JP2023019310A - Acetolactate synthase and method for producing isobutanol using the same - Google Patents

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圭介 和田
Keisuke Wada
真宏 渡邊
Masahiro Watanabe
優介 中道
Yusuke Nakamichi
和乗 牛丸
Kazunori Ushimaru
友岳 森田
Tomotake Morita
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Abstract

To provide a mutant having a change in the reaction of converting pyruvate into acetolactate, which is an important reaction for isobutanol biosynthesis, and further provide a production technique that increases the production of isobutanol by culturing the Escherichia coli having the mutant enzyme introduced thereto.SOLUTION: The present invention provides a mutant of acetolactate synthase and a microorganism having the mutant introduced thereto.SELECTED DRAWING: None

Description

本発明は、アセト乳酸合成酵素およびそれを用いたイソブタノールの製造方法に関する。 The present invention relates to acetolactate synthase and a method for producing isobutanol using the same.

ブタノールは重要な工業化学物質であり、燃料添加剤として、プラスチック工業における原材料化学物質として、および食物および香料工業における食物等級抽出剤として有用である。毎年、100~120億ポンドのブタノールが石油化学的手段によって生産され、この汎用化学物質に対する需要は増大すると思われる。 Butanol is an important industrial chemical, useful as a fuel additive, as a raw material chemical in the plastics industry, and as a food grade extractant in the food and fragrance industry. With 10-12 billion pounds of butanol produced annually by petrochemical means, the demand for this commodity chemical is expected to grow.

オキソ合成法、一酸化炭素の触媒的水素付加(非特許文献1)、およびメタノールとn-プロパノールとのゲルベ縮合(非特許文献2)などのイソブタノールの化学合成法が知られている。これらの方法は石油化学物質に由来する出発原料を使用し、一般に高価であり環境を損なう。植物由来原料からのイソブタノール生成は、温室効果ガス排出を最小化して当該技術分野における進歩に相当する。 Chemical synthesis methods for isobutanol are known, such as the oxo synthesis method, the catalytic hydrogenation of carbon monoxide (1), and the Guerbet condensation of methanol with n-propanol (2). These methods use starting materials derived from petrochemicals and are generally expensive and environmentally damaging. Isobutanol production from plant-derived materials minimizes greenhouse gas emissions and represents an advance in the art.

イソブタノールは、酵母発酵の副産物として生物学的に生成される。これは「フーゼル油」の構成要素であり、この真菌群によってアミノ酸の不完全な代謝の結果として形成される。イソブタノールは具体的には、L-バリンの異化作用から生成される。L-バリンのアミノ基を窒素源として収集した後に得られるα-ケト酸は、いわゆるエールリッヒ経路の酵素によって脱炭酸されてイソブタノールに還元される(非特許文献3)。飲料発酵中に達成されるフーゼル油および/またはその構成要素の収率は、典型的に低い。例えばビール発酵中に生成するイソブタノール濃度は、百万分の16未満と報告されている(非特許文献4)。発酵への外来性L-バリンの添加は、(非特許文献3)で述べられるようにイソブタノール収率を増大させ、発酵中に濃度20g/LのL-バリンを提供することで、3g/Lのイソブタノール収率が得られると報告されている。しかし原材料としてのバリンの使用は、工業規模でのイソブタノール生産にはけた違いの費用がかかる。糖からの直接のイソブタノールの生合成は経済的に実行可能であり、当該技術分野における進歩に相当する。 Isobutanol is produced biologically as a by-product of yeast fermentation. It is a constituent of "fusel oil" and is formed by this fungal group as a result of incomplete metabolism of amino acids. Isobutanol is specifically produced from the catabolism of L-valine. The α-keto acid obtained after collecting the amino group of L-valine as a nitrogen source is decarboxylated and reduced to isobutanol by enzymes of the so-called Ehrlich pathway (Non-Patent Document 3). The yields of fusel oil and/or its constituents achieved during beverage fermentation are typically low. For example, the concentration of isobutanol produced during beer fermentation is reported to be less than 16 parts per million (Non-Patent Document 4). Addition of exogenous L-valine to fermentation increases the isobutanol yield as described in (Non-Patent Document 3), providing a concentration of 20 g/L of L-valine during fermentation reduces the yield to 3 g/L. An isobutanol yield of L is reportedly obtained. However, the use of valine as a raw material is prohibitively expensive for isobutanol production on an industrial scale. Biosynthesis of isobutanol directly from sugars is economically viable and represents an advance in the art.

一般的に、微生物に複数の遺伝子を導入して新たな反応経路を細胞内に構築し、特定の物質生産能力を付与したり強化したりすることで、有用物質の生産効率を高める試みがなされている。例えば、特許文献1では、イソブタノールを生産することができない複数の微生物に、イソブタノール生合成遺伝子群を導入することでイソブタノール生産能力を付与した組換え生物の作製に成功している。 In general, attempts have been made to increase the production efficiency of useful substances by introducing multiple genes into microorganisms to construct new reaction pathways in the cells, and by imparting or enhancing the ability to produce specific substances. ing. For example, in Patent Document 1, recombinant organisms endowed with isobutanol-producing ability have been successfully produced by introducing an isobutanol biosynthetic gene group into a plurality of microorganisms that cannot produce isobutanol.

このときイソブタノール生産能力を付与するために導入された遺伝子は5種類であり、細胞内のピルビン酸をアセト乳酸に変換するアセト乳酸合成酵素、アセト乳酸をイソ吉草酸に変換するアセト乳酸還元酵素、イソ吉草酸を2-ケト酸に変換するイソ吉草酸変換酵素、2-ケト酸をイソブチルアルデヒドに変換する2-ケト酸脱炭酸酵素、イソブチルアルデヒドをイソブタノールに変換するアルコール脱水素酵素である。この中で初発の反応を触媒するアセト乳酸合成酵素の反応は、最終産物であるイソブタノールの生産に重要と考えられている。非特許文献1では、イソブタノール生合成遺伝子群の中で、アセト乳酸合成酵素に着目し、遺伝子に変異を導入することで、当該酵素の触媒効率の向上に成功している。しかしながら、イソブタノールの生産量は予想に反して減少し、その理由は不明であった。 At this time, five types of genes were introduced to impart isobutanol-producing ability: acetolactate synthase, which converts intracellular pyruvate to acetolactate, and acetolactate reductase, which converts acetolactate to isovaleric acid. , isovaleric acid converting enzyme that converts isovaleric acid to 2-keto acid, 2-keto acid decarboxylase that converts 2-keto acid to isobutyraldehyde, and alcohol dehydrogenase that converts isobutyraldehyde to isobutanol. . Among them, the reaction of acetolactate synthase, which catalyzes the initial reaction, is considered important for the production of the final product, isobutanol. Non-Patent Document 1 focused on acetolactate synthase in the isobutanol biosynthetic gene group, and succeeded in improving the catalytic efficiency of the enzyme by introducing mutations into the gene. However, the production of isobutanol was unexpectedly decreased, and the reason was unknown.

