimonas strain and compositions made thereby Download PDF

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Abstract

To provide crtW gene encoding a novel ketolase derived from a Brevundimonas strain for carotenoid synthesis and synthetic nucleic acid constructs and host organisms transformed with the synthetic nucleic acid constructs.SOLUTION: A vector comprising a nucleic acid of a specific sequence and a heterologous nucleic acid sequence is used.SELECTED DRAWING: None

Description

本開示は、一般に、分子生物学の分野に関し、より具体的には、微生物の代謝経路を遺伝子操作して、生化学物質の生物学的生産のために、ガス状の供給原料を含む種々の供給原料を利用することに関する。 The present disclosure generally relates to the field of molecular biology and, more specifically, genetically manipulates the metabolic pathways of microorganisms to include a variety of gaseous feedstocks for the biological production of biochemicals. Regarding the use of feedstock.

特定の実施形態において、配列番号1,4,5,6または7のうちのいずれか1つ以上を含むカロテノイド生成物を発現するために、核酸配列が提供される。特定の頻繁な実施形態において、配列番号1の核酸および異種核酸配列を含むベクターが提供される。 In certain embodiments, nucleic acid sequences are provided to express a carotenoid product comprising any one or more of SEQ ID NOs: 1, 4, 5, 6 or 7. In certain frequent embodiments, a vector comprising the nucleic acid of SEQ ID NO: 1 and a heterologous nucleic acid sequence is provided.

特定の頻繁な実施形態において、配列番号2または3と少なくとも96%同一または相同であるアミノ酸配列を含む酵素をコードする核酸配列が提供され、発現された酵素は、β-カロテンをカンタキサンチンに変換することができる。特定の関連実施形態において、 アミノ酸配列は配列番号2または3と少なくとも97%同一または相同であり、発現された酵素は、β-カロテンをカンタキサンチンに変換することができる。特定の関連する実施形態において、アミノ酸配列 は配列番号2または3と少なくとも98%同一または相同であり、発現された酵素は、β-カロテンをカンタキサンチンに変換することができる。 特定の関連する実施形態において、アミノ酸配列は配列番号2または3と少なくとも99%同一または相同であり、発現された酵素は、β-カロテンをカンタキサンチンに変換することができる。 In certain frequent embodiments, a nucleic acid sequence encoding an enzyme comprising an amino acid sequence that is at least 96% identical or homologous to SEQ ID NO: 2 or 3 is provided and the expressed enzyme converts β-carotene to canthaxanthin. can do. In certain related embodiments, the amino acid sequence is at least 97% identical or homologous to SEQ ID NO: 2 or 3, and the expressed enzyme is capable of converting β-carotene to canthaxanthin. In certain related embodiments, the amino acid sequence is at least 98% identical or homologous to SEQ ID NO: 2 or 3, and the expressed enzyme is capable of converting β-carotene to canthaxanthin. In certain related embodiments, the amino acid sequence is at least 99% identical or homologous to SEQ ID NO: 2 or 3, and the expressed enzyme is capable of converting β-carotene to canthaxanthin.

頻繁に含まれる実施形態において、配列番号2または3と少なくとも96%同一であるアミノ酸配列を含む酵素をコードする1つ以上の核酸配列を含むベクターが提供され、 発現されると、酵素は、β-カロテンをカンタキサンチンに変換することができる。特定の関連する実施形態において、アミノ酸配列は配列番号2または3と少なくとも97%同一または相同であり、発現された酵素は、β-カロテンをカンタキサンチンに変換することができる。特定の関連する実施形態において、アミノ酸配列は配列番号2または3と少なくとも98%同一または相同であり、発現された酵素は、β-カロテンをカンタキサンチンに変換することができる。特定の関連する実施形態において、アミノ酸配列は配列番号2または3と少なくとも99%同一または相同であり、発現された酵素は、β-カロテンをカンタキサンチンに変換することができる。 In a frequently included embodiment, a vector comprising one or more nucleic acid sequences encoding an enzyme comprising an amino acid sequence that is at least 96% identical to SEQ ID NO: 2 or 3 is provided and when expressed, the enzyme is β. -Can convert carotene to canthaxanthin. In certain related embodiments, the amino acid sequence is at least 97% identical or homologous to SEQ ID NO: 2 or 3, and the expressed enzyme is capable of converting β-carotene to canthaxanthin. In certain related embodiments, the amino acid sequence is at least 98% identical or homologous to SEQ ID NO: 2 or 3, and the expressed enzyme is capable of converting β-carotene to canthaxanthin. In certain related embodiments, the amino acid sequence is at least 99% identical or homologous to SEQ ID NO: 2 or 3, and the expressed enzyme is capable of converting β-carotene to canthaxanthin.

頻繁に含まれる実施形態において、プロモーター、リボゾーム結合部位、および配列番号2または3と少なくとも96%同一であるアミノ酸配列を含む酵素をコードする複数の核酸配列のうちの1つを含む合成核酸構築物が提供され、発現されると、酵素はβ-カロテンをカンタキサンチンに変換することができる。特定の関連する実施形態において、アミノ酸配列は配列番号2または3と少なくとも97%同一または相同であり、発現された酵素は、β-カロテンをカンタキサンチンに変換することができる。特定の関連する実施形態において、アミノ酸配列は配列番号2または3と少なくとも98%同一または相同であり、発現された酵素は、β-カロテンをカンタキサンチンに変換することができる。特定の関連する実施形態において、アミノ酸配列は配列番号2または3と少なくとも99%同一または相同であり、発現された酵素は、β-カロテンをカンタキサンチンに変換することができる。多くの場合、合成核酸構築物はプラスミドを含むベクターである。 In a frequently included embodiment, a synthetic nucleic acid construct comprising a promoter, a ribosome binding site, and one of a plurality of nucleic acid sequences encoding an enzyme comprising an amino acid sequence that is at least 96% identical to SEQ ID NO: 2 or 3. Once provided and expressed, the enzyme can convert β-carotene to cantaxanthin. In certain related embodiments, the amino acid sequence is at least 97% identical or homologous to SEQ ID NO: 2 or 3, and the expressed enzyme is capable of converting β-carotene to canthaxanthin. In certain related embodiments, the amino acid sequence is at least 98% identical or homologous to SEQ ID NO: 2 or 3, and the expressed enzyme is capable of converting β-carotene to canthaxanthin. In certain related embodiments, the amino acid sequence is at least 99% identical or homologous to SEQ ID NO: 2 or 3, and the expressed enzyme is capable of converting β-carotene to canthaxanthin. Often, the synthetic nucleic acid construct is a vector containing a plasmid.

頻繁な実施形態において、上述および本明細書に記載の合成核酸構築物を含む形質転換された発現宿主生物が提供され、形質転換された宿主生物は、合成核酸構築物の異種発現が可能である。多くの場合、発現宿主生物は、化学合成独立栄養代謝モードで増殖するように適合された、形質転換された細菌である。特定の実施形態において、発現宿主生物は、Cupriavidus necator(カプリアビダス・ネカトール)である。 In frequent embodiments, transformed host organisms comprising the synthetic nucleic acid constructs described above and herein are provided, and the transformed host organisms are capable of heterologous expression of the synthetic nucleic acid constructs. Often, the expression host organism is a transformed bacterium adapted to grow in a chemically synthesized autotrophic mode. In certain embodiments, the expression host organism is Cupriavidus necator.

特定の実施形態において、配列番号2のアミノ酸配列をコードするブレバンディモナス菌株OB307由来のcrtWカロテノイドケトラーゼ遺伝子に対応する核酸配列が提供され、この核酸配列は、生物宿主細胞でカロテノイドを生成するように適合された発現構築物に含まれる。特定の頻繁な実施形態において、生物宿主細胞は、COとHを使用して、宿主細胞の炭素およびエネルギーの要件の少なくとも一部を満たすことができる。 In certain embodiments, a nucleic acid sequence corresponding to the crtW carotenoid ketrase gene from Brebandimonas strain OB307, which encodes the amino acid sequence of SEQ ID NO: 2, is provided, which nucleic acid sequence is such to produce carotenoids in biological host cells. Included in the expression constructs adapted to. In certain frequent embodiments, the biological host cell can use CO 2 and H 2 to meet at least some of the carbon and energy requirements of the host cell.

特定の実施形態において、crtZ-crtWカロテノイドヒドロキシラーゼ-ケトラーゼ遺伝子融合物に対応する核酸配列が提供され、融合物のcrtW部分は、アミノ酸配列番号2をコードするブレバンディモナス菌株OB307由来のケトラーゼ遺伝子である。 In certain embodiments, the nucleic acid sequence corresponding to the crtZ-crtW carotenoid hydroxylase-ketrase gene fusion is provided, the crtW portion of the fusion being the ketrase gene from the Brebandimonas strain OB307 encoding amino acid SEQ ID NO: 2. be.

特定の実施形態において、核酸配列は、配列番号3のcrtZ-crtWカロテノイドヒドロキシラーゼ-ケトラーゼ融合物タンパク質をコードして提供され、(a)融合物のcrtW部分は、配列番号2のアミノ酸配列をコードするブレバンディモナス菌株OB307由来のケトラーゼ遺伝子であり、(b)核酸配列は、生物宿主細胞に機能的に組み込まれた場合にカロテノイドを生成するように適合された、発現構築物の一部である。 In certain embodiments, the nucleic acid sequence is provided encoding the crtZ-crtW carotenoid hydroxylase-ketrase fusion protein of SEQ ID NO: 3, and (a) the crtW portion of the fusion encodes the amino acid sequence of SEQ ID NO: 2. It is a ketorase gene derived from Brebandimonas strain OB307, and (b) the nucleic acid sequence is part of an expression construct adapted to produce carotenoids when functionally integrated into a biological host cell.

特定の実施形態において、配列番号3のcrtZ-crtWカロテノイドヒドロキシラーゼ-ケトラーゼ融合物タンパク質をコードする核酸配列が提供され、(a)融合物のcrtW部分は、配列番号2のアミノ酸配列をコードするブレバンディモナス菌株OB307由来のケトラーゼ遺伝子であり、(b)核酸配列は、生物宿主細胞に機能的に組み込まれた際にカロテノイドを生成するように適合された発現構築物の一部であり、(c)生物宿主細胞は、COとHを使用して、その炭素とエネルギーの要件の少なくとも一部を満たすことができる。 In certain embodiments, a nucleic acid sequence encoding the crtZ-crtW carotenoid hydroxylase-ketrase fusion protein of SEQ ID NO: 3 is provided, where (a) the crtW portion of the fusion encodes the amino acid sequence of SEQ ID NO: 2. A ketolase gene from Bandimonas strain OB307, (b) the nucleic acid sequence is part of an expression construct adapted to produce carotenoids when functionally integrated into a biological host cell, (c). Biological host cells can use CO 2 and H 2 to meet at least some of their carbon and energy requirements.

特定の実施形態において、トランスポゾンを使用して、細菌のゲノムにDNA配列を挿入するように適合された自殺ベクター構築物が提供され、該自殺ベクター構築物は、(a)DNA配列、(b)トランスポゾンを含む配列番号8の核酸配列を含む挿入隣接DNA、および(c)自殺プラスミド骨格を含む。 In certain embodiments, a transposon is used to provide a suicide vector construct adapted to insert a DNA sequence into the bacterial genome, wherein the suicide vector construct comprises (a) a DNA sequence, (b) a transposon. It contains an insertion adjacent DNA containing the nucleic acid sequence of SEQ ID NO: 8, and (c) a suicide plasmid skeleton.

特定の実施形態において、アミノ酸配列番号2をコードする核酸配列を含む形質転換された宿主細胞が提供され、該核酸配列は、宿主細胞においてカロテノイドを生成するように適合された発現構築物の一部である。 In certain embodiments, a transformed host cell comprising a nucleic acid sequence encoding amino acid SEQ ID NO: 2 is provided, the nucleic acid sequence being part of an expression construct adapted to produce carotenoids in the host cell. be.

特定の実施形態において、本明細書で企図される形質転換された宿主細胞を形成する方法が提供され、該方法は、トランスポゾンを使用して、発現構築物を宿主細胞のゲノムに挿入するステップを含む。多くの場合、トランスポゾンを利用したこのような挿入はランダムな挿入である。 In certain embodiments, a method of forming a transformed host cell as contemplated herein is provided, the method comprising inserting an expression construct into the genome of the host cell using a transposon. .. In many cases, such insertions using transposons are random insertions.

特定の実施形態において、配列番号2のアミノ酸配列をコードするブレバンディモナス菌株OB307由来のcrtWカロテノイドケトラーゼ遺伝子に対応する核酸配列が提供され、該核酸配列は、無細胞発現系においてカロテノイドを生成するように適合された発現構築物の一部である。 In certain embodiments, a nucleic acid sequence corresponding to the crtW carotenoid ketrase gene from Brebandimonas strain OB307, which encodes the amino acid sequence of SEQ ID NO: 2, is provided and the nucleic acid sequence produces carotenoids in a cell-free expression system. It is part of an expression construct adapted as such.

特定の実施形態において、生物宿主細胞においてケトカロテノイドを生成する方法は、宿主細胞においてOB307-crtWの異種発現によって提供される。多くの場合、生物宿主細胞は水素細菌を含む。また、多くの場合、水素細菌は、Cupriavidus(カプリアビダス)、Rhodobacter(ロドバクター)、Rhodococcus(ロドコッカス)、Rhodopseudomonas(ロドシュードモナス)、Rhodospirillum(ロドスピリルム)、Paracoccus(パラコッカス)またはHydrogenophaga(ハイドロゲノファーガ)から選択される菌株を含む。特定の実施形態において、水素細菌の菌株はCupriavidus necator(カプリアビダス・ネカトール)である。しばしば含まれる特定の実施形態において、生物宿主細胞は、異なる種の宿主細胞のコンソーシアムの一部として培養される。 In certain embodiments, a method of producing ketocarotenoids in a biological host cell is provided by heterologous expression of OB307-crtW in the host cell. In many cases, biological host cells contain hydrogen bacteria. Also, hydrogen bacteria are often selected from Cupriavidus, Rhodobacter, Rhodococcus, Rhodopseudomonas, Rhodospirillum, Paracoccus or Hydrogenophaga. Includes strains that are to be treated. In a particular embodiment, the strain of hydrogen bacteria is Cupriavidus necator. In certain embodiments often included, biological host cells are cultured as part of a consortium of host cells of different species.

特定の実施形態において、生物宿主細胞においてケトカロテノイドを生成する方法を提供し、該方法は、生物宿主細胞をcrtZ-OB307-crtW融合物を含むベクターで形質転換するステップ、および生物宿主細胞においてcrtZ-OB307-crtW融合物を異種発現させてケトカロテノイドを合成するステップ、または生物宿主細胞においてcrtZ-OB307-crtW融合物を異種発現させてケトカロテノイドを合成するステップを含む。多くの場合、生物宿主細胞は水素細菌を含む。また、多くの場合、水素細菌は、Cupriavidus(カプリアビダス)、Rhodobacter(ロドバクター)、Rhodococcus(ロドコッカス)、Rhodopseudomonas(ロドシュードモナス)、Rhodospirillum(ロドスピリルム)、Paracoccus(パラコッカス)またはHydrogenophaga(ハイドロゲノファーガ)から選択される菌株を含む。特定の実施形態において、水素細菌の菌株はCupriavidus necator(カプリアビダス・ネカトール)である。しばしば含まれる特定の実施形態において、生物宿主細胞は、異なる種の宿主細胞のコンソーシアムの一部として培養される。 In certain embodiments, a method of producing ketocarotenoid in a biological host cell is provided, the step of transforming the biological host cell with a vector containing a crtZ-OB307-crtW fusion, and crtZ in the biological host cell. It comprises the step of heterologously expressing the -OB307-crtW fusion to synthesize the ketocarotenoid, or the step of heterologously expressing the crtZ-OB307-crtW fusion in a biological host cell to synthesize the ketocarotenoid. In many cases, biological host cells contain hydrogen bacteria. Also, hydrogen bacteria are often selected from Cupriavidus, Rhodobacter, Rhodococcus, Rhodopseudomonas, Rhodospirillum, Paracoccus or Hydrogenophaga. Includes strains that are to be treated. In a particular embodiment, the strain of hydrogen bacteria is Cupriavidus necator. In certain embodiments often included, biological host cells are cultured as part of a consortium of host cells of different species.

特定の実施形態において、β-カロテンからカンタキサンチンをインビトロで生成する方法が提供され、該方法は、β-カロテンを含む溶液中で、配列番号1,4,5,6,7または8のいずれかの核酸配列と少なくとも96%同一である核酸配列のタンパク質発現産物と接触させるステップを含み、タンパク質発現産物は、β-カロテンの少なくとも一部のカンタキサンチンへの変換を触媒する。多くの場合、核酸配列は配列番号1,4,5,6,7または8のいずれかの核酸配列と少なくとも90%同一である。多くの場合、核酸配列は配列番号1,4,5,6,7または8のいずれかの核酸配列と少なくとも91%同一である。多くの場合、 核酸配列は配列番号1,4,5,6,7または8のいずれかの核酸配列と少なくとも92%同一である。多くの場合、核酸配列は配列番号1,4,5,6,7または8のいずれかの核酸配列と少なくとも93%同一である。多くの場合、核酸配列は配列番号1,4,5,6,7または8のいずれかの核酸配列と少なくとも94%同一である。多くの場合、核酸配列は配列番号1,4,5,6,7または8のいずれかの核酸配列と少なくとも95%同一である。多くの場合、核酸配列は配列番号1,4,5,6,7または8のいずれかの核酸配列と少なくとも97%同一である。多くの場合、 核酸配列は配列番号1,4,5,6,7または8のいずれかの核酸配列と少なくとも98%同一である。 多くの場合、核酸配列は配列番号1,4,5,6,7または8のいずれかの核酸配列と少なくとも99%同一である。特定の頻繁な実施形態において、宿主生物は、β-カロテンを自然に生成するものである。 In certain embodiments, a method of producing canthaxanthin from β-carotene in vitro is provided, wherein the method is in a solution containing β-carotene and is either SEQ ID NO: 1, 4, 5, 6, 7 or 8. The protein expression product catalyzes the conversion of at least a portion of the β-carotene to canthaxanthin, comprising contacting the nucleic acid sequence with a protein expression product that is at least 96% identical to the nucleic acid sequence. In most cases, the nucleic acid sequence is at least 90% identical to the nucleic acid sequence of any of SEQ ID NOs: 1, 4, 5, 6, 7 or 8. In most cases, the nucleic acid sequence is at least 91% identical to the nucleic acid sequence of any of SEQ ID NOs: 1, 4, 5, 6, 7 or 8. In most cases, the nucleic acid sequence is at least 92% identical to the nucleic acid sequence of any of SEQ ID NOs: 1, 4, 5, 6, 7 or 8. In most cases, the nucleic acid sequence is at least 93% identical to the nucleic acid sequence of any of SEQ ID NOs: 1, 4, 5, 6, 7 or 8. In most cases, the nucleic acid sequence is at least 94% identical to the nucleic acid sequence of any of SEQ ID NOs: 1, 4, 5, 6, 7 or 8. In most cases, the nucleic acid sequence is at least 95% identical to the nucleic acid sequence of any of SEQ ID NOs: 1, 4, 5, 6, 7 or 8. In most cases, the nucleic acid sequence is at least 97% identical to the nucleic acid sequence of any of SEQ ID NOs: 1, 4, 5, 6, 7 or 8. In most cases, the nucleic acid sequence is at least 98% identical to the nucleic acid sequence of any of SEQ ID NOs: 1, 4, 5, 6, 7 or 8. In most cases, the nucleic acid sequence is at least 99% identical to the nucleic acid sequence of any of SEQ ID NOs: 1, 4, 5, 6, 7 or 8. In certain frequent embodiments, the host organism is one that naturally produces β-carotene.

ファルネシル二リン酸(FPP)とアスタキサンチンの間の生合成経路における個々の酵素と生成物の概略図である。It is a schematic diagram of individual enzymes and products in the biosynthetic pathway between farnesyl diphosphate (FPP) and astaxanthin. システム1アスタキサンチンオペロンの成分を示す図である。It is a figure which shows the component of the system 1 astaxanthin operon. システム2カンタキサンチンオペロンの成分を示す図である。It is a figure which shows the component of the system 2 canthaxanthin operon. システム3アスタキサンチンオペロンとcrtZW融合遺伝子の成分を示す図である。It is a figure which shows the component of the system 3 astaxanthin operon and the crtZW fusion gene. 抗生物質耐性マーカーとしてテトラサイクリンを用い、自殺ベクターに挿入されたTn5トランスポザーゼ遺伝子と共にカンタキサンチン(OB307-crtW遺伝子を含む)を生成する合成カロテノイドオペロンの詳細なマップである。トランスポゾンを加え、宿主細胞のゲノムにオペロンをランダムに挿入する。FIG. 3 is a detailed map of a synthetic carotenoid operon that uses tetracycline as an antibiotic resistance marker and produces canthaxanthin (including the OB307-crtW gene) along with the Tn5 transposase gene inserted into the suicide vector. Transposons are added and operons are randomly inserted into the host cell genome. トランスポゾン突然変異誘発を利用した、宿主細胞へのオペロンの形質転換および染色体挿入のプロセスを示す図である。ここではシステム1を例として使用する。(ME = Mosaic Ends(逆方向反復配列); Pro = プロモーター; ori = 複製起点または転送; term = 転写ターミネーター)。It is a figure which shows the process of transformation and chromosome insertion of an operon into a host cell using transposon mutagenesis. Here, system 1 is used as an example. (ME = Mosaic Ends (reverse repeats); Pro = promoter; ori = origin of replication or transfer; term = transcription terminator). カンタキサンチン生合成経路を異種発現する、C. necator(C.ネカトール)細胞によって生成されたカンタキサンチンを示すHPLCクロマトグラム(黒いトレース)を示す図である。FIG. 5 shows an HPLC chromatogram (black trace) showing canthaxanthin produced by C. necator cells that heterologously express the canthaxanthin biosynthetic pathway. 図7に示すカンタキサンチンピークの対応するUV-Visスペクトルを示す図である。It is a figure which shows the corresponding UV-Vis spectrum of the canthaxanthin peak shown in FIG. 7. アスタキサンチン生合成経路を異種発現するC. necator(C.ネカトール)細胞由来のカロテノイド生成物を示すHPLCクロマトグラム(黒いトレース)を示す図である。精製されたアスタキサンチン標準品のクロマトグラムを赤で示し、これは黒のトレースの小さなピークと重なっている。FIG. 3 shows an HPLC chromatogram (black trace) showing a carotenoid product derived from C. necator cells that heterologously express the astaxanthin biosynthetic pathway. The chromatogram of the purified astaxanthin standard is shown in red, which overlaps with the small peaks of the black trace. 図9に示すアスタキサンチンピークの対応するUV-Visスペクトルを示す図である。It is a figure which shows the corresponding UV-Vis spectrum of the astaxanthin peak shown in FIG.

