JP2024109093A - Acetovanillone converting enzyme gene and production of useful substances using the same - Google Patents
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Landscapes
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Abstract
【課題】本発明の目的は、スフィンゴビウム・スピーシーズSYK-6株が保有するアセトバニロン変換酵素遺伝子群と比べて、より少ない遺伝子から構成され、かつ高効率でアセトバニロンからバニリン酸へ変換することができる遺伝子群及び該遺伝子群を保有する微生物、並びにこれらを利用したバニリン酸の製造方法を提供することにある。【解決手段】上記目的はアセトバニロンをα-ヒドロキシアセトバニロンへ変換する反応を触媒する活性を有する酵素のアミノ酸配列をコードするヌクレオチド配列を含む、acpA遺伝子及びacpB遺伝子並びにα-ヒドロキシアセトバニロンをバニリン酸へ変換する反応を触媒する活性を有する酵素のアミノ酸配列をコードするヌクレオチド配列を含む、acpC遺伝子、これらの遺伝子を保有する微生物及び形質転換微生物、並びにそれらを利用した製造方法などにより解決される。【選択図】図13B[Problem] An object of the present invention is to provide a gene cluster which is composed of fewer genes than the acetovanillone conversion enzyme gene cluster possessed by Sphingobium species SYK-6 and which is capable of converting acetovanillone to vanillic acid with high efficiency, a microorganism possessing said gene cluster, and a method for producing vanillic acid using them. [Solution] The above object is achieved by the acpA gene and acpB gene which contain a nucleotide sequence encoding the amino acid sequence of an enzyme having the activity of catalyzing the reaction of converting acetovanillone to α-hydroxyacetovanillone, the acpC gene which contains a nucleotide sequence encoding the amino acid sequence of an enzyme having the activity of catalyzing the reaction of converting α-hydroxyacetovanillone to vanillic acid, a microorganism and transformed microorganism possessing these genes, and a production method using them. [Selected Figure] Figure 13B
Description
特許法第30条第2項適用申請有り 第68回リグニン討論会リグニン学会第5回年次大会、2023年11月10日、発表資料 第68回リグニン討論会リグニン学会第5回年次大会講演集(オンライン)、表紙、目次、抄録、奥付、2023年11月6日公開Application for application of Article 30, Paragraph 2 of the Patent Act has been filed. 68th Lignin Symposium, 5th Annual Meeting of the Lignin Society, November 10, 2023, presentation materials. 68th Lignin Symposium, 5th Annual Meeting of the Lignin Society (online), cover, table of contents, abstract, colophon, published on November 6, 2023.
本発明は、アセトバニロンからバニリン酸中間体を経てバニリン酸へ変換する反応を触媒するアセトバニロン変換酵素及びそれを用いたバニリン酸等の有用物質の生産系に関する。 The present invention relates to an acetovanillone converting enzyme that catalyzes the reaction of converting acetovanillone to vanillic acid via a vanillic acid intermediate, and a production system for useful substances such as vanillic acid that uses the enzyme.
カーボンニュートラル社会の実現から、石油原料に代えて非可食バイオマスから機能性材料を製造することが求められている。その中で、非可食バイオマスを原料とした、セルロース誘導体及び脂肪族ポリマー原料の開発が進められている。しかし、これまでに、剛性、耐熱性などが満足できるポリマーはほとんど知られていない。 In order to realize a carbon-neutral society, there is a demand to produce functional materials from non-edible biomass instead of petroleum-based raw materials. As part of this, development of cellulose derivatives and aliphatic polymer raw materials using non-edible biomass as raw materials is progressing. However, to date, almost no polymers are known that have satisfactory rigidity, heat resistance, etc.
非可食バイオマスの一種にリグニンがある。リグニンは植物の維管束細胞壁成分として存在する無定形高分子物質であって、フェニルプロパン系の構成単位が複雑に縮合したものであり、メトキシ基を含有することが化学構造上の大きな特徴になっている。リグニンは木質化した植物細胞を相互に膠着し、組織を強化する働きをしており、木材中に約18%~36%、草本中には約15%~25%存在する。そこで、木材を有効利用するために、リグニンを分解し、有用化合物を得ようとする試みがなされている。木材などのバイオマスに由来するリグニンには、p-ヒドロキシフェニルリグニン(H型リグニン)、グアイアシルリグニン(G型リグニン)及びシリンギルリグニン(S型リグニン)の3種があることが知られている。 Lignin is one type of non-edible biomass. Lignin is an amorphous polymeric substance that exists as a component of the vascular cell walls of plants, and is a complex condensation of phenylpropane-based structural units. Its major chemical structural feature is that it contains a methoxy group. Lignin functions to bond woody plant cells together and strengthen the tissue, and is present in wood at about 18% to 36% and in herbaceous plants at about 15% to 25%. Therefore, in order to make effective use of wood, attempts have been made to decompose lignin and obtain useful compounds. It is known that there are three types of lignin derived from biomass such as wood: p -hydroxyphenyl lignin (H-type lignin), guaiacyl lignin (G-type lignin), and syringyl lignin (S-type lignin).
リグニンを分解して得られる化合物の中には、分子内に芳香環を有するモノマーとして使用できるものがある。このような芳香族モノマーを原料とするポリマーは、剛性、耐熱性などの機能性が優れたものになり得る。 Among the compounds obtained by decomposing lignin, there are some that can be used as monomers that have aromatic rings in the molecule. Polymers made from such aromatic monomers can have excellent functionality, such as rigidity and heat resistance.
リグニン由来の芳香族モノマーの候補物質の一つとして、バニリン酸がある。バニリン酸を重合してなるポリマーは融点が非常に高いという特徴がある。例えば、バニリン酸を修飾等して得たモノマーを原料として得られる高機能性ポリマーは、融点が高く、機能性が高いことが知られている。しかし、リグニンを分解してもバニリン酸をほとんど得ることができない。 One of the candidates for aromatic monomers derived from lignin is vanillic acid. Polymers obtained by polymerizing vanillic acid have a very high melting point. For example, highly functional polymers obtained from monomers obtained by modifying vanillic acid are known to have high melting points and high functionality. However, vanillic acid cannot be obtained at all by decomposing lignin.
リグニンを分解して得られる化合物の中に、アセトバニロンがある。アセトバニロンはリグニンの酸化分解によって生成する主要な芳香族単量体である。針葉樹、広葉樹、草本によらずに、いずれの植物系バイオマスからもアセトバニロンは生成する。例えば、工業レベルで行われている木材パルプ製造工程であるクラフト蒸解などの廃液(黒液)にもアセトバニロンは含まれている。そこで、アセトバニロンをバニリン酸へ変換することができれば、リグニンからのバニリン酸生産においてバニリン酸収率の向上や目的生産物の純度向上に繋がる。 Acetovanillone is one of the compounds obtained by decomposing lignin. Acetovanillone is the main aromatic monomer produced by the oxidative decomposition of lignin. Acetovanillone is produced from any plant biomass, regardless of whether it is coniferous, broadleaf, or herbaceous. For example, acetovanillone is also found in the waste liquid (black liquor) from kraft cooking, a wood pulp manufacturing process carried out at the industrial level. Therefore, if acetovanillone could be converted to vanillic acid, it would lead to an improvement in the yield of vanillic acid in the production of vanillic acid from lignin and an improvement in the purity of the target product.
例えば、アセトバニロンを資化する能力を有する微生物又はその酵素を用いれば、微生物学的又は生化学的にアセトバニロンをバニリン酸へ変換できる可能性がある。これまでに知られているアセトバニロン資化性の微生物としては、スフィンゴビウム・スピーシーズ(Sphingobium sp.) SYK-6株(例えば、非特許文献1及び2)、ロドコッカス・ロドクラウス(Rhodococcus rhodochrous) GD01株(例えば、非特許文献3)、ロドコッカス・ロドクラウス(Rhodococcus rhodochrous) GD02株(例えば、非特許文献3及び4)及びアルスロバクター・スピーシーズ(Arthrobacter sp.) TGJ4株(例えば、非特許文献5)がある。しかし、アセトバニロンの変換に関わる酵素メカニズムの詳細が明らかにされているのはスフィンゴビウム・スピーシーズ SYK-6株(以下、SYK-6株ともよぶ。)とロドコッカス・ロドクラウス GD02株(以下、GD02株ともよぶ。)のみである。 For example, by using a microorganism capable of assimilating acetovanillone or an enzyme thereof, it may be possible to microbiologically or biochemically convert acetovanillone into vanillic acid. Microorganisms capable of assimilating acetovanillone that have been known thus far include Sphingobium sp. SYK-6 strain (e.g., Non-Patent Documents 1 and 2), Rhodococcus rhodochrous GD01 strain (e.g., Non-Patent Documents 3 and 4), Rhodococcus rhodochrous GD02 strain (e.g., Non-Patent Documents 3 and 4), and Arthrobacter sp. TGJ4 strain (e.g., Non-Patent Document 5). However, the details of the enzymatic mechanism involved in the conversion of acetovanillone have only been clarified for Sphingobium species SYK-6 strain (hereinafter also referred to as SYK-6 strain) and Rhodococcus rhodochrous GD02 strain (hereinafter also referred to as GD02 strain).
SYK-6株は、acvA遺伝子、acvB遺伝子、acvC遺伝子、acvD遺伝子、acvE遺伝子及びacvF遺伝子の6遺伝子によりコードされる酵素システムにより、アセトバニロン及びアセトシリンゴンをそれぞれvanilloyl acetic acid及び3-(4-hydroxy-3,5-dimethoxyphenyl)-3-oxopropanoic acidへカルボキシル化することが知られている(例えば、非特許文献1)。また、SYK-6株は、vceA遺伝子及びvceB遺伝子の2遺伝子によりコードされる酵素システムにより、vanilloyl acetic acid及び3-(4-hydroxy-3,5-dimethoxyphenyl)-3-oxopropanoic acidをそれぞれバニリン酸及びシリンガ酸へ変換することができる(例えば、非特許文献2)。したがって、SYK-6株は、上記の合計8遺伝子からなるアセトバニロン変換酵素遺伝子群によりコードされる酵素システムにより、アセトバニロンからバニリン酸を生産できる。 The SYK-6 strain is known to carboxylate acetovanillone and acetosyringone to vanilloyl acetic acid and 3-(4-hydroxy-3,5-dimethoxyphenyl)-3-oxopropanoic acid, respectively, using an enzyme system encoded by six genes, namely, acvA gene, acvB gene , acvC gene , acvD gene, acvE gene, and acvF gene (e.g., Non-Patent Document 1). Furthermore, the SYK-6 strain can convert vanilloyl acetic acid and 3-(4-hydroxy-3,5-dimethoxyphenyl)-3-oxopropanoic acid to vanillic acid and syringic acid, respectively, by an enzyme system encoded by two genes, the vceA gene and the vceB gene (e.g., Non-Patent Document 2). Thus, the SYK-6 strain can produce vanillic acid from acetovanillone by the enzyme system encoded by the acetovanillone converting enzyme gene group consisting of a total of eight genes.
SYK-6株の上記8遺伝子を他の宿主微生物へ導入することにより、SYK-6株以外の微生物でアセトバニロンからバニリン酸を合成し得る。そのような宿主微生物として、シュードモナス・スピーシーズ(Pseudomonas sp.) NGC7株(寄託番号:NITE BP-03043;以下、NGC7株ともよぶ。)が挙げられる(例えば、特許文献1)。NGC7株は、リグニン由来の芳香族化合物であるp-ヒドロキシ安息香酸及びシリンガ酸を分解することができる。また、NGC7株は、バニレート O-デメチラーゼ遺伝子を保有することにより、バニリン酸を分解することができる。したがって、NGC7株を用いてバニリン酸を生産するには、染色体上にあるバニレート O-デメチラーゼ遺伝子を不活化する必要がある。 By introducing the above-mentioned eight genes of the SYK-6 strain into another host microorganism, vanillic acid can be synthesized from acetovanillone in a microorganism other than the SYK-6 strain. An example of such a host microorganism is the Pseudomonas sp. NGC7 strain (deposit number: NITE BP-03043; hereinafter, also referred to as the NGC7 strain) (for example, Patent Document 1). The NGC7 strain can degrade p -hydroxybenzoic acid and syringic acid, which are aromatic compounds derived from lignin. In addition, the NGC7 strain can degrade vanillic acid by possessing the vanillate O -demethylase gene. Therefore, in order to produce vanillic acid using the NGC7 strain, it is necessary to inactivate the vanillate O -demethylase gene on the chromosome.
そこで、本発明者らは、染色体上にあるバニレート O-デメチラーゼ遺伝子を不活化したNGC7株にSYK-6株の上記8遺伝子を導入し、得られた形質転換微生物によりアセトバニロンからバニリン酸を生産することを試みた(例えば、特許文献2を参照)。 Therefore, the present inventors attempted to introduce the above-mentioned eight genes of the SYK-6 strain into the NGC7 strain in which the vanillate O -demethylase gene on the chromosome had been inactivated, and to produce vanillic acid from acetovanillone using the resulting transformed microorganism (see, for example, Patent Document 2).
しかし、本発明者らが調べたところによれば、SYK-6株のアセトバニロン変換酵素遺伝子群を用いたアセトバニロンからのバニリン酸への変換反応は非常に遅いという問題がある。また、SYK-6株由来のバニリン酸蓄積株である非特許文献6に記載のSYK-6ΔligMΔdesA株は、バニリン酸を分解しないものの、バニリン酸のアナログであるシリンガ酸の分解能も失っており、メチオニン非存在下ではH型リグニン由来の芳香族化合物を炭素源として増殖できない。したがって、SYK-6株を用いてバニリン酸を製造しようとする場合、S型リグニンを多く含む広葉樹などを利用できず、使用できるバイオマスの種類が限られるという問題がある。 However, according to the inventors' investigations, there is a problem in that the conversion reaction from acetovanillone to vanillic acid using the acetovanillone converting enzyme gene group of the SYK-6 strain is very slow. In addition, the SYK-6ΔligMΔdesA strain described in Non-Patent Document 6, which is a vanillic acid accumulating strain derived from the SYK-6 strain, does not decompose vanillic acid, but has lost the ability to decompose syringic acid, an analog of vanillic acid, and cannot grow using aromatic compounds derived from H-type lignin as a carbon source in the absence of methionine. Therefore, when trying to produce vanillic acid using the SYK-6 strain, broad-leaved trees containing a large amount of S-type lignin cannot be used, and the type of biomass that can be used is limited.
特許文献2に記載のバニレート O-デメチラーゼ遺伝子を不活化し、かつSYK-6株のアセトバニロン酵素遺伝子群を導入してなる形質転換NGC7株は、アセトバニロンからバニリン酸を生産することができる。得られた形質転換NGC7株は、NGC7株の資化性を継続し、シリンガ酸を分解することができ、H型リグニン由来の芳香族化合物を炭素源として増殖できる。 The transformed NGC7 strain, which is obtained by inactivating the vanillate O -demethylase gene described in Patent Document 2 and introducing the acetovanillone enzyme gene group of the SYK-6 strain, can produce vanillic acid from acetovanillone. The transformed NGC7 strain thus obtained maintains the assimilation properties of the NGC7 strain, can decompose syringic acid, and can grow using aromatic compounds derived from H-type lignin as a carbon source.
しかし、上記形質転換NGC7株は、SYK-6株のアセトバニロン変換酵素遺伝子群がコードする酵素の活性が低いために、アセトバニロンからのバニリン酸への変換反応は依然として遅い。さらに、SYK-6株のアセトバニロン酵素遺伝子群は8遺伝子という多くの遺伝子からなり、該アセトバニロン酵素遺伝子群を用いて他の微生物を形質転換することは、手間がかかり、複雑であるという問題がある。 However, in the above-mentioned transformed NGC7 strain, the activity of the enzymes encoded by the acetovanillone conversion enzyme gene group of the SYK-6 strain is low, so the conversion reaction from acetovanillone to vanillic acid is still slow. Furthermore, the acetovanillone enzyme gene group of the SYK-6 strain is composed of as many as eight genes, and there is a problem that transforming other microorganisms with this acetovanillone enzyme gene group is time-consuming and complicated.
また、これまでに、SYK-6株が保有するアセトバニロン変換酵素遺伝子群と比べて、より少ない遺伝子数により、高効率でアセトバニロンからバニリン酸へ変換することができる遺伝子群及び該遺伝子群を保有する微生物は知られていない。 In addition, to date, no gene group capable of converting acetovanillone to vanillic acid with a smaller number of genes than the acetovanillone conversion enzyme gene group possessed by the SYK-6 strain has been known, nor has any microorganism possessing such a gene group been known.
そこで、本発明は、スフィンゴビウム・スピーシーズ SYK-6株が保有するアセトバニロン変換酵素遺伝子群と比べて、より少ない遺伝子から構成され、かつ高効率でアセトバニロンからバニリン酸へ変換することができる遺伝子群及び該遺伝子群を保有する微生物、並びにこれらを利用したアセトバニロンからのバニリン酸の製造方法を提供することを、発明が解決しようとする課題とする。 The problem that the present invention aims to solve is to provide a gene group that is composed of fewer genes than the acetovanillone conversion enzyme gene group possessed by Sphingobium species SYK-6 strain and that can convert acetovanillone to vanillic acid with high efficiency, a microorganism that possesses the gene group, and a method for producing vanillic acid from acetovanillone using the same.
本発明者らは、上記課題の解決を試みるために、日本全国の土壌を採取して、アセトバニロンを資化する可能性がある微生物を単離することについて鋭意検討した。その結果、アセトバニロンを単一炭素源として増殖することができるシュードモナス属微生物の数株を得て、このうち増殖性の良かった株を選択及び単離することに成功した。 In an attempt to solve the above problems, the present inventors collected soil samples from all over Japan and conducted extensive research into isolating microorganisms that have the potential to assimilate acetovanillone. As a result, they obtained several strains of Pseudomonas microorganisms that can grow using acetovanillone as the sole carbon source, and among these they succeeded in selecting and isolating strains with good growth potential.
単離したシュードモナス属微生物について、SYK-6株と同様のアセトバニロン変換酵素遺伝子群の存在を確認したところ、驚くべきことに、アセトバニロン変換酵素遺伝子群の各遺伝子と高い配列同一性を有する遺伝子の存在は認められなかった。すなわち、単離したシュードモナス属微生物は、SYK-6株とは異なる酵素システムによってアセトバニロンを代謝することが推定された。 The isolated Pseudomonas microorganism was examined for the presence of an acetovanillone conversion enzyme gene cluster similar to that of the SYK-6 strain, and surprisingly, no genes with high sequence identity to the individual genes of the acetovanillone conversion enzyme gene cluster were found. In other words, it was presumed that the isolated Pseudomonas microorganism metabolizes acetovanillone using an enzyme system different from that of the SYK-6 strain.
そこで、さらに試行錯誤を繰り返した結果、本発明者らは遂に、単離したシュードモナス属微生物において、アセトバニロン変換酵素遺伝子群の存在を見出すことに成功した。驚くべきことに、このアセトバニロン変換酵素遺伝子群は、アセトバニロンをα-ヒドロキシアセトバニロンへ変換する反応を触媒する活性を有する酵素をコードする遺伝子が2種類と、α-ヒドロキシアセトバニロンをバニリン酸へ変換する反応を触媒する活性を有する酵素をコードする遺伝子が1種類との合計3種類の遺伝子からなるものであった。 After further trial and error, the present inventors finally succeeded in discovering the presence of an acetovanillone conversion enzyme gene cluster in the isolated Pseudomonas microorganism. Surprisingly, this acetovanillone conversion enzyme gene cluster was comprised of a total of three types of genes: two types of genes encoding enzymes with the activity of catalyzing the reaction of converting acetovanillone to α-hydroxyacetovanillone, and one type of gene encoding an enzyme with the activity of catalyzing the reaction of converting α-hydroxyacetovanillone to vanillic acid.
そして、このアセトバニロン変換酵素遺伝子群をバニレート O-デメチラーゼ遺伝子を不活化した形質転換NGC7株に導入したところ、驚くべきことに、特許文献2に記載の形質転換NGC7株を用いる場合と比べて、高効率でアセトバニロンからバニリン酸を生産することができた。 When this acetovanillone converting enzyme gene group was introduced into the transformed NGC7 strain in which the vanillate O -demethylase gene had been inactivated, it was surprisingly possible to produce vanillic acid from acetovanillone with a higher efficiency than in the case where the transformed NGC7 strain described in Patent Document 2 was used.
さらに、単離したシュードモナス属微生物はバニリン酸を資化する性質を有していた。そこで、本発明者らは試行錯誤を繰り返すことにより、単離したシュードモナス属微生物におけるバニレート O-デメチラーゼ遺伝子の存在を見出し、このバニレート O-デメチラーゼ遺伝子を不活化したところ、アセトバニロンからバニリン酸を生産することができた。 Furthermore, the isolated Pseudomonas microorganism had the property of assimilating vanillic acid. Thus, the present inventors, through repeated trial and error, discovered the presence of a vanillate O 2 -demethylase gene in the isolated Pseudomonas microorganism, and when the vanillate O 2 -demethylase gene was inactivated, vanillic acid could be produced from acetovanillone.
上記した知見及び成功例を基にして、本発明者らは、遂に、本発明の課題を解決するものとして、高効率でアセトバニロンからバニリン酸へ変換することができ、かつ関連する遺伝子数が少ない遺伝子群及び該遺伝子群を保有する微生物、並びにこれらを利用したアセトバニロンからのバニリン酸の製造方法を創作することに成功した。本発明は、これらの本発明者らによって初めて得られた知見及び成功例に基づき完成された発明である。 Based on the above findings and success stories, the present inventors have finally succeeded in creating a gene group capable of converting acetovanillone to vanillic acid with high efficiency and with a small number of associated genes, a microorganism possessing said gene group, and a method for producing vanillic acid from acetovanillone using them, as a solution to the problems of the present invention. The present invention was completed based on the findings and success stories first obtained by the present inventors.
したがって、本発明の一側面によれば、以下の各一態様が提供される。
[1]acpA遺伝子及びacpB遺伝子が外来遺伝子として導入されており、かつ該導入された遺伝子を発現する、形質転換微生物。
[2]前記形質転換微生物は、宿主微生物がシュードモナス・スピーシーズ(Pseudomonas sp.) NGC7株(受託番号:NITE BP-03043)である、[1]に記載の形質転換微生物。
[3]アセトバニロンを、acpA遺伝子及びacpB遺伝子の発現産物に作用させることにより、又は[1]若しくは[2]に記載の形質転換微生物に作用させることにより、α-ヒドロキシアセトバニロンを得る工程
を含む、α-ヒドロキシアセトバニロンの製造方法。
[4]acpA遺伝子、acpB遺伝子及びacpC遺伝子が外来遺伝子として導入されており、かつ該導入された遺伝子を発現する、形質転換微生物。
[5]前記形質転換微生物は、宿主微生物が染色体上にあるバニレート O-デメチラーゼ遺伝子を欠失しているシュードモナス・スピーシーズ(Pseudomonas sp.) NGC7株(受託番号:NITE BP-03043)の形質転換微生物である、[4]に記載の形質転換微生物。
[6]アセトバニロンを、acpA遺伝子、acpB遺伝子及びacpC遺伝子の発現産物に作用させることにより、又は[4]若しくは[5]に記載の形質転換微生物に作用させることにより、バニリン酸を得る工程
を含む、バニリン酸の製造方法。
[7]前記形質転換微生物は、宿主微生物が染色体上にあるpobA遺伝子を欠失しているシュードモナス・スピーシーズ(Pseudomonas sp.) NGC7株(受託番号:NITE BP-03043)の形質転換微生物である、[4]又は[5]に記載の形質転換微生物。
[8]4’-ヒドロキシアセトフェノンを、acpA遺伝子、acpB遺伝子及びacpC遺伝子の発現産物に作用させることにより、又は[7]に記載の形質転換微生物に作用させることにより、4-ヒドロキシ安息香酸を得る工程
を含む、4-ヒドロキシ安息香酸の製造方法。
[9]下記(1)~(4)のいずれかのヌクレオチド配列であって、アセトバニロンをα-ヒドロキシアセトバニロンへ変換する反応を触媒する活性を有する、及び/又は4’-ヒドロキシアセトフェノンを2,4’-ジヒドロキシアセトフェノンへ変換する反応を触媒する活性を有する酵素のアミノ酸配列をコードするヌクレオチド配列を含む、acpA遺伝子。
(1)配列表の配列番号1又は4に記載のヌクレオチド配列又は該ヌクレオチド配列に相補的なヌクレオチド配列とストリンジェントな条件下でハイブリダイズし、かつ該配列番号1又は4に記載のヌクレオチド配列において、塩基数100個からなる一単位あたり、1個~10個の塩基の欠失、置換及び/又は付加を有するヌクレオチド配列
(2)配列番号1又は4に記載のヌクレオチド配列からなる遺伝子と80%以上の配列同一性を有するヌクレオチド配列
(3)配列番号50に記載のアミノ酸配列と50%以上の配列同一性を有するアミノ酸配列をコードするヌクレオチド配列
(4)配列番号50に記載のアミノ酸配列において、アミノ酸数100個からなる一単位あたり、1個~10個のアミノ酸が欠失、置換及び/又は付加されたアミノ酸配列をコードするヌクレオチド配列
[10]下記(1)~(4)のいずれかのヌクレオチド配列であって、アセトバニロンをα-ヒドロキシアセトバニロンへ変換する反応を触媒する活性を有する、及び/又は4’-ヒドロキシアセトフェノンを2,4’-ジヒドロキシアセトフェノンへ変換する反応を触媒する活性を有する酵素のアミノ酸配列をコードするヌクレオチド配列を含む、acpB遺伝子。
(1)配列表の配列番号2又は5に記載のヌクレオチド配列又は該ヌクレオチド配列に相補的なヌクレオチド配列とストリンジェントな条件下でハイブリダイズし、かつ該配列番号2又は5に記載のヌクレオチド配列において、塩基数100個からなる一単位あたり、1個~10個の塩基の欠失、置換及び/又は付加を有するヌクレオチド配列
(2)配列番号2又は5に記載のヌクレオチド配列からなる遺伝子と80%以上の配列同一性を有するヌクレオチド配列
(3)配列番号51に記載のアミノ酸配列と50%以上の配列同一性を有するアミノ酸配列をコードするヌクレオチド配列
(4)配列番号51に記載のアミノ酸配列において、アミノ酸数100個からなる一単位あたり、1個~10個のアミノ酸が欠失、置換及び/又は付加されたアミノ酸配列をコードするヌクレオチド配列
[11]シュードモナス・スピーシーズ(Pseudomonas sp.) MHK4株(受託番号:NITE P-03794)。
[12]宿主微生物がシュードモナス・スピーシーズ(Pseudomonas sp.) MHK4株(受託番号:NITE P-03794)であり、及び
染色体上にある、バニレート O-デメチラーゼ遺伝子が欠失している、
形質転換微生物。
[13]前記バニレート O-デメチラーゼ遺伝子は、vanA3遺伝子(配列番号23)及びvanB3遺伝子(配列番号24)からなる群から選ばれる少なくとも1種のバニレート O-デメチラーゼ遺伝子である、[12]に記載の形質転換微生物。
[14]アセトバニロンを、[12]又は[13]に記載の形質転換微生物に作用させることにより、バニリン酸を得る工程
を含む、バニリン酸の製造方法。
[15]宿主微生物がシュードモナス・スピーシーズ(Pseudomonas sp.) MHK4株(受託番号:NITE P-03794)であり、及び
染色体上にある、4-ヒドロキシ安息香酸・モノオキシゲナーゼ遺伝子が欠失している、
形質転換微生物。
[16]前記4-ヒドロキシ安息香酸・モノオキシゲナーゼ遺伝子は、PobA1遺伝子(配列番号61)及びpobA2遺伝子(配列番号62)からなる群から選ばれる少なくとも1種の4-ヒドロキシ安息香酸・モノオキシゲナーゼ遺伝子である、[15]に記載の形質転換微生物。
[17]4’-ヒドロキシアセトフェノンを、請求項15又は16に記載の形質転換微生物に作用させることにより、4-ヒドロキシ安息香酸を得る工程
を含む、4-ヒドロキシ安息香酸の製造方法。
Therefore, according to one aspect of the present invention, the following embodiments are provided.