すなわち、イソブタノール生合成経路の中で、初発の反応であるアセト乳酸合成反応はイソブタノール生産に重要であるものの、酵素活性の向上のみを指標としてイソブタノール生産の向上を予測することはできない。イソブタノール生産を向上できる酵素の開発は、酵素の安定性向上などの情報を駆使して反応性が変化した変異型酵素を作製し、実際にイソブタノール生産への効果を検証していくことで可能になると考えられる。 That is, in the isobutanol biosynthetic pathway, the initial reaction, acetolactate synthesis, is important for isobutanol production, but the improvement in isobutanol production cannot be predicted based solely on the improvement in enzymatic activity. The development of enzymes that can improve isobutanol production involves making full use of information such as improved enzyme stability to create mutant enzymes with altered reactivity and actually verifying their effects on isobutanol production. It is considered possible.

特許第5276986号公報Japanese Patent No. 5276986

「ウルマンの工業化学百科事典(Ullmann’s Encyclopedia of Industrial Chemistry)」、第6版、第5巻、716~719頁、Wiley-VCH Verlag GmbH and Co.、ワインハイム(Weinheim)、ドイツ、2003年"Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry", 6th Edition, Volume 5, pages 716-719, Wiley-VCH Verlag GmbH and Co. , Weinheim, Germany, 2003 カルリーニ(Carlini)ら、J.Mol.Catal.A:Chem.220:215~220頁、2004年Carlini et al., J. Am. Mol. Catal. A: Chem. 220:215-220, 2004 ディキンソン(Dickinson)ら、J.Biol.Chem.273(40):25752~25756頁、1998年Dickinson et al., J. Am. Biol. Chem. 273(40):25752-25756, 1998. ガルシア(Garcia)ら、Process Biochemistry 29:303~309頁、1994年Garcia et al., Process Biochemistry 29:303-309, 1994

バイオエコノミー社会の構築やSDGsといった環境問題への取り組みの中で、バイオプロセスによる化学品の原料転換が改めて注目を集めている。例えば、イソブタノールは、ラッカーや塗料の原料、プラスチック、ゴムの可塑剤など使用範囲が広く、様々な化学品の原料となる基幹化合物であり、バイオプロセスによる原料転換が期待されている。一般的にバイオプロセスの鍵を握るのは化学品を生産する微生物の性能であり、多くの研究が実施されている。微生物の一次代謝化合物であるピルビン酸をアセト乳酸に変換する酵素の活性を高め、微生物内に導入することで、イソブタノール生産性を向上できれば、化学品の原料転換に貢献するとともに、バイオ製品にシフトしつつある化学産業分野への展開が期待できる。
本願発明は、イソブタノール生合成に重要なアセト乳酸合成酵素の変異体を作製し、ピルビン酸をアセト乳酸に変換する反応を変化させることを課題とし、さらに変異体を導入した大腸菌を作製して培養することでイソブタノールの生産量を向上させることを課題とする。
In efforts to build a bio-economy society and address environmental issues such as the SDGs, the conversion of chemical raw materials through bioprocesses is once again attracting attention. For example, isobutanol is widely used as a raw material for lacquers and paints, and as a plasticizer for plastics and rubber. In general, the key to bioprocesses is the ability of microorganisms to produce chemicals, and many studies have been conducted. If we can improve the productivity of isobutanol by increasing the activity of the enzyme that converts pyruvic acid, the primary metabolite of microorganisms, to acetolactate and introducing it into microorganisms, we can contribute to the conversion of raw materials for chemical products and bio-products. It can be expected to expand into the chemical industry, which is undergoing a shift.
The subject of the present invention is to create a mutant of acetolactate synthase, which is important for isobutanol biosynthesis, to change the reaction that converts pyruvate to acetolactate, and to prepare Escherichia coli into which the mutant is introduced. The object is to improve the production of isobutanol by culturing.

発明者は、ピルビン酸からアセト乳酸を生成する反応を触媒する酵素、アセト乳酸合成酵素に着目し、コンピューテーショナルデザインの技術を導入することで、酵素活性が変化した変異体酵素の作製に成功した。さらに、この変異体酵素を微生物に導入することで、イソブタノール生産量を向上させることに成功し、本発明を生み出すに至った。 The inventor focused on acetolactate synthase, an enzyme that catalyzes the reaction that produces acetolactate from pyruvate, and by introducing computational design technology, succeeded in producing mutant enzymes with altered enzymatic activity. bottom. Furthermore, by introducing this mutant enzyme into microorganisms, the inventors succeeded in increasing the amount of isobutanol produced, leading to the creation of the present invention.

すなわち、本発明は以下の態様を含む:
本発明の一態様は、
〔1〕下記(1)~(3)のいずれかに示されるいずれかのタンパク質であるアセト乳酸合成酵素に関する:
(1)配列番号1、9、または、13で表されるアミノ酸配列からなるタンパク質
(2)(1)に記載のタンパク質において、40番目リジンのトリプトファンへの置換、42番目アスパラギン酸のトリプトファンへの置換、123番目ヒスチジンのロイシンへの置換、267番目フェニルアラニンのバリンへの置換、497番目グルタミンのロイシンへの置換からなる群より選択される少なくとも1つの変異を有するタンパク質
(3)配列番号1、9、または、13で表されるアミノ酸配列と配列同一性が90%以上のアミノ酸配列からなるタンパク質であって、かつ、ピルビン酸をアセト乳酸に変換する活性を有するタンパク質
That is, the present invention includes the following aspects:
One aspect of the present invention is
[1] Regarding acetolactate synthase, which is any protein shown in any of the following (1) to (3):
(1) A protein consisting of an amino acid sequence represented by SEQ ID NO: 1, 9, or 13 (2) In the protein described in (1), substitution of lysine at position 40 with tryptophan and substitution of aspartic acid at position 42 with tryptophan substitution, histidine at position 123 to leucine, phenylalanine at position 267 to valine, and glutamine at position 497 to leucine (3) SEQ ID NOs: 1 and 9 , or a protein consisting of an amino acid sequence having a sequence identity of 90% or more with the amino acid sequence represented by 13, and having the activity of converting pyruvate to acetolactate

また本発明の別の態様は
〔2〕上記〔1〕に記載のアセト乳酸合成酵素のいずれかをコードするポリヌクレオチドに関する。
Another aspect of the present invention relates to [2] a polynucleotide encoding any of the acetolactate synthase described in [1] above.

また本発明の別の態様は
〔3〕上記〔2〕に記載のポリヌクレオチドを組込んだベクターに関する。
また本発明の別の態様は
〔4〕上記〔3〕に記載の組み換えベクターにより形質転換されていることを特徴とする形質転換体に関する。
ここで本発明の形質転換体は一実施の形態において
〔5〕上記〔4〕に記載の形質転換体であって、さらにイソ吉草酸変換酵素、2-ケト酸脱炭酸酵素、アルコール脱水素酵素を発現するように形質転換されていることを特徴とする。
Another aspect of the present invention relates to [3] a vector incorporating the polynucleotide of [2] above.
Another aspect of the present invention relates to [4] a transformant characterized by being transformed with the recombinant vector of [3] above.
Here, in one embodiment, the transformant of the present invention is the transformant according to [5] above [4], further comprising isovaleric acid converting enzyme, 2-keto acid decarboxylase, and alcohol dehydrogenase. characterized in that it is transformed to express

また本発明の別の態様は
〔6〕上記〔4〕または〔5〕に記載の形質転換体を培養することを特徴とする、イソブタノールの製造方法に関する。
Another aspect of the present invention relates to [6] a method for producing isobutanol, which comprises culturing the transformant of [4] or [5] above.