カロテノイドは、細胞の酸化的損傷、特にフリーラジカルおよび活性酸素種に対する保護を提供する、魚飼料、動物飼料および栄養補助食品の着色剤および添加物として栄養上の利点を有する長鎖イソプレノイド分子である。カロテノイドは、植物、藻類、古細菌、真菌および細菌において、自然に、および生合成酵素をコードする1つ以上のカロテノイド遺伝子の発現を介して発現させることができる。カロテンやキサントフィルを含む40炭素(C40)テトラテルペンカロテノイドの従来の生成には、種々の微生物や植物からの天然分子の抽出が含まれていた。しかしながら、Xanthophyllomyces(キサントフィロマイセス)酵母などのいくつかの自然発生するアスタキサンチン生産株は、アスタキサンチンのより価値の低い鏡像異性体を生成し、Haematococcus pluvialis(ヘトマコッカス藻)などの生産性が高く、自然に生成される微細藻類を成長させるプロセスは、困難で、時間がかかり、資源集約的で高価である。 Carotenoids are long-chain isoprenoid molecules with nutritional advantages as colorants and additives in fish feeds, animal feeds and dietary supplements that provide protection against oxidative damage to cells, especially free radicals and active oxygen species. .. Carotenoids can be expressed naturally and through the expression of one or more carotenoid genes encoding biosynthetic enzymes in plants, algae, paleontology, fungi and bacteria. Conventional production of 40 carbon (C40) tetraterpene carotenoids, including carotene and xanthophylls, has involved the extraction of natural molecules from various microorganisms and plants. However, some naturally occurring astaxanthin-producing strains, such as Xanthophyllomyces yeast, produce lower-value mirror isomers of astaxanthin and are more productive, such as Haematococcus pluvialis. The process of growing naturally occurring microalgae is difficult, time consuming, resource intensive and expensive.

石油原料からの化学合成により、アスタキサンチンおよびカンタキサンチンなどの分子の非生物学的生成が達成された(2002)。しかしながら、これらの後者の方法では、アスタキサンチンとエナンチオマーの混合物が生成されるが、これらは効率の低いラジカル消光剤および治療薬であるため、これらも価値が低く、これらの合成製品は、EUにおける人や動物の消費に関する重大な規制問題に直面している。最近では、遺伝子操作された生物が、高価値のカンタキサンチン、アスタキサンチンおよびその他のC40カロテノイドならびにキサントフィルの生成に使用されている。図1は、ファルネシル二リン酸(FPP)からアスタキサンチンまでのカロテノイド生合成経路を示している。 Non-biological production of molecules such as astaxanthin and canthaxanthin has been achieved by chemical synthesis from petroleum sources (2002). However, these latter methods produce mixtures of astaxanthin and enantiomers, which are also of low value because they are inefficient radical quenchers and therapeutic agents, and these synthetic products are human in the EU. And face serious regulatory issues regarding animal consumption. Recently, genetically engineered organisms have been used to produce high-value canthaxanthin, astaxanthin and other C40 carotenoids as well as xanthophylls. FIG. 1 shows the carotenoid biosynthetic pathway from farnesyl diphosphate (FPP) to astaxanthin.

アスタキサンチンに加えて、カンタキサンチンは、その基質としてβ-カロテンに作用する細菌のcrtWケトラーゼ遺伝子などの、ケトラーゼ酵素によって合成することができる、貴重なカロテノイド生成物である。カンタキサンチンやアスタキサンチンなどのカロテノイドは、最も活性が高く効果的なカロテノイドケトラーゼであると考えられる、種々のブレバンディモナス種由来のcrtW遺伝子によってコードされるケトラーゼによって生成することができる。 In addition to astaxanthin, canthaxanthin is a valuable carotenoid product that can be synthesized by transketolase enzymes, such as the bacterial crtW ketolase gene that acts on β-carotene as its substrate. Carotenoids such as canthaxanthin and astaxanthin can be produced by the crtW gene-encoded ketolase from various Brebandimonas species, which is considered to be the most active and effective carotenoid ketolase.

バイオマスの乾燥重量1グラムあたりのカロテノイドの収量および生成速度は、天然または遺伝子改変生物においては高くないので、このCrtW酵素を用いて安価でかつ効率的にカロテノイドを生成することができる発現系も必要である。 Since the yield and production rate of carotenoids per gram of dry weight of biomass are not high in natural or genetically modified organisms, an expression system capable of inexpensively and efficiently producing carotenoids using this CrtW enzyme is also required. Is.

水素細菌は、カロテノイド発現にとって魅力的な宿主である、というのも、いくつかの種は他の多くの細菌よりも大量の内膜を自然に生成し、これらの膜は、親油性の高いC40カロテノイドを蓄積するために必要である。 Hydrogen bacteria are attractive hosts for carotenoid expression, because some species naturally produce larger intima than many other bacteria, and these membranes are highly lipophilic C40. Necessary for accumulating carotenoids.

CrtZヒドロキシラーゼおよびCrtWケトラーゼ酵素の両方が、細胞膜にまたがることのできる膜貫通(TM)ヘリックスを含む内在性膜タンパク質である可能性が高いので、広範な膜容量もまた有利である。 Wider membrane capacity is also advantageous, as both CrtZ hydroxylase and CrtW ketolase enzymes are likely to be endogenous membrane proteins containing transmembrane (TM) helices that can span cell membranes.

さらに、Cupriavidus necator(カプリアビダス・ネカトール)などの特定の水素細菌は、カロテノイドを自然に生成しないため、調節干渉(例えば、フィードバック阻害)または(例えば、crtG遺伝子を含んでいるため、アスタキサンチン生成物をジヒドロキシ-アスタキサンチンに自然にヒドロキシル化するBrevundimonas vesicularis(ブレバンディモナス・ベシキュラリス)株菌DC263のような)生成物の望ましくない酵素的修飾の可能性が少ない。 In addition, certain hydrogen bacteria, such as Cupriavidus necator, do not naturally produce carotenoids and thus contain regulatory interference (eg, feedback inhibition) or (eg, the crtG gene, thus dihydroxyting the astaxanthin product. -There is less potential for unwanted enzymatic modification of products (such as Cupriavidus vesicularis strain DC263) that spontaneously hydroxylate to astaxanthin.

そのようにして生成されたカロテノイドは、細菌バイオマスの一部として提供されるか、またはそれから抽出され、実質的に純粋なカロテノイド生成物を生成するか、または超臨界COまたは溶媒ベースの抽出などの他の抽出方法によって濃縮物を形成する。さらに、カンタキサンチンなどのカロテノイドは、糖、コーンスターチ、リグノスルホン酸塩、結合剤、油などの他の成分と混合して、製品(例えば、DSMカロフィルレッド(DSM Carophyll Red)10%)を製造することができる。 The carotenoids thus produced are either provided as part of the bacterial biomass or extracted from it to produce a substantially pure carotenoid product, or supercritical CO 2 or solvent-based extraction, etc. Concentrates are formed by other extraction methods. In addition, carotenoids such as canthaxanthin are mixed with other ingredients such as sugars, cornstarch, lignosulfonates, binders and oils to produce products (eg, DSM Carophyll Red 10%). can do.

細菌CrtW酵素は、HisリッチモチーフHX(3または4)H、HX(2または3)HHおよびHX(2または3)HHの存在によって決定されるように、以下のアミノ酸残基、すなわち、His69,His73,His107,His110,His111,His225,His228およびHis229のうちの6~8を使用し、酸素化反応を触媒する二鉄補因子を結合する。突然変異誘発研究に基づいて、Asp118も必要となる場合がある。従って、特定の操作理論に拘束されることを意図するものではないが、この酵素の天然または操作されたバージョンは、触媒活性を有するためにこれらのリガンドを含むべきであるか、または含まなければならないと考えられる。同様に、膜の内側の鉄結合部位を組織化するように思われる推定TMヘリックスがあるため、このような酵素は機能的な膜貫通配列を必要とする場合がある。 Bacterial CrtW enzymes are determined by the presence of His-rich motif HX (3 or 4) H, HX (2 or 3) HH and HX (2 or 3) HH: the following amino acid residues, ie His69, 6-8 of His73, His107, His110, His111, His225, His228 and His229 are used to bind a ferrous cofactor that catalyzes the oxygenation reaction. Based on mutagenesis studies, Asp118 may also be required. Thus, although not intended to be bound by any particular operating theory, natural or engineered versions of this enzyme should or must contain these ligands in order to have catalytic activity. It is thought that it will not be. Similarly, such enzymes may require a functional transmembrane sequence because there are putative TM helices that appear to organize iron binding sites inside the membrane.

高いG + C含有量を有する細菌においてそのようなコドン最適化遺伝子経路を発現することは、例えば、GC含有量が合成生物学のための遺伝子およびオペロンを新たに合成することを困難にするため、難題であることが以前に証明されている。 Expressing such codon-optimized gene pathways in bacteria with high GC + C content, for example, because GC content makes it difficult to newly synthesize genes and operons for synthetic biology. , Has previously been proven to be a challenge.

本開示は、カロテノイド合成のための新規のケトラーゼをコードする、本明細書でOB307と称するブレバンディモナスの新菌株から新たに発見されたcrtW遺伝子について記載する。また本開示は、更なる関連するカロテノイド遺伝子配列を含む例示的な合成オペロンを提供し、その発現は、ケトカロテノイドを生成するために使用される。これらの配列に由来する適切なDNA発現構築物は、発現のために発現宿主に挿入される。発現産物は、β-カロテンをカンタキサンチンおよびアスタキサンチンに変換するために操作可能なケトラーゼ酵素である。この合成オペロンのカロテノイド生成物は、大腸菌、枯草菌B-14200、枯草菌B-356、Rhodopseudomonas palustris(ロドシュードモナス・パルストリス)、Rhodobacter sphaeroides(ロドバクター・スフェロイデス)、およびCupriavidus necator(カプリアビダス・ネカトール)で発現されている。Rhodopseudomonas palustris(ロドシュードモナス・パルストリス)およびRhodobacter sphaeroides(ロドバクター・スフェロイデス)は、一般に、紫色の非硫黄(PNS)細菌として知られている。Rhodobacter capsulatus(ロドバクター・カプスラータ)は、これらのDNA発現構築物の宿主として使用できるもう1つのPNS細菌である。 The present disclosure describes a newly discovered crtW gene from a new strain of Brebandimonas, referred to herein as OB307, which encodes a novel transketolase for carotenoid synthesis. The present disclosure also provides an exemplary synthetic operon containing additional related carotenoid gene sequences, the expression of which is used to produce ketocarotenoids. Suitable DNA expression constructs derived from these sequences are inserted into the expression host for expression. The expression product is a transketolase enzyme that can be engineered to convert β-carotene to canthaxanthin and astaxanthin. The carotenoid products of this synthetic operon are Escherichia coli, B. B-14200, B-356, Rhodopseudomonas palustris, Rhodobacter sphaeroides, and Cupriavidus necator. It has been expressed. Rhodopseudomonas palustris and Rhodobacter sphaeroides are commonly known as purple non-sulfur (PNS) bacteria. Rhodobacter capsulatus is another PNS bacterium that can be used as a host for these DNA expression constructs.

本明細書に開示するように、現在開示されているCrtWケトラーゼ酵素は、開示されたDNA配列(本明細書に記載の属性を有する類似の配列を含む)のクローニングを介したアスタキサンチンおよびカンタキサンチンなどのケトカロテノイドの生成にしばしば利用され、リボソーム結合部位、プロモーター、およびターミネーター、ならびに他の構造遺伝子要素を含む構築物にDNAを配置する。crtZ、crtY、crtI、crtB、crtEなどの本実施形態による他の酵素遺伝子、ならびに追加の構造要素および制御要素もまた、カロテノイド生成のためのオペロンを形成するために、構築物に任意選択で組み込む。次いで、この構築物を、プラスミドなどの1つ以上の小さな環状DNAベクターとして、または生物のゲノムへの組み込みを介して、当技術分野において公知の方法を用いて、宿主細胞などの宿主生物へ導入する。すでにベータカロテンを生成している生物の場合、この単一の酵素をコードする遺伝子を導入して、このCrtWケトラーゼ酵素を生成し、β-カロテンの一部をカンタキサンチンに変換する。crtZ遺伝子も導入すると、遺伝子産物(すなわち、ヒドロキシラーゼ)も発現され得、それによってカンタキサンチンの少なくとも一部がアスタキサンチンに変換される。 As disclosed herein, the CrtW ketolase enzymes currently disclosed include astaxanthin and cantaxanthin via cloning of the disclosed DNA sequences, including similar sequences with the attributes described herein. Often utilized in the production of ketocarotenoids, DNA is placed in constructs containing ribosome binding sites, promoters, and terminators, as well as other structural gene elements. Other enzyme genes according to this embodiment, such as crtZ, crtY, crtI, crtB, crtE, as well as additional structural and regulatory elements are also optionally incorporated into the construct to form an operon for carotenoid production. The construct is then introduced into a host organism, such as a host cell, as one or more small circular DNA vectors, such as a plasmid, or via integration into the genome of the organism, using methods known in the art. .. For organisms that are already producing beta-carotene, a gene encoding this single enzyme is introduced to produce this CrtW transketolase enzyme, converting some of the β-carotene to canthaxanthin. When the crtZ gene is also introduced, a gene product (ie, hydroxylase) can also be expressed, thereby converting at least a portion of canthaxanthin to astaxanthin.

このcrtW遺伝子の産物は、例えば、β-カロテンが酵素的にカンタキサンチンに変換される無細胞発現系で使用される。crtZ遺伝子とcrtW遺伝子を同時にまたは連続して組み合わせて発現させると、2つの遺伝子の酵素産物の作用により、β-カロテン基質の少なくとも一部がカンタキサンチンに変換され、一部がアスタキサンチンに変換さる。新規のcrtWおよびcrtZ遺伝子は、DNAの2つの異なるセグメント上に提供してもよいし、CrtWケトラーゼおよびCrtZヒドロキシラーゼの両方の機能をコードする融合タンパク質の遺伝子を構成する単一のDNAとして提供してもよい。 The product of this crtW gene is used, for example, in a cell-free expression system in which β-carotene is enzymatically converted to canthaxanthin. When the crtZ gene and the crtW gene are expressed simultaneously or in combination, at least a part of the β-carotene substrate is converted to canthaxanthin and a part is converted to astaxanthin by the action of the enzymatic products of the two genes. The novel crtW and crtZ genes may be provided on two different segments of DNA or as a single DNA constituting the gene for the fusion protein encoding the function of both CrtW ketolase and CrtZ hydroxylase. May be.

この新規なcrtW遺伝子の異種発現宿主としては、多くの異なる生物が考えられる。 エネルギーおよび炭素源としてHおよびCOを利用できる宿主、およびエネルギーおよび炭素源としてHおよびCOを利用することができない宿主が、適切な異種発現宿主として考えられる。例えば、これらには細菌、植物、藻類、古細菌、菌類が含まれる。大腸菌や枯草菌などの細菌類、出芽酵母やコウジカビなどの真菌類、アフリカイネなどの植物類、Chlorella vulgaris(クロレラ・ブルガリス)などの藻類、Sulfolobus solfataricus(スルホロブス・ソルファタリカス)などの古細菌類、またはその他の生物種は、それがコードする酵素を生成し、この酵素の作用によってカロテノイド生成物を生産するために、この新規なcrtW遺伝子の異種発現宿主となることができる。 Many different organisms can be considered as heterologous expression hosts for this novel crtW gene. Hosts that can utilize H 2 and CO 2 as energy and carbon sources, and hosts that cannot utilize H 2 and CO 2 as energy and carbon sources, are considered suitable heterologous expression hosts. For example, these include bacteria, plants, algae, archaea, and fungi. Bacteria such as Escherichia coli and Bacillus subtilis, fungi such as sprouting yeast and Koji mold, plants such as African rice, algae such as Chlorella vulgaris, and archaea such as Sulfolobus solfataricus. Classes, or other species, can be heterologous hosts for this novel crtW gene to produce the enzyme it encodes and the action of this enzyme to produce carotenoid products.

本明細書に開示されるこの酵素および合成オペロンの異種発現は、最初に広い宿主範囲の発現プラスミドを使用して、大腸菌、枯草菌B-14200、枯草菌B-356、Rhodopseudomonas palustris(ロドシュードモナス・パルストリス)、Rhodobacter sphaeroides(ロドバクター・スフェロイデス)およびCupriavidus necator(カプリアビダス・ネカトール)において示されている。いずれの場合も、新規のOB307-crtW遺伝子の異種発現は、形質転換された細菌におけるカンタキサンチンの生成を介して観察された(野生型生物におけるカンタキサンチンの生成はなかった)。この形質転換は、C. necator(C.ネカトール)で使用されたものと同じプラスミドを使用して行われた。本明細書に開示されるプロモーターは、これら全ての菌株において活性を示す。上述のように、プラスミドのエレクトロポレーションを使用して、大腸菌細胞を形質転換した。他の菌株は、標準的な方法(例えば、Phornphisutthimas et al,2007; Gruber et al、2015を参照)に従い、大腸菌株S17-1との接合を用いて形質転換した。接合した細胞を先ずLB寒天培地にプレーティングし、次に連続的に希釈した滅菌液体培地に再懸濁し、以下の寒天プレート、すなわち、(1)大腸菌用として、LB+50μg/mlカナマイシンまたは10μg/mlテトラサイクリン;(2)枯草菌用として、MR2培地+2%フルクトースおよび50μg/mlカナマイシン;(3)C. necator(C.ネカトール)およびPNS細菌用として、MR2培地+2%フルクトースおよび500μg/mlカナマイシンにプレーティングした。 次に、生き残ったトランスコンジュゲートコロニーを採取し、純粋な単一コロニーが得られるまで新しいプレート上で再ストリークした。液体培養での増殖は、LB+抗生物質(すべての菌株)またはMR2+抗生物質(H2酸化PNS細菌およびC. necator(C.ネカトール))に所定の変異体の細胞を接種することによって行った。 Heterologous expression of this enzyme and synthetic operon disclosed herein initially uses a broad host range of expression plasmids, initially E. coli, Cupriavidus nectifolia B-14200, Cupriavidus nectus B-356, Rhodopseudomonas palustris. It has been shown in Palstris), Rhodobacter sphaeroides and Cupriavidus necator. In each case, heterologous expression of the novel OB307-crtW gene was observed via the production of canthaxanthin in transformed bacteria (no canthaxanthin production in wild-type organisms). This transformation was performed using the same plasmid used in C. necator. The promoters disclosed herein are active in all of these strains. As mentioned above, E. coli cells were transformed using plasmid electroporation. Other strains were transformed using conjugation with E. coli strain S17-1 according to standard methods (see, eg, Phornphisutthimas et al, 2007; Gruber et al, 2015). The joined cells are first plated on LB agar medium and then resuspended on a serially diluted sterile liquid medium and then resuspended on the following agar plates, ie (1) LB + 50 μg / ml canamycin or 10 μg / ml for E. coli. Tetracycline; (2) MR2 medium + 2% fructose and 50 μg / ml canamycin for bacillus; (3) play on MR2 medium + 2% fructose and 500 μg / ml canamycin for C. necator (C. necatol) and PNS bacteria. Diluted. The surviving transconjugated colonies were then harvested and re-streaked on new plates until a pure single colony was obtained. Propagation in liquid culture was performed by inoculating LB + antibiotics (all strains) or MR2 + antibiotics (H2 oxidized PNS bacteria and C. necator (C. necatol)) with cells of a given mutant.

crtZおよびcrtWがリンカー配列によって結合された合成DNAの断片を構築し、この融合配列を発現プラスミドの元のcrtW遺伝子の代わりに合成オペロンに組み込むことにより、crtZおよびcrtWからなる融合遺伝子を作成した。次に、この異種発現ベクターを大腸菌およびCupriavidus necator(カプリアビダス・ネカトール)に形質転換した。いずれの場合もアスタキサンチンとカンタキサンチンの産生が確認された。 また、対立遺伝子交換系(sacBレバンスクラーゼのカウンターセレクションに6%スクロース(w/v)を含むNaClフリー寒天培地を使用)および自殺ベクターを用いて、この合成オペロンをC. necator(C.ネカトール)ゲノムに挿入したところ、カロテノイドの産生が再び確認された。 A fusion gene consisting of crtZ and crtW was created by constructing a fragment of synthetic DNA in which crtZ and crtW were linked by a linker sequence and incorporating this fusion sequence into a synthetic operon instead of the original crtW gene of the expression plasmid. This heterologous expression vector was then transformed into E. coli and Cupriavidus necator. In each case, the production of astaxanthin and canthaxanthin was confirmed. In addition, this synthetic operon was converted to C. necator using an allelic exchange system (NaCl-free agar medium containing 6% sucrose (w / v) was used for the counterselection of sacB levansucrase) and a suicide vector. Upon insertion into the genome, carotenoid production was reconfirmed.