[1] A transformed microorganism into which the acpA gene and the acpB gene have been introduced as foreign genes and which expresses the introduced genes.
[2] The transformed microorganism according to [1], wherein the host microorganism is Pseudomonas sp. NGC7 strain (accession number: NITE BP-03043).
[3] A method for producing α-hydroxyacetovanillone, comprising the step of allowing acetovanillone to act on an expression product of the acpA gene and the acpB gene, or on the transformed microorganism according to [1] or [2], to obtain α-hydroxyacetovanillone.
[4] A transformed microorganism into which the acpA gene, the acpB gene, and the acpC gene have been introduced as foreign genes, and which expresses the introduced genes.
[5] The transformed microorganism according to [4], wherein the host microorganism is a transformed microorganism of Pseudomonas sp. NGC7 strain (accession number: NITE BP-03043) in which the vanillate O -demethylase gene on the chromosome is deleted.
[6] A method for producing vanillic acid, comprising a step of allowing acetovanillone to act on an expression product of the acpA gene, the acpB gene and the acpC gene, or on the transformed microorganism according to [4] or [5], to obtain vanillic acid.
[7] The transformed microorganism according to [4] or [5], wherein the transformed microorganism is a transformed microorganism of Pseudomonas sp. NGC7 strain (accession number: NITE BP-03043) in which the pobA gene on the chromosome of the host microorganism is deleted.
[8] A method for producing 4-hydroxybenzoic acid, comprising the step of allowing 4'-hydroxyacetophenone to act on an expression product of the acpA gene, the acpB gene and the acpC gene, or allowing it to act on the transformed microorganism according to [7], to obtain 4-hydroxybenzoic acid.
[9] An acpA gene comprising any one of the nucleotide sequences (1) to (4) below, the nucleotide sequence encoding the amino acid sequence of an enzyme having an activity of catalyzing a reaction of converting acetovanillone to α- hydroxyacetovanillone and/or an activity of catalyzing a reaction of converting 4'-hydroxyacetophenone to 2,4'-dihydroxyacetophenone:
(1) A nucleotide sequence which hybridizes under stringent conditions with the nucleotide sequence set forth in SEQ ID NO: 1 or 4 in the sequence listing or a nucleotide sequence complementary to said nucleotide sequence, and which has 1 to 10 base deletions, substitutions and/or additions per unit of 100 bases in said nucleotide sequence set forth in SEQ ID NO: 1 or 4. (2) A nucleotide sequence which has 80% or more sequence identity with a gene consisting of the nucleotide sequence set forth in SEQ ID NO: 1 or 4. (3) A nucleotide sequence which encodes an amino acid sequence which has 50% or more sequence identity with the amino acid sequence set forth in SEQ ID NO: 50. Nucleotide sequence (4) A nucleotide sequence encoding an amino acid sequence in which 1 to 10 amino acids are deleted, substituted and/or added per unit consisting of 100 amino acids in the amino acid sequence set forth in SEQ ID NO:50. [10] An acpB gene, which is any of the nucleotide sequences of (1) to (4) below, and which contains a nucleotide sequence encoding the amino acid sequence of an enzyme having an activity of catalyzing a reaction of converting acetovanillone to α- hydroxyacetovanillone and/or an activity of catalyzing a reaction of converting 4'-hydroxyacetophenone to 2,4'-dihydroxyacetophenone:
(1) A nucleotide sequence that hybridizes under stringent conditions with the nucleotide sequence set forth in SEQ ID NO: 2 or 5 in the sequence listing or a nucleotide sequence complementary to the nucleotide sequence, and has 1 to 10 base deletions, substitutions and/or additions per unit of 100 bases in the nucleotide sequence set forth in SEQ ID NO: 2 or 5. (2) A nucleotide sequence having 80% or more sequence identity with a gene consisting of the nucleotide sequence set forth in SEQ ID NO: 2 or 5. (3) A nucleotide sequence encoding an amino acid sequence having 50% or more sequence identity with the amino acid sequence set forth in SEQ ID NO: 51. (4) A nucleotide sequence encoding an amino acid sequence in which 1 to 10 amino acids are deleted, substituted and/or added per unit of 100 amino acids in the amino acid sequence set forth in SEQ ID NO: 51. [11] Pseudomonas sp. MHK4 strain (Accession No.: NITE P-03794).
[12] The host microorganism is Pseudomonas sp. MHK4 strain (accession number: NITE P-03794), and the vanillate O -demethylase gene on the chromosome is deleted.
Transformed microorganisms.
[13] The transformed microorganism according to [12], wherein the vanillate O 2 -demethylase gene is at least one vanillate O 2 -demethylase gene selected from the group consisting of a vanA3 gene (SEQ ID NO: 23) and a vanB3 gene (SEQ ID NO: 24).
[14] A method for producing vanillic acid, comprising a step of obtaining vanillic acid by allowing acetovanillone to act on the transformed microorganism according to [12] or [13].
[15] The host microorganism is Pseudomonas sp. MHK4 strain (accession number: NITE P-03794), and the 4-hydroxybenzoate monooxygenase gene on the chromosome is deleted.
Transformed microorganisms.
[16] The transformed microorganism according to [15], wherein the 4-hydroxybenzoate monooxygenase gene is at least one 4-hydroxybenzoate monooxygenase gene selected from the group consisting of a PobA1 gene (SEQ ID NO: 61) and a pobA2 gene (SEQ ID NO: 62).
[17] A method for producing 4-hydroxybenzoic acid, comprising a step of obtaining 4-hydroxybenzoic acid by allowing 4'-hydroxyacetophenone to act on the transformed microorganism according to claim 15 or 16.
また、本発明の別の一側面によれば、以下の各一態様が提供される。
[1]下記(1)~(4)のいずれかのヌクレオチド配列であって、アセトバニロンをα-ヒドロキシアセトバニロンへ変換する反応を触媒する活性を有する酵素のアミノ酸配列をコードするヌクレオチド配列を含む、acpA遺伝子。
(1)配列表の配列番号1又は4に記載のヌクレオチド配列又は該ヌクレオチド配列に相補的なヌクレオチド配列とストリンジェントな条件下でハイブリダイズし、かつ該配列番号1又は4に記載のヌクレオチド配列において、塩基数100個からなる一単位あたり、1個~10個の塩基の欠失、置換及び/又は付加を有するヌクレオチド配列
(2)配列番号1又は4に記載のヌクレオチド配列からなる遺伝子と80%以上の配列同一性を有するヌクレオチド配列
(3)配列番号50に記載のアミノ酸配列と50%以上の配列同一性を有するアミノ酸配列をコードするヌクレオチド配列
(4)配列番号50に記載のアミノ酸配列において、アミノ酸数100個からなる一単位あたり、1個~10個のアミノ酸が欠失、置換及び/又は付加されたアミノ酸配列をコードするヌクレオチド配列
[2]下記(1)~(4)のいずれかのヌクレオチド配列であって、アセトバニロンをα-ヒドロキシアセトバニロンへ変換する反応を触媒する活性を有する酵素のアミノ酸配列をコードするヌクレオチド配列を含む、acpB遺伝子。
(1)配列表の配列番号2又は5に記載のヌクレオチド配列又は該ヌクレオチド配列に相補的なヌクレオチド配列とストリンジェントな条件下でハイブリダイズし、かつ該配列番号2又は5に記載のヌクレオチド配列において、塩基数100個からなる一単位あたり、1個~10個の塩基の欠失、置換及び/又は付加を有するヌクレオチド配列
(2)配列番号2又は5に記載のヌクレオチド配列からなる遺伝子と80%以上の配列同一性を有するヌクレオチド配列
(3)配列番号51に記載のアミノ酸配列と50%以上の配列同一性を有するアミノ酸配列をコードするヌクレオチド配列
(4)配列番号51に記載のアミノ酸配列において、アミノ酸数100個からなる一単位あたり、1個~10個のアミノ酸が欠失、置換及び/又は付加されたアミノ酸配列をコードするヌクレオチド配列
[3][1]~[2]に記載のacpA遺伝子及びacpB遺伝子が外来遺伝子として導入されており、かつ該導入された遺伝子を発現する、形質転換微生物。
[4]前記形質転換微生物は、宿主微生物がシュードモナス・スピーシーズ(Pseudomonas sp.) NGC7株(受託番号:NITE BP-03043)である、[3]に記載の形質転換微生物。
[5]アセトバニロンを、[1]及び[2]に記載のacpA遺伝子及びacpB遺伝子の発現産物に作用させることにより、又は[3]に記載の形質転換微生物に作用させることにより、α-ヒドロキシアセトバニロンを得る工程
を含む、α-ヒドロキシアセトバニロンの製造方法。
[6]さらに下記(1)~(4)のいずれかのヌクレオチド配列であって、α-ヒドロキシアセトバニロンをバニリン酸へ変換する反応を触媒する活性を有する酵素のアミノ酸配列をコードするヌクレオチド配列を含む、acpC遺伝子が外来遺伝子として導入されており、かつ該導入された遺伝子を発現する、[3]に記載の形質転換微生物。
(1)配列表の配列番号3又は6に記載のヌクレオチド配列又は該ヌクレオチド配列に相補的なヌクレオチド配列とストリンジェントな条件下でハイブリダイズし、かつ該配列番号3又は6に記載のヌクレオチド配列において、塩基数100個からなる一単位あたり、1個~10個の塩基の欠失、置換及び/又は付加を有するヌクレオチド配列
(2)配列番号3又は6に記載のヌクレオチド配列からなる遺伝子と80%以上の配列同一性を有するヌクレオチド配列
(3)配列番号52に記載のアミノ酸配列と50%以上の配列同一性を有するアミノ酸配列をコードするヌクレオチド配列
(4)配列番号52に記載のアミノ酸配列において、アミノ酸数100個からなる一単位あたり、1個~10個のアミノ酸が欠失、置換及び/又は付加されたアミノ酸配列をコードするヌクレオチド配列
[7]前記形質転換微生物は、宿主微生物がシュードモナス・スピーシーズ(Pseudomonas sp.) NGC7株(受託番号:NITE BP-03043)である、[6]に記載の形質転換微生物。
[8]前記形質転換微生物は、宿主微生物が染色体上にあるバニレート O-デメチラーゼ遺伝子を欠失しているシュードモナス・スピーシーズ(Pseudomonas sp.) NGC7株(受託番号:NITE BP-03043)である、[6]に記載の形質転換微生物。
[9]アセトバニロンを、[1]及び[2]並びに[6]に記載のacpA遺伝子、acpB遺伝子及びacpC遺伝子の発現産物に作用させることにより、又は[6]に記載の形質転換微生物に作用させることにより、バニリン酸を得る工程
を含む、バニリン酸の製造方法。
[10]シュードモナス・スピーシーズ(Pseudomonas sp.) MHK4株(受託番号:NITE P-03794)。
[11]宿主微生物がシュードモナス・スピーシーズ(Pseudomonas sp.) MHK4株(受託番号:NITE P-03794)であり、及び
染色体上にある、バニレート O-デメチラーゼ遺伝子が欠失している、
形質転換微生物。
[12]前記バニレート O-デメチラーゼ遺伝子は、vanA3遺伝子(配列番号23)及びvanB3遺伝子(配列番号24)からなる群から選ばれる少なくとも1種のバニレート O-デメチラーゼ遺伝子である、[11]に記載の形質転換微生物。
[13]アセトバニロンを、[10]又は[11]に記載の形質転換微生物に作用させることにより、バニリン酸を得る工程
を含む、バニリン酸の製造方法。
According to another aspect of the present invention, the following embodiments are provided.
[1] An acpA gene comprising any one of the following nucleotide sequences (1) to (4), the nucleotide sequence encoding the amino acid sequence of an enzyme having an activity for catalyzing a reaction for converting acetovanillone to α - hydroxyacetovanillone:
(1) A nucleotide sequence which hybridizes under stringent conditions with the nucleotide sequence set forth in SEQ ID NO: 1 or 4 in the sequence listing or a nucleotide sequence complementary to the nucleotide sequence, and in the nucleotide sequence set forth in SEQ ID NO: 1 or 4, has deletion, substitution and/or addition of 1 to 10 bases per unit consisting of 100 bases. (2) A nucleotide sequence which has 80% or more sequence identity with a gene consisting of the nucleotide sequence set forth in SEQ ID NO: 1 or 4. (3) A nucleotide sequence which encodes an amino acid sequence which has 50% or more sequence identity with the amino acid sequence set forth in SEQ ID NO: 50. (4) A nucleotide sequence which encodes an amino acid sequence in which 1 to 10 amino acids are deleted, substituted and/or added per unit consisting of 100 amino acids in the amino acid sequence set forth in SEQ ID NO: 50. [2] An acpB gene, which is any of the nucleotide sequences set forth in (1) to (4) below, and which comprises a nucleotide sequence which encodes the amino acid sequence of an enzyme having the activity of catalyzing a reaction for converting acetovanillone to α - hydroxyacetovanillone.
(1) A nucleotide sequence which hybridizes under stringent conditions with the nucleotide sequence set forth in SEQ ID NO: 2 or 5 in the sequence listing or a nucleotide sequence complementary to the nucleotide sequence, and in the nucleotide sequence set forth in SEQ ID NO: 2 or 5, has deletion, substitution and/or addition of 1 to 10 bases per unit consisting of 100 bases. (2) A nucleotide sequence which has 80% or more sequence identity with a gene consisting of the nucleotide sequence set forth in SEQ ID NO: 2 or 5. (3) A nucleotide sequence which encodes an amino acid sequence which has 50% or more sequence identity with the amino acid sequence set forth in SEQ ID NO: 51. (4) A nucleotide sequence which encodes an amino acid sequence in which 1 to 10 amino acids are deleted, substituted and/or added per unit consisting of 100 amino acids in the amino acid sequence set forth in SEQ ID NO: 51. [3] A transformed microorganism into which the acpA gene and the acpB gene set forth in [1] to [2] have been introduced as foreign genes and which expresses the introduced genes.
[4] The transformed microorganism according to [3], wherein the host microorganism is Pseudomonas sp. NGC7 strain (accession number: NITE BP-03043).
[5] A method for producing α-hydroxyacetovanillone, comprising the step of allowing acetovanillone to act on the expression products of the acpA gene and the acpB gene described in [1] and [2], or on the transformed microorganism described in [3], to obtain α-hydroxyacetovanillone.
[6] The transformed microorganism according to [3], further comprising an acpC gene, which is any one of the nucleotide sequences (1) to (4) below and which encodes an amino acid sequence of an enzyme having an activity for catalyzing a reaction for converting α-hydroxyacetovanillone to vanillic acid, introduced as a foreign gene, and which expresses the introduced gene:
(1) A nucleotide sequence which hybridizes under stringent conditions with the nucleotide sequence set forth in SEQ ID NO: 3 or 6 in the sequence listing or a nucleotide sequence complementary to the nucleotide sequence, and in the nucleotide sequence set forth in SEQ ID NO: 3 or 6, has deletion, substitution and/or addition of 1 to 10 bases per unit consisting of 100 bases. (2) A nucleotide sequence which has 80% or more sequence identity with a gene consisting of the nucleotide sequence set forth in SEQ ID NO: 3 or 6. (3) A nucleotide sequence which encodes an amino acid sequence which has 50% or more sequence identity with the amino acid sequence set forth in SEQ ID NO: 52. (4) A nucleotide sequence which encodes an amino acid sequence in which 1 to 10 amino acids have been deleted, substituted and/or added per unit consisting of 100 amino acids in the amino acid sequence set forth in SEQ ID NO: 52. [7] The transformed microorganism according to [6], wherein the host microorganism is Pseudomonas sp. NGC7 strain (Accession No.: NITE BP-03043).
[8] The transformed microorganism according to [6], wherein the host microorganism is Pseudomonas sp. NGC7 strain (accession number: NITE BP-03043) lacking a vanillate O -demethylase gene on its chromosome.
[9] A method for producing vanillic acid, comprising a step of allowing acetovanillone to act on an expression product of the acpA gene, the acpB gene, and the acpC gene according to [1], [2], and [6], or on the transformed microorganism according to [6], to obtain vanillic acid.
[10] Pseudomonas sp. MHK4 strain (accession number: NITE P-03794).
[11] The host microorganism is Pseudomonas sp. MHK4 strain (accession number: NITE P-03794), and the vanillate O -demethylase gene on the chromosome is deleted.
Transformed microorganisms.
[12] The transformed microorganism according to [11], wherein the vanillate O 2 -demethylase gene is at least one vanillate O 2 -demethylase gene selected from the group consisting of vanA3 gene (SEQ ID NO: 23) and vanB3 gene (SEQ ID NO: 24).
[13] A method for producing vanillic acid, comprising a step of allowing acetovanillone to act on the transformed microorganism according to [10] or [11] to obtain vanillic acid.
本発明によれば、スフィンゴビウム・スピーシーズ SYK-6株が保有するアセトバニロン変換酵素遺伝子群を利用する場合と比べて、高効率でアセトバニロンからバニリン酸へ変換することができる。また、本発明によれば、SYK-6株が保有するアセトバニロン変換酵素遺伝子群よりも少ない遺伝子を利用することから、簡便にアセトバニロンからバニリン酸へ変換することができる。 According to the present invention, acetovanillone can be converted to vanillic acid with higher efficiency than when the acetovanillone conversion enzyme gene group possessed by the Sphingobium species SYK-6 strain is used. Furthermore, according to the present invention, since fewer genes are used than the acetovanillone conversion enzyme gene group possessed by the SYK-6 strain, acetovanillone can be easily converted to vanillic acid.
アセトバニロンは、現在の工業レベルで行われている木材パルプ製造工程におけるリグニン分解方法であるクラフト蒸解及びソーダ蒸解後の廃液(黒液)に含まれる主要な芳香族化合物である。しかし、木材パルプ製造過程で発生する黒液は濃縮後に回収ボイラ一で焼却され、熱源として利用されるに留まっている。本発明によれば、これまで工業副産物とされていたアセトバニロンを、有用物質であるバニリン酸への変換を通じて、資源化することが期待される。また、本発明によれば、工業的規模で得られるアセトバニロンから簡便かつ高効率でバニリン酸を生産することができることから、工業的規模でバニリン酸を製造することができる。 Acetovanillone is a major aromatic compound contained in the waste liquid (black liquor) after kraft cooking and soda cooking, which are lignin decomposition methods currently used at the industrial level in wood pulp manufacturing processes. However, black liquor generated during wood pulp manufacturing processes is concentrated and then incinerated in a recovery boiler, and is only used as a heat source. According to the present invention, it is expected that acetovanillone, which has been treated as an industrial by-product until now, can be turned into a resource through conversion to vanillic acid, a useful substance. Furthermore, according to the present invention, vanillic acid can be produced easily and efficiently from acetovanillone obtained on an industrial scale, making it possible to produce vanillic acid on an industrial scale.
以下、本発明の各態様の詳細について説明するが、本発明は、本項目の事項によってのみに限定されず、本発明の目的を達成する限りにおいて種々の態様をとり得る。 Each aspect of the present invention will be described in detail below, but the present invention is not limited to the items in this section, and various aspects may be adopted as long as the object of the present invention is achieved.
本明細書における各用語は、別段の定めがない限り、微生物学分野などの技術分野の当業者により通常用いられている意味で使用され、不当に限定的な意味を有するものとして解釈されるべきではない。また、本明細書においてなされている推測及び理論は、本発明者らのこれまでの知見及び経験によってなされたものであることから、本発明はこのような推測及び理論のみによって拘泥されるものではない。 Unless otherwise specified, each term in this specification is used in the sense commonly used by those skilled in the art in technical fields such as microbiology, and should not be construed as having an unduly restrictive meaning. Furthermore, the speculations and theories made in this specification are based on the inventors' knowledge and experience to date, and therefore the present invention is not limited solely to such speculations and theories.
「含む」は、含まれるものとして明示されている要素以外の要素を付加できることを意味する(「少なくとも含む」と同義である)が、「からなる」及び「から本質的になる」を包含する。すなわち、「含む」は、明示されている要素及び任意の1種若しくは2種以上の要素を含み、明示されている要素からなり、又は明示されている要素から本質的になることを意味し得る。要素としては、成分、工程、条件、パラメーター等の制限事項等が挙げられる。
「及び/又は」との用語は、列記した複数の関連項目のいずれか1つ、又は2つ以上の任意の組み合わせ若しくは全ての組み合わせを意味する。
数値範囲の「~」は、その前後の数値を含む範囲であり、例えば、「0%~100%」は、0%以上であり、かつ、100%以下である範囲を意味する。「超過」及び「未満」は、その前の数値を含まずに、それぞれ下限及び上限を意味し、例えば、「1超過」は1より大きい数値であり、「100未満」は100より小さい数値を意味する。
整数値の桁数と有効数字の桁数とは一致する。例えば、1の有効数字は1桁であり、10の有効数字は2桁である。また、小数値は小数点以降の桁数と有効数字の桁数とは一致する。例えば、0.1の有効数字は1桁であり、0.10の有効数字は2桁である。
"Comprising" means that elements other than the elements explicitly stated as being included can be added (same meaning as "comprising at least"), but also encompasses "consisting of" and "consisting essentially of." That is, "comprising" can mean including the elements explicitly stated and any one or more elements, consisting of the elements explicitly stated, or consisting essentially of the elements explicitly stated. Elements include limitations such as ingredients, steps, conditions, parameters, etc.
The term "and/or" means any one or any or all combinations of two or more of the associated listed items.
In a numerical range, "to" means a range including the numerical values before and after it, for example, "0% to 100%" means a range equal to or greater than 0% and equal to or less than 100%. "More than" and "less than" mean a lower limit and an upper limit, respectively, without including the numerical value before it, for example, "more than 1" means a numerical value greater than 1, and "less than 100" means a numerical value less than 100.
The number of digits in an integer value is the same as the number of significant digits. For example, 1 has one significant digit, and 10 has two significant digits. Also, the number of digits after the decimal point in a decimal value is the same as the number of significant digits. For example, 0.1 has one significant digit, and 0.10 has two significant digits.
「遺伝子の欠失」は、遺伝子が正常に転写されないこと、遺伝子の発現によって産生されるべき酵素(タンパク質)が正常に翻訳されないことなどのように、遺伝子が正常に機能せずに遺伝子の発現が妨げられていることを意味する。遺伝子の欠失は、例えば、遺伝子の全部又は一部が破壊、欠損、置換、導入などにより遺伝子の構造が変化することによって生じ得る。ただし、遺伝子の欠失は、遺伝子の構造に変化が生じずに、例えば、遺伝子の制御領域をブロックするなどの手段によって遺伝子の発現が抑えられることによっても生じ得る。
「遺伝子の発現」は、転写や翻訳などを介して、遺伝子のヌクレオチド配列によってコードされるアミノ酸配列を有する酵素(遺伝子によってコードされる酵素)が本来の構造及び活性を備えるように生産されることを意味する。「遺伝子の発現産物」は、遺伝子に対応して生産される酵素を意味する。
「遺伝子の過剰発現」は、遺伝子が導入されたことにより、宿主微生物が本来発現する量を超えて、該遺伝子によってコードされる酵素が生産されることを意味する。
「野生型微生物」は、天然に存在する、人為的に遺伝子組換えされていない微生物を意味する。「野生型遺伝子」は、野生型微生物のゲノムDNA上に本来的に存在する遺伝子を意味する。「野生型酵素」は、野生型遺伝子によってコードされる酵素を意味する。なお、本明細書において、ゲノム及び染色体は同義語である。
「外来遺伝子」は、導入される該微生物がそのゲノムDNA上に本来的に有していない遺伝子を意味し、異種遺伝子ともよぶ。
「高効率」での変換とは、ある物質が別の物質に迅速に変換すること、及び/又はある物質が別の物質に実質的に完全に変換することを意味する。
"Gene deletion" means that a gene does not function normally, preventing expression of the gene, such as when the gene is not normally transcribed or when an enzyme (protein) that should be produced by expression of the gene is not normally translated. Gene deletion can occur, for example, when the structure of a gene is changed by destruction, deletion, replacement, introduction, or the like of all or part of the gene. However, gene deletion can also occur when gene expression is suppressed without any change in the structure of the gene, for example, by blocking the control region of the gene.
"Gene expression" means that an enzyme having an amino acid sequence encoded by the nucleotide sequence of a gene (an enzyme encoded by a gene) is produced with its original structure and activity through transcription, translation, etc. "Gene expression product" means an enzyme produced corresponding to a gene.
"Overexpression of a gene" means that, as a result of the introduction of a gene, an enzyme encoded by the gene is produced in an amount exceeding that which is naturally expressed by the host microorganism.
"Wild-type microorganism" refers to a naturally occurring microorganism that has not been artificially genetically modified. "Wild-type gene" refers to a gene that is naturally present on the genomic DNA of a wild-type microorganism. "Wild-type enzyme" refers to an enzyme encoded by a wild-type gene. In this specification, genome and chromosome are synonymous.
The term "foreign gene" refers to a gene that is not originally present in the genomic DNA of the microorganism to be introduced, and is also called a heterologous gene.
"High efficiency" conversion means rapid conversion of one substance to another and/or substantially complete conversion of one substance to another.