本発明のアセト乳酸合成酵素は、変異導入前に比べてアセト乳酸合成活性が変化している。この酵素を導入した大腸菌形質転換体は、変異導入前の酵素を導入した大腸菌形質転換体に比べて、培養温度37℃という条件下で、イソブタノール生産量が1.02-1.64倍向上した。すなわち、この変異体を用いることで、微生物によるイソブタノール生産効率を向上させることができる。 The acetolactate synthase of the present invention has altered acetolactate synthesis activity compared to before the introduction of the mutation. The E. coli transformant introduced with this enzyme produced 1.02-1.64 times more isobutanol at a culture temperature of 37°C compared to the E. coli transformant introduced with the enzyme before the mutation was introduced. bottom. That is, by using this mutant, it is possible to improve the isobutanol production efficiency of the microorganism.

図1は下記実施例1で作製したプラスミドのプラスミドマップを示す。図1AはpCDFDuet-1/alsS-ilvCDのプラスミドマップを示し、図1BはpCOLADuet-1/kivd-ADH2のプラスミドマップを示す。FIG. 1 shows a plasmid map of the plasmid prepared in Example 1 below. FIG. 1A shows the plasmid map of pCDFDuet-1/alsS-ilvCD and FIG. 1B shows the plasmid map of pCOLADuet-1/kivd-ADH2. 図2Aは下記実施例3において行った、野生型のalsS遺伝子を配した酵素発現用プラスミドをもつ大腸菌由来の粗抽出液をニッケルカラムに供し、さらにSDS―PAGEに供した際の画像を示す。FIG. 2A shows an image obtained by subjecting a crude extract derived from Escherichia coli having an enzyme expression plasmid containing a wild-type alsS gene to a nickel column and further to SDS-PAGE, which was performed in Example 3 below. 図2Bは下記実施例3において行った、変異型1-5のalsS遺伝子を配した酵素発現用プラスミドをもつ大腸菌由来の粗抽出液をニッケルカラムに供し、さらにSDS―PAGEに供した際の画像を示す。FIG. 2B is an image obtained by subjecting a crude extract derived from Escherichia coli having an enzyme-expressing plasmid having an alsS gene of mutant 1-5 to a nickel column and further subjecting it to SDS-PAGE, which was performed in Example 3 below. indicates 図3は下記実施例5において行った、好気的条件下で組換え大腸菌を培養してイソブタノールを生産させたときの培養24時間、30時間、48時間後におけるイソブタノール生産量(g/L)またはイソブタノール生産量/菌体量を示すグラフである。FIG. 3 shows the amount of isobutanol produced (g/ L) or is a graph showing isobutanol production amount/cell mass. 図4は下記実施例6において行った、嫌気的条件下で組換え大腸菌を培養してイソブタノールを生産させたときの培養24時間、30時間、48時間後におけるイソブタノール生産量(g/L)またはイソブタノール生産量/菌体量を示すグラフである。FIG. 4 shows the isobutanol production amount (g/L ) or isobutanol production/cell mass.

本発明の一態様は、下記(1)~(3)のいずれかに示されるいずれかのタンパク質であるアセト乳酸合成酵素を提供する:
(1)配列番号1、9、または、13で表されるアミノ酸配列からなるタンパク質
(2)(1)に記載のタンパク質において、40番目リジンのトリプトファンへの置換、42番目アスパラギン酸のトリプトファンへの置換、123番目ヒスチジンのロイシンへの置換、267番目フェニルアラニンのバリンへの置換、497番目グルタミンのロイシンへの置換からなる群より選択される少なくとも1つの変異を有するタンパク質
(3)配列番号1、9、または、13で表されるアミノ酸配列と配列同一性が90%以上のアミノ酸配列からなるタンパク質であって、かつ、ピルビン酸をアセト乳酸に変換する活性を有するタンパク質
One aspect of the present invention provides an acetolactate synthase that is any protein shown in any of the following (1) to (3):
(1) A protein consisting of an amino acid sequence represented by SEQ ID NO: 1, 9, or 13 (2) In the protein described in (1), substitution of lysine at position 40 with tryptophan and substitution of aspartic acid at position 42 with tryptophan substitution, histidine at position 123 to leucine, phenylalanine at position 267 to valine, and glutamine at position 497 to leucine (3) SEQ ID NOs: 1 and 9 , or a protein consisting of an amino acid sequence having a sequence identity of 90% or more with the amino acid sequence represented by 13, and having the activity of converting pyruvate to acetolactate

「アセト乳酸合成酵素」とはピルビン酸からアセト乳酸およびCOへの変換を触媒する酵素を意味する。本発明に係るアセト乳酸合成酵素の一実施の形態は、(1)野生型のアミノ酸配列(配列番号21)における40番目のリジンをトリプトファンに置換した変異体(配列番号1)、123番目のヒスチジンをロイシンに置換した変異体(配列番号9)、267番目のフェニルアラニンをバリンに置換した変異体(配列番号13)である。 By "acetolactate synthase" is meant an enzyme that catalyzes the conversion of pyruvate to acetolactate and CO2 . One embodiment of the acetolactate synthase according to the present invention includes (1) a mutant (SEQ ID NO: 1) in which lysine at position 40 in the wild-type amino acid sequence (SEQ ID NO: 21) is substituted with tryptophan, and histidine at position 123. is substituted with leucine (SEQ ID NO: 9), and a mutant with phenylalanine at position 267 substituted with valine (SEQ ID NO: 13).

また、本発明に係るアセト乳酸合成酵素の一実施の形態は(2)配列番号1、9、または、13で表されるアミノ酸配列からなるタンパク質において、40番目リジンのトリプトファンへの置換(K40W)、42番目アスパラギン酸のトリプトファンへの置換(D42W)、123番目ヒスチジンのロイシンへの置換(H123L)、267番目フェニルアラニンのバリンへの置換(F267V)、497番目グルタミンのロイシンへの置換(Q497L)からなる群より選択される少なくとも1つの変異を有する。
上記に列挙したアミノ酸の置換変異は、1つ、2つ、3つ、4つ、又は5つ全ての組み合わせとして導入することができる。また本発明のアセト乳酸合成酵素における変異は、上記に列挙した変異の全ての組み合わせを包含する。
Further, one embodiment of the acetolactate synthase according to the present invention is (2) substitution of tryptophan for lysine at position 40 in the protein consisting of the amino acid sequence represented by SEQ ID NO: 1, 9, or 13 (K40W) , 42nd aspartic acid to tryptophan (D42W), 123rd histidine to leucine (H123L), 267th phenylalanine to valine (F267V), 497th glutamine to leucine (Q497L) from has at least one mutation selected from the group consisting of
The amino acid substitution mutations listed above can be introduced as a combination of one, two, three, four, or all five. Further, mutations in acetolactate synthase of the present invention include all combinations of mutations listed above.