C. necator(C.ネカトール)株H16は、他のC. necator(C.ネカトール)株や他の水素細菌の株と同様に、発現宿主として使用されてきた。このように、カロテノイド生成物は、安価な原料(例えば、廃棄CO 、H 、O および無機塩)を使用して、形質転換された細菌のガス発酵によって生成することができ、プロセスの経済効率を向上させることができる。 C. necator (C. necatol) strain H16 has been used as an expression host as well as other C. necator (C. necatol) strains and strains of other hydrogen bacteria. Thus, carotenoid products can be produced by gas fermentation of transformed bacteria using inexpensive raw materials (eg, waste CO 2 , H 2 , O 2 and inorganic salts) and of the process. Economic efficiency can be improved.

-CO-O上で増殖しながらカロテノイド経路における異種発現のために、本明細書に記載のベクターおよびDNA構築物で形質転換することができる水素細菌の更なる属および種には、例えば、Rhodobacter capsulatus(ロドバクター・カプスラータ)および他のRhodobacter(ロドバクター)種、Paracoccus(パラコッカス)属、Rhodococcus(ロドコッカス)属、Hydrogenophaga(ハイドロゲノファーガ)、Rhodospirillum(ロドスピリルム)属、Rhodopseudomonas(ロドシュードモナス)属などが含まれる。 Further genera and species of hydrogen bacteria that can be transformed with the vectors and DNA constructs described herein for heterologous expression in the carotenoid pathway while growing on H2 - CO2 - O2 . For example, Rhodobacter capsulatus and other Rhodobacter species, Paracocccus, Rhodococcus, Hydrogenophaga, Rhodospirillum, Rhodospirillum, Rhodopseu. And so on.

ブレバンディモナスOB307の新規菌株を、実験室において、赤橙色の汚染物質コロニーとして寒天プレートから単離した。その16SrRNA遺伝子の配列を決定し(フォワードおよびリバース)、ClustalWを使用して他のブレバンディモナス種の16S配列と比較した。この分析により、OB307は、B.vesicularisおよびB.nasdaeの16S配列と99.7~99.8%の同一性を持つことが明らかになった。約100mgの湿細胞ペーストからゲノムDNAを抽出し、60xイルミナペアエンド配列(Illumina paired end sequencing)(150塩基対リード)を使用して全ゲノムを配列決定し、SNPsaurus Inc.(オレゴン州ユージン)によってシーケンスコンティグをアセンブルし、アノテートした。この配列から、BLAST検索により、他の公開されているカロテノイド生合成遺伝子と高い類似性を持つ複数の遺伝子を同定した。 A novel strain of Brebandimonas OB307 was isolated from the agar plate as a red-orange contaminant colony in the laboratory. The 16S rRNA gene was sequenced (forward and reverse) and ClustalW was used to compare it to the 16S sequences of other Brebandimonas species. This analysis revealed that OB307 has 99.7-99.8% identity with the 16S sequences of B. vesicularis and B. nasdae. Genomic DNA is extracted from approximately 100 mg of wet cell paste, sequenced whole genome using 60x Illumina paired end sequencing (150 base pair reads), and sequenced by SNPsaurus Inc. (Eugene, Oregon). Assembled and annotated the Contig. From this sequence, BLAST searches identified multiple genes with high similarity to other published carotenoid biosynthetic genes.

完全なオープンリーディングフレーム配列の1つは、アノテーションソフトウェアによって「脂肪酸デサチュラーゼ」として最初に同定された。脂肪酸デサチュラーゼはカロテノイドケトラーゼと同様の構造を持つことが知られており、さらなる解析により、この配列はCrtW型カロテノイドケトラーゼと高い類似性があることが明らかになり、その後の発現クローニングによりその活性が確認された。従って、遺伝子配列は、本明細書において、OB307-crtW(配列番号1)と称する。OB307-CrtWの翻訳された配列からもわかるように、その中には、このタイプのケトラーゼ(配列番号2)の二鉄結合部位を画定する8つのヒスチジンモチーフ(黄色で強調表示)とAsp-118(青色で強調表示)が含まれている。 配列番号3は、OB307-CrtWとブレバンディモナス菌株DC263(GenBankアクセッション番号ABC50116.1)のCrtWとの間のClustalW2.1アミノ酸配列アライメントを示している。どちらのタンパク質にも241個のアミノ酸が含まれており、それらの間には11個のアミノ酸の違いがある(約95.5%の同一性)。より最近では、ブレバンディモナス菌株SgAir0440由来の推定crtW遺伝子が、空気汚染細菌のゲノム配列の一部として公開された(GenBankアクセッション番号QCR00114)。この遺伝子はOB307-crtWのアミノ酸配列と99.6%の類似性を持っているが、クローン化され、発現されたとは報告されておらず、酵素の機能を分析して実際にβ-カロテンケトラーゼであることが確認されてもいない。 One of the complete open reading frame sequences was first identified as "fatty acid desaturase" by annotation software. The fatty acid desaturase is known to have a structure similar to that of carotenoid ketrase, and further analysis reveals that this sequence has a high similarity to CrtW-type carotenoid ketrase, and subsequent expression cloning reveals its activity. Was confirmed. Therefore, the gene sequence is referred to herein as OB307-crtW (SEQ ID NO: 1). As can be seen from the translated sequence of OB307-CrtW, there are eight histidine motifs (highlighted in yellow) and Asp-118 that define the ferrous binding site of this type of ketrase (SEQ ID NO: 2). (Highlighted in blue) is included. SEQ ID NO: 3 shows the CrystalW2.1 amino acid sequence alignment between OB307-CrtW and CrtW of Brebandimonas strain DC263 (GenBank Accession No. ABC5016.1). Both proteins contain 241 amino acids, with 11 amino acid differences between them (approximately 95.5% identity). More recently, the putative crtW gene from the Brebandimonas strain SgAir0440 has been published as part of the genomic sequence of air-polluting bacteria (GenBank Accession No. QCR00114). This gene has 99.6% similarity to the amino acid sequence of OB307-crtW, but has not been reported to be cloned and expressed, and the function of the enzyme was analyzed to actually β-carotene. It has not been confirmed to be a trase.

天然のOB307-crtW配列を、C. necator(C.ネカトール)での発現のためにコドン最適化された新しい配列に変換した。この新しい配列は、カンタキサンチンを生成する、crtE、crtY、crtI、crtBおよびcrtWを含むコドン最適化された合成オペロンの一部として含まれていた(図3)。アスタキサンチンを作るための構築物には、完全なcrtZ配列も含まれていた(図2)。経路内の他の遺伝子配列は、他の種々の細菌から供給され、GenBankアクセッション番号は以下の通りである:遺伝子crtE、crtY、crtIおよびcrtBは、Pantoea agglomerans / Erwinia herbicola pAC-BETAプラスミド、M8720 / M99707の配列から合成され、crtZは、Pantoea ananatis菌株AJ13355、NC_017533の配列から合成され、crtWは、本明細書に記載のOB307-crtWの配列から合成された。 The native OB307-crtW sequence was converted to a new codon-optimized sequence for expression on C. necator. This new sequence was included as part of a codon-optimized synthetic operon containing canthaxanthin, including crtE, crtY, crtI, crtB and crtW (FIG. 3). The construct for making astaxanthin also contained the complete crtZ sequence (Fig. 2). Other gene sequences within the pathway are sourced from various other bacteria and the GenBank accession numbers are as follows: the genes crtE, crtY, crtI and crtB are Pantoea agglomerans / Erwinia herbicola pAC-BETA plasmid, M8720. / Synthesized from the sequence of M99707, crtZ was synthesized from the sequence of Pantoea ananatis strains AJ13355, NC_017533, and crtW was synthesized from the sequence of OB307-crtW described herein.

オペロンの合成は、非常に高いG + C含有量(約61%~70%)のために、特殊な手順(例えば、Aster Bioscience, Inc.(カリフォルニア州リバモア)から入手可能)から恩恵を受ける。C. necator(C.ネカトール)において非常に活性の高い構成的プロモーターをカロテノイド遺伝子の上流に配置し、細胞内でのmRNA合成を指示した。他の適切なプロモーターは当技術分野において周知であり、本明細書でも企図されている。外部インデューサー分子(例えば、lacまたはtacプロモーターのIPTG)または環境刺激(例えば、phaC1プロモーターの窒素欠乏)を適用することによって、遺伝子転写の開始のタイミングを制御するために使用することのできる誘導性プロモーターも、それらが宿主の代謝および輸送系と互換性がある場合には、使用することができる。C. necator(C.ネカトール)用に最適化されたリボソーム結合部位(RBS)を、各遺伝子配列の上流に配置した。全体的な発現を最適化するために、crtE遺伝子のプロモーターとRBSの間、および個々の遺伝子のRBSと開始コドンの間にスペーサー配列を追加した。下流要素の不要な翻訳を防ぐために、オペロンの最後に終了配列(E.coli rrnB)を配置した。 Operon synthesis benefits from special procedures (eg, available from Aster Bioscience, Inc. (Livermore, Calif.)) Due to its very high G + C content (approximately 61% -70%). A highly active constitutive promoter in C. necator was placed upstream of the carotenoid gene to direct intracellular mRNA synthesis. Other suitable promoters are well known in the art and are also contemplated herein. Inducibility that can be used to control the timing of initiation of gene transcription by applying an external inducer molecule (eg, IPTG of the lac or tac promoter) or environmental stimuli (eg, nitrogen deficiency of the phaC1 promoter). Promoters can also be used if they are compatible with the host's metabolic and transport system. A ribosome binding site (RBS) optimized for C. necator was placed upstream of each gene sequence. To optimize overall expression, spacer sequences were added between the promoter and RBS of the crtE gene and between the RBS and start codon of individual genes. An end sequence (E. coli rrnB) was placed at the end of the operon to prevent unnecessary translation of downstream elements.

合成オペロン(配列番号5,6および7)は、先ず、隣接制限部位としてNdeIおよびAseIを使用して、それらを広い宿主範囲のプラスミドpBBR1MCS-2(例えば、選択としてカナマイシン)にクローニングすることにより、活性について試験した。ライゲーションされたDNA産物は、静電容量式エクステンダープラスパルスコントローラーIIユニット(Capacitance Extender Plus Pulse Controller II unit)(Bio-Rad Inc., カリフォルニア州ハーキュリーズ)を備えたBio-Rad GenePulser IIを使用したエレクトロポレーションによって大腸菌に形質転換した。Belcher and Knightのオンラインプロトコル(https://openwetware.org/wiki/Belcher/Knight:_Electrocompetent_Cells)に記載されている方法に従って、10%の低温グリセロールによる洗浄を3回行い、大腸菌細胞をエレクトロコンピテントにした。50μlのエレクトロコンピテントセルを1mmギャップの冷却した滅菌キュベットに加え、1μlのDNA(約1~50ng)と混合した。エレクトロポレーターの設定は次の通り:1.2kV,25μF,200Ω。時定数は通常3~5ミリ秒だった。パルス後、細胞を小さな滅菌チューブ内の予熱したSOB培地に移し、37℃で1時間、振盪しながら回復させた。その後、抗生物質を選択するために、50μg/mlカナマイシンを含むLB寒天培地にアリコートをプレーティングした。30℃で培養後、コロニーを採取し、LBブロスで個別に増殖させた。標準的な方法により、種々のクローンからプラスミドDNAを単離した。このDNAを適切な制限酵素で切断し、アガロースゲル電気泳動で分析して陽性クローンを同定した。1つの正しいクローンからのプラスミドDNAを大腸菌接合株S17-1に形質転換した。その後上述のプロセスを繰り返して、正しいS17-1クローンを見つけ出した。次に、プラスミドpBBR1MCS-2に合成カンタキサンチンまたはアスタキサンチンオペロンを含むS17-1クローンを、上述の標準的な方法によって、C. necator(C.ネカトール)宿主株または他の宿主株に接合させた。 500μg/mlカナマイシンを含む固体MR2-フルクトース培地(表1)にプレーティングしたところ、C. necator(C.ネカトール)コロニーが現れた。濃いオレンジ色または赤色を示したコロニーを採取し、カナマイシンプレートに再度ストリークして、それらの着色表現型および抗生物質耐性を確認した。選択したクローンを採取し、抗生物質を含む液体培地で増殖させた。 Synthetic operons (SEQ ID NOs: 5, 6 and 7) are first obtained by cloning them into a broad host range plasmid pBBR1MCS-2 (eg, kanamycin as a choice) using NdeI and AseI as adjacency restriction sites. The activity was tested. The ligated DNA product was electropo with Bio-Rad GenePulser II equipped with a Capacitance Extender Plus Pulse Controller II unit (Bio-Rad Inc., Hercules, Calif.). It was transformed into Escherichia coli by ration. Wash E. coli cells three times with 10% cold glycerol according to the method described in Belcher and Knight's online protocol (https://openwetware.org/wiki/Belcher/Knight:_Electrocompetent_Cells) to make E. coli cells electrocompetent. did. 50 μl of electrocompetent cells were added to a 1 mm gap of chilled sterile cuvette and mixed with 1 μl of DNA (about 1-50 ng). The electroporator settings are as follows: 1.2kV, 25μF, 200Ω. The time constant was usually 3-5 milliseconds. After the pulse, cells were transferred to preheated SOB medium in a small sterile tube and restored at 37 ° C. for 1 hour with shaking. Then, aliquots were plated on LB agar medium containing 50 μg / ml kanamycin to select antibiotics. After culturing at 30 ° C., colonies were collected and individually grown in LB broth. Plasmid DNA was isolated from various clones by standard methods. This DNA was cleaved with an appropriate restriction enzyme and analyzed by agarose gel electrophoresis to identify positive clones. Plasmid DNA from one correct clone was transformed into E. coli conjugation strain S17-1. After that, the above process was repeated to find the correct S17-1 clone. The S17-1 clone containing the synthetic canthaxanthin or astaxanthin operon on the plasmid pBBR1MCS-2 was then conjugated to the C. necator (C. necatol) host strain or other host strain by the standard method described above. When plated on solid MR2-fructose medium (Table 1) containing 500 μg / ml kanamycin, C. necator colonies appeared. Colonies showing a deep orange or red color were harvested and streaked back into kanamycin plates to confirm their color phenotype and antibiotic resistance. Selected clones were harvested and grown in liquid medium containing antibiotics.

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上述のように、アスタキサンチンの産生経路の末端にある酵素の処理能力は、crtZおよびcrtWの遺伝子を遺伝的に融合させてキメラタンパク質をコードすることによって向上させることができる。図4のマップに示すように、Pantoea ananatis(パンテア・アナタス)由来の完全なcrtZ遺伝子の3´末端とOB307-crtW遺伝子の5´末端(N末端メチオニンを含まない)の間に、(アミノ酸配列GGGGSGGPGSをコードする)短いリンカーペプチドのDNA配列、並びに配列番号3および配列番号4を挿入することによって、融合タンパク質の配列を作成した。crtZ-crtW融合配列を、コドン最適化、合成し、元のオペロン構築物のcrtW遺伝子を置き換えるために使用し、システム3(配列番号7)として知られるインサートを作成した。この配列をコードする発現プラスミドを上述のように適切な宿主に形質転換すると、細胞はアスタキサンチンを発現した(図9および図10)。 As mentioned above, the processing capacity of the enzyme at the end of the astaxanthin production pathway can be improved by genetically fusing the crtZ and crtW genes to encode the chimeric protein. As shown in the map of FIG. 4, between the 3'end of the complete crtZ gene from Pantoea ananatis and the 5'end of the OB307-crtW gene (without N-terminal methionine) (amino acid sequence). The fusion protein was sequenced by inserting the DNA sequence of the short linker peptide (encoding GGGGSGGPGS), as well as SEQ ID NO: 3 and SEQ ID NO: 4. The crtZ-crtW fusion sequence was codon-optimized, synthesized and used to replace the crtW gene in the original operon construct to create an insert known as System 3 (SEQ ID NO: 7). When the expression plasmid encoding this sequence was transformed into a suitable host as described above, the cells expressed astaxanthin (FIGS. 9 and 10).

特定の実施形態において、本明細書で企図される経路は、遺伝子改変、特に、例えば、改良された変異体を同定するためのランダムな突然変異誘発やライブラリースクリーニングなどの、定向進化の方法によって向上される。宿主ゲノムの株エンジニアリング(strain engineering)もまた、組換え経路遺伝子の発現向上のために使用することができる。 In certain embodiments, the pathways contemplated herein are by genetic modification, in particular by directed evolutionary methods such as random mutagenesis or library screening to identify improved variants. Will be improved. Strain engineering of the host genome can also be used to enhance the expression of recombinant pathway genes.

特定の実施形態において、オペロンをセミランダムにゲノムに挿入し、生成レベルについてスクリーニングする。カロテノイド産生の場合、このスクリーニングは、形質転換体のプレーティングされたライブラリーからコロニーに強い発色があるかどうかを探すことによって行うことができる。 従って、NdeIおよびNsiIによる制限クローニングにより、ファージTn5トランスポゾンのモザイク末端(19bpの内側および外側の末端配列を反転)の間にオペロンを挿入できるように、(Hmelo et al.の非複製対立遺伝子交換プラスミドに基づいて)カスタムの自殺ベクターを構築した。Tn5トランスポザーゼ配列も、抗生物質マーカーとして機能するテトラサイクリン耐性カセットとともに、プラスミドに(ゲートウェイクローニングを使用して)挿入した(例えば、図5、図6および配列番号8を参照)。トランスポゾン自殺ベクターを組み立て、大腸菌株S17-1に形質転換し、次に上述のようにC. necator(C.ネカトール)株H16に接合させた。上述のように、トランスコンジュゲートをMR2寒天に2%フルクトースと10μg/mlテトラサイクリンを加えたものにプレーティングし、続いて、LB寒天に50μg/mlカナマイシンを加えたもの、またはMR2寒天に2%フルクトースと50μg/mlカナマイシンを加えたものをプレーティングして、大腸菌ドナーを除去した。オレンジと赤に着色したコロニーを採取し、上述のようにカロテノイドのさらなる特性を評価した。淡い色や濃い色の種々のコロニーが観察されることから、カロテノイドを発現する各クローンにおいて異なるゲノム位置にオペロンが挿入されていることがわかる。 In certain embodiments, operons are semi-randomly inserted into the genome and screened for production levels. For carotenoid production, this screening can be done by looking for strong coloration in the colonies from the plated library of transformants. Therefore, restricted cloning with NdeI and NsiI allows the operon to be inserted between the mosaic ends of the phage Tn5 transposon (inverting the inner and outer end sequences of 19 bp) (Hmelo et al. Non-replicating alliogen exchange plasmid). Constructed a custom suicide vector (based on). The Tn5 transposase sequence was also inserted into the plasmid (using gateway cloning) along with a tetracycline resistant cassette acting as an antibiotic marker (see, eg, FIG. 5, FIG. 6 and SEQ ID NO: 8). A transposon suicide vector was assembled, transformed into E. coli strain S17-1, and then conjugated to C. necator strain H16 as described above. As mentioned above, transconjugate is plated on MR2 agar with 2% fructose and 10 μg / ml tetracycline, followed by LB agar with 50 μg / ml kanamycin or MR2 agar with 2%. E. coli donors were removed by plating with agar plus 50 μg / ml kanamycin. Colonies colored orange and red were collected and evaluated for further properties of carotenoids as described above. Various light and dark colonies are observed, indicating that the operon is inserted at a different genomic position in each carotenoid-expressing clone.

経路の初期発現とカロテノイド生成物の産生を迅速に確認するために、pBBRMCS-2発現プラスミドを含むC. necator(C.ネカトール)クローンを、炭素源として、20g/Lのフルクトースを添加した振とうフラスコ内において、30℃で滅菌液体最小培地(MR2,pH6.8)50mlに接種した。 約48時間の増殖後、培養物はA620(620nmで測定された光学密度)が約1.4となり、カロテノイドの生成により濃いオレンジ色または赤色を呈した。枯草菌株NRRLB-14200,枯草菌株NRRL B-354,Rhodopseudomonas palustris(ロドシュードモナス・パルストリス)株NRRL B4276およびRhodobacter sphaeroides(ロドバクター・スフェロイデス)株NRRL B1727などの、発現プラスミドで形質転換された他の発現宿主もこの方法で培養した。NRRL株は、USDA-ARSカルチャーコレクション(イリノイ州ピオリア)から入手した。 To rapidly confirm the initial expression of the pathway and the production of carotenoid products, shake a C. necator clone containing the pBBRMCS-2 expression plasmid with 20 g / L fructose as a carbon source. In a flask, 50 ml of sterile liquid minimum medium (MR2, pH 6.8) was inoculated at 30 ° C. After about 48 hours of growth, the culture had an A620 (optical density measured at 620 nm) of about 1.4 and exhibited a deep orange or red color due to the production of carotenoids. Other expression hosts transformed with expression plasmids such as Bacterial strain NRRLB-14200, Bacterial strain NRRL B-354, Rhodopseudomonas palustris strain NRRL B4276 and Rhodobacter sphaeroides strain NRRL B1727. Was also cultured in this way. The NRRL strain was obtained from the USDA-ARS Culture Collection (Peoria, Illinois).