(アセトバニロン変換酵素遺伝子群の特徴)
本発明者らは、新たなアセトバニロン変換酵素遺伝子群を有する微生物として、シュードモナス・スピーシーズ(Pseudomonas sp.) MHK4株(受託番号:NITE P-03794)(以下、MHK4株ともよぶ。)を単離した。また、本発明者らは、MHK4株が有するアセトバニロン変換酵素遺伝子群は、acpA遺伝子、acpB遺伝子及びacpC遺伝子の3遺伝子からなることを解明した。
(Characteristics of the acetovanillone converting enzyme gene cluster)
The present inventors have isolated Pseudomonas sp. MHK4 strain (accession number: NITE P-03794) (hereinafter, also referred to as MHK4 strain) as a microorganism having a new acetovanillone converting enzyme gene cluster. Furthermore, the present inventors have elucidated that the acetovanillone converting enzyme gene cluster possessed by the MHK4 strain consists of three genes, the acpA gene, the acpB gene, and the acpC gene.
MHK4株が保有するアセトバニロン変換酵素遺伝子群は、アセトバニロンからバニリン酸を生産する上で、スフィンゴビウム・スピーシーズ(Sphingobium sp.)SYK-6株(以下、SYK-6株ともよぶ。)に由来するacvA遺伝子、acvB遺伝子、acvC遺伝子、acvD遺伝子、acvE遺伝子及びacvF遺伝子並びにvceA遺伝子及びvceB遺伝子からなるアセトバニロン変換酵素遺伝子群に対して、以下の特徴がある。 The acetovanillone converting enzyme gene cluster possessed by the MHK4 strain has the following characteristics in producing vanillic acid from acetovanillone, compared to the acetovanillone converting enzyme gene cluster consisting of the acvA gene, acvB gene, acvC gene, acvD gene, acvE gene, and acvF gene, as well as the vceA gene and vceB gene derived from Sphingobium sp. SYK-6 strain (hereinafter also referred to as SYK-6 strain):
SYK-6株のアセトバニロン変換酵素遺伝子群を利用する場合、(1)アセトバニロンのリン酸化、(2)リン酸化産物の脱リン酸化、(3)脱リン酸化産物のカルボキシル化、(4)カルボキシル化産物へのCoA付加を伴ったCα-Cβ開裂及び(5)CoAチオエステルの加水分解反応という少なくとも五段階の反応を経てアセトバニロンをバニリン酸へ変換する。それに対して、MHK4株のアセトバニロン変換酵素遺伝子群を利用する場合、(1)アセトバニロンのアセチル基の水酸化及び(2)α-ヒドロキシアセトバニロンのヒドロキシメチル基の酸化的開裂というわずか二段階の反応でアセトバニロンをバニリン酸へ変換することが可能である。したがって、MHK4株のアセトバニロン変換酵素遺伝子群を利用すると、より迅速にアセトバニロンをバニリン酸へ変換することが期待できる。 When the acetovanillone converting enzyme gene group of the SYK-6 strain is used, acetovanillone is converted to vanillic acid through at least five reaction steps: (1) phosphorylation of acetovanillone, (2) dephosphorylation of the phosphorylated product, (3) carboxylation of the dephosphorylated product, (4) Cα-Cβ cleavage accompanied by CoA addition to the carboxylated product, and (5) hydrolysis of the CoA thioester. In contrast, when the acetovanillone converting enzyme gene group of the MHK4 strain is used, acetovanillone can be converted to vanillic acid through only two reaction steps: (1) hydroxylation of the acetyl group of acetovanillone and (2) oxidative cleavage of the hydroxymethyl group of α-hydroxyacetovanillone. Therefore, it is expected that acetovanillone can be converted to vanillic acid more quickly by using the acetovanillone converting enzyme gene group of the MHK4 strain.
SYK-6株のアセトバニロン変換酵素遺伝子群を利用する場合、アセトバニロンのバニリン酸への変換には合計2分子のATPを要求する。それに対して、MHK4株のアセトバニロン変換酵素遺伝子群を利用する場合、アセトバニロンのバニリン酸への変換にはATPを要求しない。したがって、MHK4株のアセトバニロン変換酵素遺伝子群を利用すると、微生物は細胞内ATPの消費を低減しながらアセトバニロンを代謝及び分解することが期待できる。 When the acetovanillone conversion enzyme gene group of the SYK-6 strain is used, a total of two molecules of ATP are required to convert acetovanillone to vanillic acid. In contrast, when the acetovanillone conversion enzyme gene group of the MHK4 strain is used, no ATP is required to convert acetovanillone to vanillic acid. Therefore, by using the acetovanillone conversion enzyme gene group of the MHK4 strain, it is expected that the microorganism will be able to metabolize and decompose acetovanillone while reducing intracellular ATP consumption.
SYK-6株のアセトバニロン変換酵素遺伝子群を利用する場合、合計8種の酵素遺伝子を宿主微生物に導入して形質転換微生物を作製する。それに対して、MHK4株のアセトバニロン変換酵素遺伝子群を利用する場合、合計3種の酵素遺伝子を導入して形質転換微生物を作製する。したがって、アセトバニロン変換酵素遺伝子群を組み込んだプラスミドを宿主微生物に導入する場合、SYK-6株のアセトバニロン変換酵素遺伝子群はその全てを1種のプラスミドに組み込むことができないのに対して、MHK4株のアセトバニロン変換酵素遺伝子群はその全てを1種のプラスミドに組み込むことが可能である。 When the acetovanillone converting enzyme gene group of the SYK-6 strain is used, a total of eight enzyme genes are introduced into the host microorganism to produce a transformed microorganism. In contrast, when the acetovanillone converting enzyme gene group of the MHK4 strain is used, a total of three enzyme genes are introduced into the host microorganism to produce a transformed microorganism. Therefore, when a plasmid incorporating the acetovanillone converting enzyme gene group is introduced into a host microorganism, the acetovanillone converting enzyme gene group of the SYK-6 strain cannot be incorporated entirely into one type of plasmid, whereas the acetovanillone converting enzyme gene group of the MHK4 strain can be incorporated entirely into one type of plasmid.
以上のようなSYK-6株とMHK4株との間のアセトバニロン変換酵素遺伝子群の作用メカニズムの違いにより、アセトバニロン変換酵素遺伝子群を組み込んだプラスミドを宿主微生物としてシュードモナス・スピーシーズ(Pseudomonas sp.) NGC7株(受託番号:NITE BP-03043)に導入した形質転換微生物によりアセトバニロンからバニリン酸を変換する場合、SYK-6株のアセトバニロン変換酵素遺伝子群に対して、MHK4株のアセトバニロン変換酵素遺伝子群は、簡便かつ高効率でアセトバニロンからバニリン酸を生産することができる。 Due to the difference in the mechanism of action of the acetovanillone converting enzyme gene cluster between the SYK-6 strain and the MHK4 strain as described above, when acetovanillone is converted to vanillic acid by a transformed microorganism obtained by introducing a plasmid incorporating the acetovanillone converting enzyme gene cluster into a host microorganism, Pseudomonas sp. NGC7 strain (accession number: NITE BP-03043), the acetovanillone converting enzyme gene cluster of the MHK4 strain can produce vanillic acid from acetovanillone simply and efficiently, compared to the acetovanillone converting enzyme gene cluster of the SYK-6 strain.
工業レベルでのリグニンの酸化分解によって生成するアセトバニロンについて、微生物による代謝系が明らかにされていたのはSYK-6株及びSYK-6株と類似のアセトバニロン変換酵素遺伝子群を有するGD02株のみであった。SYK-6株等のアセトバニロン変換酵素遺伝子群を利用する場合、遺伝子数が多くて複雑であり、かつアセトバニロンの変換速度が遅いことから、アセトバニロンからの有用物質生産に貢献できていないのが実情である。しかし、MHK4株のアセトバニロン変換酵素遺伝子群を利用する場合、SYK-6株等のアセトバニロン変換酵素遺伝子群と比べて、より少ない遺伝子で、速やかにアセトバニロンをバニリン酸へ変換できることから、簡便かつ高効率でアセトバニロンからの有用物質生産を行うことが期待される。 The only microbial metabolic systems for acetovanillone produced by the oxidative decomposition of lignin at the industrial level that had been elucidated were SYK-6 and GD02 strains, which have an acetovanillone conversion enzyme gene cluster similar to that of SYK-6. When using the acetovanillone conversion enzyme gene cluster of SYK-6 and other strains, the number of genes is large and complex, and the conversion rate of acetovanillone is slow, so that it has not been possible to contribute to the production of useful substances from acetovanillone. However, when using the acetovanillone conversion enzyme gene cluster of the MHK4 strain, acetovanillone can be converted to vanillic acid quickly with fewer genes compared to the acetovanillone conversion enzyme gene cluster of SYK-6 and other strains, and it is expected that useful substances can be produced from acetovanillone easily and efficiently.
(acpA遺伝子及びacpB遺伝子)
MHK4株が保有するアセトバニロン変換酵素遺伝子群によるアセトバニロンからバニリン酸への変換は、以下のスキーム(I)に示されるとおりになされると推定される。
( acpA gene and acpB gene)
Conversion of acetovanillone to vanillic acid by the acetovanillone converting enzyme gene cluster possessed by the MHK4 strain is presumed to be carried out as shown in the following scheme (I).
まず、acpA遺伝子及びacpB遺伝子の遺伝子産物であるAcpA酵素及びAcpB酵素により、アセトバニロンをα-ヒドロキシアセトバニロンへ変換する。次いで、acpC遺伝子の遺伝子産物であるAcpC酵素により、α-ヒドロキシアセトバニロンをバニリン酸へ変換する。また、AcpA酵素及びAcpB酵素により、4’-ヒドロキシアセトフェノン(4’-hydroxyacetophenone;HAP)を2,4’-ジヒドロキシアセトフェノン(2,4’-dihydroxyacetophenone;DHAP)へ変換する。次いで、AcpC酵素により、DHAPを4-ヒドロキシ安息香酸(4-hydroxybenzoic acid;HBA)へ変換する。 First, acetovanillone is converted to α-hydroxyacetovanillone by AcpA enzyme and AcpB enzyme, which are the gene products of the acpA gene and the acpB gene. Next, α-hydroxyacetovanillone is converted to vanillic acid by AcpC enzyme, which is the gene product of the acpC gene. In addition, 4'-hydroxyacetophenone (HAP) is converted to 2,4'-dihydroxyacetophenone (DHAP) by AcpA enzyme and AcpB enzyme. Next, DHAP is converted to 4-hydroxybenzoic acid (HBA) by AcpC enzyme.
AcpA酵素及びAcpB酵素は、それぞれ単独で機能するのではなく、それぞれサブコンポーネントとして複合体化して、一つの酵素(AcpAB酵素)として機能する可能性が高い。本明細書では、便宜上、acpA遺伝子及びacpB遺伝子の遺伝子産物をそれぞれAcpA酵素及びAcpB酵素とよぶが、実際にはこれらが複合体化したAcpAB酵素である可能性があり、該可能性は妨げられない。 It is highly likely that the AcpA enzyme and the AcpB enzyme do not function independently, but rather function as a single enzyme (AcpAB enzyme) by forming a complex as a subcomponent. For convenience, the gene products of the acpA gene and the acpB gene are referred to as the AcpA enzyme and the AcpB enzyme, respectively, in this specification, but in fact they may be a complex of the AcpAB enzyme, and this possibility is not excluded.
本発明の一態様のacpA遺伝子は、AcpA酵素のアミノ酸配列をコードするヌクレオチド配列を含む遺伝子である。本発明の一態様のacpB遺伝子は、AcpB酵素のアミノ酸配列をコードするヌクレオチド配列を含む遺伝子である。 In one embodiment of the present invention, the acpA gene is a gene comprising a nucleotide sequence encoding the amino acid sequence of the AcpA enzyme.In one embodiment of the present invention, the acpB gene is a gene comprising a nucleotide sequence encoding the amino acid sequence of the AcpB enzyme.
AcpA酵素及びAcpB酵素は、アセトバニロンをα-ヒドロキシアセトバニロンへ変換する反応を触媒する活性を有する酵素である。また、AcpA酵素及びAcpB酵素は、HAP、3’,4’-dihydroxyacetophenone、4’-hydroxypropiophenone及び4’-hydroxybutyrophenoneに対して分解活性を有する。例えば、AcpA酵素及びAcpB酵素は、HAPをDHAPへ変換する反応を触媒する活性を有する。AcpA酵素及びAcpB酵素は該活性を有するものである限り、それぞれのアミノ酸配列は特に限定されない。 The AcpA enzyme and the AcpB enzyme are enzymes that have the activity of catalyzing the reaction of converting acetovanillone to α-hydroxyacetovanillone. In addition, the AcpA enzyme and the AcpB enzyme have the activity of decomposing HAP, 3',4'-dihydroxyacetophenone, 4'-hydroxypropiophenone, and 4'-hydroxybutyrophenone. For example, the AcpA enzyme and the AcpB enzyme have the activity of catalyzing the reaction of converting HAP to DHAP. As long as the AcpA enzyme and the AcpB enzyme have the activity, there are no particular limitations on the amino acid sequences of the enzymes.
MHK4株のacpA遺伝子によってコードされるAcpA酵素のアミノ酸配列は、配列番号50に記載のアミノ酸配列である。MHK4株のacpB遺伝子によってコードされるAcpB酵素のアミノ酸配列は、配列番号51に記載のアミノ酸配列である。 The amino acid sequence of the AcpA enzyme encoded by the acpA gene of the MHK4 strain is the amino acid sequence set forth in SEQ ID NO: 50. The amino acid sequence of the AcpB enzyme encoded by the acpB gene of the MHK4 strain is the amino acid sequence set forth in SEQ ID NO: 51.
AcpA酵素及びAcpB酵素のアミノ酸配列は、野生型酵素のアミノ酸配列において1から数個のアミノ酸の欠失、置換、付加などを有するアミノ酸配列であってもよい。ここで、アミノ酸配列の「1から数個のアミノ酸の欠失、置換、付加」における「1から数個」の範囲は特に限定されないが、例えば、アミノ酸配列におけるアミノ酸数100個を一単位とすれば、該一単位あたり、好ましくは1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19又は20個であり、より好ましくは1、2、3、4、5、6、7、8、9又は10個であり、さらに好ましくは1、2、3、4又は5個である。また、「アミノ酸の欠失」とは配列中のアミノ酸残基の欠落又は消失を意味し、「アミノ酸の置換」は配列中のアミノ酸残基が別のアミノ酸残基に置き換えられていることを意味し、「アミノ酸の付加」とは配列中に新たなアミノ酸残基が挿入するように付け加えられていることを意味する。 The amino acid sequences of the AcpA enzyme and the AcpB enzyme may be those of the wild-type enzymes, which have one to several amino acid deletions, substitutions, additions, etc. Here, the range of "one to several" in "one to several amino acid deletions, substitutions, additions" of the amino acid sequence is not particularly limited, but for example, if 100 amino acids in the amino acid sequence are one unit, the number of amino acids per unit is preferably 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, or 20, more preferably 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, or 10, and even more preferably 1, 2, 3, 4, or 5. In addition, "amino acid deletion" means the absence or disappearance of an amino acid residue in the sequence, "amino acid substitution" means that an amino acid residue in the sequence is replaced with another amino acid residue, and "amino acid addition" means that a new amino acid residue is added to the sequence so as to be inserted.
「1から数個のアミノ酸の欠失、置換、付加」の具体的な態様としては、1から数個のアミノ酸が別の化学的に類似したアミノ酸で置き換えられた態様がある。例えば、ある疎水性アミノ酸を別の疎水性アミノ酸に置換する場合、ある極性アミノ酸を同じ電荷を有する別の極性アミノ酸に置換する場合などを挙げることができる。このような化学的に類似したアミノ酸は、アミノ酸毎に当該技術分野において知られている。具体例を挙げると、非極性(疎水性)アミノ酸としては、アラニン、バリン、イソロイシン、ロイシン、プロリン、トリプトファン、フェニルアラニン、メチオニンなどが挙げられる。極性(中性)アミノ酸としては、グリシン、セリン、スレオニン、チロシン、グルタミン、アスパラギン、システインなどが挙げられる。陽電荷をもつ塩基性アミノ酸としては、アルギニン、ヒスチジン、リジンなどが挙げられる。また、負電荷をもつ酸性アミノ酸としては、アスパラギン酸、グルタミン酸などが挙げられる。 Specific examples of "deletion, substitution, or addition of one or several amino acids" include replacement of one or several amino acids with other chemically similar amino acids. For example, a hydrophobic amino acid may be replaced with another hydrophobic amino acid, or a polar amino acid may be replaced with another polar amino acid having the same charge. Such chemically similar amino acids are known in the art for each amino acid. Specific examples include nonpolar (hydrophobic) amino acids such as alanine, valine, isoleucine, leucine, proline, tryptophan, phenylalanine, and methionine. Polar (neutral) amino acids include glycine, serine, threonine, tyrosine, glutamine, asparagine, and cysteine. Positively charged basic amino acids include arginine, histidine, and lysine. Negatively charged acidic amino acids include aspartic acid and glutamic acid.
野生型酵素が有するアミノ酸配列において1から数個のアミノ酸の欠失、置換、付加などを有するアミノ酸配列としては、野生型酵素が有するアミノ酸配列と一定以上の配列同一性を有するアミノ酸配列が挙げられ、例えば、野生型酵素が有するアミノ酸配列と配列同一性が50%以上であり、好ましくは60%以上又は65%以上であり、より好ましくは70%以上又は75%以上であり、さらに好ましくは80%以上又は85%以上であり、なおさらに好ましくは90%以上、91%以上、92%以上、93%以上、94%以上、95%以上、96%以上、97%以上、98%以上又は99%以上であるアミノ酸配列などが挙げられる。該配列同一性の上限は特に限定されず、典型的には100%である。 Examples of amino acid sequences having one or several amino acid deletions, substitutions, additions, etc. in the amino acid sequence of the wild-type enzyme include amino acid sequences having a certain level of sequence identity with the amino acid sequence of the wild-type enzyme, such as amino acid sequences having a sequence identity of 50% or more, preferably 60% or more or 65% or more, more preferably 70% or more or 75% or more, even more preferably 80% or more or 85% or more, and even more preferably 90% or more, 91% or more, 92% or more, 93% or more, 94% or more, 95% or more, 96% or more, 97% or more, 98% or more, or 99% or more with the amino acid sequence of the wild-type enzyme. The upper limit of the sequence identity is not particularly limited, and is typically 100%.
後述する実施例に記載したとおり、MHK4株が有するAcpA酵素及びAcpB酵素をそれぞれコードするacpA遺伝子及びacpB遺伝子は、シュードモナス・プチダ(Pseudomonas putida)KT2440株由来の酸素添加型バニレート O-デメチラーゼのオキシゲナーゼコンポーネント(VanA)をコードする遺伝子及びオキシドレダクターゼコンポーネント(VanB)をコードする遺伝子とそれぞれ33.6%及び44.1%の配列同一性を示した。これらのことから、MHK4株が有するAcpA酵素及びAcpB酵素は、モノオキシゲナーゼ、具体的にはAcpA酵素がオキシゲナーゼコンポーネントであり、AcpB酵素がオキシドレダクターゼコンポーネントであると推定される。したがって、MHK4株が有するAcpA酵素のアミノ酸配列と50%以上の配列同一性を有するアミノ酸配列を有し、かつモノオキシゲナーゼのオキシゲナーゼコンポーネントであると推定される酵素は、AcpA酵素として利用し;MHK4株が有するAcpB酵素のアミノ酸配列と50%以上の配列同一性を有するアミノ酸配列を有し、かつモノオキシゲナーゼのオキシドレダクターゼコンポーネントであると推定される酵素は、AcpB酵素として利用してもよい。 As described in the Examples below, the acpA gene and the acpB gene encoding the AcpA enzyme and the AcpB enzyme, respectively, possessed by the MHK4 strain exhibited sequence identities of 33.6% and 44.1% with the gene encoding the oxygenase component ( VanA ) and the gene encoding the oxidoreductase component (VanB) of the oxygen-adding vanillate O -demethylase derived from the Pseudomonas putida KT2440 strain. From these facts, it is presumed that the AcpA enzyme and the AcpB enzyme possessed by the MHK4 strain are monooxygenases, specifically, the AcpA enzyme is the oxygenase component and the AcpB enzyme is the oxidoreductase component. Therefore, an enzyme having an amino acid sequence that has 50% or more sequence identity with the amino acid sequence of the AcpA enzyme possessed by the MHK4 strain and that is presumed to be the oxygenase component of a monooxygenase may be used as the AcpA enzyme; an enzyme having an amino acid sequence that has 50% or more sequence identity with the amino acid sequence of the AcpB enzyme possessed by the MHK4 strain and that is presumed to be the oxidoreductase component of a monooxygenase may be used as the AcpB enzyme.
AcpA酵素及びAcpB酵素を入手する方法は特に限定されないが、例えば、AcpA酵素及びAcpB酵素の発現が認められるMHK4株などの野生型微生物又はAcpA酵素及びAcpB酵素のアミノ酸配列をコードする遺伝子を導入した形質転換微生物を培養し、次いで培養上清として、若しくは培養後の微生物の破砕物として、又はこれらから精製して、AcpA酵素及びAcpB酵素を回収することを含む方法などが挙げられる。例えば、AcpA酵素及びAcpB酵素が培養上清に存在する場合、培養上清から、硫安沈殿などの手段によりAcpA酵素及びAcpB酵素を含む酵素濃縮液を得て、次いでゲルろ過クロマトグラフィー、SDS-PAGEなどの手段により分子量を指標としてAcpA酵素及びAcpB酵素を分離することができる。なお、配列番号50及び51に示すアミノ酸配列を有するAcpA酵素及びAcpB酵素の構成元素から算出される理論分子量は、それぞれ約39,000及び約35,000である。 The method for obtaining the AcpA enzyme and the AcpB enzyme is not particularly limited, but examples thereof include a method including culturing a wild-type microorganism such as the MHK4 strain in which expression of the AcpA enzyme and the AcpB enzyme is observed, or a transformed microorganism into which genes encoding the amino acid sequences of the AcpA enzyme and the AcpB enzyme have been introduced, and then recovering the AcpA enzyme and the AcpB enzyme as a culture supernatant, as a microbial disruptant after culture, or by purifying them from these. For example, when the AcpA enzyme and the AcpB enzyme are present in the culture supernatant, an enzyme concentrate containing the AcpA enzyme and the AcpB enzyme can be obtained from the culture supernatant by means such as ammonium sulfate precipitation, and then the AcpA enzyme and the AcpB enzyme can be separated by means such as gel filtration chromatography and SDS-PAGE using the molecular weight as an indicator. The theoretical molecular weights calculated from the constituent elements of the AcpA enzyme and the AcpB enzyme having the amino acid sequences shown in SEQ ID NOs: 50 and 51 are approximately 39,000 and approximately 35,000, respectively.
本発明の一態様のacpA遺伝子及びacpB遺伝子は、それぞれAcpA酵素及びAcpB酵素のアミノ酸配列をコードするヌクレオチド配列を含むものであれば特に限定されない。acpA遺伝子及びacpB遺伝子が生物体内で発現することによりAcpA酵素及びAcpB酵素が生産される。 The acpA gene and the acpB gene in one embodiment of the present invention are not particularly limited as long as they contain nucleotide sequences that code for the amino acid sequences of the AcpA enzyme and the AcpB enzyme, respectively. The AcpA enzyme and the AcpB enzyme are produced by expressing the acpA gene and the acpB gene in an organism.
acpA遺伝子及びacpB遺伝子は、野生型遺伝子であってもよく、野生型遺伝子のヌクレオチド配列に相補的なヌクレオチド配列とストリンジェントな条件下でハイブリダイズするヌクレオチド配列を有する遺伝子であってもよい。 The acpA gene and the acpB gene may be wild-type genes, or may be genes having a nucleotide sequence that hybridizes under stringent conditions with a nucleotide sequence complementary to the nucleotide sequence of the wild-type gene.
「ストリンジェントな条件下でハイブリダイズするヌクレオチド配列」は、野生型遺伝子のヌクレオチド配列を有するDNAをプローブとして使用し、コロニーハイブリダイゼーション法、プラークハイブリダイゼーション法、サザンブロットハイブリダイゼーション法などを用いることにより得られるDNAのヌクレオチド配列を意味する。 "A nucleotide sequence that hybridizes under stringent conditions" refers to a nucleotide sequence of DNA obtained by using a DNA having the nucleotide sequence of a wild-type gene as a probe and employing a colony hybridization method, a plaque hybridization method, a Southern blot hybridization method, or the like.
「ストリンジェントな条件」は、特異的なハイブリッドのシグナルが非特異的なハイブリッドのシグナルと明確に識別される条件であり、使用するハイブリダイゼーションの系と、プローブの種類、配列及び長さによって異なる。そのような条件は、ハイブリダイゼーションの温度を変えること、洗浄の温度及び塩濃度を変えることにより決定可能である。例えば、非特異的なハイブリッドのシグナルまで強く検出されてしまう場合には、ハイブリダイゼーション及び洗浄の温度を上げるとともに、必要により洗浄の塩濃度を下げることにより特異性を上げることができる。また、特異的なハイブリッドのシグナルも検出されない場合には、ハイブリダイゼーション及び洗浄の温度を下げるとともに、必要により洗浄の塩濃度を上げることにより、ハイブリッドを安定化させることができる。 "Stringent conditions" are conditions under which the signal of a specific hybrid is clearly distinguished from that of a nonspecific hybrid, and vary depending on the hybridization system used and the type, sequence, and length of the probe. Such conditions can be determined by changing the hybridization temperature and the washing temperature and salt concentration. For example, if even nonspecific hybrid signals are strongly detected, specificity can be increased by raising the hybridization and washing temperatures and, if necessary, lowering the washing salt concentration. Also, if no specific hybrid signals are detected, the hybrids can be stabilized by lowering the hybridization and washing temperatures and, if necessary, increasing the washing salt concentration.
ストリンジェントな条件の具体例としては、例えば、プローブとしてDNAプローブを用い、ハイブリダイゼーションは、5×SSC、1.0%(w/v) 核酸ハイブリダイゼーション用ブロッキング試薬(ロシュ・ダイアグノスティクス社)、0.1%(w/v) N-ラウロイルサルコシン、0.02%(w/v) SDSを用い、一晩(8時間~16時間程度)で行う。洗浄は、0.1~0.5×SSC、0.1%(w/v) SDS、好ましくは0.1×SSC、0.1%(w/v) SDSを用い、15分間、2回行う。ハイブリダイゼーション及び洗浄を行う温度は65℃以上、好ましくは68℃以上である。 Specific examples of stringent conditions include using a DNA probe as the probe, hybridization using 5xSSC, 1.0% (w/v) blocking reagent for nucleic acid hybridization (Roche Diagnostics), 0.1% (w/v) N-lauroyl sarcosine, and 0.02% (w/v) SDS overnight (approximately 8 to 16 hours). Washing is performed twice for 15 minutes using 0.1 to 0.5xSSC, 0.1% (w/v) SDS, preferably 0.1xSSC, 0.1% (w/v) SDS. The temperature for hybridization and washing is 65°C or higher, preferably 68°C or higher.