また、本発明に係るアセト乳酸合成酵素の一実施の形態は(3)配列番号1、9、または、13で表されるアミノ酸配列と配列同一性が90%以上のアミノ酸配列からなるタンパク質であって、かつ、ピルビン酸をアセト乳酸に変換する活性を有するタンパク質を含む。好ましい実施の形態において、配列番号1、9、または、13で表されるアミノ酸配列との配列同一性は、91%以上、92%以上、93%以上、94%以上、95%以上、96%以上、97%以上、98%以上、または、99%以上である。
本発明に係るアセト乳酸合成酵素は一実施の形態として、配列番号1、9、または、13で表されるアミノ酸配列において1又は複数個のアミノ酸が欠失、置換、若しくは付加されたアミノ酸配列からなるタンパク質であって、かつ、ピルビン酸をアセト乳酸に変換する活性を有するタンパク質を含む。ここで、「1又は複数個のアミノ酸が欠失、置換、若しくは付加されたアミノ酸配列」とは、1~57個、1~50個、1~40個、1~30個、1~20個、1~10個、のアミノ酸が欠失、置換、若しくは付加されたアミノ酸配列をいう。
本発明のアセト乳酸合成酵素は上記に列挙したアミノ酸の置換変異(K40W、D42W、H123L、F267V、Q497L)に加えて、または、当該置換変異とは別に、ピルビン酸をアセト乳酸に変換する活性を有する限りにおいてさらに別の変異を有していてもよい。
Further, one embodiment of the acetolactate synthase according to the present invention is (3) a protein consisting of an amino acid sequence having a sequence identity of 90% or more with the amino acid sequence represented by SEQ ID NO: 1, 9, or 13. and a protein that has the activity of converting pyruvate to acetolactate. In a preferred embodiment, the sequence identity with the amino acid sequence represented by SEQ ID NO: 1, 9, or 13 is 91% or more, 92% or more, 93% or more, 94% or more, 95% or more, 96% 97% or more, 98% or more, or 99% or more.
As one embodiment, the acetolactate synthase according to the present invention is derived from an amino acid sequence represented by SEQ ID NO: 1, 9, or 13 in which one or more amino acids are deleted, substituted, or added. and having the activity of converting pyruvate to acetolactate. Here, "an amino acid sequence in which one or more amino acids are deleted, substituted, or added" means 1 to 57, 1 to 50, 1 to 40, 1 to 30, 1 to 20 , 1 to 10 amino acids are deleted, substituted, or added.
The acetolactate synthase of the present invention has the activity of converting pyruvate to acetolactate in addition to the above-listed amino acid substitution mutations (K40W, D42W, H123L, F267V, Q497L) or apart from the substitution mutations. It may have another mutation as long as it has.

アセト乳酸合成酵素におけるピルビン酸をアセト乳酸に変換する活性の評価は、例えば、下記実施例4の手法に準じて評価することができる。ピルビン酸をアセト乳酸に変換する活性を有するというとき、例えば下記実施例4に準じた評価を行った際に、30℃または37℃条件下において、0.01U/mg以上の活性を示すことをいう。 The activity of acetolactate synthase to convert pyruvate into acetolactate can be evaluated according to the method of Example 4 below, for example. When it has the activity of converting pyruvate to acetolactate, for example, when evaluated according to Example 4 below, it means that it exhibits an activity of 0.01 U / mg or more at 30 ° C. or 37 ° C. say.

本発明に係るアセト乳酸合成酵素の好ましい実施の形態は、ピルビン酸からイソブタノールを生産する反応経路を有する組換え大腸菌において当該アセト乳酸合成酵素をコードする遺伝子を導入し、嫌気的条件下におけるピルビン酸からイソブタノールを生産する反応経路に用いた際に、野生型酵素と比較して、向上した乾燥菌体重量あたりのイソブタノール生産量を示すものである。
すなわち、本発明のアセト乳酸合成酵素は一実施の形態において、下記タンパク質からなるアセト乳酸合成酵素を含む:
(3)’配列番号1、9、または、13で表されるアミノ酸配列において1又は複数個のアミノ酸が欠失、置換、若しくは付加されたアミノ酸配列からなるタンパク質であって、かつ、ピルビン酸からイソブタノールを生産する反応経路を有する組換え大腸菌において当該タンパク質をコードする遺伝子を導入した際に、野生型酵素と比較して、向上した乾燥菌体重量あたりのイソブタノール生産量を示すタンパク質
In a preferred embodiment of the acetolactate synthase according to the present invention, a gene encoding the acetolactate synthase is introduced into recombinant Escherichia coli having a reaction pathway that produces isobutanol from pyruvate, and pyruvate is produced under anaerobic conditions. When used in a reaction pathway that produces isobutanol from acid, it shows improved isobutanol production per dry cell weight compared to the wild-type enzyme.
That is, in one embodiment, the acetolactate synthase of the present invention comprises an acetolactate synthase comprising the following proteins:
(3) 'A protein consisting of an amino acid sequence in which one or more amino acids are deleted, substituted, or added in the amino acid sequence represented by SEQ ID NO: 1, 9, or 13, and from pyruvic acid A protein that shows improved isobutanol production per dry cell weight compared to the wild-type enzyme when a gene encoding the protein is introduced into a recombinant Escherichia coli having a reaction pathway that produces isobutanol.

宿主細胞においてピルビン酸からイソブタノールを生産する反応経路を構築するには、アセト乳酸合成酵素遺伝子に加えて、アセト乳酸還元酵素遺伝子、イソ吉草酸変換酵素遺伝子、2-ケト酸脱炭酸酵素遺伝子、アルコール脱水素酵素遺伝子を宿主細胞に導入すればよい。このようなピルビン酸からイソブタノール生産のための形質転換体の作製方法は公知であり、本願明細書の開示および特許第5276986号公報などを参照して実施することができる。
アセト乳酸合成酵素をイソブタノール生産の反応経路に用いた際の乾燥菌体重量あたりのイソブタノール生産量の評価は、例えば、実施例7(嫌気的条下でのイソブタノール生産)に記載の方法に準じて行うことができる。
In order to construct a reaction pathway for producing isobutanol from pyruvate in a host cell, in addition to the acetolactate synthase gene, an acetolactate reductase gene, an isovaleric acid convertase gene, a 2-ketoacid decarboxylase gene, An alcohol dehydrogenase gene may be introduced into a host cell. Such a method for producing a transformant for isobutanol production from pyruvic acid is known, and can be carried out with reference to the disclosure of the present specification, Japanese Patent No. 5276986, and the like.
Evaluation of the amount of isobutanol produced per dry cell weight when acetolactate synthase is used in the reaction pathway for isobutanol production is, for example, the method described in Example 7 (isobutanol production under anaerobic conditions). can be done according to

本発明に係るアセト乳酸合成酵素の好ましい実施の形態は、ピルビン酸からイソブタノールを生産する反応経路を有する組換え大腸菌において当該アセト乳酸合成酵素をコードする遺伝子を導入し、好気的条件下におけるピルビン酸からイソブタノールを生産する反応経路に用いた際に、野生型酵素と比較して、向上した乾燥菌体重量あたりのイソブタノール生産量を示すものである。 In a preferred embodiment of the acetolactate synthase according to the present invention, a gene encoding the acetolactate synthase is introduced into recombinant Escherichia coli having a reaction pathway that produces isobutanol from pyruvate, and When used in a reaction pathway that produces isobutanol from pyruvate, it shows an improved isobutanol production amount per dry cell weight compared to the wild-type enzyme.