ガス上におけるカロテノイドの産生を評価するために、ゲノム的に統合されたオペロンを含む細胞を、水中ガス入口および出口ポートを備えたキャップ付きの攪拌フラスコ(磁気攪拌棒)内において、pH6.8で滅菌MR2最小培地200~500ml(炭素源なし)に接種した。滅菌された外部ガス入口、出口、およびゴム管は、外気からの汚染を防ぐために、滅菌ディスクフィルタ(孔径0.2μm,酢酸セルロースシリンジフィルター,VWR)で蓋をした。およそ80:10:10の比率のH:CO:Oの混合物を、市販のガスボンベ(Praxair, Inc.)で供給、または発電機(Parker Dominick Hunter Model 40H;ノースカロライナ州シャーロット)から電解水素を供給した。いくつかの実施形態において、CO(多くの場合、H, CO, SO、NOなどの他のガスを含む)は、セメント製造、化石燃料の燃焼、石油化学水素化分解操作などから排出される廃棄COとして収集され、加圧シリンダーに供給された。ガスの混合とガスの流量は、ガス流量計とマスフローコントローラ(Alicat Scientific, Inc.アリゾナ州ツーソン)の小規模なネットワークによって制御した。攪拌プレートとフラスコは、30℃に保たれたインキュベーターに収容した。出口ガスは回収し、外気に排出した。細胞が約0.4のA620に到達し、色が赤またはオレンジに変わるのがわかるまで、培養物を72時間増殖させた。商業規模で、この種の培養は、完全にガスで増殖させる大量培養用に特別に設計されたループバイオリアクターで行われる。メタノトローフのガス発酵用のループバイオリアクターの実施例(原料としてメタンと酸素を使用)は、Petersen et al(2017, 2020)で提供されている。別の実施形態において、カロテノイド遺伝子を発現する宿主細胞の発酵および培養は、カロテノイド含有バイオマスの成長速度を向上させるか、またはバイオマスの全体的な特性を向上させるために、コンソーシアム(すなわち、異なる種の混合物)を採用している。 To assess the production of carotenoids on gas, cells containing genomically integrated operons are placed at pH 6.8 in a capped stir flask (magnetic stir bar) with underwater gas inlet and outlet ports. Sterile MR2 minimal medium 200-500 ml (without carbon source) was inoculated. Sterilized external gas inlets, outlets, and rubber tubes were covered with a sterile disc filter (pore size 0.2 μm, cellulose acetate syringe filter, VWR) to prevent contamination from the outside air. A mixture of H 2 : CO 2 : O 2 in a ratio of approximately 80:10:10 is supplied by a commercially available gas cylinder (Praxair, Inc.) or electrolytic hydrogen from a generator (Parker Dominick Hunter Model 40H; Charlotte, NC). Was supplied. In some embodiments, CO 2 (often including other gases such as H 2 , CO, SO x , NO x ) comes from cement production, fossil fuel combustion, petrochemical hydrocracking operations, and the like. It was collected as discharged CO 2 waste and supplied to the pressurized cylinder. Gas mixing and gas flow were controlled by a small network of gas flow meters and mass flow controllers (Alicat Scientific, Inc. Tucson, Arizona). The stirring plate and flask were housed in an incubator kept at 30 ° C. The outlet gas was recovered and discharged to the outside air. The culture was grown for 72 hours until cells reached A620 of about 0.4 and the color turned red or orange. On a commercial scale, this type of culture takes place in a loop bioreactor specifically designed for mass cultures that grow entirely in gas. An example of a loop bioreactor for gas fermentation of methanotrofu (using methane and oxygen as raw materials) is provided by Petersen et al (2017, 2020). In another embodiment, fermentation and culture of host cells expressing the carotenoid gene is a consortium (ie, of different species) to improve the growth rate of the carotenoid-containing biomass or to improve the overall properties of the biomass. Mixture) is adopted.

無細胞系を用いた生成。本開示で提供される酵素および構築物は、経路酵素を発現し、無細胞発現系を用いてカロテノイド生成物を生成するために使用されることが企図されている (Schneider et al., 2010; Gregorio et al., 2019; Khambati et al., 2019)。このような発現系には、例えば、IPP,DMAP,FPPなどのカロテノイド経路の単純な前駆体を供給し、これらの化合物をより価値のあるケトカロテノイド生成物に変換させることができる。無細胞発現とは、ポリヌクレオチドと組み合わせると、ポリヌクレオチドによってコードされるポリペプチドまたはタンパク質のインビトロ翻訳を可能にする薬剤を指す。これらの発現系は当技術分野で知られており、真核生物および原核生物の両方の用途のために存在する。本開示に関連して使用することができる例示的な無細胞発現系には、例えば、Invitrogen Ambion,QiagenおよびRoche Molecular Diagnosticsから入手可能な抽出物、大腸菌および他の菌株に加えて、Cupriavidus(カプリアビダス),Rhodobacter(ロドバクター),Rhodococcus(ロドコッカス),Rhodopseudomonas(ロドシュードモナス),Rhodospirillum(ロドスピリルム)、Paracoccus(パラコッカス)またはHydrogenophaga(ハイドロゲノファーガ)から選択された菌株を含む水素細菌から作製される細胞抽出物などの様々な種のための市販キットが含まれる。 Generation using a cell-free system. The enzymes and constructs provided in the present disclosure are intended to be used to express pathway enzymes and to produce carotenoid products using cell-free expression systems (Schneider et al., 2010; Gregorio). et al., 2019; Khambati et al., 2019). Such expression systems can be fed, for example, with simple precursors of carotenoid pathways such as IPP, DMAP, FPP and the like to convert these compounds into more valuable ketocarotenoid products. Cell-free expression refers to agents that, when combined with a polynucleotide, allow in vitro translation of the polypeptide or protein encoded by the polynucleotide. These expression systems are known in the art and exist for both eukaryotic and prokaryotic applications. Exemplary cell-free expression systems that can be used in connection with the present disclosure include, for example, extracts available from Invitrogen Ambion, Qiagen and Roche Molecular Diagnostics, Escherichia coli and other strains, as well as Cupriavidus. ), Rhodobacter, Rhodococcus, Rhodopseudomonas, Rhodospirillum, Paracocccus or Hydrogenophaga (hydrogenophaga) cells extracted from hydrogen bacteria. Includes commercial kits for various species such as things.

6,000 × gで10分間遠心分離を行い、細胞を採取した。リン酸緩衝生理食塩水に再懸濁させた後、細胞を再度遠心分離した。洗浄した細胞ペレットのアリコートを、1.5 mlのマイクロ遠心チューブ内でn-ヘキサン/メタノール(1:1 v/v)で抽出した。14,000 × gで5分間遠心分離を行い、溶媒抽出物を細胞破片から分離した。カロテノイドは、超臨界CO抽出を用いてバイオマスから効率的に分離および精製することもできる(Valderrama et al,2003; Di Sanzo et al,2018)。 Centrifugation was performed at 6,000 × g for 10 minutes, and cells were collected. After resuspension in phosphate buffered saline, cells were centrifuged again. Aliquots of washed cell pellet were extracted with n-hexane / methanol (1: 1 v / v) in a 1.5 ml microcentrifuge tube. Centrifugation was performed at 14,000 × g for 5 minutes to separate the solvent extract from the cell debris. Carotenoids can also be efficiently separated and purified from biomass using supercritical CO 2 extraction (Valderrama et al, 2003; Di Sanzo et al, 2018).

カロテノイド分析。カロテノイドの産生を同定およびアッセイするために、50μlの溶媒抽出サンプルを、シリンジを介して、シンメトリーC18 5μm(4.6x250 mm)HPLCカラムにロードし、これを、メタノール/水90:10(v/v)を含む溶液で予め平衡化した。ランニング溶液は、水、酢酸エチル、水のグラデーションで構成した。HPLC装置は、168NMダイオードアレイ検出器を備えたBeckman SystemGoldを使用した。実行条件は以下の通り:流量1mL/min; 温度30℃。ピークは、それらの保持時間をn-ヘキサンに溶解した既知のカロテノイド標準の溶液と比較することによって特定した。カンタキサンチン標準品は、Honeywell Research,Inc.から入手し、アスタキサンチンはAbcam(マイアミ州ケンブリッジ)から入手した。溶出成分は、可能であれば、それらの特徴的な吸光度スペクトルによっても同定することができる。本開示の発現系を用いて生成したカンタキサンチン(図7)およびアスタキサンチン(図9)のサンプルクロマトグラムを示す。これらの実験から、OB307-crtW遺伝子がβ-カロテンケトラーゼをコードすること、および新しいOB307-crtW遺伝子を発現する構築物が、実際にカンタキサンチンとアスタキサンチンを生成することが確認された。 Carotenoid analysis. To identify and assay carotenoid production, a 50 μl solvent-extracted sample was loaded via a syringe into a Symmetric C185 5 μm (4.6 x 250 mm) HPLC column, which was loaded with methanol / water 90:10 (v /). Pre-equalized with a solution containing v). The running solution consisted of water, ethyl acetate, and a gradation of water. The HPLC apparatus used was a Beckman System Gold equipped with a 168NM diode array detector. The execution conditions are as follows: Flow rate 1 mL / min; Temperature 30 ° C. Peaks were identified by comparing their retention times with a known carotenoid standard solution dissolved in n-hexane. Canthaxanthin standards were obtained from Honeywell Research, Inc. and astaxanthin was obtained from Abcam, Cambridge, Miami. Eluted components can also be identified, if possible, by their characteristic absorbance spectra. The sample chromatograms of canthaxanthin (FIG. 7) and astaxanthin (FIG. 9) produced using the expression system of the present disclosure are shown. From these experiments, it was confirmed that the OB307-crtW gene encodes β-carotene ketolase, and that constructs expressing the new OB307-crtW gene actually produce canthaxanthin and astaxanthin.

このcrtW配列は、遺伝子が種々の発現宿主において異種発現される場合、β-カロテンからカンタキサンチンへの変換を触媒するのに十分な量の活性酵素を産生するために、コドン最適化を必要とすることがある。これは、crtZ-crtW融合タンパク質などの融合タンパク質を生成するように遺伝子配列が配置されている合成オペロンや構築物にも当てはまる。本開示のいくつかの実施形態において、発現宿主は植物である。いくつかの実施形態において、発現宿主は、Saccharomyces cerevisiae(サッカロミセス・セレビシエ)などの真菌である。いくつかの実施形態において、発現宿主は、Chlorella vulgaris(クロレラ・ブルガリス)などの藻類である。 いくつかの実施形態において、発現宿主は、メチロトローフ(例えば、Methylobacterium extorquens(メチロコッカス・エクストルケンス))、メタノトローフ(例えば、Methylococcus capsulatus(メチロコッカス・カプスラタス))、アセトゲン(例えば、Clostridium autoethanogenum(クロストリジウム・オートエタノゲナム))、水素細菌(例えば、Cupriavidus necator(カプリアビダス・ネカトール))などの細菌、または、Rhodospirillum rubrum(ロドスピリラム・ラブラム)、Rhodobacter sphearoides(ロドバクター・スフェロイデス)、Rhodobacter capsulatus(ロドバクター・カプスラータス)またはRhodopseudomonas palustris(ロドシュードモナス・パルストリス)などの紫色非硫黄細菌である。他の潜在的に適切な細菌宿主には、Rhodococcus opacus(ロドコッカス・オパカス)、Paracoccus zeaxanthinifaciens(パラコッカス・キサンチニファシエンス)などのパラコッカス種、または大腸菌がある。

[追加文献]
Phornphisutthimas, S et al. (2007)大腸菌における接合-実験室実習 Biochem Mol Biol Educ 35:440-5
Gruber, S et al. (2015) グラム陰性菌のためのプラスミドベースの汎用発現系 - 細菌Ralstonia eutropha H16で例示する要点。New Biotechnol 32: 552-8.

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This crtW sequence requires codon optimization to produce a sufficient amount of active enzyme to catalyze the conversion of β-carotene to canthaxanthin when the gene is heterologously expressed in various expression hosts. I have something to do. This also applies to synthetic operons and constructs in which gene sequences are arranged to produce fusion proteins such as the crtZ-crtW fusion protein. In some embodiments of the present disclosure, the expression host is a plant. In some embodiments, the expression host is a fungus such as Saccharomyces cerevisiae. In some embodiments, the expression host is an algae such as Chlorella vulgaris. In some embodiments, the expression host is Methylobacterium extorquens (eg, Methylobacterium extorquens), Methylococcus capsulatus (eg, Methylococcus capsulatus), acetogen (eg, Clostridium autoethanogenum). Bacteria such as Genam), hydrogen bacteria (eg, Cupriavidus necator), or Rhodobacterillum rubrum, Rhodobacter sphearoides, Rhodobacter capsulatus or Rhodobacter capsulatus. Rhodobacter monas pulsetris) and other purple non-sulfur bacteria. Other potentially suitable bacterial hosts include Paracoccus species such as Rhodococcus opacus, Paracocccus zeaxanthinifaciens, or E. coli.

[Additional literature]
Phornphisutthimas, S et al. (2007) Mating in E. coli-laboratory training Biochem Mol Biol Educ 35: 440-5
Gruber, S et al. (2015) A plasmid-based general-purpose expression system for Gram-negative bacteria-the points illustrated by the bacterium Ralstonia eutropha H16. New Biotechnol 32: 552-8.
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本開示は、一般に、分子生物学の分野に関し、より具体的には、微生物の代謝経路を遺伝子操作して、生化学物質の生物学的生産のために、ガス状の供給原料を含む種々の供給原料を利用することに関する。 The present disclosure generally relates to the field of molecular biology and, more specifically, genetically manipulates the metabolic pathways of microorganisms to include a variety of gaseous feedstocks for the biological production of biochemicals. Regarding the use of feedstock.

特定の実施形態において、配列番号1,5,6,7またはのうちのいずれか1つ以上を含むカロテノイド生成物を発現するために、核酸配列が提供される。特定の頻繁な実施形態において、配列番号1の核酸および異種核酸配列を含むベクターが提供される。 In certain embodiments, nucleic acid sequences are provided to express a carotenoid product comprising any one or more of SEQ ID NOs: 1 , 5 , 6 , 7 or 8 . In certain frequent embodiments, a vector comprising the nucleic acid of SEQ ID NO: 1 and a heterologous nucleic acid sequence is provided.

特定の頻繁な実施形態において、配列番号2と少なくとも96%同一または相同であるアミノ酸配列を含む酵素をコードする核酸配列が提供され、発現された酵素は、β-カロテンをカンタキサンチンに変換することができる。特定の関連実施形態において、アミノ酸配列は配列番号2と少なくとも97%同一または相同であり、発現された酵素は、β-カロテンをカンタキサンチンに変換することができる。特定の関連する実施形態において、アミノ酸配列 は配列番号2と少なくとも98%同一または相同であり、発現された酵素は、β-カロテンをカンタキサンチンに変換することができる。 特定の関連する実施形態において、アミノ酸配列は配列番号2と少なくとも99%同一または相同であり、発現された酵素は、β-カロテンをカンタキサンチンに変換することができる。 In certain frequent embodiments, a nucleic acid sequence encoding an enzyme comprising an amino acid sequence that is at least 96% identical or homologous to SEQ ID NO: 2 is provided and the expressed enzyme converts β-carotene to canthaxanthin. Can be done. In certain related embodiments, the amino acid sequence is at least 97% identical or homologous to SEQ ID NO: 2 , and the expressed enzyme is capable of converting β-carotene to canthaxanthin. In certain related embodiments, the amino acid sequence is at least 98% identical or homologous to SEQ ID NO: 2 , and the expressed enzyme is capable of converting β-carotene to canthaxanthin. In certain related embodiments, the amino acid sequence is at least 99% identical or homologous to SEQ ID NO: 2 , and the expressed enzyme is capable of converting β-carotene to canthaxanthin.

頻繁に含まれる実施形態において、配列番号2と少なくとも96%同一であるアミノ酸配列を含む酵素をコードする1つ以上の核酸配列を含むベクターが提供され、発現されると、酵素は、β-カロテンをカンタキサンチンに変換することができる。特定の関連する実施形態において、アミノ酸配列は配列番号2と少なくとも97%同一または相同であり、発現された酵素は、β-カロテンをカンタキサンチンに変換することができる。特定の関連する実施形態において、アミノ酸配列は配列番号2と少なくとも98%同一または相同であり、発現された酵素は、β-カロテンをカンタキサンチンに変換することができる。特定の関連する実施形態において、アミノ酸配列は配列番号と少なくとも99%同一または相同であり、発現された酵素は、β-カロテンをカンタキサンチンに変換することができる。 In a frequently included embodiment, a vector comprising one or more nucleic acid sequences encoding an enzyme comprising an amino acid sequence that is at least 96% identical to SEQ ID NO: 2 is provided and when expressed, the enzyme is β-carotene. Can be converted to canthaxanthin. In certain related embodiments, the amino acid sequence is at least 97% identical or homologous to SEQ ID NO: 2 , and the expressed enzyme is capable of converting β-carotene to canthaxanthin. In certain related embodiments, the amino acid sequence is at least 98% identical or homologous to SEQ ID NO: 2 , and the expressed enzyme is capable of converting β-carotene to canthaxanthin. In certain related embodiments, the amino acid sequence is at least 99% identical or homologous to SEQ ID NO: 2 , and the expressed enzyme is capable of converting β-carotene to canthaxanthin.

頻繁に含まれる実施形態において、プロモーター、リボゾーム結合部位、および配列番号2と少なくとも96%同一であるアミノ酸配列を含む酵素をコードする複数の核酸配列のうちの1つを含む合成核酸構築物が提供され、発現されると、酵素はβ-カロテンをカンタキサンチンに変換することができる。特定の関連する実施形態において、アミノ酸配列は配列番号2と少なくとも97%同一または相同であり、発現された酵素は、β-カロテンをカンタキサンチンに変換することができる。特定の関連する実施形態において、アミノ酸配列は配列番号2と少なくとも98%同一または相同であり、発現された酵素は、β-カロテンをカンタキサンチンに変換することができる。特定の関連する実施形態において、アミノ酸配列は配列番号2と少なくとも99%同一または相同であり、発現された酵素は、β-カロテンをカンタキサンチンに変換することができる。多くの場合、合成核酸構築物はプラスミドを含むベクターである。 In a frequently included embodiment, a synthetic nucleic acid construct comprising one of a plurality of nucleic acid sequences encoding an enzyme comprising a promoter, a ribosome binding site, and an amino acid sequence that is at least 96% identical to SEQ ID NO: 2 is provided. Once expressed, the enzyme can convert β-carotene to cantaxanthin. In certain related embodiments, the amino acid sequence is at least 97% identical or homologous to SEQ ID NO: 2 , and the expressed enzyme is capable of converting β-carotene to canthaxanthin. In certain related embodiments, the amino acid sequence is at least 98% identical or homologous to SEQ ID NO: 2 , and the expressed enzyme is capable of converting β-carotene to canthaxanthin. In certain related embodiments, the amino acid sequence is at least 99% identical or homologous to SEQ ID NO: 2 , and the expressed enzyme is capable of converting β-carotene to canthaxanthin. Often, the synthetic nucleic acid construct is a vector containing a plasmid.

頻繁な実施形態において、上述および本明細書に記載の合成核酸構築物を含む形質転換された発現宿主生物が提供され、形質転換された宿主生物は、合成核酸構築物の異種発現が可能である。多くの場合、発現宿主生物は、化学合成独立栄養代謝モードで増殖するように適合された、形質転換された細菌である。特定の実施形態において、発現宿主生物は、Cupriavidus necator(カプリアビダス・ネカトール)である。 In frequent embodiments, transformed host organisms comprising the synthetic nucleic acid constructs described above and herein are provided, and the transformed host organisms are capable of heterologous expression of the synthetic nucleic acid constructs. Often, the expression host organism is a transformed bacterium adapted to grow in a chemically synthesized autotrophic mode. In certain embodiments, the expression host organism is Cupriavidus necator.

特定の実施形態において、配列番号2のアミノ酸配列をコードするブレバンディモナス菌株OB307由来のcrtWカロテノイドケトラーゼ遺伝子に対応する核酸配列が提供され、この核酸配列は、生物宿主細胞でカロテノイドを生成するように適合された発現構築物に含まれる。特定の頻繁な実施形態において、生物宿主細胞は、COとHを使用して、宿主細胞の炭素およびエネルギーの要件の少なくとも一部を満たすことができる。 In certain embodiments, a nucleic acid sequence corresponding to the crtW carotenoid ketrase gene from Brebandimonas strain OB307, which encodes the amino acid sequence of SEQ ID NO: 2, is provided, which nucleic acid sequence is such to produce carotenoids in biological host cells. Included in the expression constructs adapted to. In certain frequent embodiments, the biological host cell can use CO 2 and H 2 to meet at least some of the carbon and energy requirements of the host cell.