ストリンジェントな条件下でハイブリダイズするヌクレオチド配列を有する遺伝子としては、例えば、コロニー若しくはプラーク由来の野生型遺伝子のヌクレオチド配列を有するDNA又は該DNAの断片を固定化したフィルターを用いて、上記したストリンジェントな条件下でハイブリダイゼーションすることによって得られるDNAや0.5M~2.0MのNaCl存在下にて、40℃~75℃でハイブリダイゼーションを実施した後、好ましくは0.7M~1.0MのNaCl存在下にて、65℃でハイブリダイゼーションを実施した後、0.1~1×SSC溶液(1×SSC溶液は、150mM 塩化ナトリウム、15mM クエン酸ナトリウム)を用い、65℃条件下でフィルターを洗浄することにより同定できるDNAなどを挙げることができる。プローブの調製やハイブリダイゼーションの方法は、Molecular Cloning:A laboratory Manual,2nd-Ed.,Cold Spring Harbor Laboratory,Cold Spring Harbor,NY.,1989、Current Protocols in Molecular Biology,Supplement 1-38,John Wiley&Sons,1987-1997(以下、これらの文献を参考技術文献とよぶ場合がある。)などに記載されている方法に準じて実施することができる。なお、当業者であれば、このようなバッファーの塩濃度や温度などの条件に加えて、その他のプローブ濃度、プローブ長さ、反応時間などの諸条件を加味して、野生型遺伝子のヌクレオチド配列に相補的なヌクレオチド配列とストリンジェントな条件下でハイブリダイズするヌクレオチド配列を有する遺伝子を得るための条件を適宜設定することができる。 Examples of genes having a nucleotide sequence that hybridizes under stringent conditions include DNA obtained by hybridizing under the above-mentioned stringent conditions using a filter on which DNA having the nucleotide sequence of a wild-type gene derived from a colony or plaque or a fragment of said DNA is immobilized, and DNA that can be identified by hybridizing at 40°C to 75°C in the presence of 0.5M to 2.0M NaCl, preferably at 65°C in the presence of 0.7M to 1.0M NaCl, and then washing the filter at 65°C using 0.1 to 1x SSC solution (1x SSC solution is 150 mM sodium chloride, 15 mM sodium citrate). Methods for preparing probes and hybridization are described in Molecular Cloning: A Laboratory Manual, 2nd Ed. , Cold Spring Harbor Laboratory, Cold Spring Harbor, NY., 1989, Current Protocols in Molecular Biology, Supplement 1-38, John Wiley & Sons, 1987-1997 (hereinafter, these documents may be referred to as reference technical documents). In addition to such conditions as the salt concentration and temperature of the buffer, a person skilled in the art can appropriately set conditions for obtaining a gene having a nucleotide sequence that hybridizes under stringent conditions with a nucleotide sequence complementary to the nucleotide sequence of the wild-type gene, taking into account other conditions such as probe concentration, probe length, and reaction time.
ストリンジェントな条件下でハイブリダイズするヌクレオチド配列を含む遺伝子としては、プローブとして使用する野生型遺伝子のヌクレオチド配列を有する遺伝子のヌクレオチド配列と一定以上の配列同一性を有する遺伝子が挙げられ、例えば、野生型遺伝子のヌクレオチド配列と配列同一性が50%以上であり、好ましくは60%以上又は65%以上であり、より好ましくは70%以上又は75%以上であり、さらに好ましくは80%以上又は85%以上であり、なおさらに好ましくは90%以上、91%以上、92%以上、93%以上、94%以上、95%以上、96%以上、97%以上、98%以上又は99%以上であるヌクレオチド配列を有する遺伝子が挙げられる。該配列同一性の上限は特に限定されず、典型的には100%である。 Examples of genes containing a nucleotide sequence that hybridizes under stringent conditions include genes that have a certain level of sequence identity with the nucleotide sequence of a gene having the nucleotide sequence of a wild-type gene used as a probe, such as genes having a nucleotide sequence that is 50% or more, preferably 60% or more or 65% or more, more preferably 70% or more or 75% or more, even more preferably 80% or more or 85% or more, and even more preferably 90% or more, 91% or more, 92% or more, 93% or more, 94% or more, 95% or more, 96% or more, 97% or more, 98% or more, or 99% or more with the nucleotide sequence of a wild-type gene. The upper limit of the sequence identity is not particularly limited, and is typically 100%.
野生型遺伝子のヌクレオチド配列に相補的なヌクレオチド配列とストリンジェントな条件下でハイブリダイズするヌクレオチド配列としては、例えば、ヌクレオチド配列におけるヌクレオチド数100個を一単位とすれば、野生型遺伝子のヌクレオチド配列において、該一単位あたり、1から数個、好ましくは1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19又は20個、より好ましくは1、2、3、4、5、6、7、8、9又は10個、さらに好ましくは1、2、3、4又は5個のヌクレオチドの欠失、置換、付加などを有するヌクレオチド配列を含む。ここで、「ヌクレオチドの欠失」とは配列中のヌクレオチドに欠落又は消失があることを意味し、「ヌクレオチドの置換」は配列中のヌクレオチドが別のヌクレオチドに置き換えられていることを意味し、「ヌクレオチドの付加」とは新たなヌクレオチドが挿入するように付け加えられていることを意味する。 Nucleotide sequences that hybridize under stringent conditions with a nucleotide sequence complementary to the nucleotide sequence of a wild-type gene include, for example, nucleotide sequences having one to several, preferably 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19 or 20, more preferably 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 or 10, and even more preferably 1, 2, 3, 4 or 5 nucleotide deletions, substitutions, additions, etc., per unit of the nucleotide sequence of the wild-type gene, where 100 nucleotides in the nucleotide sequence are taken as one unit. Here, "nucleotide deletion" means that a nucleotide in the sequence is missing or lost, "nucleotide substitution" means that a nucleotide in the sequence is replaced with another nucleotide, and "nucleotide addition" means that a new nucleotide is added so as to be inserted.
野生型遺伝子のヌクレオチド配列に相補的なヌクレオチド配列とストリンジェントな条件下でハイブリダイズするヌクレオチド配列を有する遺伝子によってコードされる酵素は、野生型遺伝子のヌクレオチド配列によってコードされるアミノ酸配列において1から数個のアミノ酸の欠失、置換、付加などを有するアミノ酸配列を有する酵素である蓋然性があるが、野生型遺伝子のヌクレオチド配列によってコードされる酵素と同じ活性を有するものである。 An enzyme encoded by a gene having a nucleotide sequence that hybridizes under stringent conditions with a nucleotide sequence complementary to the nucleotide sequence of a wild-type gene is likely to be an enzyme having an amino acid sequence that has one or several amino acid deletions, substitutions, additions, etc. in the amino acid sequence encoded by the nucleotide sequence of the wild-type gene, but has the same activity as the enzyme encoded by the nucleotide sequence of the wild-type gene.
acpA遺伝子及びacpB遺伝子の具体的態様は、配列番号1及び2に記載のヌクレオチド配列を有する、MHK4株由来のacpA遺伝子及びacpB遺伝子である。 Specific embodiments of the acpA gene and the acpB gene are the acpA gene and the acpB gene derived from the MHK4 strain, which have the nucleotide sequences set forth in SEQ ID NOs:1 and 2.
acpA遺伝子及びacpB遺伝子は、1つのアミノ酸に対応するコドンが数種類あることを利用して、野生型遺伝子のヌクレオチド配列がコードするアミノ酸配列と同一のアミノ酸配列をコードするヌクレオチド配列であって、野生型遺伝子と異なるヌクレオチド配列、例えば、コドン、二次構造、GC含量などを最適化したヌクレオチド配列を含むものであってもよい。例えば、MHK4株由来のacpA遺伝子及びacpB遺伝子のヌクレオチド配列に対してコドン改変が施されたヌクレオチド配列としては、例えば、配列番号4及び5に記載のヌクレオチド配列などが挙げられる。コドン改変が施されたヌクレオチド配列は、例えば、宿主微生物において発現し易いようにコドン改変が施されたヌクレオチド配列であることが好ましい。 The acpA gene and the acpB gene may be nucleotide sequences that code for the same amino acid sequence as the nucleotide sequence of the wild-type gene by utilizing the fact that there are several types of codons corresponding to one amino acid, and may include a nucleotide sequence different from that of the wild-type gene, for example, a nucleotide sequence in which the codons, secondary structure, GC content, etc. are optimized. For example, examples of nucleotide sequences in which codons have been modified from the nucleotide sequences of the acpA gene and the acpB gene derived from the MHK4 strain include the nucleotide sequences set forth in SEQ ID NOs: 4 and 5. The nucleotide sequence in which the codons have been modified is preferably a nucleotide sequence in which the codons have been modified so as to be easily expressed in a host microorganism, for example.
ヌクレオチド配列及びアミノ酸配列の配列同一性を求める方法は特に限定されないが、例えば、ヌクレオチド配列及びアミノ酸配列の配列同一性は、通常知られる方法を利用して、野生型遺伝子のヌクレオチド配列及び野生型遺伝子が発現する野生型酵素のアミノ酸配列と対象となるヌクレオチド配列及びアミノ酸配列とをアラインメントし、両者の配列の一致率を算出するためのプログラムを用いることにより求められる。具体的には、特許文献2の項目(配列同一性を算出するための手段)を参照して求めることができる。 The method for determining the sequence identity of a nucleotide sequence and an amino acid sequence is not particularly limited, but for example, the sequence identity of a nucleotide sequence and an amino acid sequence can be determined by using a commonly known method to align the nucleotide sequence of a wild-type gene and the amino acid sequence of a wild-type enzyme expressed by the wild-type gene with the target nucleotide sequence and amino acid sequence, and to use a program for calculating the degree of identity between the two sequences. Specifically, the determination can be performed by referring to the section of Patent Document 2 (Means for calculating sequence identity).
(acpC遺伝子)
acpC遺伝子は、AcpC酵素のアミノ酸配列をコードするヌクレオチド配列を含む遺伝子である。
( acpC gene)
The acpC gene is a gene that contains a nucleotide sequence that codes for the amino acid sequence of the AcpC enzyme.
AcpC酵素は、α-ヒドロキシアセトバニロンをバニリン酸へ変換する反応を触媒する活性を有する酵素である。また、AcpC酵素は、DHAPをHBAへ変換する反応を触媒する活性を有する。AcpC酵素は該活性を有するものである限り、アミノ酸配列は特に限定されない。 The AcpC enzyme is an enzyme that has the activity of catalyzing the reaction of converting α-hydroxyacetovanillone to vanillic acid. The AcpC enzyme also has the activity of catalyzing the reaction of converting DHAP to HBA. There are no particular limitations on the amino acid sequence of the AcpC enzyme, so long as it has this activity.
MHK4株のacpC遺伝子によってコードされるAcpC酵素のアミノ酸配列は、配列番号52に記載のアミノ酸配列である。 The amino acid sequence of the AcpC enzyme encoded by the acpC gene of the MHK4 strain is the amino acid sequence set forth in SEQ ID NO:52.
AcpC酵素のアミノ酸配列は、野生型酵素のアミノ酸配列において1から数個のアミノ酸の欠失、置換、付加などを有するアミノ酸配列であってもよい。 The amino acid sequence of the AcpC enzyme may be an amino acid sequence having one or several amino acid deletions, substitutions, additions, etc. in the amino acid sequence of the wild-type enzyme.
後述する実施例に記載したとおり、MHK4株が有するAcpC酵素をコードするacpC遺伝子は、バークホルデリア・スピーシーズ(Burkholderia sp.)AZ11株及びアルカリジェネス・スピーシーズ(Alcaligenes sp.)4HAP株の2,4’-ジヒドロキシアセトフェノン・ジオキシゲナーゼ(DAD)とそれぞれ81%及び99%のアミノ酸配列同一性を示した。このことから、MHK4株が有するAcpC酵素は、2,4’-ジヒドロキシアセトフェノン・ジオキシゲナーゼであると推定される。したがって、MHK4株が有するAcpC酵素のアミノ酸配列と50%以上の配列同一性を有するアミノ酸配列を有し、かつ2,4’-ジヒドロキシアセトフェノン・ジオキシゲナーゼであると推定される酵素は、AcpC酵素として利用してもよい。 As described in the Examples below, the acpC gene encoding the AcpC enzyme of the MHK4 strain showed 81% and 99% amino acid sequence identity with 2,4'-dihydroxyacetophenone dioxygenase (DAD) of Burkholderia sp. AZ11 strain and Alcaligenes sp. 4HAP strain, respectively. From this, the AcpC enzyme of the MHK4 strain is presumed to be 2,4'-dihydroxyacetophenone dioxygenase. Therefore, an enzyme having an amino acid sequence having 50% or more sequence identity with the amino acid sequence of the AcpC enzyme of the MHK4 strain and presumed to be 2,4'-dihydroxyacetophenone dioxygenase may be used as the AcpC enzyme.
AcpC酵素は、AcpA酵素及びAcpB酵素と同様に入手することができる。なお、配列番号52に示すアミノ酸配列を有するAcpC酵素の構成元素から算出される理論分子量は、約20,000である。 The AcpC enzyme can be obtained in the same manner as the AcpA enzyme and the AcpB enzyme. The theoretical molecular weight calculated from the constituent elements of the AcpC enzyme having the amino acid sequence shown in SEQ ID NO:52 is approximately 20,000.
acpC遺伝子は、AcpC酵素のアミノ酸配列をコードするヌクレオチド配列を含むものであれば特に限定されない。acpC遺伝子が生物体内で発現することによりAcpC酵素が生産される。 The acpC gene is not particularly limited as long as it contains a nucleotide sequence encoding the amino acid sequence of the AcpC enzyme. The AcpC enzyme is produced by expressing the acpC gene in an organism.
acpC遺伝子は、野生型遺伝子であってもよく、野生型遺伝子のヌクレオチド配列に相補的なヌクレオチド配列とストリンジェントな条件下でハイブリダイズするヌクレオチド配列を有する遺伝子であってもよい。 The acpC gene may be a wild-type gene, or may be a gene having a nucleotide sequence that hybridizes under stringent conditions with a nucleotide sequence complementary to the nucleotide sequence of the wild-type gene.
acpC遺伝子の具体的態様は、配列番号3に記載のヌクレオチド配列を有する、MHK4株由来のacpC遺伝子である。 A specific embodiment of the acpC gene is the acpC gene from the MHK4 strain, having the nucleotide sequence set forth in SEQ ID NO:3.
acpC遺伝子は、野生型遺伝子のヌクレオチド配列に対してコドン、二次構造、GC含量などが最適化されたヌクレオチド配列を含むものであってもよい。例えば、MHK4株由来のacpC遺伝子のヌクレオチド配列に対してコドン改変が施されたヌクレオチド配列としては、配列番号6に記載のヌクレオチド配列などが挙げられる。 The acpC gene may contain a nucleotide sequence in which codons, secondary structure, GC content, etc. have been optimized relative to the nucleotide sequence of the wild-type gene. For example, an example of a nucleotide sequence in which codons have been modified relative to the nucleotide sequence of the acpC gene derived from the MHK4 strain is the nucleotide sequence set forth in SEQ ID NO:6.
(遺伝子の由来)
acpA遺伝子、acpB遺伝子及びacpC遺伝子は、例えば、アセトバニロンの分解能を有する微生物及びこれらの酵素の発現が見られる微生物などに由来する。acpA遺伝子、acpB遺伝子及びacpC遺伝子の由来微生物としては、例えば、MHK4株を含むシュードモナス(Pseudomonas)属微生物、バークホルデリア(Burkholderia)属微生物、アルカリジェネス(Alcaligenes)属微生物、スフィンゴビウム(Sphingobium)属微生物、ロドコッカス(Rhodococcus)属微生物、アルスロバクター(Arthrobacter)属微生物などが挙げられ、MHK4株及びその近縁種が好ましい。MHK4株の近縁種は、MHK4株と16S rRNA遺伝子のヌクレオチド配列の同一性が99.0%~99.9%であるシュードモナス属微生物をいう。
(Origin of the gene)
The acpA gene, the acpB gene, and the acpC gene are derived from, for example, a microorganism having the ability to decompose acetovanillone and a microorganism in which the expression of these enzymes is observed. Examples of the microorganisms from which the acpA gene, the acpB gene, and the acpC gene are derived include microorganisms of the genus Pseudomonas including the MHK4 strain, microorganisms of the genus Burkholderia , microorganisms of the genus Alcaligenes , microorganisms of the genus Sphingobium , microorganisms of the genus Rhodococcus , and microorganisms of the genus Arthrobacter , and the like, with the MHK4 strain and its closely related species being preferred. A closely related species of the MHK4 strain refers to a Pseudomonas microorganism having 99.0% to 99.9% identity in the nucleotide sequence of the 16S rRNA gene with the MHK4 strain.
また、MHK4株のacpA遺伝子及びacpB遺伝子のヌクレオチド配列は、シュードモナス・プチダが保有する遺伝子のヌクレオチド配列と一定の配列同一性を有することから、acpA遺伝子及びacpB遺伝子の由来微生物はシュードモナス属微生物が好ましい。 In addition, since the nucleotide sequences of the acpA gene and the acpB gene of the MHK4 strain have a certain degree of sequence identity with the nucleotide sequences of the genes possessed by Pseudomonas putida, the origin of the acpA gene and the acpB gene is preferably a microorganism of the genus Pseudomonas.
MHK4株のacpC遺伝子のヌクレオチド配列は、バークホルデリア・スピーシーズ AZ11株及びアルカリジェネス・スピーシーズ 4HAP株が保有する遺伝子のヌクレオチド配列と一定の配列同一性を有することから、acpC遺伝子の由来微生物はバークホルデリア属微生物及びアルカリジェネス属微生物が好ましい。なお、acpC遺伝子として、バークホルデリア・スピーシーズ AZ11株及びアルカリジェネス・スピーシーズ 4HAP株が有する2,4’-ジヒドロキシアセトフェノン・ジオキシゲナーゼ遺伝子を使用することができる。 Since the nucleotide sequence of the acpC gene of the MHK4 strain has a certain degree of sequence identity with the nucleotide sequences of genes possessed by Burkholderia sp. AZ11 strain and Alcaligenes sp. 4HAP strain, the origin of the acpC gene is preferably a microorganism belonging to the genus Burkholderia or Alcaligenes. Note that the 2,4'-dihydroxyacetophenone dioxygenase gene possessed by Burkholderia sp. AZ11 strain and Alcaligenes sp. 4HAP strain can be used as the acpC gene.
acpA遺伝子、acpB遺伝子及びacpC遺伝子の由来微生物は、上記に列挙したものを含めて特に限定されないが、これらの遺伝子を導入した形質転換微生物において発現されるAcpA酵素、AcpB酵素及びAcpC酵素が宿主微生物の生育条件によって不活化せず、活性を示すことが好ましいことから、acpA遺伝子、acpB遺伝子及びacpC遺伝子を導入することによって形質転換すべき宿主微生物と生育条件が近似する微生物であることが好ましい。 The microorganisms from which the acpA gene, acpB gene, and acpC gene are derived are not particularly limited and include those listed above. However, since it is preferable that the AcpA enzyme, AcpB enzyme, and AcpC enzyme expressed in a transformed microorganism into which these genes have been introduced are not inactivated by the growth conditions of the host microorganism and exhibit activity, it is preferable that the microorganisms have growth conditions similar to those of the host microorganism to be transformed by introducing the acpA gene, acpB gene, and acpC gene.
(形質転換微生物)
本発明の別の一態様は、アセトバニロン変換酵素遺伝子群を外来遺伝子として導入した形質転換微生物である。本発明の第一の態様の形質転換微生物は、acpA遺伝子及びacpB遺伝子が外来遺伝子として導入されており、かつ該導入された遺伝子を発現する、形質転換微生物である。本発明の第二の態様の形質転換微生物は、acpA遺伝子、acpB遺伝子及びacpC遺伝子が外来遺伝子として導入されており、かつ該導入された遺伝子を発現する、形質転換微生物である。以下では、acpA遺伝子及びacpB遺伝子の組み合わせ、並びにacpA遺伝子、acpB遺伝子及びacpC遺伝子の組み合わせを、「アセトバニロン変換酵素遺伝子群」と総称する。
(Transformed microorganisms)
Another aspect of the present invention is a transformed microorganism into which an acetovanillone converting enzyme gene group has been introduced as a foreign gene. The transformed microorganism of the first aspect of the present invention is a transformed microorganism into which the acpA gene and the acpB gene have been introduced as foreign genes and which expresses the introduced genes. The transformed microorganism of the second aspect of the present invention is a transformed microorganism into which the acpA gene, the acpB gene and the acpC gene have been introduced as foreign genes and which expresses the introduced genes. Hereinafter, the combination of the acpA gene and the acpB gene, and the combination of the acpA gene, the acpB gene and the acpC gene are collectively referred to as the "acetovanillone converting enzyme gene group".
形質転換微生物は、宿主微生物に、アセトバニロン変換酵素遺伝子群を外来遺伝子として導入することにより作製する。 Transformed microorganisms are produced by introducing the acetovanillone converting enzyme gene group as foreign genes into a host microorganism.
宿主微生物は、アセトバニロン変換酵素遺伝子群を外来遺伝子として導入することができ、かつ導入したアセトバニロン変換酵素遺伝子群を発現することができる微生物であれば特に限定されない。宿主微生物としては、例えば、シュードモナス属微生物、バークホルデリア属微生物、アルカリジェネス属微生物、スフィンゴビウム属微生物、ロドコッカス属微生物、アルスロバクター属微生物、エシェリヒア属微生物、コリネバクテリウム属微生物などが挙げられるが、アセトバニロン分解性の株が属するシュードモナス属微生物、バークホルデリア属微生物、アルカリジェネス属微生物、スフィンゴビウム属微生物、ロドコッカス属微生物及びアルスロバクター属微生物が好ましく、MHK4株のアセトバニロン変換酵素遺伝子群を導入かつ発現できることからシュードモナス属微生物がより好ましい。 The host microorganism is not particularly limited as long as it is a microorganism into which the acetovanillone conversion enzyme gene group can be introduced as a foreign gene and into which the introduced acetovanillone conversion enzyme gene group can be expressed. Examples of host microorganisms include microorganisms of the genus Pseudomonas, Burkholderia, Alcaligenes, Sphingobium, Rhodococcus, Arthrobacter, Escherichia, and Corynebacterium. However, microorganisms of the genus Pseudomonas, Burkholderia, Alcaligenes, Sphingobium, Rhodococcus, and Arthrobacter, which include acetovanillone-degrading strains, are preferred, and microorganisms of the genus Pseudomonas are more preferred because the acetovanillone conversion enzyme gene group of the MHK4 strain can be introduced and expressed.
シュードモナス・スピーシーズ(Pseudomonas sp.) NGC7株(受託番号:NITE BP-03043)は、H型リグニン由来芳香族化合物、S型リグニン由来芳香族化合物及びG型リグニン由来芳香族化合物に対して資化性を有し、リグニンからの有用物質生産に優れている。そこで、宿主微生物は、シュードモナス・スピーシーズ NGC7株であることが好ましい。 Pseudomonas sp. NGC7 strain (Accession No.: NITE BP-03043) has assimilation properties for H-type lignin-derived aromatic compounds, S-type lignin-derived aromatic compounds, and G-type lignin-derived aromatic compounds, and is excellent in producing useful substances from lignin. Therefore, the host microorganism is preferably Pseudomonas sp. NGC7 strain.
宿主微生物は、野生型微生物であっても、野生型微生物を遺伝子組換えして得られる形質転換微生物であっても、いずれでもよい。例えば、宿主微生物がバニリン酸を分解する反応を触媒する活性を有する酵素の遺伝子(例えば、バニレート O-デメチラーゼ遺伝子)を有する場合、該宿主微生物にアセトバニロン変換酵素遺伝子群を導入して得られる形質転換微生物は、バニリン酸を生産しても、分解もするので、バニリン酸を蓄積することが困難である。また、形質転換株の選抜のために薬剤選択を利用する場合は、使用する予定の薬剤に対して耐性を示すように機能する薬剤耐性遺伝子は薬剤選択を困難にする。そこで、宿主微生物は、バニリン酸分解酵素の遺伝子を欠失した微生物及び/又は薬剤耐性遺伝子を欠失した微生物であることが好ましい。ただし、野生型微生物にアセトバニロン変換酵素遺伝子群を導入した後に、バニリン酸分解酵素の遺伝子などを欠失して形質転換微生物を得てもよい。 The host microorganism may be either a wild-type microorganism or a transformed microorganism obtained by genetically recombining a wild-type microorganism. For example, when the host microorganism has a gene for an enzyme having an activity of catalyzing a reaction to decompose vanillic acid (e.g., vanillate O -demethylase gene), a transformed microorganism obtained by introducing an acetovanillone converting enzyme gene group into the host microorganism not only produces vanillic acid but also decomposes it, so that it is difficult to accumulate vanillic acid. In addition, when drug selection is used to select a transformed strain, a drug resistance gene that functions to show resistance to a drug to be used makes drug selection difficult. Therefore, the host microorganism is preferably a microorganism lacking a vanillic acid decomposing enzyme gene and/or a microorganism lacking a drug resistance gene. However, a transformed microorganism may be obtained by deleting a vanillic acid decomposing enzyme gene or the like after introducing an acetovanillone converting enzyme gene group into a wild-type microorganism.