本発明は別の態様において、上記に記載のアセト乳酸合成酵素のいずれかをコードするポリヌクレオチドを提供する。本発明に係るポリヌクレオチドの一実施の形態は、配列番号2、6、10、14、または、18で表されるDNA配列からなるポリヌクレオチドを含む。好ましい実施の形態において、本発明に係るポリヌクレオチドは配列番号2、10、または、14で表されるDNA配列からなるポリヌクレオチドである。配列番号2、6、10、14、または、18で表されるDNA配列からなるポリヌクレオチドは、それぞれ配列番号1、5、9、13、または、17で表されるアミノ酸配列からなるタンパク質をコードする。本発明に係るポリヌクレオチドは、上記の例に限定されず、導入する宿主細胞により適宜好ましい最適コドンを有するポリヌクレオチドとして提供することができる。 In another aspect, the invention provides a polynucleotide encoding any of the acetolactate synthases described above. One embodiment of a polynucleotide according to the present invention comprises a polynucleotide consisting of a DNA sequence represented by SEQ ID NO:2, 6, 10, 14 or 18. In preferred embodiments, the polynucleotide according to the present invention is a polynucleotide consisting of the DNA sequence represented by SEQ ID NO:2, 10 or 14. A polynucleotide consisting of a DNA sequence represented by SEQ ID NO: 2, 6, 10, 14, or 18 encodes a protein consisting of an amino acid sequence represented by SEQ ID NO: 1, 5, 9, 13, or 17, respectively. do. Polynucleotides according to the present invention are not limited to the above examples, and can be provided as polynucleotides having optimal codons that are appropriately preferred by host cells into which they are introduced.

本発明は別の態様において、上記本発明のアセト乳酸合成酵素をコードするポリヌクレオチドを組込んだベクターを提供する。当該ベクターは本発明に係るアセト乳酸合成酵素を発現可能なように当該ポリヌクレオチドを含む。ベクターおよびその構成は、アセト乳酸合成酵素を発現させる条件(例えば、宿主細胞の種類)に応じて適宜好ましい公知のベクターを採用することができる。
また本発明のアセト乳酸合成酵素をコードするポリヌクレオチドを組込んだベクターは、さらにアセト乳酸還元酵素遺伝子、イソ吉草酸変換酵素遺伝子、2-ケト酸脱炭酸酵素遺伝子、および、アルコール脱水素酵素遺伝子からなる群より選択される1つまたは複数の遺伝子をコードするポリヌクレオチドを含んでいても良い。
In another aspect, the present invention provides a vector incorporating a polynucleotide encoding the acetolactate synthase of the present invention. The vector contains the polynucleotide so as to express the acetolactate synthase according to the present invention. As for the vector and its construction, a well-known vector suitable for expressing the acetolactate synthase (for example, the type of host cell) can be employed.
A vector incorporating a polynucleotide encoding the acetolactate synthase of the present invention further includes an acetolactate reductase gene, an isovaleric acid convertase gene, a 2-ketoacid decarboxylase gene, and an alcohol dehydrogenase gene. It may contain a polynucleotide encoding one or more genes selected from the group consisting of

本発明は別の態様において、上記ベクターにより形質転換されていることを特徴とする形質転換体を提供する。
イソブタノール生成のための宿主細胞としては、アセト乳酸合成酵素を発現可能な細胞であれば限定されず、例えば、酵母(Saccharomyces cerevisiae)、コリネ型細菌(Corynebacterium glutamicum)、枯草菌(Bacillus subtilis)、シアノバクテリア、クロストリジウム属(Clostridium thermocellum、Clostridium cellulotycum)、ラルストニア属(Ralstonia eutropha)、ジオバチラス属(Geobacillus thermoglucosidasius)、ヒドロゲノフィラス属(Hydrogenophilus thermoluteolus)等を挙げることができる。
本発明のベクターを宿主細胞に導入して形質転換体を得る方法は公知であり、エレクトロポレーションなど適宜好ましい手法を採用することができる。
In another aspect, the present invention provides a transformant characterized by being transformed with the above vector.
Host cells for isobutanol production are not limited as long as they are cells capable of expressing acetolactate synthase. Cyanobacteria, Clostridium thermocellum, Clostridium cellulotycum, Ralstonia eutropha, Geobacillus thermoglucosidasius, Hydrogenophilus ther and the like can be mentioned.
Methods for obtaining transformants by introducing the vector of the present invention into host cells are known, and suitable methods such as electroporation can be employed as appropriate.

本発明の形質転換体の一実施の形態は、アセト乳酸合成酵素の発現に加えて、さらにアセト乳酸還元酵素、イソ吉草酸変換酵素、2-ケト酸脱炭酸酵素、および、アルコール脱水素酵素を発現するように形質転換されている。上記5つの酵素をコードする遺伝子は、一つまたは複数のベクターを用いて宿主細胞に導入することができる。 In one embodiment of the transformant of the present invention, in addition to expressing acetolactate synthase, acetolactate reductase, isovaleric acid converting enzyme, 2-ketoacid decarboxylase, and alcohol dehydrogenase are further expressed. Transformed to express Genes encoding the above five enzymes can be introduced into host cells using one or more vectors.

また本発明は別の態様として、本発明に係る形質転換体を培養することを特徴とする、イソブタノールの製造方法を提供する。
培養に用いる培地としては、グルコース等の炭素源を含む通常の培地を用いることができる。
培養の温度は8~47℃とすることができ、培養時間は12~120時間とすることができる。培養は振とう培養が好ましく、振とうの条件は100~300rpmとすることができる。また、培養は嫌気的条件で行うこともできるし、好気的条件で行うこともできる。
本発明に係るイソブタノールの製造方法は、好ましい一実施の形態において、好気的条件下で、アセト乳酸合成酵素を発現可能な形質転換体を培養する工程を含む。
本明細書における好気的条件は、羽根付フラスコ、振とうフラスコ、ジャーファーメンターなどを用いることで攪拌中に多量の空気を培養液中に巻き込み通気効率を顕著に向上させることにより達成される。このとき、振とう条件は100~300rpmとすることが好ましい。また、羽根付フラスコとしては例えばSIBATA製016310-500A、IWAKI製4551FK500R等を用いることができる。
In another aspect, the present invention provides a method for producing isobutanol, which comprises culturing the transformant of the present invention.
Usual media containing a carbon source such as glucose can be used as the culture medium.
The culture temperature can be 8-47° C., and the culture time can be 12-120 hours. Shaking culture is preferable for culture, and the shaking condition can be 100 to 300 rpm. Also, the culture can be performed under anaerobic conditions or under aerobic conditions.
In a preferred embodiment, the method for producing isobutanol according to the present invention includes a step of culturing a transformant capable of expressing acetolactate synthase under aerobic conditions.
The aerobic conditions herein are achieved by using a feathered flask, shake flask, jar fermenter, or the like to entrain a large amount of air into the culture solution during stirring, thereby significantly improving the aeration efficiency. . At this time, the shaking condition is preferably 100 to 300 rpm. Also, as the flask with feathers, for example, 016310-500A manufactured by SIBATA, 4551FK500R manufactured by IWAKI, etc. can be used.

以下、実施例により本発明を更に具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に制限されるものではない。 EXAMPLES The present invention will be described in more detail with reference to examples below, but the present invention is not limited to the following examples.