特定の実施形態において、crtZ-crtWカロテノイドヒドロキシラーゼ-ケトラーゼ遺伝子融合物に対応する核酸配列が提供され、融合物のcrtW部分は、アミノ酸配列番号2をコードするブレバンディモナス菌株OB307由来のケトラーゼ遺伝子である。 In certain embodiments, the nucleic acid sequence corresponding to the crtZ-crtW carotenoid hydroxylase-ketrase gene fusion is provided, the crtW portion of the fusion being the ketrase gene from the Brebandimonas strain OB307 encoding amino acid SEQ ID NO: 2. be.

特定の実施形態において、核酸配列は、配列番のcrtZ-crtWカロテノイドヒドロキシラーゼ-ケトラーゼ融合物タンパク質をコードして提供され、(a)融合物のcrtW部分は、配列番号2のアミノ酸配列をコードするブレバンディモナス菌株OB307由来のケトラーゼ遺伝子であり、(b)核酸配列は、生物宿主細胞に機能的に組み込まれた場合にカロテノイドを生成するように適合された、発現構築物の一部である。 In certain embodiments, the nucleic acid sequence is provided encoding the crtZ-crtW carotenoid hydroxylase-ketrase fusion protein of SEQ ID NO: 4 , and (a) the crtW portion of the fusion encodes the amino acid sequence of SEQ ID NO: 2. It is a ketorase gene derived from Brebandimonas strain OB307, and (b) the nucleic acid sequence is part of an expression construct adapted to produce carotenoids when functionally integrated into a biological host cell.

特定の実施形態において、配列番号のcrtZ-crtWカロテノイドヒドロキシラーゼ-ケトラーゼ融合物タンパク質をコードする核酸配列が提供され、(a)融合物のcrtW部分は、配列番号2のアミノ酸配列をコードするブレバンディモナス菌株OB307由来のケトラーゼ遺伝子であり、(b)核酸配列は、生物宿主細胞に機能的に組み込まれた際にカロテノイドを生成するように適合された発現構築物の一部であり、(c)生物宿主細胞は、COとHを使用して、その炭素とエネルギーの要件の少なくとも一部を満たすことができる。 In certain embodiments, a nucleic acid sequence encoding the crtZ-crtW carotenoid hydroxylase-ketrase fusion protein of SEQ ID NO: 4 is provided, where (a) the crtW portion of the fusion encodes the amino acid sequence of SEQ ID NO: 2. A ketolase gene from Bandimonas strain OB307, (b) the nucleic acid sequence is part of an expression construct adapted to produce carotenoids when functionally integrated into a biological host cell, (c). Biological host cells can use CO 2 and H 2 to meet at least some of their carbon and energy requirements.

特定の実施形態において、トランスポゾンを使用して、細菌のゲノムにDNA配列を挿入するように適合された自殺ベクター構築物が提供され、該自殺ベクター構築物は、(a)DNA配列、(b)トランスポゾンを含む配列番号の核酸配列を含む挿入隣接DNA、および(c)自殺プラスミド骨格を含む。 In certain embodiments, a transposon is used to provide a suicide vector construct adapted to insert a DNA sequence into the bacterial genome, wherein the suicide vector construct comprises (a) a DNA sequence, (b) a transposon. It contains an insertion adjacent DNA containing the nucleic acid sequence of SEQ ID NO: 9 , and (c) a suicide plasmid skeleton.

特定の実施形態において、アミノ酸配列番号2をコードする核酸配列を含む形質転換された宿主細胞が提供され、該核酸配列は、宿主細胞においてカロテノイドを生成するように適合された発現構築物の一部である。 In certain embodiments, a transformed host cell comprising a nucleic acid sequence encoding amino acid SEQ ID NO: 2 is provided, the nucleic acid sequence being part of an expression construct adapted to produce carotenoids in the host cell. be.

特定の実施形態において、本明細書で企図される形質転換された宿主細胞を形成する方法が提供され、該方法は、トランスポゾンを使用して、発現構築物を宿主細胞のゲノムに挿入するステップを含む。多くの場合、トランスポゾンを利用したこのような挿入はランダムな挿入である。 In certain embodiments, a method of forming a transformed host cell as contemplated herein is provided, the method comprising inserting an expression construct into the genome of the host cell using a transposon. .. In many cases, such insertions using transposons are random insertions.

特定の実施形態において、配列番号2のアミノ酸配列をコードするブレバンディモナス菌株OB307由来のcrtWカロテノイドケトラーゼ遺伝子に対応する核酸配列が提供され、該核酸配列は、無細胞発現系においてカロテノイドを生成するように適合された発現構築物の一部である。 In certain embodiments, a nucleic acid sequence corresponding to the crtW carotenoid ketrase gene from Brebandimonas strain OB307, which encodes the amino acid sequence of SEQ ID NO: 2, is provided and the nucleic acid sequence produces carotenoids in a cell-free expression system. It is part of an expression construct adapted as such.

特定の実施形態において、生物宿主細胞においてケトカロテノイドを生成する方法は、宿主細胞においてOB307-crtWの異種発現によって提供される。多くの場合、生物宿主細胞は水素細菌を含む。また、多くの場合、水素細菌は、Cupriavidus(カプリアビダス)、Rhodobacter(ロドバクター)、Rhodococcus(ロドコッカス)、Rhodopseudomonas(ロドシュードモナス)、Rhodospirillum(ロドスピリルム)、Paracoccus(パラコッカス)またはHydrogenophaga(ハイドロゲノファーガ)から選択される菌株を含む。特定の実施形態において、水素細菌の菌株はCupriavidus necator(カプリアビダス・ネカトール)である。しばしば含まれる特定の実施形態において、生物宿主細胞は、異なる種の宿主細胞のコンソーシアムの一部として培養される。 In certain embodiments, a method of producing ketocarotenoids in a biological host cell is provided by heterologous expression of OB307-crtW in the host cell. In many cases, biological host cells contain hydrogen bacteria. Also, hydrogen bacteria are often selected from Cupriavidus, Rhodobacter, Rhodococcus, Rhodopseudomonas, Rhodospirillum, Paracoccus or Hydrogenophaga. Includes strains that are to be treated. In a particular embodiment, the strain of hydrogen bacteria is Cupriavidus necator. In certain embodiments often included, biological host cells are cultured as part of a consortium of host cells of different species.

特定の実施形態において、生物宿主細胞においてケトカロテノイドを生成する方法を提供し、該方法は、生物宿主細胞をcrtZ-OB307-crtW融合物を含むベクターで形質転換するステップ、および生物宿主細胞においてcrtZ-OB307-crtW融合物を異種発現させてケトカロテノイドを合成するステップ、または生物宿主細胞においてcrtZ-OB307-crtW融合物を異種発現させてケトカロテノイドを合成するステップを含む。多くの場合、生物宿主細胞は水素細菌を含む。また、多くの場合、水素細菌は、Cupriavidus(カプリアビダス)、Rhodobacter(ロドバクター)、Rhodococcus(ロドコッカス)、Rhodopseudomonas(ロドシュードモナス)、Rhodospirillum(ロドスピリルム)、Paracoccus(パラコッカス)またはHydrogenophaga(ハイドロゲノファーガ)から選択される菌株を含む。特定の実施形態において、水素細菌の菌株はCupriavidus necator(カプリアビダス・ネカトール)である。しばしば含まれる特定の実施形態において、生物宿主細胞は、異なる種の宿主細胞のコンソーシアムの一部として培養される。 In certain embodiments, a method of producing ketocarotenoid in a biological host cell is provided, the step of transforming the biological host cell with a vector containing a crtZ-OB307-crtW fusion, and crtZ in the biological host cell. It comprises the step of heterologously expressing the -OB307-crtW fusion to synthesize the ketocarotenoid, or the step of heterologously expressing the crtZ-OB307-crtW fusion in a biological host cell to synthesize the ketocarotenoid. In many cases, biological host cells contain hydrogen bacteria. Also, hydrogen bacteria are often selected from Cupriavidus, Rhodobacter, Rhodococcus, Rhodopseudomonas, Rhodospirillum, Paracoccus or Hydrogenophaga. Includes strains that are to be treated. In a particular embodiment, the strain of hydrogen bacteria is Cupriavidus necator. In certain embodiments often included, biological host cells are cultured as part of a consortium of host cells of different species.

特定の実施形態において、β-カロテンからカンタキサンチンをインビトロで生成する方法が提供され、該方法は、β-カロテンを含む溶液中で、配列番号1,5,6,7または8のいずれかの核酸配列と少なくとも96%同一である核酸配列のタンパク質発現産物と接触させるステップを含み、タンパク質発現産物は、β-カロテンの少なくとも一部のカンタキサンチンへの変換を触媒する。多くの場合、核酸配列は配列番号1,5,6,7または8のいずれかの核酸配列と少なくとも90%同一である。多くの場合、核酸配列は配列番号1,5,6,7または8のいずれかの核酸配列と少なくとも91%同一である。多くの場合、核酸配列は配列番号1,5,6,7または8のいずれかの核酸配列と少なくとも92%同一である。多くの場合、核酸配列は配列番号1,5,6,7または8のいずれかの核酸配列と少なくとも93%同一である。多くの場合、核酸配列は配列番号1,5,6,7または8のいずれかの核酸配列と少なくとも94%同一である。多くの場合、核酸配列は配列番号1,5,6,7または8のいずれかの核酸配列と少なくとも95%同一である。多くの場合、核酸配列は配列番号1,5,6,7または8のいずれかの核酸配列と少なくとも97%同一である。多くの場合、核酸配列は配列番号1,5,6,7または8のいずれかの核酸配列と少なくとも98%同一である。 多くの場合、核酸配列は配列番号1,5,6,7または8のいずれかの核酸配列と少なくとも99%同一である。特定の頻繁な実施形態において、宿主生物は、β-カロテンを自然に生成するものである。 In certain embodiments, a method of producing canthaxanthin from β-carotene in vitro is provided, wherein the method is in a solution containing β-carotene and is any of SEQ ID NOs: 1 , 5 , 6, 7 or 8. The protein expression product catalyzes the conversion of at least a portion of the β-carotene to canthaxanthin, comprising contacting the nucleic acid sequence with a protein expression product that is at least 96% identical to the nucleic acid sequence. In most cases, the nucleic acid sequence is at least 90% identical to the nucleic acid sequence of any of SEQ ID NOs: 1 , 5 , 6, 7 or 8. In most cases, the nucleic acid sequence is at least 91% identical to the nucleic acid sequence of any of SEQ ID NOs: 1 , 5 , 6, 7 or 8. In most cases, the nucleic acid sequence is at least 92% identical to the nucleic acid sequence of any of SEQ ID NOs: 1 , 5 , 6, 7 or 8. In most cases, the nucleic acid sequence is at least 93% identical to the nucleic acid sequence of any of SEQ ID NOs: 1 , 5 , 6, 7 or 8. In most cases, the nucleic acid sequence is at least 94% identical to the nucleic acid sequence of any of SEQ ID NOs: 1 , 5 , 6, 7 or 8. In most cases, the nucleic acid sequence is at least 95% identical to the nucleic acid sequence of any of SEQ ID NOs: 1 , 5 , 6, 7 or 8. In most cases, the nucleic acid sequence is at least 97% identical to the nucleic acid sequence of any of SEQ ID NOs: 1 , 5 , 6, 7 or 8. In most cases, the nucleic acid sequence is at least 98% identical to the nucleic acid sequence of any of SEQ ID NOs: 1 , 5 , 6, 7 or 8. In most cases, the nucleic acid sequence is at least 99% identical to the nucleic acid sequence of any of SEQ ID NOs: 1 , 5 , 6, 7 or 8. In certain frequent embodiments, the host organism is one that naturally produces β-carotene.

ファルネシル二リン酸(FPP)とアスタキサンチンの間の生合成経路における個々の酵素と生成物の概略図である。It is a schematic diagram of individual enzymes and products in the biosynthetic pathway between farnesyl diphosphate (FPP) and astaxanthin. システム1アスタキサンチンオペロンの成分を示す図である。It is a figure which shows the component of the system 1 astaxanthin operon. システム2カンタキサンチンオペロンの成分を示す図である。It is a figure which shows the component of the system 2 canthaxanthin operon. システム3アスタキサンチンオペロンとcrtZW融合遺伝子の成分を示す図である。It is a figure which shows the component of the system 3 astaxanthin operon and the crtZW fusion gene. 抗生物質耐性マーカーとしてテトラサイクリンを用い、自殺ベクターに挿入されたTn5トランスポザーゼ遺伝子と共にアスタキサンチン(OB307-crtW遺伝子を含む)を生成する合成カロテノイドオペロンの詳細なマップである。トランスポゾンを加え、宿主細胞のゲノムにオペロンをランダムに挿入する。It is a detailed map of a synthetic carotenoid operon that produces astaxanthin (including the OB307-crtW gene) together with the Tn5 transposase gene inserted into the suicide vector using tetracycline as an antibiotic resistance marker. Transposons are added and operons are randomly inserted into the host cell genome. トランスポゾン突然変異誘発を利用した、宿主細胞へのオペロンの形質転換および染色体挿入のプロセスを示す図である。ここではシステム1を例として使用する。(ME = Mosaic Ends(逆方向反復配列); Pro = プロモーター; ori = 複製起点または転送; term = 転写ターミネーター)。It is a figure which shows the process of transformation and chromosome insertion of an operon into a host cell using transposon mutagenesis. Here, system 1 is used as an example. (ME = Mosaic Ends (reverse repeats); Pro = promoter; ori = origin of replication or transfer; term = transcription terminator). カンタキサンチン生合成経路を異種発現する、C. necator(C.ネカトール)細胞によって生成されたカンタキサンチンを示すHPLCクロマトグラム(黒いトレース)を示す図である。FIG. 5 shows an HPLC chromatogram (black trace) showing canthaxanthin produced by C. necator cells that heterologously express the canthaxanthin biosynthetic pathway. 図7に示すカンタキサンチンピークの対応するUV-Visスペクトルを示す図である。It is a figure which shows the corresponding UV-Vis spectrum of the canthaxanthin peak shown in FIG. 7. アスタキサンチン生合成経路を異種発現するC. necator(C.ネカトール)細胞由来のカロテノイド生成物を示すHPLCクロマトグラム(黒いトレース)を示す図である。精製されたアスタキサンチン標準品のクロマトグラムを赤で示し、これは黒のトレースの小さなピークと重なっている。FIG. 3 shows an HPLC chromatogram (black trace) showing a carotenoid product derived from C. necator cells that heterologously express the astaxanthin biosynthetic pathway. The chromatogram of the purified astaxanthin standard is shown in red, which overlaps with the small peaks of the black trace. 図9に示すアスタキサンチンピークの対応するUV-Visスペクトルを示す図である。It is a figure which shows the corresponding UV-Vis spectrum of the astaxanthin peak shown in FIG.

カロテノイドは、細胞の酸化的損傷、特にフリーラジカルおよび活性酸素種に対する保護を提供する、魚飼料、動物飼料および栄養補助食品の着色剤および添加物として栄養上の利点を有する長鎖イソプレノイド分子である。カロテノイドは、植物、藻類、古細菌、真菌および細菌において、自然に、および生合成酵素をコードする1つ以上のカロテノイド遺伝子の発現を介して発現させることができる。カロテンやキサントフィルを含む40炭素(C40)テトラテルペンカロテノイドの従来の生成には、種々の微生物や植物からの天然分子の抽出が含まれていた。しかしながら、Xanthophyllomyces(キサントフィロマイセス)酵母などのいくつかの自然発生するアスタキサンチン生産株は、アスタキサンチンのより価値の低い鏡像異性体を生成し、Haematococcus pluvialis(ヘトマコッカス藻)などの生産性が高く、自然に生成される微細藻類を成長させるプロセスは、困難で、時間がかかり、資源集約的で高価である。 Carotenoids are long-chain isoprenoid molecules with nutritional advantages as colorants and additives in fish feeds, animal feeds and dietary supplements that provide protection against oxidative damage to cells, especially free radicals and active oxygen species. .. Carotenoids can be expressed naturally and through the expression of one or more carotenoid genes encoding biosynthetic enzymes in plants, algae, paleontology, fungi and bacteria. Conventional production of 40 carbon (C40) tetraterpene carotenoids, including carotene and xanthophylls, has involved the extraction of natural molecules from various microorganisms and plants. However, some naturally occurring astaxanthin-producing strains, such as Xanthophyllomyces yeast, produce lower-value mirror isomers of astaxanthin and are more productive, such as Haematococcus pluvialis. The process of growing naturally occurring microalgae is difficult, time consuming, resource intensive and expensive.

石油原料からの化学合成により、アスタキサンチンおよびカンタキサンチンなどの分子の非生物学的生成が達成された(2002)。しかしながら、これらの後者の方法では、アスタキサンチンとエナンチオマーの混合物が生成されるが、これらは効率の低いラジカル消光剤および治療薬であるため、これらも価値が低く、これらの合成製品は、EUにおける人や動物の消費に関する重大な規制問題に直面している。最近では、遺伝子操作された生物が、高価値のカンタキサンチン、アスタキサンチンおよびその他のC40カロテノイドならびにキサントフィルの生成に使用されている。図1は、ファルネシル二リン酸(FPP)からアスタキサンチンまでのカロテノイド生合成経路を示している。 Non-biological production of molecules such as astaxanthin and canthaxanthin has been achieved by chemical synthesis from petroleum sources (2002). However, these latter methods produce mixtures of astaxanthin and enantiomers, which are also of low value because they are inefficient radical quenchers and therapeutic agents, and these synthetic products are human in the EU. And face serious regulatory issues regarding animal consumption. Recently, genetically engineered organisms have been used to produce high-value canthaxanthin, astaxanthin and other C40 carotenoids as well as xanthophylls. FIG. 1 shows the carotenoid biosynthetic pathway from farnesyl diphosphate (FPP) to astaxanthin.

アスタキサンチンに加えて、カンタキサンチンは、その基質としてβ-カロテンに作用する細菌のcrtWケトラーゼ遺伝子などの、ケトラーゼ酵素によって合成することができる、貴重なカロテノイド生成物である。カンタキサンチンやアスタキサンチンなどのカロテノイドは、最も活性が高く効果的なカロテノイドケトラーゼであると考えられる、種々のブレバンディモナス種由来のcrtW遺伝子によってコードされるケトラーゼによって生成することができる。 In addition to astaxanthin, canthaxanthin is a valuable carotenoid product that can be synthesized by transketolase enzymes, such as the bacterial crtW ketolase gene that acts on β-carotene as its substrate. Carotenoids such as canthaxanthin and astaxanthin can be produced by the crtW gene-encoded ketolase from various Brebandimonas species, which is considered to be the most active and effective carotenoid ketolase.

バイオマスの乾燥重量1グラムあたりのカロテノイドの収量および生成速度は、天然または遺伝子改変生物においては高くないので、このCrtW酵素を用いて安価でかつ効率的にカロテノイドを生成することができる発現系も必要である。 Since the yield and production rate of carotenoids per gram of dry weight of biomass are not high in natural or genetically modified organisms, an expression system capable of inexpensively and efficiently producing carotenoids using this CrtW enzyme is also required. Is.

水素細菌は、カロテノイド発現にとって魅力的な宿主である、というのも、いくつかの種は他の多くの細菌よりも大量の内膜を自然に生成し、これらの膜は、親油性の高いC40カロテノイドを蓄積するために必要である。 Hydrogen bacteria are attractive hosts for carotenoid expression, because some species naturally produce larger intima than many other bacteria, and these membranes are highly lipophilic C40. Necessary for accumulating carotenoids.

CrtZヒドロキシラーゼおよびCrtWケトラーゼ酵素の両方が、細胞膜にまたがることのできる膜貫通(TM)ヘリックスを含む内在性膜タンパク質である可能性が高いので、広範な膜容量もまた有利である。 Wider membrane capacity is also advantageous, as both CrtZ hydroxylase and CrtW ketolase enzymes are likely to be endogenous membrane proteins containing transmembrane (TM) helices that can span cell membranes.

さらに、Cupriavidus necator(カプリアビダス・ネカトール)などの特定の水素細菌は、カロテノイドを自然に生成しないため、調節干渉(例えば、フィードバック阻害)または(例えば、crtG遺伝子を含んでいるため、アスタキサンチン生成物をジヒドロキシ-アスタキサンチンに自然にヒドロキシル化するBrevundimonas vesicularis(ブレバンディモナス・ベシキュラリス)株菌DC263のような)生成物の望ましくない酵素的修飾の可能性が少ない。 In addition, certain hydrogen bacteria, such as Cupriavidus necator, do not naturally produce carotenoids and thus contain regulatory interference (eg, feedback inhibition) or (eg, the crtG gene, thus dihydroxyting the astaxanthin product. -There is less potential for unwanted enzymatic modification of products (such as Cupriavidus vesicularis strain DC263) that spontaneously hydroxylate to astaxanthin.

そのようにして生成されたカロテノイドは、細菌バイオマスの一部として提供されるか、またはそれから抽出され、実質的に純粋なカロテノイド生成物を生成するか、または超臨界COまたは溶媒ベースの抽出などの他の抽出方法によって濃縮物を形成する。さらに、カンタキサンチンなどのカロテノイドは、糖、コーンスターチ、リグノスルホン酸塩、結合剤、油などの他の成分と混合して、製品(例えば、DSMカロフィルレッド(DSM Carophyll Red)10%)を製造することができる。 The carotenoids thus produced are either provided as part of the bacterial biomass or extracted from it to produce a substantially pure carotenoid product, or supercritical CO 2 or solvent-based extraction, etc. Concentrates are formed by other extraction methods. In addition, carotenoids such as canthaxanthin are mixed with other ingredients such as sugars, cornstarch, lignosulfonates, binders and oils to produce products (eg, DSM Carophyll Red 10%). can do.