バニレート O-デメチラーゼは、原則、バニレート O-デメチラーゼ オキシゲナーゼコンポーネント(vanillate O-demethylase oxygenase component)及びバニレート O-デメチラーゼ オキシドレダクターゼコンポーネント(vanillate O-demethylase oxidoreductase component)からなる。バニレート O-デメチラーゼ オキシゲナーゼコンポーネントをコードする遺伝子はvanA遺伝子とよばれ、バニレート O-デメチラーゼ オキシドレダクターゼコンポーネントをコードする遺伝子はvanB遺伝子とよばれる。 Vanillate O -demethylase is essentially composed of a vanillate O -demethylase oxygenase component and a vanillate O -demethylase oxidoreductase component. The gene encoding the vanillate O -demethylase oxygenase component is called the vanA gene, and the gene encoding the vanillate O -demethylase oxidoreductase component is called the vanB gene.
vanA遺伝子が発現するバニレート O-デメチラーゼ オキシゲナーゼコンポーネント(EC 1.14.13.82;以下、VanA酵素ともよぶ。)は、Oxidoreductase componentを介して供給されるNADH又はNADPH由来の電子と、分子状酸素から供給される酸素原子とを利用して、バニリン酸のメチルエーテル結合を開裂し、プロトカテク酸、ホルムアルデヒド及び水を生成する。 The vanillate O -demethylase oxygenase component (EC 1.14.13.82; hereinafter, also referred to as VanA enzyme) expressed by the vanA gene cleaves the methyl ether bond of vanillic acid using electrons derived from NADH or NADPH supplied via the oxygen reductase component and oxygen atoms supplied from molecular oxygen, producing protocatechuic acid, formaldehyde, and water.
バニレート O-デメチラーゼ オキシゲナーゼコンポーネントは、そのアミノ酸配列中にRieske[2Fe-2S]iron-sulfur domain(W7-V107,PROSITE entry no.PS51296)を有し、該ドメイン中のC及びH(C47、H49、C66、H69)がFe-Sの結合に関わる。 The vanillate O 2 -demethylase oxygenase component has a Rieske[2Fe-2S] iron-sulfur domain (W7-V107, PROSITE entry no. PS51296) in its amino acid sequence, and C and H (C47, H49, C66, H69) in the domain are involved in Fe—S binding.
vanB遺伝子が発現するバニレート O-デメチラーゼ オキシドレダクターゼコンポーネント(EC 1.14.13.82;以下、VanB酵素ともよぶ。)は、NADH又はNADPHから電子を抜き取り、酸素添加酵素(オキシゲナーゼ)へと伝達する酸化還元酵素の一つとして知られている。バニレート O-デメチラーゼ オキシドレダクターゼコンポーネントは、バニレート O-デメチラーゼ オキシゲナーゼコンポーネントであるVanA酵素にNADH又はNADPH由来の電子を伝達する。 The vanillate O -demethylase oxidoreductase component (EC 1.14.13.82; hereinafter, also referred to as VanB enzyme) expressed by the vanB gene is known as one of the oxidoreductases that extracts electrons from NADH or NADPH and transfers them to oxygenase (oxygenase). The vanillate O -demethylase oxidoreductase component transfers electrons derived from NADH or NADPH to the VanA enzyme, which is the vanillate O -demethylase oxygenase component.
バニレート O-デメチラーゼ オキシドレダクターゼコンポーネントは、そのアミノ酸配列中に、2Fe-2S Ferredoxin type iron-sulfer binding domain(G229-I316、PROSITE entry no.PS51085)を有し、該アミノ酸配列中のC(C265、C270、C273、C303)がFe-Sの結合に関わる。また、バニレート O-デメチラーゼ オキシドレダクターゼコンポーネントは、そのアミノ酸配列中に、NAD-binding domain(L109-D201,Pfam entry no.PF00175)及びFerredoxin reductase type FAD-binding domain(M1-A101、PROSITE entory no.PS51384)を有する。 The vanillate O 2 -demethylase oxidoreductase component has a 2Fe-2S ferredoxin type iron-sulfer binding domain (G229-I316, PROSITE entry no. PS51085) in its amino acid sequence, and Cs (C265, C270, C273, C303) in the amino acid sequence are involved in Fe—S binding. In addition, the vanillate O 2 -demethylase oxidoreductase component has an NAD-binding domain (L109-D201, Pfam entry no. PF00175) and a Ferredoxin reductase type FAD-binding domain (M1-A101, PROSITE entry no. PS51384) in its amino acid sequence.
vanA遺伝子の発現産物(VanA酵素)及びvanB遺伝子の発現産物(VanB酵素)が共同して機能することでバニレート O-デメチラーゼ(VanAB酵素)を構成する。VanAB酵素は、バニリン酸の脱メチル化を担うが、シリンガ酸を3-O-メチルガリック酸へ、3-O-メチルガリック酸をガリック酸へそれぞれ変換することができるので、シリンガ酸 O-デメチラーゼ、3-O-メチルガリック酸 デメチラーゼとしても機能することができる。なお、SYK-6株はシリンガ酸 O-デメチラーゼをコードする遺伝子としてdesA遺伝子を有し、バニリン酸/3-O-メチルガリック酸 O-デメチラーゼをコードする遺伝子としてligM遺伝子を有する。 The expression product of the vanA gene (VanA enzyme) and the expression product of the vanB gene (VanB enzyme) function in cooperation to form vanillate O -demethylase (VanAB enzyme). VanAB enzyme is responsible for demethylating vanillic acid, but can also function as syringic acid O -demethylase and 3- O -methylgallic acid demethylase, since it can convert syringic acid to 3- O -methylgallic acid and 3- O -methylgallic acid to gallic acid, respectively. The SYK-6 strain has the desA gene as a gene encoding syringic acid O -demethylase, and the ligM gene as a gene encoding vanillic acid/3-O-methylgallic acid O -demethylase.
SYK-6株が有するdesA遺伝子及びligM遺伝子がコードする酵素は、テトラヒドロ葉酸へのメチル転移反応を触媒し、その反応の進行にはテトラヒドロ葉酸を要求する。テトラヒドロ葉酸の再生にはメチオニン、チミジン、プリン生合成などに要求されるC1化合物を供給するC1代謝が必要であることから、これらの酵素はC1代謝と共役して機能させなければならない。これに対し、NGC7株及びMHK4株が発現するバニレート O-デメチラーゼは、酸素添加型であり、オキシゲナーゼコンポーネントとオキシドレダクターゼコンポーネントとからなることにより、C1代謝との共役などを要せず、複雑さが低減されている。 The enzymes encoded by the desA and ligM genes of the SYK-6 strain catalyze a methyl transfer reaction to tetrahydrofolic acid, and tetrahydrofolic acid is required for the progress of the reaction. Since the regeneration of tetrahydrofolic acid requires C1 metabolism to supply C1 compounds required for methionine, thymidine, purine biosynthesis, etc., these enzymes must function in conjunction with C1 metabolism. In contrast, the vanillate O -demethylase expressed by the NGC7 and MHK4 strains is an oxygen-adding type and is composed of an oxygenase component and an oxidoreductase component, so that it does not require coupling with C1 metabolism and has a reduced complexity.
以上のとおり、vanA遺伝子及びvanB遺伝子は1組の遺伝子セットとして機能すると考えられる。特許文献2に記載があるとおり、NGC7株は、vanA遺伝子及びvanB遺伝子のセットとして、vanA1遺伝子及びvanB1遺伝子の遺伝子セット、vanA2遺伝子及びvanB2遺伝子の遺伝子セット、vanA3遺伝子及びvanB3遺伝子の遺伝子セット、並びにvanA4遺伝子及びvanB4遺伝子セットを有すると想定される。ただし、これらの遺伝子セットのうち、vanA4遺伝子及びvanB4遺伝子のセットがバニリン酸の分解に深く関与していると考えられる。 As described above, the vanA gene and the vanB gene are considered to function as a gene set. As described in Patent Document 2, the NGC7 strain is assumed to have the following gene sets of vanA gene and vanB gene: a gene set of vanA1 gene and vanB1 gene, a gene set of vanA2 gene and vanB2 gene, a gene set of vanA3 gene and vanB3 gene, and a gene set of vanA4 gene and vanB4 gene. However, among these gene sets, the set of vanA4 gene and vanB4 gene is considered to be deeply involved in the degradation of vanillic acid.
NGC7株が有するVanAB酵素をコードする遺伝子のうち、バニリン酸に直接作用するのはオキシゲナーゼコンポーネントあるvanA4遺伝子である。そこで、宿主微生物がNGC7株である場合、アセトバニロンからバニリン酸の製造を試みる場合は、本発明の一態様の形質転換微生物は、vanA4遺伝子が欠失していることが好ましく、バニリン酸への作用を高度に低減するために、vanA4遺伝子及びvanB4遺伝子の両方が欠失していることがより好ましい。ただし、バニリン酸の収率高めること、バニリン酸の分解をより低減することなどが期待できることから、本発明の一態様の形質転換微生物は、vanA4遺伝子及びvanB4遺伝子に加えて、その他のvanA遺伝子及び/又はvanB遺伝子が欠失していることが好ましい。欠失させるその他のvanA遺伝子及びvanB遺伝子は、特許文献2を参照して、得られる形質転換微生物の資化性その他の性質を加味して適宜選択すればよい。 Among the genes encoding the VanAB enzyme possessed by the NGC7 strain, the vanA4 gene, which is an oxygenase component, acts directly on vanillic acid. Therefore, when the host microorganism is the NGC7 strain and vanillic acid is to be produced from acetovanillone, the transformed microorganism of one embodiment of the present invention is preferably deleted of the vanA4 gene, and more preferably deleted of both the vanA4 gene and the vanB4 gene in order to highly reduce the action on vanillic acid. However, since it is expected that the yield of vanillic acid can be increased and the decomposition of vanillic acid can be further reduced, the transformed microorganism of one embodiment of the present invention is preferably deleted of other vanA genes and/or vanB genes in addition to the vanA4 gene and the vanB4 gene. The other vanA genes and vanB genes to be deleted may be appropriately selected with reference to Patent Document 2, taking into account the assimilation and other properties of the resulting transformed microorganism.
一方、NGC7株が有するpobA遺伝子は、HBAをプロトカテク酸へ変換する活性を有するPobA酵素を発現する。PobA酵素は、4-ヒドロキシ安息香酸・モノオキシゲナーゼ(4-hydroxybenzoate monooxygenase)(EC 1.14.13.2又はEC 1.14.13.33)の一種である。そこで、最終生産物をHBAとする場合は、本発明の一態様の形質転換微生物は、pobA遺伝子が欠失していることが好ましい。 On the other hand, the pobA gene of the NGC7 strain expresses the PobA enzyme having the activity of converting HBA to protocatechuic acid. The PobA enzyme is a type of 4-hydroxybenzoate monooxygenase (EC 1.14.13.2 or EC 1.14.13.33). Therefore, when the final product is HBA, it is preferable that the transformed microorganism of one embodiment of the present invention lacks the pobA gene.
形質転換微生物を作製する方法、例えば、宿主微生物に遺伝子を導入する方法、宿主微生物の遺伝子を欠失する方法などの方法の詳細は、特許文献2に記載の項目(遺伝子工学的手法による遺伝子のクローニング)、項目(遺伝子を含む組換えベクターの構築)及び項目(形質転換微生物の作製方法)を参照して実施すればよい。なお、組換えベクターを利用する場合、アセトバニロン変換酵素遺伝子群を組み込んだ組換えベクターは、その他の外来遺伝子(異種遺伝子)を含んでもよい。外来遺伝子は宿主微生物に本来的に存在しない(not naturally occuring)遺伝子であれば特に限定されず、例えば、pUC118由来のDNA断片、具体的にはラクトースプロモーター領域(P lac )、薬剤耐性遺伝子、RBS配列などが挙げられる。 For details of a method for producing a transformed microorganism, such as a method for introducing a gene into a host microorganism or a method for deleting a gene from a host microorganism, refer to the items (cloning of genes by genetic engineering techniques), (construction of a recombinant vector containing a gene), and (method for producing a transformed microorganism) described in Patent Document 2. When a recombinant vector is used, the recombinant vector incorporating the acetovanillone converting enzyme gene group may contain other foreign genes (heterologous genes). The foreign genes are not particularly limited as long as they are genes that do not naturally occur in the host microorganism, and examples thereof include DNA fragments derived from pUC118, specifically lactose promoter regions (P lac ), drug resistance genes, and RBS sequences.
アセトバニロン変換酵素遺伝子群の宿主微生物への導入方法は特に限定されず、例えば、アセトバニロン変換酵素遺伝子群を組み込んだプラスミドベクターなどのDNAコンストラクトが自律的に増殖して遺伝子を発現するように宿主微生物に導入する方法、相同組換えを利用することにより宿主微生物の染色体上にアセトバニロン変換酵素遺伝子群を組み込む方法などが挙げられるが、菌体あたりのアセトバニロンの分解量が増えることから、宿主微生物の染色体上にアセトバニロン変換酵素遺伝子群を組み込む方法が好ましい。 The method of introducing the acetovanillone converting enzyme gene group into the host microorganism is not particularly limited, and examples of the method include a method in which a DNA construct such as a plasmid vector incorporating the acetovanillone converting enzyme gene group is introduced into the host microorganism so that it grows autonomously and expresses the genes, and a method in which the acetovanillone converting enzyme gene group is incorporated into the chromosome of the host microorganism by using homologous recombination. However, the method of incorporating the acetovanillone converting enzyme gene group into the chromosome of the host microorganism is preferred because it increases the amount of acetovanillone decomposed per bacterial cell.
(形質転換微生物の具体的な一実施態様)
形質転換微生物の具体的な一態様は、宿主微生物が大腸菌であって、acpA遺伝子、acpB遺伝子及び/又はacpC遺伝子が外来遺伝子として導入されており、かつ該導入された遺伝子を発現する、形質転換微生物(1)である。形質転換微生物(1)を用いることにより、AcpA酵素、AcpB酵素及びAcpC酵素を得ることができる。形質転換微生物(1)の具体例は、後述する実施例に記載がある、BL21(DE3)[pE16acpA]株、BL21(DE3)[pE16acpB]株及びBL21(DE3)[pE16acpC]株である。
(Specific embodiment of transformed microorganism)
A specific embodiment of the transformed microorganism is a transformed microorganism (1) in which the host microorganism is Escherichia coli, the acpA gene, the acpB gene, and/or the acpC gene are introduced as foreign genes, and the introduced genes are expressed. By using the transformed microorganism (1), the AcpA enzyme, the AcpB enzyme, and the AcpC enzyme can be obtained. Specific examples of the transformed microorganism (1) are the BL21(DE3)[ pE16acpA ] strain, the BL21(DE3)[ pE16acpB ] strain, and the BL21(DE3)[ pE16acpC ] strain, which are described in the Examples below.
形質転換微生物の具体的な一態様は、宿主微生物がNGC7株であって、acpA遺伝子及びacpB遺伝子が外来遺伝子として導入されており、かつ該導入された遺伝子を発現する、形質転換微生物(2)である。形質転換微生物(2)は、アセトバニロンをα-ヒドロキシアセトバニロンへ変換することができる。また、形質転換微生物(2)は、HAPをDHAPへ変換することができる。 A specific embodiment of the transformed microorganism is a transformed microorganism (2) in which the host microorganism is an NGC7 strain, the acpA gene and the acpB gene are introduced as foreign genes, and the introduced genes are expressed. The transformed microorganism (2) can convert acetovanillone to α-hydroxyacetovanillone. The transformed microorganism (2) can also convert HAP to DHAP.
形質転換微生物の具体的な別の一態様は、宿主微生物がNGC7株であって、acpA遺伝子、acpB遺伝子及びacpC遺伝子が外来遺伝子として導入されており、かつ該導入された遺伝子を発現する、形質転換微生物(3)である。形質転換微生物(3)は、アセトバニロンをα-ヒドロキシアセトバニロンを介してバニリン酸へ変換することができる。ただし、NGC7株はバニリン酸の資化能を有することから、形質転換微生物(3)によってはバニリン酸を蓄積することが困難である。形質転換微生物(3)の具体例は、後述する実施例に記載のNGC7Δaph[pSEVAacpCAB opt]株である。 Another specific embodiment of the transformed microorganism is a transformed microorganism (3) in which the host microorganism is the NGC7 strain, the acpA gene, the acpB gene, and the acpC gene are introduced as foreign genes, and the introduced genes are expressed. The transformed microorganism (3) can convert acetovanillone to vanillic acid via α-hydroxyacetovanillone. However, since the NGC7 strain has the ability to assimilate vanillic acid, it is difficult for the transformed microorganism (3) to accumulate vanillic acid. A specific example of the transformed microorganism (3) is the NGC7Δ aph [pSEVA acpCAB opt ] strain described in the Examples below.
形質転換微生物の具体的な別の一態様は、宿主微生物がvanA遺伝子及びvanB遺伝子、好ましくはvanA4遺伝子及びvanB4遺伝子が欠失したNGC7株であって、acpA遺伝子、acpB遺伝子及びacpC遺伝子が外来遺伝子として導入されており、かつ該導入された遺伝子を発現する、形質転換微生物(4)である。形質転換微生物(4)は、アセトバニロンをα-ヒドロキシアセトバニロンを介してバニリン酸へ変換することができる。また、形質転換微生物(4)は、4-ヒドロキシ安息香酸などのH型リグニン由来の芳香族化合物を炭素源として増殖しつつ、フェルラ酸やバニリンなどのG型リグニン由来の芳香族化合物及びアセトバニロン又はアセトバニロンを含むG型リグニン由来の芳香族化合物の混合物からバニリン酸の製造が可能である。形質転換微生物(4)の具体例は、後述する実施例に記載のNGC729[pSEVAacpCAB opt]株及びNGC729::P tac :acpCAB opt株である。 Another specific embodiment of the transformed microorganism is a transformed microorganism (4) in which the host microorganism is an NGC7 strain lacking the vanA gene and the vanB gene, preferably the vanA4 gene and the vanB4 gene, and in which the acpA gene, the acpB gene and the acpC gene have been introduced as foreign genes and which express the introduced genes. The transformed microorganism (4) can convert acetovanillone to vanillic acid via α-hydroxyacetovanillone. The transformed microorganism (4) can grow using aromatic compounds derived from H-type lignin, such as 4-hydroxybenzoic acid, as a carbon source, and can produce vanillic acid from aromatic compounds derived from G-type lignin, such as ferulic acid and vanillin, and acetovanillone or a mixture of aromatic compounds derived from G-type lignin containing acetovanillone. Specific examples of the transformed microorganism (4) include the NGC729[pSEVA acpCAB opt ] strain and the NGC729::P tac : acpCAB opt strain described in the Examples below.
形質転換微生物の具体的な別の一態様は、宿主微生物がpobA遺伝子が欠失したNGC7株であって、acpA遺伝子、acpB遺伝子及びacpC遺伝子が外来遺伝子として導入されており、かつ該導入された遺伝子を発現する、形質転換微生物(5)である。形質転換微生物(5)は、HAPをDHAPを介してHBAへ変換することができる。また、形質転換微生物(5)は、アセトバニロンなどのG型リグニン由来の芳香族化合物を炭素源として増殖しつつ、HAPなどのH型リグニン由来の芳香族化合物からHBAの製造が可能である。形質転換微生物(5)の具体例は、後述する実施例に記載のNGC7ΔpobA[pSEVAacpCAB opt]株である。 Another specific embodiment of the transformed microorganism is a transformed microorganism (5) in which the host microorganism is an NGC7 strain lacking the pobA gene, the acpA gene, the acpB gene, and the acpC gene are introduced as foreign genes, and the introduced genes are expressed. The transformed microorganism (5) can convert HAP to HBA via DHAP. The transformed microorganism (5) can produce HBA from aromatic compounds derived from H-type lignin such as HAP while growing using aromatic compounds derived from G-type lignin such as acetovanillone as a carbon source. A specific example of the transformed microorganism (5) is the NGC7Δ pobA [pSEVA acpCAB opt ] strain described in the Examples below.
(製造方法)
形質転換微生物(1)により得たAcpA酵素、AcpB酵素及びAcpC酵素(以下、AcpABC酵素と総称する場合がある。)を適宜組み合わせて用いることにより、アセトバニロンからα-ヒドロキシアセトバニロンを製造でき、α-ヒドロキシアセトバニロンからバニリン酸を製造でき、及びアセトバニロンからα-ヒドロキシアセトバニロンを経由してバニリン酸を製造できる。本発明の一態様の製造方法は、アセトバニロンを、acpA遺伝子の発現産物であるAcpA酵素及びacpB遺伝子の発現産物であるAcpB酵素に作用させることにより、α-ヒドロキシアセトバニロンを得る工程を含む、α-ヒドロキシアセトバニロンの製造方法である。本発明の別の一態様の製造方法は、アセトバニロンを、acpA遺伝子の発現産物であるAcpA酵素、acpB遺伝子の発現産物であるAcpB酵素及びacpC遺伝子の発現産物であるAcpC酵素に作用させることにより、バニリン酸を得る工程を含む、バニリン酸の製造方法である。なお、AcpA酵素、AcpB酵素及びAcpC酵素は、acpA遺伝子、acpB遺伝子及びacpC遺伝子を利用して、無細胞タンパク質合成系を利用して合成してもよい。
(Production method)
By using an appropriate combination of the AcpA enzyme, AcpB enzyme, and AcpC enzyme (hereinafter sometimes collectively referred to as AcpABC enzyme) obtained by the transformed microorganism (1), it is possible to produce α-hydroxyacetovanillone from acetovanillone, to produce vanillic acid from α-hydroxyacetovanillone, and to produce vanillic acid from acetovanillone via α-hydroxyacetovanillone. A production method according to one aspect of the present invention is a production method for α-hydroxyacetovanillone, comprising the step of obtaining α-hydroxyacetovanillone by allowing acetovanillone to act on the AcpA enzyme, which is an expression product of the acpA gene, and the AcpB enzyme, which is an expression product of the acpB gene. A production method according to another aspect of the present invention is a production method for vanillic acid, comprising the step of obtaining vanillic acid by allowing acetovanillone to act on the AcpA enzyme, which is an expression product of the acpA gene, the AcpB enzyme, which is an expression product of the acpB gene, and the AcpC enzyme, which is an expression product of the acpC gene. The AcpA enzyme, the AcpB enzyme and the AcpC enzyme may be synthesized using a cell-free protein synthesis system by utilizing the acpA gene, the acpB gene and the acpC gene.
形質転換微生物(2)を用いることにより、アセトバニロンからα-ヒドロキシアセトバニロンを製造することができる。本発明の別の一態様の製造方法は、アセトバニロンを、acpA遺伝子及びacpB遺伝子が外来遺伝子として導入されており、かつ該導入された遺伝子を発現する形質転換微生物に作用させることにより、α-ヒドロキシアセトバニロンを得る工程を含む、α-ヒドロキシアセトバニロンの製造方法である。 By using the transformed microorganism (2), α-hydroxyacetovanillone can be produced from acetovanillone. Another embodiment of the production method of the present invention is a method for producing α-hydroxyacetovanillone, comprising the step of allowing acetovanillone to act on a transformed microorganism into which acpA gene and acpB gene have been introduced as foreign genes and which expresses the introduced genes, thereby obtaining α-hydroxyacetovanillone.
形質転換微生物(3)及び形質転換微生物(4)を用いることにより、アセトバニロンからバニリン酸を製造することができる。本発明の別の一態様の製造方法は、アセトバニロンを、acpA遺伝子、acpB遺伝子及びacpC遺伝子が外来遺伝子として導入されており、かつ該導入された遺伝子を発現する形質転換微生物に作用させることにより、バニリン酸を得る工程を含む、バニリン酸の製造方法である。本発明の別の一態様の製造方法は、アセトバニロンを、acpA遺伝子、acpB遺伝子及びacpC遺伝子が外来遺伝子として導入されており、かつ該導入された遺伝子を発現し、さらに染色体上にあるバニレート O-デメチラーゼ遺伝子を欠失している形質転換微生物に作用させることにより、バニリン酸を得る工程を含む、バニリン酸の製造方法である。 Vanillic acid can be produced from acetovanillone by using the transformed microorganism (3) and the transformed microorganism (4). Another embodiment of the production method of the present invention is a method for producing vanillic acid, comprising the step of obtaining vanillic acid by allowing acetovanillone to act on a transformed microorganism into which the acpA gene, the acpB gene, and the acpC gene have been introduced as foreign genes and which expresses the introduced genes. Another embodiment of the production method of the present invention is a method for producing vanillic acid, comprising the step of obtaining vanillic acid by allowing acetovanillone to act on a transformed microorganism into which the acpA gene, the acpB gene, and the acpC gene have been introduced as foreign genes, which expresses the introduced genes, and which further lacks the vanillate O -demethylase gene on the chromosome.
形質転換微生物(5)を用いることにより、HAPからHBAを製造することができる。本発明の別の一態様の製造方法は、HAPを、acpA遺伝子、acpB遺伝子及びacpC遺伝子が外来遺伝子として導入されており、かつ該導入された遺伝子を発現し、さらに染色体上にあるpobA遺伝子を欠失している形質転換微生物に作用させることにより、HBAを得る工程を含む、HBAの製造方法である。 By using the transformed microorganism (5), HBA can be produced from HAP. Another embodiment of the production method of the present invention is a method for producing HBA, comprising a step of allowing HAP to act on a transformed microorganism into which acpA gene, acpB gene, and acpC gene have been introduced as foreign genes, which express the introduced genes, and which further lacks the pobA gene on its chromosome, to obtain HBA.
アセトバニロンは、クラフト蒸解、ソーダ蒸解といったリグニンのアルカリ酸化分解によって得られる分解物に含まれることから、アセトバニロンの供給源は主にG型リグニンから成る針葉樹リグニンのアルカリ酸化分解物などの芳香族化合物の混合物であってもよい。 Acetovanillone is contained in the decomposition products obtained by alkaline oxidative decomposition of lignin, such as kraft cooking and soda cooking, so the source of acetovanillone may be a mixture of aromatic compounds, such as alkaline oxidative decomposition products of softwood lignin, which is mainly composed of G-type lignin.
アセトバニロンをAcpABC酵素に作用させる方法は、アセトバニロンとAcpABC酵素とが接触して、AcpABC酵素によってα-ヒドロキシアセトバニロン及び/又はバニリン酸(以下、目的生産物と総称する場合もある。)が生産及び/又は蓄積できる方法であれば特に限定されず、例えば、pHが6.5~8.5、好ましくは7.0~8.0であり、温度が20℃~40℃、好ましくは25℃~35℃であり、時間が数分間~数時間、好ましくは10分間~60分間である条件で、アセトバニロンをAcpABC酵素に作用させる方法が挙げられる。 The method of allowing acetovanillone to act on the AcpABC enzyme is not particularly limited as long as it allows contact between acetovanillone and the AcpABC enzyme and allows the AcpABC enzyme to produce and/or accumulate α-hydroxyacetovanillone and/or vanillic acid (hereinafter sometimes collectively referred to as the target product). For example, there is a method of allowing acetovanillone to act on the AcpABC enzyme under conditions of a pH of 6.5 to 8.5, preferably 7.0 to 8.0, a temperature of 20°C to 40°C, preferably 25°C to 35°C, and a time of several minutes to several hours, preferably 10 minutes to 60 minutes.