(実施例1)
大腸菌内にピルビン酸をイソブタノールに変換する反応経路を構築するため、データベースから、5酵素(アセト乳酸合成酵素(Bacillus subtilis由来)、アセト乳酸還元酵素(Escherichia coli由来)、イソ吉草酸変換酵素(Escherichia coli由来)、2-ケト酸脱炭酸酵素(Lactococcus lactis由来)、アルコール脱水素酵素(Saccharomyces cerevisiae由来))をコードする遺伝子の配列情報をそれぞれ取得した(配列番号23、25、27、または、29に示す塩基配列;また対応するアミノ酸配列を配列番号24、26、28、30として示す)。得られた配列情報を、サーモフィッシャーのHPで大腸菌に適したコドン配列になるように設計し、コドン最適化した塩基配列の遺伝子をそれぞれ全合成した(アセト乳酸合成酵素遺伝子含有プラスミド:pMA-T/alsS、アセト乳酸還元酵素遺伝子およびイソ吉草酸変換酵素遺伝子含有プラスミド:pMK-RQ/ilvCD、2-ケト酸脱炭酸酵素遺伝子含有プラスミド:pMA-T/kivd、アルコール脱水素酵素遺伝子含有プラスミド:pMA-T/ADH2)。アセト乳酸合成酵素遺伝子alsSおよび2-ケト酸脱炭酸酵素遺伝子kivdは、制限酵素NcoIおよびBamHIで切り出し、アセト乳酸還元酵素遺伝子およびイソ吉草酸変換酵素遺伝子ilvCDならびにアルコール脱水素酵素遺伝子ADH2は、制限酵素NdeIおよびXhoIで切り出した。得られたアセト乳酸合成酵素遺伝子、ならびに、アセト乳酸還元酵素遺伝子およびイソ吉草酸変換酵素遺伝子は大腸菌用発現ベクターpCDFDuet-1に挿入し、2-ケト酸脱炭酸酵素遺伝子およびアルコール脱水素酵素遺伝子は大腸菌用発現ベクターpCOLADuet-1に挿入し、図1に記載のプラスミド(pCDFDuet-1/alsS-ilvCD、pCOLADuet-1/kivd-ADH2)を作製した。
(Example 1)
In order to construct a reaction pathway that converts pyruvate to isobutanol in E. coli, five enzymes (acetolactate synthase (derived from Bacillus subtilis), acetolactate reductase (derived from Escherichia coli), isovaleric acid converting enzyme ( (derived from Escherichia coli), 2-keto acid decarboxylase (derived from Lactococcus lactis), and alcohol dehydrogenase (derived from Saccharomyces cerevisiae)) were obtained (SEQ ID NOS: 23, 25, 27, or 29; and the corresponding amino acid sequences are shown as SEQ ID NOs: 24, 26, 28 and 30). The obtained sequence information was designed to have a codon sequence suitable for Escherichia coli on the HP of Thermo Fisher, and genes with codon-optimized base sequences were synthesized respectively (acetolactate synthase gene-containing plasmid: pMA-T /alsS, plasmid containing acetolactate reductase gene and isovaleric acid converting enzyme gene: pMK-RQ/ilvCD, plasmid containing 2-keto acid decarboxylase gene: pMA-T/kivd, plasmid containing alcohol dehydrogenase gene: pMA -T/ADH2). The acetolactate synthase gene alsS and the 2-ketoacid decarboxylase gene kivd were excised with the restriction enzymes NcoI and BamHI, and the acetolactate reductase gene and isovaleric acid converting enzyme gene ilvCD and the alcohol dehydrogenase gene ADH2 were cut with the restriction enzymes NcoI and BamHI. Excised with NdeI and XhoI. The resulting acetolactate synthase gene, acetolactate reductase gene and isovaleric acid converting enzyme gene were inserted into the E. coli expression vector pCDFDuet-1, and the 2-keto acid decarboxylase gene and alcohol dehydrogenase gene were It was inserted into the E. coli expression vector pCOLADuet-1 to prepare the plasmids shown in FIG. 1 (pCDFDuet-1/alsS-ilvCD, pCOLADuet-1/kivd-ADH2).

(実施例2)
実施例1に記載の遺伝子のうち、アセト乳酸合成酵素遺伝子について、Rosetta(ソフトウェア)を用いて変異型酵素の設計を行った。具体的には、まず、Spartan’18(ソフトウェア)を使って、基質の化学構造を分子力学法に基づいて、基質分子の可動範囲を計算した。次に、プロテインデータバンク(PDB)に登録されている当該酵素の結晶構造(PDB ID:4RJK)と計算した基質分子を用いて、酵素-基質複合体が最も安定になる状態を、Rosettaによるドッキングシミュレーションで計算した。この場合、安定とは、Rosetta独自のエネルギー関数に基づく、酵素と基質の結合エネルギー及び複合体全体の安定性を示す全体構造のエネルギーが低くなる状態のことをいう。尚、計算するドッキングモデルは2000個とした。得られた2000モデルの安定性、すなわち酵素と基質の結合エネルギー及び複合体全体の安定性を示す全体構造のエネルギーを、Jupyter Notebook(ソフトウェア)を使って順位付けし、上位10個の酵素-基質複合体モデルを抽出した。さらに、分子モデリング表示ソフトウェアを用いて、酵素と基質の結合距離および結合角から理想的な触媒構造を形成する1個のベストモデルに絞り込んだ。
(Example 2)
Among the genes described in Example 1, for the acetolactate synthase gene, a mutant enzyme was designed using Rosetta (software). Specifically, first, using Spartan'18 (software), the movable range of the substrate molecule was calculated based on the molecular mechanics method for the chemical structure of the substrate. Next, using the crystal structure of the enzyme (PDB ID: 4RJK) registered in the Protein Data Bank (PDB) and the calculated substrate molecule, the most stable state of the enzyme-substrate complex is docked by Rosetta. Calculated by simulation. In this case, the term "stable" refers to a state in which the energy of the entire structure indicating the binding energy between the enzyme and the substrate and the stability of the entire complex is low, based on Rosetta's unique energy function. 2000 docking models were calculated. The resulting 2000 model stabilities, i.e., enzyme-substrate binding energies and overall structure energies indicative of overall complex stability, were ranked using Jupyter Notebook (software) and the top 10 enzyme-substrate A complex model was extracted. Furthermore, using molecular modeling display software, we narrowed down to one best model that forms an ideal catalytic structure from the bond distance and bond angle between the enzyme and the substrate.

Rosettaを用いて、理想的な1個のベストモデルにおいて、残基との距離が9Å以内になる触媒アミノ酸残基に対して、全種類のアミノ酸(20種類)で置換した場合の安定性を総当たりで計算した。その際、計算するドッキングモデルは1000個とした。ここでさらに安定性の指標として触媒構造の制約エネルギーを追加し、Jupyter Notebookを使って順位付けし、変異箇所の候補となる上位10個の酵素-基質複合体モデルを抽出した。5個同時に変異させるのがベストとの解が出ている。 Using Rosetta, in one ideal best model, the total stability when all types of amino acids (20 types) are substituted for catalytic amino acid residues whose distance from the residue is within 9 Å Calculated per hit. At that time, 1000 docking models were calculated. Here, we added the constraint energy of the catalyst structure as an indicator of stability, ranked them using Jupyter Notebook, and extracted the top 10 enzyme-substrate complex models that are candidates for mutation sites. A solution has emerged that it is best to mutate five at the same time.