細菌CrtW酵素は、HisリッチモチーフHX(3または4)H、HX(2または3)HHおよびHX(2または3)HHの存在によって決定されるように、以下のアミノ酸残基、すなわち、His69,His73,His107,His110,His111,His225,His228およびHis229のうちの6~8を使用し、酸素化反応を触媒する二鉄補因子を結合する。突然変異誘発研究に基づいて、Asp118も必要となる場合がある。従って、特定の操作理論に拘束されることを意図するものではないが、この酵素の天然または操作されたバージョンは、触媒活性を有するためにこれらのリガンドを含むべきであるか、または含まなければならないと考えられる。同様に、膜の内側の鉄結合部位を組織化するように思われる推定TMヘリックスがあるため、このような酵素は機能的な膜貫通配列を必要とする場合がある。 Bacterial CrtW enzymes are determined by the presence of His-rich motif HX (3 or 4) H, HX (2 or 3) HH and HX (2 or 3) HH: the following amino acid residues, ie His69, 6-8 of His73, His107, His110, His111, His225, His228 and His229 are used to bind a ferrous cofactor that catalyzes the oxygenation reaction. Based on mutagenesis studies, Asp118 may also be required. Thus, although not intended to be bound by any particular operating theory, natural or engineered versions of this enzyme should or must contain these ligands in order to have catalytic activity. It is thought that it will not be. Similarly, such enzymes may require a functional transmembrane sequence because there are putative TM helices that appear to organize iron binding sites inside the membrane.

高いG + C含有量を有する細菌においてそのようなコドン最適化遺伝子経路を発現することは、例えば、GC含有量が合成生物学のための遺伝子およびオペロンを新たに合成することを困難にするため、難題であることが以前に証明されている。 Expressing such codon-optimized gene pathways in bacteria with high GC + C content, for example, because GC content makes it difficult to newly synthesize genes and operons for synthetic biology. , Has previously been proven to be a challenge.

本開示は、カロテノイド合成のための新規のケトラーゼをコードする、本明細書でOB307と称するブレバンディモナスの新菌株から新たに発見されたcrtW遺伝子について記載する。また本開示は、更なる関連するカロテノイド遺伝子配列を含む例示的な合成オペロンを提供し、その発現は、ケトカロテノイドを生成するために使用される。これらの配列に由来する適切なDNA発現構築物は、発現のために発現宿主に挿入される。発現産物は、β-カロテンをカンタキサンチンおよびアスタキサンチンに変換するために操作可能なケトラーゼ酵素である。この合成オペロンのカロテノイド生成物は、大腸菌、枯草菌B-14200、枯草菌B-356、Rhodopseudomonas palustris(ロドシュードモナス・パルストリス)、Rhodobacter sphaeroides(ロドバクター・スフェロイデス)、およびCupriavidus necator(カプリアビダス・ネカトール)で発現されている。Rhodopseudomonas palustris(ロドシュードモナス・パルストリス)およびRhodobacter sphaeroides(ロドバクター・スフェロイデス)は、一般に、紫色の非硫黄(PNS)細菌として知られている。Rhodobacter capsulatus(ロドバクター・カプスラータ)は、これらのDNA発現構築物の宿主として使用できるもう1つのPNS細菌である。 The present disclosure describes a newly discovered crtW gene from a new strain of Brebandimonas, referred to herein as OB307, which encodes a novel transketolase for carotenoid synthesis. The present disclosure also provides an exemplary synthetic operon containing additional related carotenoid gene sequences, the expression of which is used to produce ketocarotenoids. Suitable DNA expression constructs derived from these sequences are inserted into the expression host for expression. The expression product is a transketolase enzyme that can be engineered to convert β-carotene to canthaxanthin and astaxanthin. The carotenoid products of this synthetic operon are Escherichia coli, B. B-14200, B-356, Rhodopseudomonas palustris, Rhodobacter sphaeroides, and Cupriavidus necator. It has been expressed. Rhodopseudomonas palustris and Rhodobacter sphaeroides are commonly known as purple non-sulfur (PNS) bacteria. Rhodobacter capsulatus is another PNS bacterium that can be used as a host for these DNA expression constructs.

本明細書に開示するように、現在開示されているCrtWケトラーゼ酵素は、開示されたDNA配列(本明細書に記載の属性を有する類似の配列を含む)のクローニングを介したアスタキサンチンおよびカンタキサンチンなどのケトカロテノイドの生成にしばしば利用され、リボソーム結合部位、プロモーター、およびターミネーター、ならびに他の構造遺伝子要素を含む構築物にDNAを配置する。crtZ、crtY、crtI、crtB、crtEなどの本実施形態による他の酵素遺伝子、ならびに追加の構造要素および制御要素もまた、カロテノイド生成のためのオペロンを形成するために、構築物に任意選択で組み込む。次いで、この構築物を、プラスミドなどの1つ以上の小さな環状DNAベクターとして、または生物のゲノムへの組み込みを介して、当技術分野において公知の方法を用いて、宿主細胞などの宿主生物へ導入する。すでにベータカロテンを生成している生物の場合、この単一の酵素をコードする遺伝子を導入して、このCrtWケトラーゼ酵素を生成し、β-カロテンの一部をカンタキサンチンに変換する。crtZ遺伝子も導入すると、遺伝子産物(すなわち、ヒドロキシラーゼ)も発現され得、それによってカンタキサンチンの少なくとも一部がアスタキサンチンに変換される。 As disclosed herein, the CrtW ketolase enzymes currently disclosed include astaxanthin and cantaxanthin via cloning of the disclosed DNA sequences, including similar sequences with the attributes described herein. Often utilized in the production of ketocarotenoids, DNA is placed in constructs containing ribosome binding sites, promoters, and terminators, as well as other structural gene elements. Other enzyme genes according to this embodiment, such as crtZ, crtY, crtI, crtB, crtE, as well as additional structural and regulatory elements are also optionally incorporated into the construct to form an operon for carotenoid production. The construct is then introduced into a host organism, such as a host cell, as one or more small circular DNA vectors, such as a plasmid, or via integration into the genome of the organism, using methods known in the art. .. For organisms that are already producing beta-carotene, a gene encoding this single enzyme is introduced to produce this CrtW transketolase enzyme, converting some of the β-carotene to canthaxanthin. When the crtZ gene is also introduced, a gene product (ie, hydroxylase) can also be expressed, thereby converting at least a portion of canthaxanthin to astaxanthin.

このcrtW遺伝子の産物は、例えば、β-カロテンが酵素的にカンタキサンチンに変換される無細胞発現系で使用される。crtZ遺伝子とcrtW遺伝子を同時にまたは連続して組み合わせて発現させると、2つの遺伝子の酵素産物の作用により、β-カロテン基質の少なくとも一部がカンタキサンチンに変換され、一部がアスタキサンチンに変換さる。新規のcrtWおよびcrtZ遺伝子は、DNAの2つの異なるセグメント上に提供してもよいし、CrtWケトラーゼおよびCrtZヒドロキシラーゼの両方の機能をコードする融合タンパク質の遺伝子を構成する単一のDNAとして提供してもよい。 The product of this crtW gene is used, for example, in a cell-free expression system in which β-carotene is enzymatically converted to canthaxanthin. When the crtZ gene and the crtW gene are expressed simultaneously or in combination, at least a part of the β-carotene substrate is converted to canthaxanthin and a part is converted to astaxanthin by the action of the enzymatic products of the two genes. The novel crtW and crtZ genes may be provided on two different segments of DNA or as a single DNA constituting the gene for the fusion protein encoding the function of both CrtW ketolase and CrtZ hydroxylase. May be.

この新規なcrtW遺伝子の異種発現宿主としては、多くの異なる生物が考えられる。 エネルギーおよび炭素源としてHおよびCOを利用できる宿主、およびエネルギーおよび炭素源としてHおよびCOを利用することができない宿主が、適切な異種発現宿主として考えられる。例えば、これらには細菌、植物、藻類、古細菌、菌類が含まれる。大腸菌や枯草菌などの細菌類、出芽酵母やコウジカビなどの真菌類、アフリカイネなどの植物類、Chlorella vulgaris(クロレラ・ブルガリス)などの藻類、Sulfolobus solfataricus(スルホロブス・ソルファタリカス)などの古細菌類、またはその他の生物種は、それがコードする酵素を生成し、この酵素の作用によってカロテノイド生成物を生産するために、この新規なcrtW遺伝子の異種発現宿主となることができる。 Many different organisms can be considered as heterologous expression hosts for this novel crtW gene. Hosts that can utilize H 2 and CO 2 as energy and carbon sources, and hosts that cannot utilize H 2 and CO 2 as energy and carbon sources, are considered suitable heterologous expression hosts. For example, these include bacteria, plants, algae, archaea, and fungi. Bacteria such as Escherichia coli and Bacillus subtilis, fungi such as sprouting yeast and Koji mold, plants such as African rice, algae such as Chlorella vulgaris, and archaea such as Sulfolobus solfataricus. Classes, or other species, can be heterologous hosts for this novel crtW gene to produce the enzyme it encodes and the action of this enzyme to produce carotenoid products.

本明細書に開示されるこの酵素および合成オペロンの異種発現は、最初に広い宿主範囲の発現プラスミドを使用して、大腸菌、枯草菌B-14200、枯草菌B-356、Rhodopseudomonas palustris(ロドシュードモナス・パルストリス)、Rhodobacter sphaeroides(ロドバクター・スフェロイデス)およびCupriavidus necator(カプリアビダス・ネカトール)において示されている。いずれの場合も、新規のOB307-crtW遺伝子の異種発現は、形質転換された細菌におけるカンタキサンチンの生成を介して観察された(野生型生物におけるカンタキサンチンの生成はなかった)。この形質転換は、C. necator(C.ネカトール)で使用されたものと同じプラスミドを使用して行われた。本明細書に開示されるプロモーターは、これら全ての菌株において活性を示す。上述のように、プラスミドのエレクトロポレーションを使用して、大腸菌細胞を形質転換した。他の菌株は、標準的な方法(例えば、Phornphisutthimas et al,2007; Gruber et al、2015を参照)に従い、大腸菌株S17-1との接合を用いて形質転換した。接合した細胞を先ずLB寒天培地にプレーティングし、次に連続的に希釈した滅菌液体培地に再懸濁し、以下の寒天プレート、すなわち、(1)大腸菌用として、LB+50μg/mlカナマイシンまたは10μg/mlテトラサイクリン;(2)枯草菌用として、MR2培地+2%フルクトースおよび50μg/mlカナマイシン;(3)C. necator(C.ネカトール)およびPNS細菌用として、MR2培地+2%フルクトースおよび500μg/mlカナマイシンにプレーティングした。 次に、生き残ったトランスコンジュゲートコロニーを採取し、純粋な単一コロニーが得られるまで新しいプレート上で再ストリークした。液体培養での増殖は、LB+抗生物質(すべての菌株)またはMR2+抗生物質(H2酸化PNS細菌およびC. necator(C.ネカトール))に所定の変異体の細胞を接種することによって行った。 Heterologous expression of this enzyme and synthetic operon disclosed herein initially uses a broad host range of expression plasmids, initially E. coli, Cupriavidus nectifolia B-14200, Cupriavidus nectus B-356, Rhodopseudomonas palustris. It has been shown in Palstris), Rhodobacter sphaeroides and Cupriavidus necator. In each case, heterologous expression of the novel OB307-crtW gene was observed via the production of canthaxanthin in transformed bacteria (no canthaxanthin production in wild-type organisms). This transformation was performed using the same plasmid used in C. necator. The promoters disclosed herein are active in all of these strains. As mentioned above, E. coli cells were transformed using plasmid electroporation. Other strains were transformed using conjugation with E. coli strain S17-1 according to standard methods (see, eg, Phornphisutthimas et al, 2007; Gruber et al, 2015). The joined cells are first plated on LB agar medium and then resuspended on a serially diluted sterile liquid medium and then resuspended on the following agar plates, ie (1) LB + 50 μg / ml canamycin or 10 μg / ml for E. coli. Tetracycline; (2) MR2 medium + 2% fructose and 50 μg / ml canamycin for bacillus; (3) play on MR2 medium + 2% fructose and 500 μg / ml canamycin for C. necator (C. necatol) and PNS bacteria. Diluted. Surviving transconjugated colonies were then harvested and re-streaked on new plates until a pure single colony was obtained. Propagation in liquid culture was performed by inoculating LB + antibiotics (all strains) or MR2 + antibiotics (H2 oxidized PNS bacteria and C. necator (C. necatol)) with cells of a given mutant.

crtZおよびcrtWがリンカー配列によって結合された合成DNAの断片を構築し、この融合配列を発現プラスミドの元のcrtW遺伝子の代わりに合成オペロンに組み込むことにより、crtZおよびcrtWからなる融合遺伝子を作成した。次に、この異種発現ベクターを大腸菌およびCupriavidus necator(カプリアビダス・ネカトール)に形質転換した。いずれの場合もアスタキサンチンとカンタキサンチンの産生が確認された。 また、対立遺伝子交換系(sacBレバンスクラーゼのカウンターセレクションに6%スクロース(w/v)を含むNaClフリー寒天培地を使用)および自殺ベクターを用いて、この合成オペロンをC. necator(C.ネカトール)ゲノムに挿入したところ、カロテノイドの産生が再び確認された。 A fusion gene consisting of crtZ and crtW was created by constructing a fragment of synthetic DNA in which crtZ and crtW were linked by a linker sequence and incorporating this fusion sequence into a synthetic operon instead of the original crtW gene of the expression plasmid. This heterologous expression vector was then transformed into E. coli and Cupriavidus necator. In each case, the production of astaxanthin and canthaxanthin was confirmed. In addition, this synthetic operon was converted to C. necator using an allelic exchange system (NaCl-free agar medium containing 6% sucrose (w / v) was used for the counterselection of sacB levansucrase) and a suicide vector. Upon insertion into the genome, carotenoid production was reconfirmed.

C. necator(C.ネカトール)株H16は、他のC. necator(C.ネカトール)株や他の水素細菌の株と同様に、発現宿主として使用されてきた。このように、カロテノイド生成物は、安価な原料(例えば、廃棄CO 、H 、O および無機塩)を使用して、形質転換された細菌のガス発酵によって生成することができ、プロセスの経済効率を向上させることができる。 C. necator (C. necatol) strain H16 has been used as an expression host as well as other C. necator (C. necatol) strains and strains of other hydrogen bacteria. Thus, carotenoid products can be produced by gas fermentation of transformed bacteria using inexpensive raw materials (eg, waste CO 2 , H 2 , O 2 and inorganic salts) and of the process. Economic efficiency can be improved.

-CO-O上で増殖しながらカロテノイド経路における異種発現のために、本明細書に記載のベクターおよびDNA構築物で形質転換することができる水素細菌の更なる属および種には、例えば、Rhodobacter capsulatus(ロドバクター・カプスラータ)および他のRhodobacter(ロドバクター)種、Paracoccus(パラコッカス)属、Rhodococcus(ロドコッカス)属、Hydrogenophaga(ハイドロゲノファーガ)、Rhodospirillum(ロドスピリルム)属、Rhodopseudomonas(ロドシュードモナス)属などが含まれる。 Further genera and species of hydrogen bacteria that can be transformed with the vectors and DNA constructs described herein for heterologous expression in the carotenoid pathway while growing on H2 - CO2 - O2 . For example, Rhodobacter capsulatus and other Rhodobacter species, Paracocccus, Rhodococcus, Hydrogenophaga, Rhodospirillum, Rhodospirillum, Rhodopseu. And so on.

ブレバンディモナスOB307の新規菌株を、実験室において、赤橙色の汚染物質コロニーとして寒天プレートから単離した。その16SrRNA遺伝子の配列を決定し(フォワードおよびリバース)、ClustalWを使用して他のブレバンディモナス種の16S配列と比較した。この分析により、OB307は、B.vesicularisおよびB.nasdaeの16S配列と99.7~99.8%の同一性を持つことが明らかになった。約100mgの湿細胞ペーストからゲノムDNAを抽出し、60xイルミナペアエンド配列(Illumina paired end sequencing)(150塩基対リード)を使用して全ゲノムを配列決定し、SNPsaurus Inc.(オレゴン州ユージン)によってシーケンスコンティグをアセンブルし、アノテートした。この配列から、BLAST検索により、他の公開されているカロテノイド生合成遺伝子と高い類似性を持つ複数の遺伝子を同定した。 A novel strain of Brebandimonas OB307 was isolated from the agar plate as a red-orange contaminant colony in the laboratory. The 16S rRNA gene was sequenced (forward and reverse) and ClustalW was used to compare it to the 16S sequences of other Brebandimonas species. This analysis revealed that OB307 has 99.7-99.8% identity with the 16S sequences of B. vesicularis and B. nasdae. Genomic DNA is extracted from approximately 100 mg of wet cell paste, sequenced whole genome using 60x Illumina paired end sequencing (150 base pair reads), and sequenced by SNPsaurus Inc. (Eugene, Oregon). Assembled and annotated the Contig. From this sequence, BLAST searches identified multiple genes with high similarity to other published carotenoid biosynthetic genes.

完全なオープンリーディングフレーム配列の1つは、アノテーションソフトウェアによって「脂肪酸デサチュラーゼ」として最初に同定された。脂肪酸デサチュラーゼはカロテノイドケトラーゼと同様の構造を持つことが知られており、さらなる解析により、この配列はCrtW型カロテノイドケトラーゼと高い類似性があることが明らかになり、その後の発現クローニングによりその活性が確認された。従って、遺伝子配列は、本明細書において、OB307-crtW(配列番号1)と称する。OB307-CrtWの翻訳された配列からもわかるように、その中には、このタイプのケトラーゼ(配列番号2)の二鉄結合部位を画定する8つのヒスチジンモチーフ(黄色で強調表示)とAsp-118(青色で強調表示)が含まれている。 配列番号3は、OB307-CrtWとブレバンディモナス菌株DC263(GenBankアクセッション番号ABC50116.1)のCrtWとの間のClustalW2.1アミノ酸配列アライメントを示している。どちらのタンパク質にも241個のアミノ酸が含まれており、それらの間には11個のアミノ酸の違いがある(約95.5%の同一性)。より最近では、ブレバンディモナス菌株SgAir0440由来の推定crtW遺伝子が、空気汚染細菌のゲノム配列の一部として公開された(GenBankアクセッション番号QCR00114)。この遺伝子はOB307-crtWのアミノ酸配列と99.6%の類似性を持っているが、クローン化され、発現されたとは報告されておらず、酵素の機能を分析して実際にβ-カロテンケトラーゼであることが確認されてもいない。 One of the complete open reading frame sequences was first identified as "fatty acid desaturase" by annotation software. The fatty acid desaturase is known to have a structure similar to that of carotenoid ketrase, and further analysis reveals that this sequence has a high similarity to CrtW-type carotenoid ketrase, and subsequent expression cloning reveals its activity. Was confirmed. Therefore, the gene sequence is referred to herein as OB307-crtW (SEQ ID NO: 1). As can be seen from the translated sequence of OB307-CrtW, there are eight histidine motifs (highlighted in yellow) and Asp-118 that define the ferrous binding site of this type of ketrase (SEQ ID NO: 2). (Highlighted in blue) is included. SEQ ID NO: 3 shows the CrystalW2.1 amino acid sequence alignment between OB307-CrtW and CrtW of Brebandimonas strain DC263 (GenBank Accession No. ABC5016.1). Both proteins contain 241 amino acids, with 11 amino acid differences between them (approximately 95.5% identity). More recently, the putative crtW gene from the Brebandimonas strain SgAir0440 has been published as part of the genomic sequence of air-polluting bacteria (GenBank Accession No. QCR00114). This gene has 99.6% similarity to the amino acid sequence of OB307-crtW, but has not been reported to be cloned and expressed, and the function of the enzyme was analyzed to actually β-carotene. It has not been confirmed to be a trase.

天然のOB307-crtW配列を、C. necator(C.ネカトール)での発現のためにコドン最適化された新しい配列に変換した。この新しい配列は、カンタキサンチンを生成する、crtE、crtY、crtI、crtBおよびcrtWを含むコドン最適化された合成オペロンの一部として含まれていた(図3)。アスタキサンチンを作るための構築物には、完全なcrtZ配列も含まれていた(図2)。経路内の他の遺伝子配列は、他の種々の細菌から供給され、GenBankアクセッション番号は以下の通りである:遺伝子crtE、crtY、crtIおよびcrtBは、Pantoea agglomerans / Erwinia herbicola pAC-BETAプラスミド、M8720 / M99707の配列から合成され、crtZは、Pantoea ananatis菌株AJ13355、NC_017533の配列から合成され、crtWは、本明細書に記載のOB307-crtWの配列から合成された。 The native OB307-crtW sequence was converted to a new codon-optimized sequence for expression on C. necator. This new sequence was included as part of a codon-optimized synthetic operon containing canthaxanthin, including crtE, crtY, crtI, crtB and crtW (FIG. 3). The construct for making astaxanthin also contained the complete crtZ sequence (Fig. 2). Other gene sequences within the pathway are sourced from various other bacteria and the GenBank accession numbers are as follows: the genes crtE, crtY, crtI and crtB are Pantoea agglomerans / Erwinia herbicola pAC-BETA plasmid, M8720. / Synthesized from the sequence of M99707, crtZ was synthesized from the sequence of Pantoea ananatis strains AJ13355, NC_017533, and crtW was synthesized from the sequence of OB307-crtW described herein.