アセトバニロンを形質転換微生物に作用させる方法は、アセトバニロンと形質転換微生物とが接触して、形質転換微生物が有するAcpABC酵素によって目的生産物が生産及び/又は蓄積できる方法であれば特に限定されないが、例えば、アセトバニロンを含有し、かつ、形質転換微生物の生育に適した培地を用いて、形質転換微生物に適した各種培養条件下で形質転換微生物を培養することによって、目的生産物を製造する方法などが挙げられる。培養方法は特に限定されず、例えば、通気条件下で行う固体培養法や液体培養法などが挙げられる。 The method of making acetovanillone act on a transformed microorganism is not particularly limited as long as it is a method in which acetovanillone comes into contact with the transformed microorganism and the target product can be produced and/or accumulated by the AcpABC enzyme possessed by the transformed microorganism. For example, a method of producing a target product by culturing a transformed microorganism under various culture conditions suitable for the transformed microorganism using a medium containing acetovanillone and suitable for the growth of the transformed microorganism is included. The culture method is not particularly limited, and examples include a solid culture method or a liquid culture method performed under aeration conditions.
宿主微生物がNGC7株である場合の培養方法は、特許文献2の項目(製造方法)を参照して実施することができる。以下、一部を抜粋して記載する。 When the host microorganism is the NGC7 strain, the culture method can be carried out by referring to the item (production method) in Patent Document 2. An excerpt is described below.
培地は、シュードモナス属微生物を培養する通常の培地、すなわち、炭素源、窒素源、無機物、その他の栄養素を適切な割合で含有するものであれば、合成培地及び天然培地のいずれでも使用でき、例えば、後述する実施例に記載があるようなMMx-3培地、Wx最少培地などを利用することができるが、特に限定されない。炭素源は、アセトバニロンのみ、又はアセトバニロンと他のリグニン由来芳香族化合物、糖、有機酸などのその他の炭素源の組み合わせを用いることができる。培地成分には、細胞の増殖や酵素の活性化に必要な成分、例えば、Mg2+、Fe2+などが含まれることが好ましい。鉄イオン、マグネシウムイオンなどを化合物として培地に添加することができるが、ミネラル含有物として添加してもよい。 The medium may be any of synthetic and natural media, as long as it contains a carbon source, a nitrogen source, inorganic substances, and other nutrients in an appropriate ratio, as is the case with conventional media for culturing Pseudomonas microorganisms. For example, MMx-3 medium, Wx minimal medium, and the like, as described in the Examples below, may be used, but are not limited thereto. The carbon source may be acetovanillone alone, or a combination of acetovanillone and other carbon sources, such as other lignin-derived aromatic compounds, sugars, and organic acids. The medium components preferably include components necessary for cell growth and enzyme activation, such as Mg 2+ and Fe 2+ . Iron ions, magnesium ions, and the like may be added to the medium as compounds, but may also be added as mineral-containing substances.
培養条件は、当業者により通常知られるシュードモナス属微生物の培養条件を採用すればよく、例えば、培地の初発pHは5~10に調整し、培養温度は20℃~40℃、培養時間は数時間~数日間、好ましくは1日間~7日間、より好ましくは2日間~5日間など、適宜設定することができる。培養手段は特に限定されず、通気撹拌深部培養、振盪培養、静置培養などを採用することができるが、通気をするなどして溶存酸素濃度が十分になるような条件で培養することが好ましい。また、アセトバニロンなどの炭素源の減少、目的生産物の増加などに応じて、アセトバニロン、その他の炭素源などを追加する流加培養を採用してもよい。 The culture conditions may be those for Pseudomonas microorganisms generally known to those skilled in the art. For example, the initial pH of the medium may be adjusted to 5-10, the culture temperature may be 20°C-40°C, and the culture time may be set appropriately to several hours to several days, preferably 1-7 days, more preferably 2-5 days. There are no particular limitations on the culture method, and aeration and stirring submerged culture, shaking culture, stationary culture, etc. may be used, but it is preferable to culture under conditions where the dissolved oxygen concentration is sufficient by aeration, etc. Furthermore, fed-batch culture may be used in which acetovanillone or other carbon sources are added depending on the decrease in carbon sources such as acetovanillone and the increase in the target product.
例えば、培地及び培養条件の一例として、炭素源がアセトバニロンのみ、又はアセトバニロン及びグルコースを含むMMx-3培地又はWx培地であり、温度が25℃~35℃であり、振盪速度(撹拌速度)が100rpm~2,000rpmであり、時間が1時間~5日間である振盪培養及び撹拌培養などが挙げられる。培地及び培養条件の別の一例として、アセトバニロンを含むLB培地を用いて、溶存酸素濃度が5%~20%になるようにした振盪培養及び撹拌培養などが挙げられる。 For example, examples of culture media and culture conditions include shaking culture and agitation culture in which the carbon source is MMx-3 medium or Wx medium containing only acetovanillone or acetovanillone and glucose, the temperature is 25°C to 35°C, the shaking speed (agitation speed) is 100 rpm to 2,000 rpm, and the time is 1 hour to 5 days. Another example of culture media and culture conditions includes shaking culture and agitation culture using LB medium containing acetovanillone, with a dissolved oxygen concentration of 5% to 20%.
培養終了後に培養物から目的生産物を取得する方法は特に限定されない。目的生産物であるα-ヒドロキシアセトバニロン及びバニリン酸は培養液中に蓄積することから、培養物からろ過、遠心分離などの通常の固液分離操作により菌体と培養上清とを分離し、回収した培養上清からカラムを用いた固相抽出や目的生産物が可溶性のある溶媒を用いた溶媒抽出などにより目的生産物を抽出する。 There are no particular limitations on the method for obtaining the target product from the culture after the culture is completed. Since the target products, α-hydroxyacetovanillone and vanillic acid, accumulate in the culture medium, the culture is separated into the bacterial cells and the culture supernatant by ordinary solid-liquid separation procedures such as filtration and centrifugation, and the target product is extracted from the collected culture supernatant by solid-phase extraction using a column or solvent extraction using a solvent in which the target product is soluble.
抽出溶媒は目的生産物が溶解するものであれば特に限定されず、例えば、酢酸エチル、ジエチルエーテルなどが挙げられる。 The extraction solvent is not particularly limited as long as it dissolves the target product, and examples include ethyl acetate and diethyl ether.
目的生産物は沈殿、抽出、蒸留、再結晶、吸着剤など公知の方法や該方法を一部変更した方法などで培養液から分離精製することができる。精製方法の具体的一態様としては、例えば、培養上清に塩酸を加え、pHを2~5に調整した後、ジエチルエーテルを添加して混合する。ジエチルエーテル層をエバポレーターで減圧乾固して、得られた析出物はイオン交換水で洗浄した後、吸引濾過により回収し、減圧乾燥する。乾燥した固体を氷酢酸に溶解して再結晶して、精製バニリン酸を得る。また、Gomesらの文献に記載の方法(Separation and Purification Technology、vol.216、p92-101、2019)など合成吸着剤を用いた方法、特開2017―171591号公報に記載の減圧蒸留による方法などでも精製バニリン酸を得ることはできる。 The target product can be separated and purified from the culture solution by known methods such as precipitation, extraction, distillation, recrystallization, and adsorbents, or by methods partially modified from the above methods. As a specific embodiment of the purification method, for example, hydrochloric acid is added to the culture supernatant to adjust the pH to 2 to 5, and then diethyl ether is added and mixed. The diethyl ether layer is dried under reduced pressure using an evaporator, and the resulting precipitate is washed with ion-exchanged water, recovered by suction filtration, and dried under reduced pressure. The dried solid is dissolved in glacial acetic acid and recrystallized to obtain purified vanillic acid. In addition, purified vanillic acid can also be obtained by a method using a synthetic adsorbent, such as the method described in the document by Gomes et al. (Separation and Purification Technology, vol. 216, p. 92-101, 2019), or by a method of reduced pressure distillation described in JP-A-2017-171591.
目的生産物の定性的又は定量的分析は、後述する実施例に記載されているHPLCにより実施すればよい。 Qualitative or quantitative analysis of the target product may be performed by HPLC as described in the examples below.
本発明の一態様の形質転換微生物を用いれば、目的生産物を分解することなく、選択的に得ることが可能である。
例えば、形質転換微生物(4)を用いれば、宿主微生物がNGC7株であり、かつ初発OD600が5.0である場合、1.0mM アセトバニロンを、1時間以内に、アセトバニロンが検出下限になるように、アセトバニロンをバニリン酸へ変換することができる。
また、形質転換微生物(4)を用いれば、宿主微生物がNGC7株であり、かつ初発OD600が0.1である場合、5.7mM バニリン、1.6mM アセトバニロン及び2.7mM バニリン酸を、35時間以内に、アセトバニロンが検出下限になるように、アセトバニロンをバニリン酸へ変換することができる。
By using the transformed microorganism according to one embodiment of the present invention, it is possible to selectively obtain a target product without decomposing it.
For example, when the transformed microorganism (4) is used, when the host microorganism is the NGC7 strain and the initial OD 600 is 5.0, 1.0 mM acetovanillone can be converted to vanillic acid within 1 hour so that acetovanillone is at the detection limit.
Furthermore, when the transformed microorganism (4) is used, when the host microorganism is the NGC7 strain and the initial OD 600 is 0.1, 5.7 mM vanillin, 1.6 mM acetovanillone, and 2.7 mM vanillic acid can be converted from acetovanillone to vanillic acid within 35 hours, so that acetovanillone is at the lower limit of detection.
本発明の製造方法では、本発明の目的を達成し得る限り、上記した工程の前段若しくは後段又は工程中に、種々の工程や操作を加入することができる。また、上記した方法と同様にして、アセトバニロンに代えてHAPを基質として用いることにより、HAPからHBAを製造することができる。 In the manufacturing method of the present invention, various steps or operations can be added before or after the above steps, or between the steps, as long as the object of the present invention can be achieved. Also, in the same manner as the above method, HBA can be produced from HAP by using HAP as a substrate instead of acetovanillone.
(シュードモナス・スピーシーズ MHK4株)
本発明の別の一態様は、シュードモナス・スピーシーズ(Pseudomonas sp.) MHK4株(受託番号:NITE P-03794)である。MHK4株は、配列番号1~3に記載のacpA遺伝子、acpB遺伝子及びacpC遺伝子を有し、アセトバニロンを、α-ヒドロキシアセトバニロンを経由して、バニリン酸へ変換することができる。また、HAPを、DHAPを介して、HBAへ変換することができる。
(Pseudomonas species MHK4 strain)
Another embodiment of the present invention is the Pseudomonas sp. MHK4 strain (Accession No.: NITE P-03794). The MHK4 strain has the acpA gene, the acpB gene, and the acpC gene set forth in SEQ ID NOs: 1 to 3, and can convert acetovanillone to vanillic acid via α-hydroxyacetovanillone. In addition, it can convert HAP to HBA via DHAP.
一方、MHK4株は、バニレート O-デメチラーゼ遺伝子である、配列番号23及び24に記載のvanA3遺伝子及びvanB3遺伝子をも有することから、バニリン酸を資化する。そこで、MHK4株を利用して、アセトバニロンからバニリン酸を製造する場合は、MHK4株のvanA3遺伝子及び/又はvanB3遺伝子を欠失させることが好ましい。 On the other hand, the MHK4 strain assimilates vanillic acid because it also has the vanA3 gene and the vanB3 gene shown in SEQ ID NOs: 23 and 24, which are vanillate O -demethylase genes. Therefore, when using the MHK4 strain to produce vanillic acid from acetovanillone, it is preferable to delete the vanA3 gene and/or the vanB3 gene of the MHK4 strain.
本発明の別の一態様は、宿主微生物がシュードモナス・スピーシーズ(Pseudomonas sp.) MHK4株(受託番号:NITE P-03794)であり、及び染色体上にある、バニレート O-デメチラーゼ遺伝子、好ましくはvanA3遺伝子(配列番号23)及びvanB3遺伝子(配列番号24)からなる群から選ばれる少なくとも1種のバニレート O-デメチラーゼ遺伝子を欠失している形質転換微生物である。本発明の別の一態様は、アセトバニロンを、このような形質転換微生物に作用させることにより、バニリン酸を得る工程を含む、バニリン酸の製造方法である。 Another aspect of the present invention is a transformed microorganism in which a host microorganism is Pseudomonas sp. strain MHK4 (accession number: NITE P-03794) and which lacks at least one vanillate O -demethylase gene, preferably at least one vanillate O -demethylase gene selected from the group consisting of the vanA3 gene (SEQ ID NO: 23) and the vanB3 gene (SEQ ID NO: 24), located on a chromosome. Another aspect of the present invention is a method for producing vanillic acid, comprising the step of allowing acetovanillone to act on such a transformed microorganism to obtain vanillic acid.
さらに、MHK4株は、4-ヒドロキシ安息香酸・モノオキシゲナーゼ遺伝子である、配列番号61及び62に記載のpobA1遺伝子及びpobA2遺伝子をも有することから、HBAを資化する。そこで、MHK4株を利用して、HAPからHBAを製造する場合は、MHK4株のpobA1遺伝子及び/又はpobA2遺伝子を欠失させることが好ましい。 Furthermore, the MHK4 strain assimilates HBA because it also has the pobA1 gene and the pobA2 gene shown in SEQ ID NOs:61 and 62, which are 4-hydroxybenzoate monooxygenase genes. Therefore, when producing HBA from HAP using the MHK4 strain, it is preferable to delete the pobA1 gene and/or the pobA2 gene of the MHK4 strain.
本発明の別の一態様は、宿主微生物がシュードモナス・スピーシーズ(Pseudomonas sp.) MHK4株(受託番号:NITE P-03794)であり、及び染色体上にある、4-ヒドロキシ安息香酸・モノオキシゲナーゼ遺伝子、好ましくはpobA1遺伝子(配列番号61)及びpobA2遺伝子(配列番号62)からなる群から選ばれる少なくとも1種の4-ヒドロキシ安息香酸・モノオキシゲナーゼ遺伝子を欠失している形質転換微生物である。本発明の別の一態様は、HAPを、このような形質転換微生物に作用させることにより、HBAを得る工程を含む、HBAの製造方法である。 Another aspect of the present invention is a transformed microorganism in which a host microorganism is Pseudomonas sp. MHK4 strain (accession number: NITE P-03794) and at least one 4-hydroxybenzoate monooxygenase gene, preferably selected from the group consisting of the pobA1 gene (SEQ ID NO: 61) and the pobA2 gene (SEQ ID NO: 62), located on a chromosome is deleted. Another aspect of the present invention is a method for producing HBA, comprising the step of allowing HAP to act on such a transformed microorganism to obtain HBA.
(バニリン酸の用途)
本発明の一態様の遺伝子、微生物、形質転換微生物及び製造方法を利用して得られるバニリン酸及びHBAは、種々の産業上有用な化合物に変換することができる。バニリン酸は、重合体に耐熱性及び剛性を付与する芳香環構造を有し、液晶ポリエステルなどの機能性ポリマー合成への利用が期待される。バニリン酸及びバニリン酸を修飾して得られるバニリン酸誘導体は、例えば、それ自体で、又は他の成分と共に使用して、耐熱性プラスチック、耐トラッキングプラスチック、液晶性共重合ポリエステル樹脂などとしての利用が期待される。本発明の一態様の形質転換微生物及び製造方法を利用して得られるα-ヒドロキシアセトバニロンは、バニリン酸の基質として、バニリン酸を製造するために利用できる。なお、HBA及びDHAPもまた、バニリン酸及びα-ヒドロキシアセトバニロンと同様に利用することができる。
(Uses of vanillic acid)
Vanillic acid and HBA obtained by utilizing the gene, microorganism, transformed microorganism, and production method according to one embodiment of the present invention can be converted into various industrially useful compounds. Vanillic acid has an aromatic ring structure that imparts heat resistance and rigidity to a polymer, and is expected to be used in the synthesis of functional polymers such as liquid crystal polyesters. Vanillic acid and vanillic acid derivatives obtained by modifying vanillic acid are expected to be used, for example, by themselves or together with other components, as heat-resistant plastics, tracking-resistant plastics, liquid crystal copolymer polyester resins, and the like. α-Hydroxyacetovanillone obtained by utilizing the transformed microorganism and production method according to one embodiment of the present invention can be used as a substrate for vanillic acid to produce vanillic acid. HBA and DHAP can also be used in the same manner as vanillic acid and α-hydroxyacetovanillone.
以下、本発明を実施例によってさらに具体的に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではなく、本発明の課題を解決し得る限り、本発明は種々の態様をとることができる。 The present invention will be explained in more detail below with reference to examples, but the present invention is not limited to these examples, and the present invention can take various forms as long as the problem of the present invention can be solved.
[1.Pseudomonas sp.MHK4株の単離]
北海道、岩手県、宮城県、福島県、茨城県、栃木県、埼玉県、新潟県、長野県、滋賀県を含む日本国内の278の地点の土壌をサンプリングした。土壌のサンプリングは、土壌表面から5cm~10cm程度掘り起こした部分を採取することにより実施した。サンプリングした各土壌をWx buffer[9.8g/L Na2HPO4・12H2O、1.7g/L KH2PO4、1.0g/L(NH4)2SO4]に加えて懸濁して得たスラリー状懸濁液 10mg~30mgを、5mM アセトバニロン(以下、「AV」ともよぶ。)を含む0.5mLのWx液体培地[9.8g/L Na2HPO4・12H2O、1.7g/L KH2PO4、1.0g/L (NH4)2SO4、100mg/L MgSO4・7H2O、9.5mg/L FeSO4・7H2O、10.75mg/L MgO、2mg/L CaCO3、1.44mg/L ZnSO4・7H2O、1.12mg/L MnSO4・4H2O、0.25mg/L CuSO4・5H2O、0.28mg/L CoSO4・7H2O、0.06mg/L H3BO3、51.3μL 12N HCl]に添加して、25℃で72時間にて振盪培養した。続いて、得られた培養液 5μLを、0.5mLのWx液体培地に添加して、25℃で48時間にて振盪培養した。目視により培養液の濁りを確認することにより、微生物の増殖が確認できたサンプルの培養液 0.1mLを、5mM AVを含む5mLのWx液体培地に接種し、25℃で48~96時間にて振盪培養した。次いで、同様にして微生物の増殖が確認されたサンプルの培養液 0.1mLを、10mM AVを含む5mLのWx液体培地に接種し、25℃で48~96時間にて振盪培養した。次いで、同様にして微生物の増殖が確認されたサンプルの培養液を、10mM AVを含むWx寒天培地に塗抹し、静置培養した。培養後、寒天培地上に形成されたコロニーを単離し、唯一の炭素源として5mM AVを含むWx液体培地で培養して、良好に生育した株と認められたものをMHK4株として選抜した。
[1. Isolation of Pseudomonas sp. MHK4 strain]
Soil samples were collected from 278 locations in Japan, including Hokkaido, Iwate Prefecture, Miyagi Prefecture, Fukushima Prefecture, Ibaraki Prefecture, Tochigi Prefecture, Saitama Prefecture, Niigata Prefecture, Nagano Prefecture, and Shiga Prefecture. Soil samples were collected by digging up the soil to a depth of about 5 to 10 cm from the soil surface. Each sampled soil was added to Wx buffer [9.8 g/L Na2HPO4.12H2O , 1.7 g/ L KH2PO4 , 1.0 g/L ( NH4 ) 2SO4 ] and suspended to obtain a slurry suspension (10 to 30 mg). The suspension was then transferred to 0.5 mL of Wx liquid medium [9.8 g/L Na2HPO4.12H2O , 1.7 g/L KH2PO4 , 1.0 g/L ( NH4 ) 2SO4 , 100 mg/L MgSO4.7H2O , 9.5 mg/ L FeSO4.7H2O , 10.75 mg/L ZnSO4 . MgO, 2 mg/L CaCO 3 , 1.44 mg/L ZnSO 4.7H 2 O, 1.12 mg /L MnSO 4.4H 2 O, 0.25 mg/L CuSO 4.5H 2 O, 0.28 mg/L CoSO 4.7H 2 O, 0.06 mg/L H 3 BO 3 , 51.3 μL 12N HCl] and cultured with shaking at 25° C. for 72 hours. Subsequently, 5 μL of the obtained culture solution was added to 0.5 mL of Wx liquid medium and cultured with shaking at 25° C. for 48 hours. 0.1 mL of the culture solution of the sample in which the growth of microorganisms was confirmed by visually checking the turbidity of the culture solution was inoculated into 5 mL of Wx liquid medium containing 5 mM AV, and cultured with shaking at 25 ° C. for 48 to 96 hours. Next, 0.1 mL of the culture solution of the sample in which the growth of microorganisms was confirmed in the same manner was inoculated into 5 mL of Wx liquid medium containing 10 mM AV, and cultured with shaking at 25 ° C. for 48 to 96 hours. Next, the culture solution of the sample in which the growth of microorganisms was confirmed in the same manner was smeared on Wx agar medium containing 10 mM AV, and cultured stationarily. After the culture, the colonies formed on the agar medium were isolated and cultured in Wx liquid medium containing 5 mM AV as the only carbon source, and those that were recognized as strains that grew well were selected as MHK4 strains.
[2.Pseudomonas sp. MHK4株の生物学的分類]
シュードモナス・スピーシーズ(Pseudomonas sp.) MHK4株(以下、単にMHK4株ともよぶ。)は、微生物の識別の表示を「MHK4」とし、かつ、受託番号を「受託番号:NITE P-03794」として、独立行政法人製品評価技術基盤機構の特許微生物寄託センター(〒292-0818 千葉県木更津市かずさ鎌足2-5-8)に2022年12月9日付けの受託日により寄託されている。MHK4について、受託証の写しを図1Aに示し、生存に関する証明書を図1Bに示す。
[2. Biological classification of Pseudomonas sp. MHK4 strain]
Pseudomonas sp. MHK4 strain (hereinafter simply referred to as MHK4 strain) has been deposited at the Patent Microorganism Deposit Center of the National Institute of Technology and Evaluation (2-5-8 Kazusa Kamatari, Kisarazu City, Chiba Prefecture, 292-0818) on December 9, 2022, with the identification of the microorganism as "MHK4" and the accession number as "Accession Number: NITE P-03794". A copy of the deposit receipt for MHK4 is shown in FIG. 1A, and a certificate of viability is shown in FIG. 1B.
MHK4株の性状を調べた試験結果を表1~表3に示す。 The test results examining the properties of the MHK4 strain are shown in Tables 1 to 3.
16S rRNA遺伝子配列の系統解析から、MHK4株の16S rRNA遺伝子の部分配列はPseudomonas vancouverensis DhA-51株、Pseudomonas umsongensis Ps 3-10株、Pseudomonas mohnii IpA-2株及びPseudomonas moorei RW10株の16SrRNA配列と97.6%~99.6%の相同性を示した。 Phylogenetic analysis of the 16S rRNA gene sequence showed that the partial sequence of the 16S rRNA gene of the MHK4 strain showed 97.6% to 99.6% homology with the 16S rRNA sequences of the Pseudomonas vancouverensis DhA-51 strain, Pseudomonas umsongensis Ps 3-10 strain, Pseudomonas mohnii IpA-2 strain, and Pseudomonas moorei RW10 strain.
MHK4株について、テクノスルガ・ラボ社に細菌第一・第二試験を委託し、生理・生化学的性状試験を行った。その結果、MHK4株は運動性を有するグラム陰性桿菌であること、カタラーゼ反応及びオキシダーゼ反応は陽性を示すこと、グルコースを酸化することがわかった(表1、表2)。これらの結果から、MHK4株は、Pseudomonas属微生物の性状と一致した[Barrow et al.(1993).“Cowan and Steel’s Manual for the identification of medical bacteria.3rd edition.” Cambridge: University Press.]。 We commissioned Techno Suruga Lab to carry out the first and second bacterial tests on the MHK4 strain, and conducted physiological and biochemical property tests. As a result, it was found that the MHK4 strain is a motile gram-negative bacillus, that the catalase reaction and oxidase reaction were positive, and that it oxidized glucose (Table 1, Table 2). These results showed that the MHK4 strain was consistent with the properties of Pseudomonas microorganisms [Barrow et al. (1993). "Cowan and Steel's Manual for the identification of medical bacteria. 3rd edition." Cambridge: University Press. ].
MHK4株について、API20NEキット(bioMerieux Japan社)を用いた細菌第二段階試験を実施した。その結果、MHK4株は、硝酸塩を還元すること、アルギニンジヒドロラーゼ活性を示さないこと、エスクリンを加水分解することがわかった。また、MHK4株は、L-アラビノース、D-マンノース及びD-マンニトールを資化し、N-アセチル-D-グルコサミンを資化しなかった。また追加試験から、King’s寒天培地上で蛍光色素を産生する一方、レバン形成、Tween80の加水分解、5% NaCl存在下での生育及びレシチナーゼ活性はいずれも陰性を示した(表3)。MHK4株が有するこれらの性状は、系統的に近縁である上記4種の菌株とはいずれも相違が認められた[Camara et al. (2007). “Pseudomonas reinekei sp. nov., Pseudomonas moorei sp. nov. and Pseudomonas mohnii sp. nov., novel species capable of degrading chlorosalicylates or isopimaric acid” International Journal of Systematic and Evolutionary Microbiology 57:923-931;Mohn et al. (1999). “Physiological and phylogenetic diversity of bacteria growing on resin acids” Systematic and Applied Microbiology 22:68-78.]。 The MHK4 strain was subjected to a second stage bacterial test using API20NE kit (bioMerieux Japan). As a result, it was found that the MHK4 strain reduced nitrate, did not show arginine dihydrolase activity, and hydrolyzed esculin. The MHK4 strain also assimilated L-arabinose, D-mannose, and D-mannitol, but did not assimilate N-acetyl-D-glucosamine. In addition, additional tests showed that the MHK4 strain produced fluorescent dyes on King's agar medium, but showed negative results in levan formation, Tween 80 hydrolysis, growth in the presence of 5% NaCl, and lecithinase activity (Table 3). These properties of the MHK4 strain were all different from those of the four strains that are phylogenetically closely related to the MHK4 strain [Camara et al. (2007) . “ Pseudomonas reinekei sp. nov., Pseudomonas moorei sp. nov. and Pseudomonas mohnii sp. nov., novel species capable of degr "Ading chlorosalicylates or isopimaric acid" International Journal of Systematic and Evolutionary Microbiology 57:923-931; n et al. (1999). “Physiological and phylogenetic diversity of bacteria growing on resin acids” Systematic and Applied Microbiology 22:68-78. ].