変異体1は、40番目のリジンをトリプトファンに置換した変異体(配列番号1)であり、pMA-T/alsSを鋳型として、2種類のオリゴヌクレオチド(配列番号3および4)をプライマーとして使用したPCRで増幅し、配列置換を導入したものである(配列番号2)。変異体2は、42番目のアスパラギン酸をトリプトファンに置換した変異体(配列番号5)であり、pMA-T/alsSを鋳型として、2種類のオリゴヌクレオチド(配列番号7および8)をプライマーとして使用したPCRで増幅し、配列置換を導入したものである(配列番号6)。変異体3は、123番目のヒスチジンをロイシンに置換した変異体(配列番号9)であり、pMA-T/alsSを鋳型として、2種類のオリゴヌクレオチド(配列番号11および12)をプライマーとして使用したPCRで増幅し、配列置換を導入したものである(配列番号10)。変異体4は、267番目のフェニルアラニンをバリンに置換した変異体(配列番号13)であり、pMA-T/alsSを鋳型として、2種類のオリゴヌクレオチド(配列番号15および16)をプライマーとして使用したPCRで増幅し、配列置換を導入したものである(配列番号14)。変異体5は、497番目のグルタミンをロイシンに置換した変異体(配列番号17)であり、pMA-T/alsSを鋳型として、2種類のオリゴヌクレオチド(配列番号19および20)をプライマーとして使用したPCRで増幅し、配列置換を導入したものである(配列番号18)。 Mutant 1 is a mutant (SEQ ID NO: 1) in which lysine at position 40 is substituted with tryptophan, using pMA-T/alsS as a template and two types of oligonucleotides (SEQ ID NOS: 3 and 4) as primers. It was amplified by PCR and introduced a sequence substitution (SEQ ID NO: 2). Mutant 2 is a mutant (SEQ ID NO: 5) in which aspartic acid at position 42 is substituted with tryptophan, using pMA-T/alsS as a template and two types of oligonucleotides (SEQ ID NOS: 7 and 8) as primers. It was amplified by PCR and introduced a sequence substitution (SEQ ID NO: 6). Mutant 3 is a mutant (SEQ ID NO: 9) in which histidine at position 123 is substituted with leucine, using pMA-T/alsS as a template and two oligonucleotides (SEQ ID NOS: 11 and 12) as primers. It was amplified by PCR and introduced a sequence substitution (SEQ ID NO: 10). Mutant 4 is a mutant (SEQ ID NO: 13) in which phenylalanine at position 267 is substituted with valine, using pMA-T/alsS as a template and two oligonucleotides (SEQ ID NOS: 15 and 16) as primers. It was amplified by PCR and introduced a sequence substitution (SEQ ID NO: 14). Mutant 5 is a mutant (SEQ ID NO: 17) in which glutamine at position 497 is substituted with leucine, using pMA-T/alsS as a template and two types of oligonucleotides (SEQ ID NOS: 19 and 20) as primers. It was amplified by PCR and introduced a sequence substitution (SEQ ID NO: 18).

(実施例3)
野生型(配列番号22)または変異型1-5のalsS遺伝子(配列番号2、6、10、14、または、18)を配した酵素発現用プラスミドをもつ組換え大腸菌を20g/Lラクトースを含むLB培地で培養し、得られた菌体をソニケーションで破砕して粗抽出液を調製した。得られた粗抽出液をニッケルカラムに供し、各変異型酵素の精製標品を調製した(図2)。
(Example 3)
Recombinant E. coli carrying an enzyme expression plasmid containing the wild-type (SEQ ID NO: 22) or mutant 1-5 alsS gene (SEQ ID NO: 2, 6, 10, 14, or 18) was incubated with 20 g/L lactose. After culturing in LB medium, the resulting cells were disrupted by sonication to prepare a crude extract. The resulting crude extract was applied to a nickel column to prepare a purified sample of each mutant enzyme (Fig. 2).

(実施例4)
各アセト乳酸合成酵素の活性を下記のようにして測定した。10mMMOPS(pH7.0)、1mM塩化マグネシウム、0.1mMチアミンピロリン酸、および10mMピルビン酸を含む反応液中に50μgの酵素精製標品を加え、37℃で10分間反応させたのち、1mLの50%(v/v)硫酸を添加し、37℃で25分間反応させ、4℃で20,000×gで5分間遠心し、上清に0.5mLの2M水酸化ナトリウム、1mLの5g/Lクレアチン、および1mLの50g/Lα-ナフトールを加え、37℃で10分間反応させたのち、分光光度計で530nmの吸光度を測定した。1Uは、1分間に1μmolのピルビン酸をアセト乳酸に変換できる酵素量と定義する。タンパク質量は、Qubit Protein Assay Kitで測定した。各酵素の精製標品を用いて37℃条件下で活性測定を行った結果、変異導入前の野生型酵素の活性は2.40U/mg、変異体1の活性は0.06U/mg、変異体2の活性は0.35U/mg、変異体3の活性は0.05U/mg、変異体4の活性は1.07U/mg、変異体5の活性は0.83U/mgであった。また、30℃条件下で活性測定を行った結果、野生型酵素の活性は1.75U/mg、変異体1の活性は0.05U/mg、変異体2の活性は0.32U/mg、変異体3の活性は0.04U/mg、変異体4の活性は1.04U/mg、変異体5の活性は0.80U/mgであった。
(Example 4)
The activity of each acetolactate synthase was measured as follows. 50 μg of the purified enzyme preparation was added to a reaction solution containing 10 mM MOPS (pH 7.0), 1 mM magnesium chloride, 0.1 mM thiamine pyrophosphate, and 10 mM pyruvic acid, and reacted at 37° C. for 10 minutes. % (v/v) sulfuric acid, reacted at 37° C. for 25 minutes, centrifuged at 20,000×g at 4° C. for 5 minutes, added 0.5 mL of 2 M sodium hydroxide, 1 mL of 5 g/L to the supernatant. Creatine and 1 mL of 50 g/L α-naphthol were added, reacted at 37° C. for 10 minutes, and then absorbance at 530 nm was measured with a spectrophotometer. 1 U is defined as the amount of enzyme that can convert 1 μmol of pyruvate to acetolactate per minute. Protein amounts were measured with the Qubit Protein Assay Kit. As a result of activity measurement under 37 ° C conditions using purified preparations of each enzyme, the activity of the wild-type enzyme before the introduction of mutation was 2.40 U / mg, the activity of mutant 1 was 0.06 U / mg, the mutation The activity of form 2 was 0.35 U/mg, the activity of variant 3 was 0.05 U/mg, the activity of variant 4 was 1.07 U/mg, and the activity of variant 5 was 0.83 U/mg. In addition, as a result of activity measurement under 30 ° C. conditions, the activity of the wild-type enzyme is 1.75 U / mg, the activity of mutant 1 is 0.05 U / mg, the activity of mutant 2 is 0.32 U / mg, Mutant 3 had an activity of 0.04 U/mg, Mutant 4 had an activity of 1.04 U/mg, and Mutant 5 had an activity of 0.80 U/mg.