オペロンの合成は、非常に高いG + C含有量(約61%~70%)のために、特殊な手順(例えば、Aster Bioscience, Inc.(カリフォルニア州リバモア)から入手可能)から恩恵を受ける。C. necator(C.ネカトール)において非常に活性の高い構成的プロモーターをカロテノイド遺伝子の上流に配置し、細胞内でのmRNA合成を指示した。他の適切なプロモーターは当技術分野において周知であり、本明細書でも企図されている。外部インデューサー分子(例えば、lacまたはtacプロモーターのIPTG)または環境刺激(例えば、phaC1プロモーターの窒素欠乏)を適用することによって、遺伝子転写の開始のタイミングを制御するために使用することのできる誘導性プロモーターも、それらが宿主の代謝および輸送系と互換性がある場合には、使用することができる。C. necator(C.ネカトール)用に最適化されたリボソーム結合部位(RBS)を、各遺伝子配列の上流に配置した。全体的な発現を最適化するために、crtE遺伝子のプロモーターとRBSの間、および個々の遺伝子のRBSと開始コドンの間にスペーサー配列を追加した。下流要素の不要な翻訳を防ぐために、オペロンの最後に終了配列(E.coli rrnB)を配置した。 Operon synthesis benefits from special procedures (eg, available from Aster Bioscience, Inc. (Livermore, Calif.)) Due to its very high G + C content (approximately 61% -70%). A highly active constitutive promoter in C. necator was placed upstream of the carotenoid gene to direct intracellular mRNA synthesis. Other suitable promoters are well known in the art and are also contemplated herein. Inducibility that can be used to control the timing of initiation of gene transcription by applying an external inducer molecule (eg, IPTG of the lac or tac promoter) or environmental stimuli (eg, nitrogen deficiency of the phaC1 promoter). Promoters can also be used if they are compatible with the host's metabolic and transport system. A ribosome binding site (RBS) optimized for C. necator was placed upstream of each gene sequence. To optimize overall expression, spacer sequences were added between the promoter and RBS of the crtE gene and between the RBS and start codon of individual genes. An end sequence (E. coli rrnB) was placed at the end of the operon to prevent unnecessary translation of downstream elements.

合成オペロン(配列番号および)は、先ず、隣接制限部位としてNdeIおよびAseIを使用して、それらを広い宿主範囲のプラスミドpBBR1MCS-2(例えば、選択としてカナマイシン)にクローニングすることにより、活性について試験した。ライゲーションされたDNA産物は、静電容量式エクステンダープラスパルスコントローラーIIユニット(Capacitance Extender Plus Pulse Controller II unit)(Bio-Rad Inc., カリフォルニア州ハーキュリーズ)を備えたBio-Rad GenePulser IIを使用したエレクトロポレーションによって大腸菌に形質転換した。Belcher and Knightのオンラインプロトコル(https://openwetware.org/wiki/Belcher/Knight:_Electrocompetent_Cells)に記載されている方法に従って、10%の低温グリセロールによる洗浄を3回行い、大腸菌細胞をエレクトロコンピテントにした。50μlのエレクトロコンピテントセルを1mmギャップの冷却した滅菌キュベットに加え、1μlのDNA(約1~50ng)と混合した。エレクトロポレーターの設定は次の通り:1.2kV,25μF,200Ω。時定数は通常3~5ミリ秒だった。パルス後、細胞を小さな滅菌チューブ内の予熱したSOB培地に移し、37℃で1時間、振盪しながら回復させた。その後、抗生物質を選択するために、50μg/mlカナマイシンを含むLB寒天培地にアリコートをプレーティングした。30℃で培養後、コロニーを採取し、LBブロスで個別に増殖させた。標準的な方法により、種々のクローンからプラスミドDNAを単離した。このDNAを適切な制限酵素で切断し、アガロースゲル電気泳動で分析して陽性クローンを同定した。1つの正しいクローンからのプラスミドDNAを大腸菌接合株S17-1に形質転換した。その後上述のプロセスを繰り返して、正しいS17-1クローンを見つけ出した。次に、プラスミドpBBR1MCS-2に合成カンタキサンチンまたはアスタキサンチンオペロンを含むS17-1クローンを、上述の標準的な方法によって、C. necator(C.ネカトール)宿主株または他の宿主株に接合させた。 500μg/mlカナマイシンを含む固体MR2-フルクトース培地(表1)にプレーティングしたところ、C. necator(C.ネカトール)コロニーが現れた。濃いオレンジ色または赤色を示したコロニーを採取し、カナマイシンプレートに再度ストリークして、それらの着色表現型および抗生物質耐性を確認した。選択したクローンを採取し、抗生物質を含む液体培地で増殖させた。 Synthetic operons (SEQ ID NOs: 6 , 7 and 8 ) are first obtained by cloning them into a broad host range plasmid pBBR1MCS-2 (eg, kanamycin as a choice) using NdeI and AseI as adjacency restriction sites. The activity was tested. The ligated DNA product was electropo with Bio-Rad GenePulser II equipped with a Capacitance Extender Plus Pulse Controller II unit (Bio-Rad Inc., Hercules, Calif.). It was transformed into Escherichia coli by ration. Wash E. coli cells three times with 10% cold glycerol according to the method described in Belcher and Knight's online protocol ( https://openwetware.org/wiki/Belcher/Knight:_Electrocompetent_Cells ) to make E. coli cells electrocompetent. did. 50 μl of electrocompetent cells were added to a 1 mm gap of chilled sterile cuvette and mixed with 1 μl of DNA (about 1-50 ng). The electroporator settings are as follows: 1.2kV, 25μF, 200Ω. The time constant was usually 3-5 milliseconds. After the pulse, cells were transferred to preheated SOB medium in a small sterile tube and restored at 37 ° C. for 1 hour with shaking. Then, aliquots were plated on LB agar medium containing 50 μg / ml kanamycin to select antibiotics. After culturing at 30 ° C., colonies were collected and individually grown in LB broth. Plasmid DNA was isolated from various clones by standard methods. This DNA was cleaved with an appropriate restriction enzyme and analyzed by agarose gel electrophoresis to identify positive clones. Plasmid DNA from one correct clone was transformed into E. coli conjugation strain S17-1. After that, the above process was repeated to find the correct S17-1 clone. The S17-1 clone containing the synthetic canthaxanthin or astaxanthin operon on the plasmid pBBR1MCS-2 was then conjugated to the C. necator (C. necatol) host strain or other host strain by the standard method described above. When plated on solid MR2-fructose medium (Table 1) containing 500 μg / ml kanamycin, C. necator colonies appeared. Colonies showing a deep orange or red color were harvested and streaked back into kanamycin plates to confirm their color phenotype and antibiotic resistance. Selected clones were harvested and grown in liquid medium containing antibiotics.

Figure 2022101424000034
Figure 2022101424000034

上述のように、アスタキサンチンの産生経路の末端にある酵素の処理能力は、crtZおよびcrtWの遺伝子を遺伝的に融合させてキメラタンパク質をコードすることによって向上させることができる。図4のマップに示すように、Pantoea ananatis(パンテア・アナタス)由来の完全なcrtZ遺伝子の3´末端とOB307-crtW遺伝子の5´末端(N末端メチオニンを含まない)の間に、(アミノ酸配列GGGGSGGPGSをコードする)短いリンカーペプチドのDNA配列、並びに配列番号4、配列番号5および配列番号を挿入することによって、融合タンパク質の配列を作成した。crtZ-crtW融合配列を、コドン最適化、合成し、元のオペロン構築物のcrtW遺伝子を置き換えるために使用し、システム3(配列番号7)として知られるインサートを作成した。この配列をコードする発現プラスミドを上述のように適切な宿主に形質転換すると、細胞はアスタキサンチンを発現した(図9および図10)。 As mentioned above, the processing capacity of the enzyme at the end of the astaxanthin production pathway can be improved by genetically fusing the crtZ and crtW genes to encode the chimeric protein. As shown in the map of FIG. 4, between the 3'end of the complete crtZ gene from Pantoea ananatis and the 5'end of the OB307-crtW gene (without N-terminal methionine) (amino acid sequence). The fusion protein was sequenced by inserting the DNA sequence of the short linker peptide (encoding GGGGSGGPGS) as well as SEQ ID NO: 4, SEQ ID NO: 5 and SEQ ID NO: 8 . The crtZ-crtW fusion sequence was codon-optimized, synthesized and used to replace the crtW gene in the original operon construct to create an insert known as System 3 (SEQ ID NO: 7). When the expression plasmid encoding this sequence was transformed into a suitable host as described above, the cells expressed astaxanthin (FIGS. 9 and 10).

特定の実施形態において、本明細書で企図される経路は、遺伝子改変、特に、例えば、改良された変異体を同定するためのランダムな突然変異誘発やライブラリースクリーニングなどの、定向進化の方法によって向上される。宿主ゲノムの株エンジニアリング(strain engineering)もまた、組換え経路遺伝子の発現向上のために使用することができる。 In certain embodiments, the pathways contemplated herein are by genetic modification, in particular by directed evolutionary methods such as random mutagenesis or library screening to identify improved variants. Will be improved. Strain engineering of the host genome can also be used to enhance the expression of recombinant pathway genes.

特定の実施形態において、オペロンをセミランダムにゲノムに挿入し、生成レベルについてスクリーニングする。カロテノイド産生の場合、このスクリーニングは、形質転換体のプレーティングされたライブラリーからコロニーに強い発色があるかどうかを探すことによって行うことができる。 従って、NdeIおよびNsiIによる制限クローニングにより、ファージTn5トランスポゾンのモザイク末端(19bpの内側および外側の末端配列を反転)の間にオペロンを挿入できるように、(Hmelo et al.の非複製対立遺伝子交換プラスミドに基づいて)カスタムの自殺ベクターを構築した。Tn5トランスポザーゼ配列も、抗生物質マーカーとして機能するテトラサイクリン耐性カセットとともに、プラスミドに(ゲートウェイクローニングを使用して)挿入した(例えば、図5、図6および配列番号を参照)。トランスポゾン自殺ベクターを組み立て、大腸菌株S17-1に形質転換し、次に上述のようにC. necator(C.ネカトール)株H16に接合させた。上述のように、トランスコンジュゲートをMR2寒天に2%フルクトースと10μg/mlテトラサイクリンを加えたものにプレーティングし、続いて、LB寒天に50μg/mlカナマイシンを加えたもの、またはMR2寒天に2%フルクトースと50μg/mlカナマイシンを加えたものをプレーティングして、大腸菌ドナーを除去した。オレンジと赤に着色したコロニーを採取し、上述のようにカロテノイドのさらなる特性を評価した。淡い色や濃い色の種々のコロニーが観察されることから、カロテノイドを発現する各クローンにおいて異なるゲノム位置にオペロンが挿入されていることがわかる。 In certain embodiments, operons are semi-randomly inserted into the genome and screened for production levels. For carotenoid production, this screening can be done by looking for strong coloration in the colonies from the plated library of transformants. Therefore, restricted cloning with NdeI and NsiI allows the operon to be inserted between the mosaic ends of the phage Tn5 transposon (inverting the inner and outer end sequences of 19 bp) (Hmelo et al. Non-replicating alliogen exchange plasmid). Constructed a custom suicide vector (based on). The Tn5 transposase sequence was also inserted into the plasmid (using gateway cloning) along with a tetracycline resistant cassette acting as an antibiotic marker (see, eg, FIG. 5, FIG. 6 and SEQ ID NO: 9 ). A transposon suicide vector was assembled, transformed into E. coli strain S17-1, and then conjugated to C. necator strain H16 as described above. As mentioned above, transconjugate is plated on MR2 agar with 2% fructose and 10 μg / ml tetracycline, followed by LB agar with 50 μg / ml kanamycin or MR2 agar with 2%. E. coli donors were removed by plating with agar plus 50 μg / ml kanamycin. Colonies colored orange and red were collected and evaluated for further properties of carotenoids as described above. Various light and dark colonies are observed, indicating that the operon is inserted at a different genomic position in each carotenoid-expressing clone.

経路の初期発現とカロテノイド生成物の産生を迅速に確認するために、pBBRMCS-2発現プラスミドを含むC. necator(C.ネカトール)クローンを、炭素源として、20g/Lのフルクトースを添加した振とうフラスコ内において、30℃で滅菌液体最小培地(MR2,pH6.8)50mlに接種した。 約48時間の増殖後、培養物はA620(620nmで測定された光学密度)が約1.4となり、カロテノイドの生成により濃いオレンジ色または赤色を呈した。枯草菌株NRRLB-14200,枯草菌株NRRL B-354,Rhodopseudomonas palustris(ロドシュードモナス・パルストリス)株NRRL B4276およびRhodobacter sphaeroides(ロドバクター・スフェロイデス)株NRRL B1727などの、発現プラスミドで形質転換された他の発現宿主もこの方法で培養した。NRRL株は、USDA-ARSカルチャーコレクション(イリノイ州ピオリア)から入手した。 To rapidly confirm the initial expression of the pathway and the production of carotenoid products, shake a C. necator clone containing the pBBRMCS-2 expression plasmid with 20 g / L fructose as a carbon source. In a flask, 50 ml of sterile liquid minimum medium (MR2, pH 6.8) was inoculated at 30 ° C. After about 48 hours of growth, the culture had an A620 (optical density measured at 620 nm) of about 1.4 and exhibited a deep orange or red color due to the production of carotenoids. Other expression hosts transformed with expression plasmids such as Bacterial strain NRRLB-14200, Bacterial strain NRRL B-354, Rhodopseudomonas palustris strain NRRL B4276 and Rhodobacter sphaeroides strain NRRL B1727. Was also cultured in this way. The NRRL strain was obtained from the USDA-ARS Culture Collection (Peoria, Illinois).

ガス上におけるカロテノイドの産生を評価するために、ゲノム的に統合されたオペロンを含む細胞を、水中ガス入口および出口ポートを備えたキャップ付きの攪拌フラスコ(磁気攪拌棒)内において、pH6.8で滅菌MR2最小培地200~500ml(炭素源なし)に接種した。滅菌された外部ガス入口、出口、およびゴム管は、外気からの汚染を防ぐために、滅菌ディスクフィルタ(孔径0.2μm,酢酸セルロースシリンジフィルター,VWR)で蓋をした。およそ80:10:10の比率のH:CO:Oの混合物を、市販のガスボンベ(Praxair, Inc.)で供給、または発電機(Parker Dominick Hunter Model 40H;ノースカロライナ州シャーロット)から電解水素を供給した。いくつかの実施形態において、CO(多くの場合、H, CO, SO、NOなどの他のガスを含む)は、セメント製造、化石燃料の燃焼、石油化学水素化分解操作などから排出される廃棄COとして収集され、加圧シリンダーに供給された。ガスの混合とガスの流量は、ガス流量計とマスフローコントローラ(Alicat Scientific, Inc.アリゾナ州ツーソン)の小規模なネットワークによって制御した。攪拌プレートとフラスコは、30℃に保たれたインキュベーターに収容した。出口ガスは回収し、外気に排出した。細胞が約0.4のA620に到達し、色が赤またはオレンジに変わるのがわかるまで、培養物を72時間増殖させた。商業規模で、この種の培養は、完全にガスで増殖させる大量培養用に特別に設計されたループバイオリアクターで行われる。メタノトローフのガス発酵用のループバイオリアクターの実施例(原料としてメタンと酸素を使用)は、Petersen et al(2017, 2020)で提供されている。別の実施形態において、カロテノイド遺伝子を発現する宿主細胞の発酵および培養は、カロテノイド含有バイオマスの成長速度を向上させるか、またはバイオマスの全体的な特性を向上させるために、コンソーシアム(すなわち、異なる種の混合物)を採用している。 To assess the production of carotenoids on gas, cells containing genomically integrated operons are placed at pH 6.8 in a capped stir flask (magnetic stir bar) with underwater gas inlet and outlet ports. Sterile MR2 minimal medium 200-500 ml (without carbon source) was inoculated. Sterilized external gas inlets, outlets, and rubber tubes were covered with a sterile disc filter (pore size 0.2 μm, cellulose acetate syringe filter, VWR) to prevent contamination from the outside air. A mixture of H 2 : CO 2 : O 2 in a ratio of approximately 80:10:10 is supplied by a commercially available gas cylinder (Praxair, Inc.) or electrolytic hydrogen from a generator (Parker Dominick Hunter Model 40H; Charlotte, NC). Was supplied. In some embodiments, CO 2 (often including other gases such as H 2 , CO, SO x , NO x ) comes from cement production, fossil fuel combustion, petrochemical hydrocracking operations, and the like. It was collected as discharged CO 2 waste and supplied to the pressurized cylinder. Gas mixing and gas flow were controlled by a small network of gas flow meters and mass flow controllers (Alicat Scientific, Inc. Tucson, Arizona). The stirring plate and flask were housed in an incubator kept at 30 ° C. The outlet gas was recovered and discharged to the outside air. The culture was grown for 72 hours until cells reached A620 of about 0.4 and the color turned red or orange. On a commercial scale, this type of culture takes place in a loop bioreactor specifically designed for mass cultures that grow entirely in gas. An example of a loop bioreactor for gas fermentation of methanotrofu (using methane and oxygen as raw materials) is provided by Petersen et al (2017, 2020). In another embodiment, fermentation and culture of host cells expressing the carotenoid gene is a consortium (ie, of a different species) to improve the growth rate of the carotenoid-containing biomass or to improve the overall properties of the biomass. Mixture) is adopted.

無細胞系を用いた生成。本開示で提供される酵素および構築物は、経路酵素を発現し、無細胞発現系を用いてカロテノイド生成物を生成するために使用されることが企図されている (Schneider et al., 2010; Gregorio et al., 2019; Khambati et al., 2019)。このような発現系には、例えば、IPP,DMAP,FPPなどのカロテノイド経路の単純な前駆体を供給し、これらの化合物をより価値のあるケトカロテノイド生成物に変換させることができる。無細胞発現とは、ポリヌクレオチドと組み合わせると、ポリヌクレオチドによってコードされるポリペプチドまたはタンパク質のインビトロ翻訳を可能にする薬剤を指す。これらの発現系は当技術分野で知られており、真核生物および原核生物の両方の用途のために存在する。本開示に関連して使用することができる例示的な無細胞発現系には、例えば、Invitrogen Ambion,QiagenおよびRoche Molecular Diagnosticsから入手可能な抽出物、大腸菌および他の菌株に加えて、Cupriavidus(カプリアビダス),Rhodobacter(ロドバクター),Rhodococcus(ロドコッカス),Rhodopseudomonas(ロドシュードモナス),Rhodospirillum(ロドスピリルム)、Paracoccus(パラコッカス)またはHydrogenophaga(ハイドロゲノファーガ)から選択された菌株を含む水素細菌から作製される細胞抽出物などの様々な種のための市販キットが含まれる。 Generation using a cell-free system. The enzymes and constructs provided in the present disclosure are intended to be used to express pathway enzymes and to produce carotenoid products using cell-free expression systems (Schneider et al., 2010; Gregorio). et al., 2019; Khambati et al., 2019). Such expression systems can be fed, for example, with simple precursors of carotenoid pathways such as IPP, DMAP, FPP and the like to convert these compounds into more valuable ketocarotenoid products. Cell-free expression refers to agents that, when combined with a polynucleotide, allow in vitro translation of the polypeptide or protein encoded by the polynucleotide. These expression systems are known in the art and exist for both eukaryotic and prokaryotic applications. Exemplary cell-free expression systems that can be used in connection with the present disclosure include, for example, extracts available from Invitrogen Ambion, Qiagen and Roche Molecular Diagnostics, Escherichia coli and other strains, as well as Cupriavidus. ), Rhodobacter, Rhodococcus, Rhodopseudomonas, Rhodospirillum, Paracocccus or Hydrogenophaga (hydrogenophaga) cells extracted from hydrogen bacteria. Includes commercial kits for various species such as things.

6,000 × gで10分間遠心分離を行い、細胞を採取した。リン酸緩衝生理食塩水に再懸濁させた後、細胞を再度遠心分離した。洗浄した細胞ペレットのアリコートを、1.5 mlのマイクロ遠心チューブ内でn-ヘキサン/メタノール(1:1 v/v)で抽出した。14,000 × gで5分間遠心分離を行い、溶媒抽出物を細胞破片から分離した。カロテノイドは、超臨界CO抽出を用いてバイオマスから効率的に分離および精製することもできる(Valderrama et al,2003; Di Sanzo et al,2018)。 Centrifugation was performed at 6,000 × g for 10 minutes, and cells were collected. After resuspension in phosphate buffered saline, cells were centrifuged again. Aliquots of washed cell pellet were extracted with n-hexane / methanol (1: 1 v / v) in a 1.5 ml microcentrifuge tube. Centrifugation was performed at 14,000 × g for 5 minutes to separate the solvent extract from the cell debris. Carotenoids can also be efficiently separated and purified from biomass using supercritical CO 2 extraction (Valderrama et al, 2003; Di Sanzo et al, 2018).