特に、MHK4株は、蛍光色素を産生し、硝酸塩を還元し、及びアルギニンジヒドロラーゼ活性を示さない点は、P.moorei及びP.mohniiの性状と異なり;L-アラビノースを資化し、及びN-アセチル-D-グルコサミンを資化しない点において、P.vancouverensisの性状と異なり;及び、アルギニンジヒドロラーゼ活性を示さず、及びD-マンニトールを資化する点において、P.umsongensisの性状と異なった。 In particular, the MHK4 strain differs from P. moorei and P. mohnii in that it produces a fluorescent pigment, reduces nitrate, and does not exhibit arginine dihydrolase activity; differs from P. vancouverensis in that it utilizes L-arabinose and does not utilize N-acetyl-D-glucosamine; and differs from P. umsongensis in that it does not exhibit arginine dihydrolase activity and utilizes D-mannitol.
以上の生理・生化学性状試験の結果から、MHK4株は、これまでに単離されていないPseudomonas sp.の一種と推定し、Pseudomonas sp.MHK4株と名付けた。 From the results of the above physiological and biochemical property tests, it was presumed that the MHK4 strain was a species of Pseudomonas sp. that had not been isolated so far, and it was named Pseudomonas sp. MHK4 strain.
[3.PSMH_1607(acpC)、PSMH_1608(acpA)及びPSMH_1609(acpB)を導入したPseudomonas sp.NGC7株のカナマイシン耐性遺伝子(aph)欠損株を用いたAV変換]
常法によりMHK4株のゲノムDNAを調製し、全ヌクレオチド配列を解析した。Sphingobium sp.SYK-6株のAV変換酵素遺伝子群とアミノ酸配列同一性を示す遺伝子をMHK4株のゲノム配列から検索した。表4に、Sphingobium sp.SYK-6株由来のAV変換酵素遺伝子群がコードする酵素とのアミノ酸配列同一性を示したPseudomonas sp.MHK4株由来の遺伝子を示す。
[3. AV conversion using a kanamycin resistance gene ( aph )-deficient strain of Pseudomonas sp. NGC7 strain into which PSMH_1607 ( acpC ), PSMH_1608 ( acpA ) and PSMH_1609 ( acpB ) have been introduced]
Genomic DNA of the MHK4 strain was prepared by a conventional method, and the entire nucleotide sequence was analyzed. Genes showing amino acid sequence identity with the AV converting enzyme gene group of the Sphingobium sp. SYK-6 strain were searched from the genome sequence of the MHK4 strain. Table 4 shows genes derived from Pseudomonas sp. MHK4 strain that showed amino acid sequence identity with the enzymes encoded by the AV converting enzyme gene group derived from the Sphingobium sp. SYK-6 strain.
表4に示すとおり、MHK4株のゲノムDNAにはSYK-6株のacvD遺伝子と50%の同一性を示す遺伝子(PSMH_5054)及びvceA遺伝子と38%の同一性を示す遺伝子(PSMH_2308)がそれぞれ存在した。しかし、SYK-6株のacvA遺伝子、acvB遺伝子、acvC遺伝子、acvE遺伝子、acvF遺伝子及びvceB遺伝子と30%以上の同一性を示す遺伝子は存在しなかった。以上のことから、MHK4株は、SYK-6株とは異なる酵素システムによってAVを代謝することが推定された。 As shown in Table 4, the MHK4 strain genomic DNA contained a gene (PSMH_5054) that showed 50% identity with the acvD gene of the SYK-6 strain and a gene (PSMH_2308) that showed 38% identity with the vceA gene of the SYK-6 strain. However, there were no genes that showed 30% or more identity with the acvA gene, acvB gene, acvC gene, acvE gene, acvF gene, and vceB gene of the SYK-6 strain. From the above, it was presumed that the MHK4 strain metabolizes AV by an enzyme system different from that of the SYK-6 strain.
MHK4株がSYK-6株とは異なる酵素システムによってAVを代謝することが推定されたことから、MHK4株を20mM glucoseを含む10mLのWx液体培地で培養した場合と比較して、5mM AV及び20mM glucoseを含むWx液体培地で培養したときに発現誘導される遺伝子をRNA-Seq解析によって調べた。表5に5mM AV及び20mM glucoseを含むWx液体培地で培養した際に発現誘導されていた上位10遺伝子を示す。 Since it was estimated that the MHK4 strain metabolizes AV using an enzyme system different from that of the SYK-6 strain, the genes whose expression was induced when the MHK4 strain was cultured in Wx liquid medium containing 5 mM AV and 20 mM glucose were examined by RNA-Seq analysis, compared to when the MHK4 strain was cultured in 10 mL of Wx liquid medium containing 20 mM glucose. Table 5 shows the top 10 genes whose expression was induced when the strain was cultured in Wx liquid medium containing 5 mM AV and 20 mM glucose.
表5に記載の遺伝子のうち、PSMH_1607(acpC)、PSMH_1608(acpA)及びPSMH_1609(acpB)からなる遺伝子クラスターが最も高く誘導されていた。acpA遺伝子及びacpB遺伝子は、Pseudomonas putida KT2440株由来の酸素添加型バニレート O-デメチラーゼのオキシゲナーゼコンポーネント(VanA)をコードする遺伝子及びオキシドレダクターゼコンポーネント(VanB)をコードする遺伝子とそれぞれ33.6%及び44.1%の配列同一性を示したことから、acpA遺伝子及びacpB遺伝子の遺伝子産物がモノオキシゲナーゼとして機能することが推定された。 Among the genes listed in Table 5, the gene cluster consisting of PSMH_1607 ( acpC ), PSMH_1608 ( acpA ), and PSMH_1609 ( acpB ) was the most highly induced. The acpA and acpB genes showed 33.6% and 44.1% sequence identity with the genes encoding the oxygenase component (VanA) and the oxidoreductase component (VanB) of oxygen-additive vanillate O -demethylase derived from Pseudomonas putida KT2440 strain, respectively, suggesting that the gene products of the acpA and acpB genes function as monooxygenases.
acpC遺伝子は、Burkholderia sp.AZ11株由来の2,4’-dihydroxyacetophenone dioxygenase(DAD)(GenBankアクセッション番号:AB636681.1(バージョン:AB636681.1))及びAlcaligenes sp.4HAP株由来のDAD(GenBankアクセッション番号:AJ133820(バージョン:AJ133820.1))とそれぞれ81%及び99%のアミノ酸配列同一性を示した。AZ11株及び4HAP株のDADは、2,4’-dihydroxyacetophenoneのヒドロキシメチル基を酸化的に開裂してそれぞれ4-hydroxybenzoic acid及びformic acidへ変換する反応を触媒する。acpC遺伝子がコードする酵素がAZ11株及び4HAP株のDADと高いアミノ酸配列同一性を示すことから、2,4’-dihydroxyacetophenoneと構造が類似するα-hydroxyacetovanilloneをVA及びformic acidへ変換する可能性が考えられた。 The acpC gene showed 81% and 99% amino acid sequence identity with 2,4'-dihydroxyacetophenone dioxygenase (DAD) from Burkholderia sp. strain AZ11 (GenBank accession number: AB636681.1 (version: AB636681.1)) and DAD from Alcaligenes sp. strain 4HAP (GenBank accession number: AJ133820 (version: AJ133820.1)), respectively. DAD of the AZ11 and 4HAP strains catalyzes the reaction of oxidatively cleaving the hydroxymethyl group of 2,4'-dihydroxyacetophenone to convert it to 4-hydroxybenzoic acid and formic acid, respectively. Since the enzyme encoded by the acpC gene shows high amino acid sequence identity with DAD of the AZ11 and 4HAP strains, it is possible that α-hydroxyacetovanillone, which is structurally similar to 2,4'-dihydroxyacetophenone, is converted to VA and formic acid.
以上のことから、MHK4株において、AVはacpA遺伝子及びacpB遺伝子の遺伝子産物によって水酸化されてα-hydroxyacetovanilloneに変換された後、acpC遺伝子の遺伝子産物によってバニリン酸(以下、VAともよぶ。)及びformic acidへ変換されて代謝されると予想した。 From the above, it was predicted that in the MHK4 strain, AV would be hydroxylated by the gene products of the acpA gene and the acpB gene and converted to α-hydroxyacetovanillone, and then converted and metabolized by the gene product of the acpC gene to vanillic acid (hereinafter also referred to as VA) and formic acid.
acpA/acpB遺伝子セットの発現プラスミドを以下の手順により作製した。
Pseudomonas sp.MHK4株のゲノムDNAを鋳型として、配列番号25及び26のプライマー1及び2からなるプライマーセットを用いたPCR法によって、acpA/acpB遺伝子セットを含む約2.1kbpのDNA断片を増幅した。
An expression plasmid for the acpA/acpB gene set was prepared by the following procedure.
A DNA fragment of about 2.1 kbp containing the acpA / acpB gene set was amplified by PCR using the genomic DNA of Pseudomonas sp. MHK4 strain as a template and a primer set consisting of primers 1 and 2 of SEQ ID NOs: 25 and 26.
得られた断片をあらかじめEcoRI及びBamHIで消化したpSEVA241_P lac (Applied and Environmental Microbiology、Vol.88、e0072422、2022を参照;カナマイシン耐性遺伝子を保有)とNEBuilder HiFi DNAアッセンブリー(New England Biolabs)とを用いたシームレスクローニング法により連結させることにより、acpA/acpB遺伝子セットの発現用プラスミドpSEVAacpABを作製した。 The obtained fragment was linked to pSEVA241_P lac (see Applied and Environmental Microbiology, Vol. 88, e0072422, 2022; carrying a kanamycin resistance gene) previously digested with EcoRI and BamHI by seamless cloning using NEBuilder HiFi DNA Assembly (New England Biolabs) to prepare a plasmid pSEVA acpAB for expressing the acpA / acpB gene set.
以下のようにして、作製したプラスミドpSEVAacpABを、エレクトロポレーション法によりPseudomonas sp.NGC7株(受託番号:NITE BP-03043;独立行政法人製品評価技術基盤機構の特許微生物寄託センター)のカナマイシン耐性遺伝子(aph)欠損株(以下、NGC7Δaph株ともよぶ。)に導入した。なお、NGC7Δaph株は、国際公開番号WO2022/210236の例10を参照して作製した。 The prepared plasmid pSEVA acpAB was introduced into a kanamycin resistance gene ( aph )-deficient strain (hereinafter also referred to as NGC7Δ aph strain) of Pseudomonas sp. NGC7 strain (Accession No.: NITE BP-03043; Patent Microorganism Deposit Center of the National Institute of Technology and Evaluation) by electroporation as follows. The NGC7Δ aph strain was prepared with reference to Example 10 of International Publication No. WO2022/210236.
LB液体培地10mLで振盪培養して得たNGC7Δaph株を、5mLの0.5M グルコース水溶液で洗浄した後、0.2mLの0.5M グルコース水溶液に懸濁した。菌体懸濁液とプラスミドpSEVAacpABとを混合し、Micro Pulser(Bio-Rad Laboratories)を用いて、10kVの条件で印加した。印加後ただちに1mLのSOC液体培地(20g/L トリプトン、5g/L 酵母エキス、5g/L NaCl、2.5mM KCl、10mM MgCl2・6H2O、10mM MgSO4・7H2O、20mM グルコース)を加えて、30℃で1時間振盪培養し、25mg/Lのカナマイシン(Km)を含むLB寒天培地(10g/L トリプトン、5g/L 酵母エキス、5g/L NaCl、15g/L 寒天)上で生育可能な株を選抜した。 The NGC7Δ aph strain obtained by shaking culture in 10 mL of LB liquid medium was washed with 5 mL of 0.5 M glucose aqueous solution and then suspended in 0.2 mL of 0.5 M glucose aqueous solution. The cell suspension and the plasmid pSEVA acpAB were mixed and applied with 10 kV using a Micro Pulser (Bio-Rad Laboratories). Immediately after application of the voltage , 1 mL of SOC liquid medium (20 g/L tryptone, 5 g/L yeast extract, 5 g/L NaCl, 2.5 mM KCl, 10 mM MgCl2.6H2O, 10 mM MgSO4.7H2O , 20 mM glucose) was added and the cells were cultured with shaking at 30°C for 1 hour, and strains capable of growing on LB agar medium (10 g/L tryptone, 5 g/L yeast extract, 5 g/L NaCl, 15 g/L agar) containing 25 mg/L kanamycin (Km) were selected.
得られたNGC7Δaph(pSEVAacpAB)株を25mg/LのKmを含む10mLのLBに接種し、30℃で一晩振盪培養した。得られた培養液0.1mLを、新しい25mg/L Kmを含む10mLのLBに接種し、30℃で16時間振盪培養した。得られた培養液由来の細胞をMMx-3 buffer[34.2g/L Na2HPO4・12H2O、6.0g/L KH2PO4、2.5g/L(NH4)2SO4、1.0g/L NaCl]を用いて洗浄した後、再度MMx-3 bufferに懸濁し、OD600=10の細胞懸濁液を1mL調製した。細胞懸濁液にAVを終濃度が0.2mMになるように添加し、得られた混合液を30℃、1,500rpmで振盪することによりAV変換反応に供した。反応開始8時間後に、反応液の一部を遠心分離して得た上清について、HPLC分析又はHPLC-MS分析に供した。 The obtained NGC7Δ aph (pSEVA acpAB ) strain was inoculated into 10 mL of LB containing 25 mg/L Km and cultured overnight at 30° C. with shaking. 0.1 mL of the obtained culture was inoculated into 10 mL of fresh LB containing 25 mg/L Km and cultured at 30° C. with shaking for 16 hours. The cells derived from the obtained culture were washed with MMx-3 buffer [34.2 g/L Na 2 HPO 4 ·12H 2 O, 6.0 g/L KH 2 PO 4 , 2.5 g/L (NH 4 ) 2 SO 4 , 1.0 g/L NaCl] and then suspended again in MMx-3 buffer to prepare 1 mL of cell suspension with OD 600 = 10. AV was added to the cell suspension to a final concentration of 0.2 mM, and the resulting mixture was subjected to an AV conversion reaction by shaking at 1,500 rpm at 30° C. Eight hours after the start of the reaction, a portion of the reaction solution was centrifuged, and the obtained supernatant was subjected to HPLC analysis or HPLC-MS analysis.
HPLC分析は、高速液体クロマトグラフ(「Agilent1200シリーズ」、アジレントテクノロジー社)を用いて測定した。カラムはZORBAX Eclipse Plus C18 column(径 4.6mm、長さ 150mm、粒径 0.5μm)を使用し、40℃で保温した。勾配(グラジエント)溶離モード(溶媒A:5%(v/v)CH3OH、1%(v/v)CH3COOH、溶媒B:50%(v/v)CH3OH、1%(v/v)CH3COOH)を使用し、溶媒Aで平衡化した後、分析開始から8分かけて溶媒Bの割合を20%まで上昇させ、その後5分かけて溶媒Bの割合を100%まで上昇させた。移動相の流速は1.0mL/minとし、測定波長は280nmを用いた。 HPLC analysis was performed using a high performance liquid chromatograph (Agilent 1200 series, Agilent Technologies). The column used was a ZORBAX Eclipse Plus C18 column (diameter 4.6 mm, length 150 mm, particle size 0.5 μm), and was kept at 40° C. Gradient elution mode (solvent A: 5% (v/v) CH 3 OH, 1% (v/v) CH 3 COOH, solvent B: 50% (v/v) CH 3 OH, 1% (v/v) CH 3 COOH) was used, and after equilibration with solvent A, the ratio of solvent B was increased to 20% over 8 minutes from the start of analysis, and then the ratio of solvent B was increased to 100% over 5 minutes. The flow rate of the mobile phase was 1.0 mL/min, and the measurement wavelength was 280 nm.
HPLC-MS分析には、高速液体クロマトグラフ(Acquity ultraperformance liquid chromatography system、日本ウォーターズ社)とタンデム四重極型質量分析計(ACQUITY TQ detector、日本ウォーターズ社)を用いた。カラムはTSKgel ODS-140HTP column(径 2.1mm、長さ 100mm、粒径 2.3μm、東ソー社)を使用し、30℃で保温した。移動相は、90% 溶媒A[99.9%(v/v)H2O、0.1%(v/v)HCOOH]、10%溶媒B[99.9%(v/v)CH3CN、0.1%(v/v)HCOOH)]のアイソクラティック溶離とした。移動相の流速は0.5mL/minとし、測定波長は280nmとした。エレクトロスプレーイオン化法マススペクトロメトリー(ESI-MS)の検出はネガティブイオンモードで行った。検出条件は、capillary voltage,3.0kv;cone voltage,10-40V,source temperature,120℃;desolvation temperature,350℃;desolvation gas flow rate,650liters/h;cone gas flow rate,50liters/hとした。 For the HPLC-MS analysis, a high-performance liquid chromatograph (Acquity ultraperformance liquid chromatography system, Nippon Waters) and a tandem quadrupole mass spectrometer (ACQUITY TQ detector, Nippon Waters) were used. The column used was a TSKgel ODS-140HTP column (diameter 2.1 mm, length 100 mm, particle size 2.3 μm, Tosoh Corporation), and was kept at 30° C. The mobile phase was isocratic elution of 90% solvent A [99.9% (v/v) H2O , 0.1% (v/v) HCOOH] and 10% solvent B [99.9% (v/v) CH3CN , 0.1% (v/v) HCOOH]. The flow rate of the mobile phase was 0.5 mL/min, and the measurement wavelength was 280 nm. Detection by electrospray ionization mass spectrometry (ESI-MS) was performed in negative ion mode. The detection conditions were as follows: capillary voltage, 3.0 kv; cone voltage, 10-40 V; source temperature, 120° C.; desolvation temperature, 350° C.; desolvation gas flow rate, 650 liters/h; cone gas flow rate, 50 liters/h.
結果を図2に示す。反応開始直後のHPLCクロマトグラムを図2(A)に示し、反応開始8時間後のHPLCクロマトグラムを図2(B)に示す。 The results are shown in Figure 2. Figure 2(A) shows the HPLC chromatogram immediately after the start of the reaction, and Figure 2(B) shows the HPLC chromatogram 8 hours after the start of the reaction.
図2(A)及び図2(B)が示すように、HPLC分析の結果、反応8時間において、保持時間11.3分に変換産物のピークが検出された。図2(C)にHPLC-MS(ESI-MS)分析によって変換産物を解析した結果を示す。図2(C)が示すように、α-ヒドロキシアセトバニロン(分子量182)の[M-H]-と一致するm/z 181のピークが観察されたことから、acpAB遺伝子の遺伝子産物によって、AVがα-ヒドロキシアセトバニロンへ変換されたことが示された。 As shown in Figures 2(A) and 2(B), the HPLC analysis showed that a conversion product peak was detected at a retention time of 11.3 minutes after 8 hours of reaction. Figure 2(C) shows the results of analyzing the conversion product by HPLC-MS (ESI-MS). As shown in Figure 2(C), a peak was observed at m / z 181, which corresponds to the [M-H] - of α-hydroxyacetovanillone (molecular weight 182), indicating that AV was converted to α-hydroxyacetovanillone by the gene product of the acpAB gene.
acpA/acpB遺伝子セットに加えてacpC遺伝子を発現させるためのプラスミドを以下の手順により作製した。 A plasmid for expressing the acpC gene in addition to the acpA / acpB gene set was prepared by the following procedure.
MHK4株のゲノムDNAを鋳型として、配列番号27及び26のプライマー3及び2からなるプライマーセットを用いたPCR法によって、acpC遺伝子、acpA遺伝子及びacpB遺伝子を含む約2.6kbpのDNA断片を増幅した。 Using the genomic DNA of the MHK4 strain as a template, a PCR method using a primer set consisting of primers 3 and 2 of SEQ ID NOs: 27 and 26 was used to amplify a DNA fragment of about 2.6 kbp containing the acpC gene, the acpA gene, and the acpB gene.
得られた断片をあらかじめEcoRI及びBamHIで消化したpSEVA241_P lac とNEBuilder HiFi DNAアッセンブリーとを用いたシームレスクローニング法により連結させることにより、acpC遺伝子、acpA遺伝子及びacpB遺伝子の発現用プラスミドpSEVAacpCABを作製した。 The obtained fragment was ligated by seamless cloning method using pSEVA241_P lac previously digested with EcoRI and BamHI and NEBuilder HiFi DNA assembly to prepare a plasmid pSEVAacpCAB for expressing the acpC gene, the acpA gene, and the acpB gene.
作製したプラスミドpSEVAacpCABを、前記記載の方法の通り、エレクトロポレーション法によりNGC7Δaph株へ導入した。 The prepared plasmid pSEVA acpCAB was introduced into the NGC7Δ aph strain by electroporation as described above.
得られたNGC7Δaph[pSEVAacpCAB]株を25mg/LのKmを含む10mLのLBに接種し、30℃で一晩振盪培養した。得られた培養液0.1mLを新しい25mg/L Kmを含む10mLのLBに接種し、30℃で16時間振盪培養した。得られた培養液由来の細胞をMMx-3 bufferを用いて洗浄した後、再度MMx-3 bufferに懸濁し、OD600=10の細胞懸濁液を1mL調製した。細胞懸濁液にAVを終濃度が0.2mMになるように添加し、得られた混合液を30℃、1,500rpmで振盪することによりAV変換反応に供した。反応開始2時間後に、反応液の一部を遠心分離して得た上清について、上記と同様にHPLC分析に供した。 The obtained NGC7Δ aph [pSEVA acpCAB ] strain was inoculated into 10 mL of LB containing 25 mg/L Km and cultured overnight at 30 ° C. with shaking. 0.1 mL of the obtained culture was inoculated into 10 mL of LB containing new 25 mg/L Km and cultured at 30 ° C. with shaking for 16 hours. The cells derived from the obtained culture were washed with MMx-3 buffer and then suspended again in MMx-3 buffer to prepare 1 mL of cell suspension with OD 600 = 10. AV was added to the cell suspension to a final concentration of 0.2 mM, and the resulting mixture was subjected to AV conversion reaction by shaking at 30 ° C. and 1,500 rpm. Two hours after the start of the reaction, a portion of the reaction solution was centrifuged to obtain a supernatant, which was subjected to HPLC analysis in the same manner as above.
結果を図3に示す。反応開始直後のHPLCクロマトグラムを図3(A)に示し、反応開始2時間後のHPLCクロマトグラムを図3(B)に示す。 The results are shown in Figure 3. Figure 3(A) shows the HPLC chromatogram immediately after the start of the reaction, and Figure 3(B) shows the HPLC chromatogram two hours after the start of the reaction.
図3(A)及び図3(B)が示すように、反応2時間において保持時間12.8分に変換産物としてVAのピークが検出されたことから、acpC遺伝子の遺伝子産物によって、acpAB遺伝子の遺伝子産物によりAVから生成したα-ヒドロキシアセトバニロンがVAへ変換されたことがわかった。以上のことから、MHK4株のacpA遺伝子、acpB遺伝子及びacpC遺伝子を組み合わせることで、AVをVAへ変換できることが示された。 As shown in Figures 3(A) and 3(B), a peak of VA was detected as a conversion product at a retention time of 12.8 minutes after 2 hours of reaction, indicating that α-hydroxyacetovanillone produced from AV by the gene products of the acpAB genes was converted to VA by the gene product of the acpC gene. From the above, it was demonstrated that AV can be converted to VA by combining the acpA gene, acpB gene, and acpC gene of the MHK4 strain.
[4.AcpA酵素、AcpB酵素及びAcpC酵素を用いたAV変換]
acpA遺伝子、acpB遺伝子及びacpC遺伝子それぞれを大腸菌で発現させるためのプラスミドを以下の手順により作製した。
[4. AV conversion using AcpA enzyme, AcpB enzyme, and AcpC enzyme]
Plasmids for expressing each of the acpA gene, the acpB gene and the acpC gene in E. coli were prepared by the following procedure.
MHK4株のゲノムDNAを鋳型として、配列番号28及び29のプライマー4及び5からなるプライマーセットを用いたPCR法によって、acpA遺伝子を含む約1.1kbpのDNA断片を増幅した。 Using the genomic DNA of the MHK4 strain as a template, a PCR method using a primer set consisting of primers 4 and 5 of SEQ ID NOs: 28 and 29 was used to amplify a DNA fragment of about 1.1 kbp containing the acpA gene.
MHK4株のゲノムDNAを鋳型として、配列番号30及び31のプライマー6及び7からなるプライマーセットを用いたPCR法によって、acpB遺伝子を含む約1.0kbpのDNA断片を増幅した。 Using the genomic DNA of the MHK4 strain as a template, a PCR method using a primer set consisting of primers 6 and 7 of SEQ ID NOs: 30 and 31 was used to amplify a DNA fragment of about 1.0 kbp containing the acpB gene.
MHK4株のゲノムDNAを鋳型として、配列番号32及び33のプライマー8及び9からなるプライマーセットを用いたPCR法によって、acpC遺伝子を含む約0.6kbpのDNA断片を増幅した。 Using the genomic DNA of the MHK4 strain as a template, a PCR method using a primer set consisting of primers 8 and 9 of SEQ ID NOs: 32 and 33 was used to amplify a DNA fragment of about 0.6 kbp containing the acpC gene.
得られた各断片をあらかじめNdeI及びBamHIで消化したpET-16bプラスミド(Merck Millipore社)とNEBuilder HiFi DNAアッセンブリーとを用いたシームレスクローニング法によりそれぞれ連結させることにより、acpA遺伝子発現用プラスミドpE16acpA、acpB遺伝子発現用プラスミドpE16acpB及びacpC遺伝子発現用プラスミドpE16acpCをそれぞれ作製した。 The resulting fragments were each ligated by seamless cloning using pET-16b plasmid (Merck Millipore) previously digested with NdeI and BamHI and NEBuilder HiFi DNA assembly to prepare acpA gene expression plasmid pE16acpA , acpB gene expression plasmid pE16acpB , and acpC gene expression plasmid pE16acpC , respectively.
作製したプラスミドpE16acpA、pE16acpB及びpE16acpCを、それぞれEscherichia coli BL21(DE3)株に導入した。 The constructed plasmids pE16acpA , pE16acpB , and pE16acpC were each introduced into Escherichia coli BL21 (DE3) strain.