(実施例5)
図1に記載のプラスミドであって、アセト乳酸合成酵素遺伝子として野生型(配列番号22)または変異型1-5のalsS遺伝子(配列番号2、6、10、14、または、18)を有するプラスミドを構築した。各プラスミドをエレクトロポレーションでDE3化処理した大腸菌内に導入して遺伝子組換え大腸菌を作製した。組換え大腸菌を、酵母エキス20g/L、グルコース50g/Lを含むM9最少培地で、羽根付フラスコを使って30℃、48時間、180rpmで振とう培養した。羽根付フラスコを用いることで、攪拌中に空気が培養液中に巻き込まれやすくなり、通常のフラスコよりも好気的な条件になる。菌体量はOD600の値を乾燥菌体重量に換算して示す。グルコース、酢酸、イソブタノールは、HPLC法で定量した。その結果、野生型酵素と比較して、変異体3および4は培養30時間及び48時間のイソブタノール生産量が高くなることが分かった(図3)。また変異体3は、培養24時間でも野生型によるイソブタノール生産量を上回った。さらに、乾燥菌体重量あたりのイソブタノール生産量を比較すると、変異体3と4は24,30,48時間培養のいずれにおいても、野生型のイソブタノール生産量を上回っていることが分かった(図3)。すなわち、変異型3および4を大腸菌に導入することで、細胞あたりのイソブタノール生産量が向上していることが分かった。
(Example 5)
The plasmid described in FIG. 1, which has a wild-type (SEQ ID NO: 22) or mutant 1-5 alsS gene (SEQ ID NOS: 2, 6, 10, 14, or 18) as an acetolactate synthase gene. built. Each plasmid was introduced into DE3-treated E. coli by electroporation to prepare genetically modified E. coli. The recombinant E. coli was cultured in M9 minimal medium containing 20 g/L of yeast extract and 50 g/L of glucose using a feather flask at 30° C. for 48 hours with shaking at 180 rpm. By using a flask with a feather, air is easily entrained in the culture medium during stirring, resulting in more aerobic conditions than in a normal flask. The amount of cells is shown by converting the OD600 value into the dry cell weight. Glucose, acetic acid and isobutanol were quantified by the HPLC method. As a result, mutants 3 and 4 showed higher isobutanol production during 30 and 48 hours of culture compared to the wild-type enzyme (Fig. 3). Mutant 3 also produced more isobutanol than the wild type even after 24 hours of culture. Furthermore, when comparing the isobutanol production per dry cell weight, it was found that mutants 3 and 4 exceeded the wild-type isobutanol production in all of the 24, 30, and 48 hour cultures ( Figure 3). That is, it was found that the isobutanol production per cell was improved by introducing the mutants 3 and 4 into E. coli.

(実施例6)
実施例5で作製した各組換え大腸菌を、酵母エキス20g/L、グルコース50g/Lを含むM9最少培地で、スクリューキャップフラスコを使って30℃、48時間、100rpmで振とう培養した。スクリューキャップフラスコを用いることで、外部からの酸素供給が遮断され、通常のフラスコよりも嫌気的な条件になる。菌体量はOD600の値を乾燥菌体重量に換算して示す。グルコース、酢酸、イソブタノールは、HPLC法で定量した。その結果、野生型酵素と比較して、変異体1、3、および4は、培養21時間、24時間、30時間、48時間のイソブタノール生産量が高くなることが分かった(図4)。また、変異体3および4は、48時間でも野生型によるイソブタノール生産量を上回った。さらに、乾燥菌体重量あたりのイソブタノール生産量を比較すると、変異体1、3、および4は21、24、30時間培養のいずれにおいても野生型のイソブタノール生産量を上回っていることが分かった(図4)。また、変異体3および4は48時間培養においても野生型のイソブタノール生産量を上回った。すなわち、変異型1、3、および4を大腸菌に導入することで、細胞あたりのイソブタノール生産量が向上していることが分かった。
(Example 6)
Each recombinant E. coli prepared in Example 5 was cultured in M9 minimal medium containing 20 g/L of yeast extract and 50 g/L of glucose using a screw cap flask at 30° C. for 48 hours with shaking at 100 rpm. By using a screw cap flask, oxygen supply from the outside is cut off, and the conditions are more anaerobic than in a normal flask. The amount of cells is shown by converting the OD600 value into the dry cell weight. Glucose, acetic acid and isobutanol were quantified by the HPLC method. As a result, mutants 1, 3, and 4 showed higher isobutanol production during 21, 24, 30, and 48 hours of culture compared to the wild-type enzyme (Fig. 4). Mutants 3 and 4 also exceeded wild-type isobutanol production at 48 hours. Furthermore, when comparing the isobutanol production per dry cell weight, it was found that mutants 1, 3, and 4 exceeded the wild-type isobutanol production in any of 21, 24, and 30 hours of culture. (Fig. 4). Mutants 3 and 4 also produced more isobutanol than the wild type in 48-hour culture. That is, it was found that introduction of mutants 1, 3, and 4 into E. coli improved the isobutanol production per cell.

本発明の変異型酵素はピルビン酸をアセト乳酸に不可逆的に変換する反応を変化させているため、大腸菌等の生物においてピルビン酸を細胞合成や各種物質生産に使用する通常の流れも変化し、その結果、グルコース等で培養した菌体中でアセト乳酸の合成に向かう経路にも変化が生じ、イソブタノール生産を向上させることができる。 Since the mutant enzyme of the present invention changes the reaction that irreversibly converts pyruvate to acetolactate, the normal flow of using pyruvate for cell synthesis and production of various substances in organisms such as E. coli also changes. As a result, the pathway toward the synthesis of acetolactate is also changed in the cells cultured with glucose or the like, and isobutanol production can be improved.

Claims (6)

下記(1)~(3)のいずれかに示されるいずれかのタンパク質であるアセト乳酸合成酵素:
(1)配列番号1、9、または、13で表されるアミノ酸配列からなるタンパク質
(2)(1)に記載のタンパク質において、40番目リジンのトリプトファンへの置換、42番目アスパラギン酸のトリプトファンへの置換、123番目ヒスチジンのロイシンへの置換、267番目フェニルアラニンのバリンへの置換、497番目グルタミンのロイシンへの置換からなる群より選択される少なくとも1つの変異を有するタンパク質
(3)配列番号1、9、または、13で表されるアミノ酸配列と配列同一性が90%以上のアミノ酸配列からなるタンパク質であって、かつ、ピルビン酸をアセト乳酸に変換する活性を有するタンパク質
Acetolactate synthase, which is any protein shown in any of the following (1) to (3):
(1) A protein consisting of an amino acid sequence represented by SEQ ID NO: 1, 9, or 13 (2) In the protein described in (1), substitution of lysine at position 40 with tryptophan and substitution of aspartic acid at position 42 with tryptophan substitution, histidine at position 123 to leucine, phenylalanine at position 267 to valine, and glutamine at position 497 to leucine (3) SEQ ID NOs: 1 and 9 , or a protein consisting of an amino acid sequence having a sequence identity of 90% or more with the amino acid sequence represented by 13, and having the activity of converting pyruvate to acetolactate
請求項1に記載のアセト乳酸合成酵素のいずれかをコードするポリヌクレオチド。 A polynucleotide encoding any of the acetolactate synthase according to claim 1 . 請求項2に記載のポリヌクレオチドを組込んだベクター。 A vector incorporating the polynucleotide of claim 2 . 請求項3に記載のベクターにより形質転換されていることを特徴とする形質転換体。 A transformant characterized by being transformed with the vector according to claim 3 . 請求項4に記載の形質転換体であって、さらにイソ吉草酸変換酵素、2-ケト酸脱炭酸酵素、アルコール脱水素酵素を発現するように形質転換されている、形質転換体。 5. The transformant according to claim 4, which is transformed to express isovaleric acid converting enzyme, 2-ketoacid decarboxylase and alcohol dehydrogenase. 請求項4または5に記載の形質転換体を培養する工程を含む、イソブタノールの製造方法。 A method for producing isobutanol, comprising a step of culturing the transformant according to claim 4 or 5.
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