カロテノイド分析。カロテノイドの産生を同定およびアッセイするために、50μlの溶媒抽出サンプルを、シリンジを介して、シンメトリーC18 5μm(4.6x250 mm)HPLCカラムにロードし、これを、メタノール/水90:10(v/v)を含む溶液で予め平衡化した。ランニング溶液は、水、酢酸エチル、水のグラデーションで構成した。HPLC装置は、168NMダイオードアレイ検出器を備えたBeckman SystemGoldを使用した。実行条件は以下の通り:流量1mL/min; 温度30℃。ピークは、それらの保持時間をn-ヘキサンに溶解した既知のカロテノイド標準の溶液と比較することによって特定した。カンタキサンチン標準品は、Honeywell Research,Inc.から入手し、アスタキサンチンはAbcam(マイアミ州ケンブリッジ)から入手した。溶出成分は、可能であれば、それらの特徴的な吸光度スペクトルによっても同定することができる。本開示の発現系を用いて生成したカンタキサンチン(図7)およびアスタキサンチン(図9)のサンプルクロマトグラム、それぞれに対応するUV-Visスペクトル(図8及び図10)を示す。これらの実験から、OB307-crtW遺伝子がβ-カロテンケトラーゼをコードすること、および新しいOB307-crtW遺伝子を発現する構築物が、実際にカンタキサンチンとアスタキサンチンを生成することが確認された。 Carotenoid analysis. To identify and assay carotenoid production, a 50 μl solvent-extracted sample was loaded via a syringe into a Symmetric C185 5 μm (4.6 x 250 mm) HPLC column, which was loaded with methanol / water 90:10 (v /). Pre-equalized with a solution containing v). The running solution consisted of water, ethyl acetate, and a gradation of water. The HPLC apparatus used was a Beckman System Gold equipped with a 168NM diode array detector. The execution conditions are as follows: Flow rate 1 mL / min; Temperature 30 ° C. Peaks were identified by comparing their retention times with a known carotenoid standard solution dissolved in n-hexane. Canthaxanthin standards were obtained from Honeywell Research, Inc. and astaxanthin was obtained from Abcam, Cambridge, Miami. Eluted components can also be identified, if possible, by their characteristic absorbance spectra. The sample chromatograms of canthaxanthin (FIG. 7) and astaxanthin (FIG. 9) generated using the expression system of the present disclosure, and the corresponding UV-Vis spectra (FIG. 8 and FIG. 10) are shown. From these experiments, it was confirmed that the OB307-crtW gene encodes β-carotene ketolase, and that constructs expressing the new OB307-crtW gene actually produce canthaxanthin and astaxanthin.

このcrtW配列は、遺伝子が種々の発現宿主において異種発現される場合、β-カロテンからカンタキサンチンへの変換を触媒するのに十分な量の活性酵素を産生するために、コドン最適化を必要とすることがある。これは、crtZ-crtW融合タンパク質などの融合タンパク質を生成するように遺伝子配列が配置されている合成オペロンや構築物にも当てはまる。本開示のいくつかの実施形態において、発現宿主は植物である。いくつかの実施形態において、発現宿主は、Saccharomyces cerevisiae(サッカロミセス・セレビシエ)などの真菌である。いくつかの実施形態において、発現宿主は、Chlorella vulgaris(クロレラ・ブルガリス)などの藻類である。 いくつかの実施形態において、発現宿主は、メチロトローフ(例えば、Methylobacterium extorquens(メチロコッカス・エクストルケンス))、メタノトローフ(例えば、Methylococcus capsulatus(メチロコッカス・カプスラタス))、アセトゲン(例えば、Clostridium autoethanogenum(クロストリジウム・オートエタノゲナム))、水素細菌(例えば、Cupriavidus necator(カプリアビダス・ネカトール))などの細菌、または、Rhodospirillum rubrum(ロドスピリラム・ラブラム)、Rhodobacter sphearoides(ロドバクター・スフェロイデス)、Rhodobacter capsulatus(ロドバクター・カプスラータス)またはRhodopseudomonas palustris(ロドシュードモナス・パルストリス)などの紫色非硫黄細菌である。他の潜在的に適切な細菌宿主には、Rhodococcus opacus(ロドコッカス・オパカス)、Paracoccus zeaxanthinifaciens(パラコッカス・キサンチニファシエンス)などのパラコッカス種、または大腸菌がある。

[追加文献]
Phornphisutthimas, S et al. (2007)大腸菌における接合-実験室実習 Biochem Mol Biol Educ 35:440-5
Gruber, S et al. (2015) グラム陰性菌のためのプラスミドベースの汎用発現系 - 細菌Ralstonia eutropha H16で例示する要点。New Biotechnol 32: 552-8.

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This crtW sequence requires codon optimization to produce a sufficient amount of active enzyme to catalyze the conversion of β-carotene to canthaxanthin when the gene is heterologously expressed in various expression hosts. I have something to do. This also applies to synthetic operons and constructs in which gene sequences are arranged to produce fusion proteins such as the crtZ-crtW fusion protein. In some embodiments of the present disclosure, the expression host is a plant. In some embodiments, the expression host is a fungus such as Saccharomyces cerevisiae. In some embodiments, the expression host is an algae such as Chlorella vulgaris. In some embodiments, the expression host is Methylobacterium extorquens (eg, Methylobacterium extorquens), Methylococcus capsulatus (eg, Methylococcus capsulatus), acetogen (eg, Clostridium autoethanogenum). Bacteria such as Genam), hydrogen bacteria (eg, Cupriavidus necator), or Rhodobacterillum rubrum, Rhodobacter sphearoides, Rhodobacter capsulatus or Rhodobacter capsulatus. Rhodobacter monas pulsetris) and other purple non-sulfur bacteria. Other potentially suitable bacterial hosts include Paracoccus species such as Rhodococcus opacus, Paracocccus zeaxanthinifaciens, or E. coli.

[Additional literature]
Phornphisutthimas, S et al. (2007) Mating in E. coli-laboratory training Biochem Mol Biol Educ 35: 440-5
Gruber, S et al. (2015) A plasmid-based general-purpose expression system for Gram-negative bacteria-the points illustrated by the bacterium Ralstonia eutropha H16. New Biotechnol 32: 552-8.

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特定の実施形態において、核酸配列は、配列番4のcrtZ-crtWカロテノイドヒドロキシラーゼ-ケトラーゼ融合物タンパク質をコードして提供され、(a)融合物のcrtW部分は、配列番号2のアミノ酸配列をコードするブレバンディモナス菌株OB307由来のケトラーゼ遺伝子であり、(b)核酸配列は、生物宿主細胞に機能的に組み込まれた場合にカロテノイドを生成するように適合された、発現構築物の一部である。 In certain embodiments, the nucleic acid sequence is provided encoding the crtZ-crtW carotenoid hydroxylase-ketrase fusion protein of SEQ ID NO : 4, and (a) the crtW portion of the fusion comprises the amino acid sequence of SEQ ID NO: 2. It is a ketorase gene from the Brebandimonas strain OB307 that encodes, and (b) the nucleic acid sequence is part of an expression construct adapted to produce carotenoids when functionally integrated into a biological host cell. ..

上述のように、アスタキサンチンの産生経路の末端にある酵素の処理能力は、crtZおよびcrtWの遺伝子を遺伝的に融合させてキメラタンパク質をコードすることによって向上させることができる。図4のマップに示すように、Pantoea ananatis(パンテア・アナタス)由来の完全なcrtZ遺伝子の3´末端とOB307-crtW遺伝子の5´末端(N末端メチオニンを含まない)の間に、(アミノ酸配列GGGGSGGPGSをコードする)短いリンカーペプチドのDNA配列、並びに配列番号4、配列番号5および配列番号8を挿入することによって、融合タンパク質の配列を作成した。crtZ-crtW融合配列を、コドン最適化、合成し、元のオペロン構築物のcrtW遺伝子を置き換えるために使用し、システム3(配列番号)として知られるインサートを作成した。この配列をコードする発現プラスミドを上述のように適切な宿主に形質転換すると、細胞はアスタキサンチンを発現した(図9および図10)。 As mentioned above, the processing capacity of the enzyme at the end of the astaxanthin production pathway can be improved by genetically fusing the crtZ and crtW genes to encode the chimeric protein. As shown in the map of FIG. 4, between the 3'end of the complete crtZ gene from Pantoea ananatis and the 5'end of the OB307-crtW gene (without N-terminal methionine) (amino acid sequence). The fusion protein was sequenced by inserting the DNA sequence of the short linker peptide (encoding GGGGSGGPGS) as well as SEQ ID NO: 4, SEQ ID NO: 5 and SEQ ID NO: 8. The crtZ-crtW fusion sequence was codon-optimized, synthesized and used to replace the crtW gene in the original operon construct to create an insert known as System 3 (SEQ ID NO: 8 ). When the expression plasmid encoding this sequence was transformed into a suitable host as described above, the cells expressed astaxanthin (FIGS. 9 and 10).

Claims (31)

配列番号1の核酸および異種核酸配列を含むベクター。 A vector containing the nucleic acid of SEQ ID NO: 1 and a heterologous nucleic acid sequence. 配列番号1を含むカロテノイド生成物を発現するための核酸配列。 Nucleic acid sequence for expressing a carotenoid product containing SEQ ID NO: 1. 配列番号5、6、7または8を含む、カロテノイド生成物を発現するための核酸配列。 Nucleic acid sequence for expressing a carotenoid product, comprising SEQ ID NO: 5, 6, 7 or 8. 配列番号2または3と少なくとも96%同一であるアミノ酸配列を含む酵素をコードする核酸配列であって、発現されると、前記酵素は、β-カロテンをカンタキサンチンまたはアスタキサンチンに変換することができる核酸配列。 A nucleic acid sequence encoding an enzyme comprising an amino acid sequence that is at least 96% identical to SEQ ID NO: 2 or 3, said enzyme capable of converting β-carotene to canthaxanthin or astaxanthin when expressed. arrangement. 配列番号2または3と少なくとも96%同一であるアミノ酸配列を含む酵素をコードする1つ以上の核酸配列を含むベクターであって、発現されると、前記酵素は、β-カロテンをカンタキサンチンまたはアスタキサンチンに変換することができるベクター。 A vector comprising one or more nucleic acid sequences encoding an enzyme comprising an amino acid sequence that is at least 96% identical to SEQ ID NO: 2 or 3, said enzyme canthaxanthin or astaxanthin β-carotene when expressed. A vector that can be converted to. プロモーター、リボゾーム結合部位、および配列番号2または3と少なくとも96%同一であるアミノ酸配列を含む酵素をコードする1つ以上の核酸配列を含む合成核酸構築物であって、発現されると、前記酵素は、β-カロテンをカンタキサンチンまたはアスタキサンチンに変換することができる構築物。 A synthetic nucleic acid construct comprising a promoter, a ribosome binding site, and one or more nucleic acid sequences encoding an enzyme comprising an amino acid sequence that is at least 96% identical to SEQ ID NO: 2 or 3, said enzyme. , A construct capable of converting β-carotene to cantaxanthin or astaxanthin. 前記合成核酸構築物がプラスミドである、請求項6に記載の合成核酸構築物。 The synthetic nucleic acid construct according to claim 6, wherein the synthetic nucleic acid construct is a plasmid. 請求項6に記載の合成核酸構築物を含む形質転換された発現宿主生物であって、前記形質転換された宿主生物は、前記合成核酸構築物の異種発現が可能な、発現宿主生物。 A transformed expression host organism comprising the synthetic nucleic acid construct according to claim 6, wherein the transformed host organism is an expression host organism capable of heterologous expression of the synthetic nucleic acid construct. 前記発現宿主生物が、化学合成独立栄養代謝モードで増殖するように適合された、形質転換された細菌である、請求項8に記載の形質転換された発現宿主生物。 The transformed expression host organism according to claim 8, wherein the expression host organism is a transformed bacterium adapted to grow in a chemosynthetic autotrophic metabolism mode. 前記発現宿主生物がCupriavidus necator(カプリアビダス・ネカトール)である、請求項8に記載の形質転換された発現宿主生物。 The transformed expression host organism according to claim 8, wherein the expression host organism is Cupriavidus necator. 配列番号2のアミノ酸配列をコードする、ブレバンディモナス菌株OB307由来のcrtWカロテノイドケトラーゼ遺伝子に対応する核酸配列であって、該核酸配列は、生物宿主細胞においてカロテノイドを生成するように適合された発現構築物に含まれる、核酸配列。 A nucleic acid sequence corresponding to the crtW carotenoid ketolase gene from Brebandimonas strain OB307, which encodes the amino acid sequence of SEQ ID NO: 2, and the nucleic acid sequence is an expression adapted to produce carotenoids in a biological host cell. Nucleic acid sequence contained in the construct. 前記生物宿主細胞は、その炭素およびエネルギー要件の少なくとも一部を満たすためにCOおよびHを使用することができる、請求項11に記載の核酸配列。 13. The nucleic acid sequence of claim 11, wherein the biological host cell can use CO 2 and H 2 to meet at least some of its carbon and energy requirements. crtZ-crtWカロテノイドヒドロキシラーゼ-ケトラーゼ遺伝子融合に対応する核酸配列であって、融合体のcrtW部分は、アミノ酸配列番号2をコードするブレバンディモナス菌株OB307由来のケトラーゼ遺伝子である、核酸配列。 A nucleic acid sequence corresponding to a crtZ-crtW carotenoid hydroxylase-ketrase gene fusion, wherein the crtW portion of the fusion is a ketrase gene derived from Brebandimonas strain OB307 encoding amino acid SEQ ID NO: 2. 配列番号4のcrtZ-crtWカロテノイドヒドロキシラーゼ-ケトラーゼ融合タンパク質をコードする核酸配列であって、
(a)融合体のcrtW部分は、配列番号2のアミノ酸配列をコードするブレバンディモナス菌株OB307由来のケトラーゼ遺伝子であり、
(b)前記核酸配列は、生物宿主細胞に機能的に組み込まれた場合にカロテノイドを生成するように適合された発現構築物の一部である、核酸配列。
A nucleic acid sequence encoding the crtZ-crtW carotenoid hydroxylase-transketolase fusion protein of SEQ ID NO: 4.
(A) The crtW portion of the fusion is a transketolase gene derived from Brebandimonas strain OB307, which encodes the amino acid sequence of SEQ ID NO: 2.
(B) The nucleic acid sequence is part of an expression construct adapted to produce carotenoids when functionally integrated into a biological host cell.
配列番号4のcrtZ-crtWカロテノイドヒドロキシラーゼ-ケトラーゼ融合タンパク質をコードする核酸配列であって、
(a)融合体のcrtW部分は、配列番号2のアミノ酸配列をコードするブレバンディモナス菌株OB307由来のケトラーゼ遺伝子であり、
(b)前記核酸配列は、生物宿主細胞に機能的に組み込まれた場合にカロテノイドを生成するように適合された発現構築物の一部であり、
(c)前記生物宿主細胞は、COとHを使用して、その炭素とエネルギーの要件の少なくとも一部を満たすことができる、核酸配列。
A nucleic acid sequence encoding the crtZ-crtW carotenoid hydroxylase-transketolase fusion protein of SEQ ID NO: 4.
(A) The crtW portion of the fusion is a transketolase gene derived from Brebandimonas strain OB307, which encodes the amino acid sequence of SEQ ID NO: 2.
(B) The nucleic acid sequence is part of an expression construct adapted to produce carotenoids when functionally integrated into a biological host cell.
(C) A nucleic acid sequence in which the biological host cell can use CO 2 and H 2 to meet at least some of its carbon and energy requirements.
トランスポゾンを使用して細菌のゲノムにDNA配列を挿入するように適合された自殺ベクター構築物であって、
(a)DNA配列、
(b)トランスポゾンを含む配列番号8の核酸配列を含む挿入隣接DNA、および
(c)自殺プラスミド骨格
を含む自殺ベクター構築物。
A suicide vector construct adapted to insert a DNA sequence into the bacterial genome using a transposon.
(A) DNA sequence,
(B) Insertion adjacent DNA containing the nucleic acid sequence of SEQ ID NO: 8 containing a transposon, and (c) a suicide vector construct containing a suicide plasmid skeleton.
アミノ酸配列番号2をコードする核酸配列を含む形質転換された宿主細胞であって、前記核酸配列は、前記宿主細胞においてカロテノイドを生成するように適合された発現構築物の一部である、宿主細胞。 A transformed host cell comprising a nucleic acid sequence encoding amino acid SEQ ID NO: 2, wherein the nucleic acid sequence is part of an expression construct adapted to produce carotenoids in the host cell. トランスポゾンを使用して、前記発現構築物を前記宿主細胞のゲノムにランダムに挿入するステップを含む、請求項17に記載の形質転換された宿主細胞を形成する方法。 17. The method of forming a transformed host cell according to claim 17, comprising using a transposon to randomly insert the expression construct into the genome of the host cell. 配列番号2のアミノ酸配列をコードする、ブレバンディモナス菌株OB307由来のcrtWカロテノイドケトラーゼ遺伝子に対応する核酸配列であって、該核酸配列は無細胞発現系においてカロテノイドを生成するように適合された発現構築物の一部である、核酸配列。 A nucleic acid sequence corresponding to the crtW carotenoid ketrase gene from Brebandimonas strain OB307, which encodes the amino acid sequence of SEQ ID NO: 2, wherein the nucleic acid sequence is adapted to produce carotenoids in a cell-free expression system. Nucleic acid sequence that is part of the construct. ケトカロテノイドをOB307-crtWの異種発現によって合成する、生物宿主細胞においてケトカロテノイドを生成する方法。 A method for producing a ketocarotenoid in a biological host cell, wherein the ketocarotenoid is synthesized by heterologous expression of OB307-crtW. 前記生物宿主細胞が水素細菌を含む、請求項20に記載の方法。 The method of claim 20, wherein the biological host cell comprises hydrogen bacteria. 前記水素細菌が、Cupriavidus(カプリアビダス)、Rhodobacter(ロドバクター)、Rhodococcus(ロドコッカス)、Rhodopseudomonas(ロドシュードモナス)、Rhodospirillum(ロドスピリルム)、Paracoccus(パラコッカス)またはHydrogenophaga(ハイドロゲノファーガ)から選択される菌株を含む、請求項21に記載の方法。 The hydrogen bacteria are selected from Cupriavidus, Rhodobacter, Rhodococcus, Rhodopseudomonas, Rhodospirillum, Paracocccus, or Hydrogenophaga. , The method according to claim 21. 前記水素細菌の菌株がCupriavidus necator(カプリアビダス・ネカトール)である、請求項22に記載の方法。 22. The method of claim 22, wherein the strain of the hydrogen bacterium is Cupriavidus necator. 前記生物宿主細胞が、異なる種のコンソーシアムの一部として培養される、請求項20に記載の方法。 20. The method of claim 20, wherein the biological host cell is cultured as part of a consortium of different species. 生物宿主細胞においてケトカロテノイドを生成する方法であって、
(a)crtZ-OB307-crtW融合体を含むベクターで前記生物宿主細胞を形質転換し、該生物宿主細胞においてcrtZ-OB307-crtW融合体を異種発現させてケトカロテノイドを合成するステップ、または
(b)前記生物宿主細胞においてcrtZ-OB307-crtW融合体を異種発現させてケトカロテノイドを合成するステップを含む、方法。
A method of producing ketocarotenoids in biological host cells.
(A) A step of transforming the biological host cell with a vector containing the crtZ-OB307-crtW fusion and heterologously expressing the crtZ-OB307-crtW fusion in the biological host cell to synthesize ketocarotenoid, or (b). ) A method comprising the step of heterologously expressing a crtZ-OB307-crtW fusion in the biological host cell to synthesize ketocarotenoid.
前記生物宿主細胞が水素細菌を含む、請求項25に記載の方法。 25. The method of claim 25, wherein the biological host cell comprises hydrogen bacteria. 前記水素細菌が、Cupriavidus(カプリアビダス)、Rhodobacter(ロドバクター)、Rhodococcus(ロドコッカス)、Rhodopseudomonas(ロドシュードモナス)、Rhodospirillum(ロドスピリルム)、Paracoccus(パラコッカス)またはHydrogenophaga(ハイドロゲノファーガ)から選択される菌株を含む、請求項26に記載の方法。 The hydrogen bacteria are selected from Cupriavidus, Rhodobacter, Rhodococcus, Rhodopseudomonas, Rhodospirillum, Paracocccus, or Hydrogenophaga. , The method of claim 26. 前記水素細菌の菌株がCupriavidus necator(カプリアビダス・ネカトール)である、請求項27に記載の方法。 The method according to claim 27, wherein the strain of the hydrogen bacterium is Cupriavidus necator. 前記生物宿主細胞が、異なる種のコンソーシアムの一部として培養される、請求項28に記載の方法。 28. The method of claim 28, wherein the biological host cell is cultured as part of a consortium of different species. β-カロテンからカンタキサンチンまたはアスタキサンチンをインビトロで生成する方法であって、配列番号1,4,5,6,7または8のいずれかの核酸配列と少なくとも96%同一である核酸配列のタンパク質発現産物を、β-カロテンを含む溶液において接触させるステップを含み、前記タンパク質発現産物は、β-カロテンの少なくとも一部のカンタキサンチンまたはアスタキサンチンへの変換を触媒する、方法。 A method for producing canthaxanthin or astaxanthin from β-carotene in vitro, a protein expression product of a nucleic acid sequence that is at least 96% identical to the nucleic acid sequence of any of SEQ ID NOs: 1, 4, 5, 6, 7 or 8. The method comprising contacting the nucleic acid in a solution containing β-carotene, wherein the protein expression product catalyzes the conversion of at least a portion of β-carotene to canthaxanthin or astaxanthin. 前記宿主生物がβ-カロテンを自然に生成するものである、請求項30に記載の方法。 30. The method of claim 30, wherein the host organism spontaneously produces β-carotene.
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