得られたBL21(DE3)[pE16acpA]株、BL21(DE3)[pE16acpB]株及びBL21(DE3)[pE16acpC]株を、100mg/Lのアンピシリン(Amp)を含む10mLのLBに接種し、37℃で一晩振盪培養した。得られた培養液0.1mLを新しい100mg/LのAmpを含む10mLのLBに接種し、30℃でOD600が0.5になるまで振盪培養した。OD600が0.5になったら、isopropyl β-D-thiogalactopyranosideを終濃度が0.5mMになるように添加した。またBL21(DE3)[pE16acpA]株及びBL21(DE3)[pE16acpB]株には、FeSO4を終濃度が0.1mMになるようにさらに添加した。添加後、各菌株を15℃で20時間の振盪培養に供した。 The obtained BL21(DE3)[pE16 acpA ] strain, BL21(DE3)[pE16 acpB ] strain, and BL21(DE3)[pE16 acpC ] strain were inoculated into 10 mL of LB containing 100 mg/L of ampicillin (Amp) and cultured overnight with shaking at 37°C. 0.1 mL of the obtained culture was inoculated into 10 mL of fresh LB containing 100 mg/L of Amp and cultured with shaking at 30°C until OD 600 reached 0.5. When OD 600 reached 0.5, isopropyl β-D-thiogalactopyranoside was added to a final concentration of 0.5 mM. In addition, FeSO4 was further added to the BL21(DE3)[ pE16acpA ] and BL21(DE3)[ pE16acpB ] strains to a final concentration of 0.1 mM. After the addition, each strain was subjected to shaking culture at 15°C for 20 hours.
得られた各培養液由来の細胞を、50mM Tris-HCl buffer(pH7.5)を用いて洗浄した後、再度、0.5mLの上記bufferに懸濁した。超音波ホモジナイザーを用いて細胞懸濁液中の細胞を破砕し、破砕後の細胞懸濁液を遠心分離に供して得た上清を、それぞれAcpA粗酵素溶液、AcpB粗酵素溶液及びAcpC粗酵素溶液とした。各粗酵素溶液のタンパク質濃度をBradford法によって測定した。 The cells from each culture medium were washed with 50 mM Tris-HCl buffer (pH 7.5) and then suspended again in 0.5 mL of the above buffer. The cells in the cell suspension were disrupted using an ultrasonic homogenizer, and the cell suspension after disruption was centrifuged to obtain supernatants, which were used as AcpA crude enzyme solution, AcpB crude enzyme solution, and AcpC crude enzyme solution, respectively. The protein concentration of each crude enzyme solution was measured by the Bradford method.
各粗酵素溶液の終濃度が0.5mg/mLになり、還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドリン酸(NADPH)の終濃度が0.4mMになり、及びAVの終濃度が0.2mMになるように50mM Tris-HCl buffer(pH7.5)中で混合し、30℃で、30分間反応させた。反応後、反応液の一部を分取し、等量のアセトニトリルと混合して反応を停止した。得られた反応溶液を遠心分離に供して得た上清に含まれるAV及び反応産物について、上記と同様にHPLC分析に供した。 The crude enzyme solutions were mixed in 50 mM Tris-HCl buffer (pH 7.5) so that the final concentration of each was 0.5 mg/mL, the final concentration of reduced nicotinamide adenine dinucleotide phosphate (NADPH) was 0.4 mM, and the final concentration of AV was 0.2 mM, and the mixture was reacted at 30°C for 30 minutes. After the reaction, a portion of the reaction solution was taken and mixed with an equal amount of acetonitrile to stop the reaction. The resulting reaction solution was centrifuged, and the AV and reaction products contained in the supernatant were subjected to HPLC analysis in the same manner as above.
結果を図4~図7に示す。AcpA粗酵素溶液及びAVを用いた反応開始直後のHPLCクロマトグラムを図4(A)に示し、反応開始30分後のHPLCクロマトグラムを図4(B)に示す。AcpB粗酵素溶液及びAVを用いた反応開始直後のHPLCクロマトグラムを図5(A)に示し、反応開始30分後のHPLCクロマトグラムを図5(B)に示す。AcpA粗酵素溶液、AcpB粗酵素溶液及びAVを用いた反応開始直後のHPLCクロマトグラムを図6(A)に示し、反応開始30分後のHPLCクロマトグラムを図6(B)に示す。AcpA粗酵素溶液、AcpB粗酵素溶液、AcpC粗酵素溶液及びAVを用いた反応開始直後のHPLCクロマトグラムを図7(A)に示し、反応開始30分後のHPLCクロマトグラムを図7(B)に示す。 The results are shown in Figures 4 to 7. Figure 4 (A) shows the HPLC chromatogram immediately after the start of the reaction using the AcpA crude enzyme solution and AV, and Figure 4 (B) shows the HPLC chromatogram 30 minutes after the start of the reaction. Figure 5 (A) shows the HPLC chromatogram immediately after the start of the reaction using the AcpB crude enzyme solution and AV, and Figure 5 (B) shows the HPLC chromatogram 30 minutes after the start of the reaction. Figure 6 (A) shows the HPLC chromatogram immediately after the start of the reaction using the AcpA crude enzyme solution, the AcpB crude enzyme solution, and AV, and Figure 6 (B) shows the HPLC chromatogram 30 minutes after the start of the reaction. Figure 7 (A) shows the HPLC chromatogram immediately after the start of the reaction using the AcpA crude enzyme solution, the AcpB crude enzyme solution, the AcpC crude enzyme solution, and AV, and Figure 7 (B) shows the HPLC chromatogram 30 minutes after the start of the reaction.
図4~6が示すように、AcpA粗酵素溶液及びAcpB粗酵素溶液のいずれか一方を用いた場合と異なり、AcpA粗酵素溶液及びAcpB粗酵素溶液の両方を用いた場合は、反応後30分において保持時間10.4分に変換産物としα-ヒドロキシアセトバニロンのピークが検出されたことから、AcpA酵素及びAcpB酵素によって、AVがα-ヒドロキシアセトバニロンへ変換されたことが示された。 As shown in Figures 4 to 6, unlike when either the AcpA crude enzyme solution or the AcpB crude enzyme solution was used, when both the AcpA crude enzyme solution and the AcpB crude enzyme solution were used, a peak of α-hydroxyacetovanillone was detected as the conversion product at a retention time of 10.4 minutes 30 minutes after the reaction, indicating that AV was converted to α-hydroxyacetovanillone by the AcpA and AcpB enzymes.
図7が示すように、AcpA粗酵素溶液、AcpB粗酵素溶液及びAcpC粗酵素溶液を用いた場合は、反応30分において保持時間12.2分にVAのピークが検出されたことから、AcpA酵素及びAcpB酵素によって、AVがα-ヒドロキシアセトバニロンに変換された後、AcpC酵素によってα-ヒドロキシアセトバニロンがVAに変換されたことが示された。以上のことから、AcpA酵素、AcpB酵素及びAcpC酵素を組み合わせることで、AVをVAへ変換できることがわかった。 As shown in Figure 7, when the AcpA crude enzyme solution, AcpB crude enzyme solution, and AcpC crude enzyme solution were used, a VA peak was detected at a retention time of 12.2 minutes after 30 minutes of reaction, indicating that AV was converted to α-hydroxyacetovanillone by the AcpA and AcpB enzymes, and then α-hydroxyacetovanillone was converted to VA by the AcpC enzyme. From the above, it was found that AV can be converted to VA by combining the AcpA, AcpB, and AcpC enzymes.
[5.コドンを最適化したacpA遺伝子、acpB遺伝子及びacpC遺伝子並びに最適なRibosome binding site(RBS)を付加したDNA配列のNGC7Δaph株への導入及びAV変換]
acpA遺伝子、acpB遺伝子及びacpC遺伝子のコドンを解析したところ、NGC7株と近縁種であるPseudomonas putidaゲノム中での使用頻度が全体の10%以下であったコドンの割合は、それぞれacpA遺伝子では11.4%、acpB遺伝子では13.5%、acpC遺伝子では5.6%と、高い割合で存在した。そこでGENEiusソフトウェア(Eurofins Genomics LLC)を用いてPseudomonas putidaゲノム中でのコドン使用頻度と同等になるようにacpA遺伝子、acpB遺伝子及びacpC遺伝子の塩基配列を改変した。またRBS Calculator(https://salislab.net/software/predict_rbs_calculator)を用いて、Pseudomonas putidaでの翻訳効率が最大になるようにacpA遺伝子、acpB遺伝子及びacpC遺伝子のそれぞれの開始コドン上流にシャイン・ダルガノ配列を含むRibosome binding site(RBS)配列をそれぞれ設計した。設計したDNA塩基配列の合成をTwist Bioscience社に委託した。
[5. Introduction of codon-optimized acpA , acpB and acpC genes and DNA sequences with optimal ribosome binding sites (RBS) added into NGC7Δaph strain and AV conversion]
Analysis of the codons of the acpA gene, acpB gene, and acpC gene revealed that the proportion of codons whose usage frequency in the genome of Pseudomonas putida , a species closely related to the NGC7 strain, was 10% or less of the total was 11.4% in the acpA gene, 13.5% in the acpB gene, and 5.6% in the acpC gene, respectively, which was a high proportion. Therefore, the base sequences of the acpA gene, acpB gene, and acpC gene were modified using GENEius software (Eurofins Genomics LLC) so that the codon usage frequency was equivalent to that in the genome of Pseudomonas putida . In addition, using RBS Calculator (https://salislab.net/software/predict_rbs_calculator), Ribosome binding site (RBS) sequences containing Shine-Dalgarno sequences were designed upstream of the start codons of the acpA gene, acpB gene, and acpC gene so that the translation efficiency in Pseudomonas putida would be maximized. The synthesis of the designed DNA base sequence was entrusted to Twist Bioscience.
合成されたDNA塩基配列が挿入されたプラスミドをEcoRI消化することで、acpC opt遺伝子、acpA opt遺伝子及びacpB opt遺伝子を含む約2.7kbpのDNA断片を得た。 The plasmid into which the synthesized DNA sequence was inserted was digested with EcoRI to obtain a DNA fragment of about 2.7 kbp containing the acpC opt gene, the acpA opt gene and the acpB opt gene.
得られた断片をあらかじめEcoRIで消化したpSEVA241_P lac にライゲーション反応によって連結させることにより、acpC opt遺伝子、acpA opt遺伝子及びacpB opt遺伝子の発現用プラスミドpSEVAacpCAB optを作製した。 The resulting fragment was ligated to pSEVA241_P lac previously digested with EcoRI to prepare a plasmid pSEVA acpCAB opt for expressing the acpC opt gene, the acpA opt gene, and the acpB opt gene.
作製したプラスミドpSEVAacpCAB optを前記記載の方法の通り、エレクトロポレーション法によりNGC7Δaph株に導入した。 The prepared plasmid pSEVA acpCAB opt was introduced into the NGC7Δ aph strain by electroporation as described above.
Sphingobium sp.SYK-6株由来のAV変換酵素遺伝子群のうち、acvA遺伝子、acvB遺伝子、acvC遺伝子、acvD遺伝子、acvE遺伝子及びacvF遺伝子を発現するプラスミドpSEVAacv(Applied and Environmental Microbiology、Vol.88、e0072422、2022を参照)と、vceA遺伝子及びvceB遺伝子を発現するプラスミドpTS093vce(Applied and Environmental Microbiology、Vol.88、e0072422、2022を参照)を前記の方法の通り、エレクトロポレーション法によりNGC7Δaph株に導入した。 Sphingobium sp. The plasmid pSEVA acv expressing the acvA gene, acvB gene, acvC gene, acvD gene, acvE gene, and acvF gene from the AV convertase gene group derived from the SYK-6 strain (Applied and Environmental Microbiology, Vol. 88, e0072422, 2022) (see Applied and Environmental Microbiology, Vol. 88, e0072422, 2022) expressing the vceA gene and the vceB gene. .
得られたNGC7Δaph[pSEVAacpCAB opt]株及びNGC7Δaph[pSEVAacv+pTS093vce]株をそれぞれ25mg/L Km又は25mg/L Km+15mg/L テトラサイクリン(Tc)を含む10mLのLBに接種し、30℃で一晩振盪培養した。得られたそれぞれの培養液0.1mLを25mg/L Km又は25mg/L Km+15mg/L Tcを含む新しい10mLのLBに接種し、30℃で16時間振盪培養した。得られたそれぞれの培養液を遠心分離に供して菌体を回収し、得られた菌体をMMx-3 bufferに懸濁し、OD600が5.0になるように細胞懸濁液1.2mLを調製した。得られたそれぞれの細胞懸濁液に、終濃度が1.0mMになるようにAVを添加し、得られた混合液を30℃、1,500rpmで振盪することによりAV変換反応に供した。 The obtained NGC7Δ aph [pSEVA acpCAB opt ] strain and NGC7Δ aph [pSEVA acv + pTS093 vce ] strain were inoculated into 10 mL of LB containing 25 mg / L Km or 25 mg / L Km + 15 mg / L tetracycline (Tc), respectively, and cultured overnight with shaking at 30 ° C. 0.1 mL of each of the obtained cultures was inoculated into a new 10 mL of LB containing 25 mg / L Km or 25 mg / L Km + 15 mg / L Tc, and cultured with shaking at 30 ° C. for 16 hours. Each of the obtained cultures was subjected to centrifugation to recover the bacterial cells, and the obtained bacterial cells were suspended in MMx-3 buffer, and 1.2 mL of the cell suspension was prepared so that the OD 600 was 5.0. AV was added to each of the obtained cell suspensions to a final concentration of 1.0 mM, and the resulting mixture was subjected to an AV conversion reaction by shaking at 30° C. and 1,500 rpm.
反応開始後、一定時間毎にサンプリングし、反応液を遠心分離して得た上清について、AV及びVAの濃度を上記と同様にHPLC分析により測定した。 After the reaction started, samples were taken at regular intervals, and the reaction solution was centrifuged to obtain a supernatant, and the AV and VA concentrations were measured by HPLC analysis in the same manner as above.
NGC7Δaph[pSEVAacv+pTS093vce]株の結果を図8Aに示し、NGC7Δaph[pSEVAacpCAB opt]株の結果を図8Bに示す。 The results for the NGC7Δ aph [pSEVA acv +pTS093 vce ] strain are shown in FIG. 8A, and the results for the NGC7Δ aph [pSEVA acpCAB opt ] strain are shown in FIG. 8B.
図8A及び図8Bが示すとおり、NGC7Δaph[pSEVAacv+pTS093vce]株を用いた場合は、24時間の反応でAVは約20%しか変換されなかったのに対して、NGC7Δaph(pSEVAacpCAB opt)株を用いた場合は、反応4時間でAVがほぼ完全にVAへ変換された。以上のことから、MHK4株のAV変換酵素遺伝子群を用いることで、既知のSYK-6株由来のAV変換酵素遺伝子群を用いる場合より、AVを速やかにVAへ変換できることが示された。 8A and 8B, when the NGC7Δ aph [pSEVA acv +pTS093 vce ] strain was used, only about 20% of AV was converted in a 24-hour reaction, whereas when the NGC7Δ aph (pSEVA acpCAB opt ) strain was used, AV was almost completely converted to VA in a 4-hour reaction. From the above, it was shown that by using the AV convertase gene group of the MHK4 strain, AV can be converted to VA more quickly than when the known AV convertase gene group derived from the SYK-6 strain is used.
[6.acpCAB
optを導入したPseudomonas sp.NGC7Δaph株のAVでの生育能]
NGC7Δaph[pSEVAacpCAB
opt]株及びNGC7Δaph[pSEVAacv+pTS093vce]株をそれぞれ25mg/L Km又は25mg/L Km+15mg/L Tcを含む10mLのLBに接種し、30℃で一晩の振盪培養に供した。得られた培養液のそれぞれ0.1mLを新しい10mLのLB(25mg/L Km又は25mg/L Km+15mg/L Tcを含む)に接種し、30℃で16時間の振盪培養に供した。得られた培養液由来の細胞を0.9%(w/v)NaClに懸濁することにより、OD600=20.0の細胞懸濁液を0.1mL調製した。5mM AV及び25mg/L Km又は25mg/L Km+15mg/L Tcを含むMMx-3寒天培地[34.2g/L Na2HPO4・12H2O、6.0g/L KH2PO4、1.0g/L NaCl、2.5g/L(NH4)2SO4、49.3mg/L MgSO4・7H2O、15mg/L CaCl2・2H2O、5mg/L FeSO4・7H2O、15g/L 寒天]に、得られた細胞懸濁液 20μLを塗り拡げ、30℃で72時間培養した。培養後の培地の様子を図9に示す。
[6. Growth ability of Pseudomonas sp. NGC7Δaph strain with acpCAB opt introduced in AV]
The NGC7Δ aph [pSEVA acpCAB opt ] strain and the NGC7Δ aph [pSEVA acv +pTS093 vce ] strain were inoculated into 10 mL of LB containing 25 mg/L Km or 25 mg/L Km + 15 mg/L Tc, respectively, and subjected to shaking culture at 30° C. overnight. 0.1 mL of each of the obtained cultures was inoculated into 10 mL of fresh LB (containing 25 mg/L Km or 25 mg/L Km + 15 mg/L Tc), and subjected to shaking culture at 30° C. for 16 hours. Cells derived from the obtained cultures were suspended in 0.9% (w/v) NaCl to prepare 0.1 mL of a cell suspension with an OD 600 of 20.0. 20 μL of the obtained cell suspension was spread on MMx-3 agar medium [34.2 g/L Na 2 HPO 4 ·12H 2 O, 6.0 g/L KH 2 PO 4 , 1.0 g/L NaCl, 2.5 g/L (NH 4 ) 2 SO 4 , 49.3 mg/L MgSO 4 ·7H 2 O, 15 mg/L CaCl 2 ·2H 2 O, 5 mg/L FeSO 4 ·7H 2 O, 15 g/L agar] containing 5 mM AV and 25 mg/L Km or 25 mg/L Km + 15 mg/L Tc, and cultured at 30 ° C. for 72 hours. The state of the medium after culture is shown in Figure 9.
図9に示すように、NGC7Δaph[pSEVAacv+pTS093vce]株はほとんど生育が確認されなかったのに対して、NGC7Δaph[pSEVAacpCAB opt]株は顕著に生育が確認された。以上のことから、MHK4株のacpA遺伝子、acpB遺伝子及びacpC遺伝子を用いることで、宿主微生物株にAVを炭素源として用いて生育できる生育能を付与することができることがわかった。 As shown in Fig. 9, the NGC7Δaph [pSEVA acv + pTS093 vce ] strain showed almost no growth, whereas the NGC7Δaph [pSEVA acpCAB opt ] strain showed remarkable growth. From the above, it was found that the acpA gene, acpB gene, and acpC gene of the MHK4 strain can be used to impart the ability to grow using AV as a carbon source to a host microbial strain.
[7.NGC7ΔvanA1B1ΔvanA4B4ΔaphΔvanA2B2ΔvanA3B3ΔareA株を用いたAVからのVA蓄積性の評価]
プラスミドpSEVAacpCAB
optを用いて、NGC7株のVA生産宿主であるNGC7ΔvanA1B1ΔvanA4B4ΔaphΔvanA2B2ΔvanA3B3ΔareA株(以下、NGC729株ともよぶ。)を形質転換して、NGC729[pSEVAacpCAB
opt]株を得た。
[ 7. Evaluation of VA accumulation from AV using NGC7ΔvanA1B1 ΔvanA4B4 Δaph ΔvanA2B2 ΔvanA3B3 ΔareA strain]
The plasmid pSEVA acpCAB opt was used to transform the NGC7Δ vanA1B1 Δ vanA4B4 Δ aph Δ vanA2B2 Δ vanA3B3 Δ areA strain (hereinafter also referred to as NGC729 strain), which is a VA production host of the NGC7 strain, to obtain the NGC729[pSEVA acpCAB opt ] strain.
NGC7ΔvanA1B1ΔvanA4B4ΔaphΔvanA2B2ΔvanA3B3株は、国際公開番号WO2022/210236の例10に記載のものを用いた。 The NGC7Δ vanA1B1 Δ vanA4B4 Δ aph Δ vanA2B2 Δ vanA3B3 strain used was that described in Example 10 of International Publication No. WO2022/210236.
一方、NGC7株のゲノムにはシュードモナス・プチダ(Pseudomonas putida)KT2440株由来のバニリンレダクターゼ遺伝子(PP_2426)と96.9%の配列同一性を示したアミノ酸配列をコードする遺伝子であるPSN_2384(areA遺伝子;配列番号53)が存在することを確認した。areA遺伝子の機能によりリグニンの化学分解物に含まれるバニリンが還元されてバニリルアルコールに変換されるため、リグニンの化学分解物からバニリン酸を生産しようとした場合、分解物に含まれるバニリンがバニリルアルコールに変換されてバニリン酸の生産量が低下することが想定される。そこで、バニリンレダクターゼとして機能すると推定されるareA遺伝子を破壊した変異株を作製した。 On the other hand, it was confirmed that the genome of the NGC7 strain contains PSN_2384 ( areA gene; SEQ ID NO: 53), a gene encoding an amino acid sequence that showed 96.9% sequence identity with the vanillin reductase gene ( PP_2426 ) derived from the Pseudomonas putida KT2440 strain. The function of the areA gene reduces vanillin contained in the chemical decomposition product of lignin and converts it to vanillyl alcohol, so when vanillic acid is produced from the chemical decomposition product of lignin, it is assumed that the vanillin contained in the decomposition product is converted to vanillyl alcohol, resulting in a decrease in the production amount of vanillic acid. Therefore, a mutant strain in which the areA gene, which is presumed to function as vanillin reductase, was destroyed was prepared.
NGC7株のゲノムDNAを鋳型として、配列番号54及び55のプライマー26及び27からなるプライマーセットと、配列番号56及び57のプライマー28及び29からなるプライマーセットとをそれぞれ用いたPCR法によって、areA遺伝子の5’末端上流及びareA遺伝子の3’末端下流の約1.2kbpのDNA断片をそれぞれ増幅した。それぞれの断片をあらかじめHindIII及びBamHIで消化したpK18mobsacBとNEBuilder HiFi DNAアッセンブリーを用いたシームレスクローニング法により連結させることにより、areA遺伝子領域欠失株作製用プラスミドpK18ΔareAを作製した。 Using the genomic DNA of the NGC7 strain as a template, a primer set consisting of primers 26 and 27 of SEQ ID NOs: 54 and 55, and a primer set consisting of primers 28 and 29 of SEQ ID NOs: 56 and 57, respectively, was used to amplify approximately 1.2 kbp DNA fragments upstream of the 5' end of the areA gene and downstream of the 3' end of the areA gene, respectively. Each fragment was ligated to pK18 mobsacB previously digested with HindIII and BamHI by seamless cloning using NEBuilder HiFi DNA assembly to prepare a plasmid pK18ΔareA for preparing a strain lacking the areA gene region.
プラスミドpK18ΔareAをNGC7ΔvanA1B1ΔvanA4B4ΔaphΔvanA2B2ΔvanA3B3株に導入し、ゲノムDNA上のareA遺伝子の内部領域を欠失したNGC7ΔvanA1B1ΔvanA4B4ΔaphΔvanA2B2ΔvanA3B3ΔareA株(NGC729株)を作製した。 The plasmid pK18ΔareA was introduced into the NGC7ΔvanA1B1 ΔvanA4B4 Δaph ΔvanA2B2 ΔvanA3B3 strain to prepare the NGC7ΔvanA1B1 ΔvanA4B4 Δaph ΔvanA2B2 ΔvanA3B3 ΔareA strain ( NGC729 strain) in which the internal region of the areA gene on the genomic DNA was deleted.
acpC opt/acpA opt/acpB opt遺伝子セットをNGC729株のゲノム中に挿入するためのプラスミドを以下の手順により作製した。 A plasmid for inserting the acpC opt / acpA opt / acpB opt gene set into the genome of the NGC729 strain was prepared by the following procedure.
Pseudomonas sp. NGC7株のゲノムDNAを鋳型として、配列番号34及び35のプライマー10及び11からなるプライマーセットと、配列番号36及び37のプライマー12及び13からなるプライマーセットをそれぞれ用いたPCR法によって、NGC7株のvanA4遺伝子の5’末端上流及びvanB4遺伝子の3’末端下流の約1.2kbpのDNA断片をそれぞれ増幅した。 Using the genomic DNA of Pseudomonas sp. NGC7 strain as a template, a PCR method was performed using a primer set consisting of primers 10 and 11 of SEQ ID NOs: 34 and 35, and a primer set consisting of primers 12 and 13 of SEQ ID NOs: 36 and 37, respectively, to amplify DNA fragments of approximately 1.2 kbp upstream of the 5'-terminus of the vanA4 gene and downstream of the 3'-terminus of the vanB4 gene of the NGC7 strain.
同様に、プラスミドpSEVAacpCAB optを鋳型として、配列番号38及び39のプライマー14及び15からなるプライマーセットを用いたPCR法によって、tacプロモーターの下流にacpC opt/acpA opt/acpB opt遺伝子セットが連結された約2.7kbpのDNA断片を増幅した。それぞれの増幅断片を、あらかじめHindIII及びBamHIで消化したpK18mobsacB(Gene、Vol.145、p69-73、1994を参照)とNEBuilder HiFi DNAアッセンブリーとを用いたシームレスクローニング法により連結させることにより、acpC opt/acpA opt/acpB opt遺伝子セットをNGC729株のゲノム中に挿入するためのプラスミド(pK18ΔvanA4B4::P tac :acpCAB opt)を作製した。 Similarly, a DNA fragment of about 2.7 kbp in which the acpC opt / acpA opt / acpB opt gene set was linked downstream of the tac promoter was amplified by PCR using a primer set consisting of primers 14 and 15 of SEQ ID NOs: 38 and 39, using the plasmid pSEVA acpCAB opt as a template. Each amplified fragment was linked by seamless cloning method using pK18 mobsacB (see Gene, Vol. 145, pp. 69-73, 1994) previously digested with HindIII and BamHI and NEBuilder HiFi DNA assembly to prepare a plasmid (pK18Δ vanA4B4 ::P tac : acpCAB opt ) for inserting the acpC opt / acpA opt / acpB opt gene set into the genome of NGC729 strain.
常法に従って、作製したプラスミドpK18ΔvanA4B4::P tac :acpCAB optを、エレクトロポレーション法によりNGC729株に導入し、25mg/LのKmを含むLB寒天培地上で生育可能である株を選抜した。 According to a conventional method, the prepared plasmid pK18Δ vanA4B4 ::P tac : acpCAB opt was introduced into the NGC729 strain by electroporation, and a strain capable of growing on LB agar medium containing 25 mg/L Km was selected.
得られたKm耐性株を、25%のスクロースを含むLB液体培地(10g/L トリプトン、5g/L 酵母エキス、5g/L NaCl)に接種し、30℃で24時間の振盪培養に供した。得られた培養液を、25%のスクロースを含むLB寒天培地上に塗抹し、30℃で静置培養した。コロニーダイレクトPCRにより、ゲノムDNA上にacpC opt/acpA opt/acpB opt遺伝子セットが挿入されたことが確認できた形質転換体を、NGC729::P tac :acpCAB opt株とした。 The obtained Km-resistant strain was inoculated into LB liquid medium (10 g/L tryptone, 5 g/L yeast extract, 5 g/L NaCl) containing 25% sucrose and subjected to shaking culture at 30° C. for 24 hours. The obtained culture solution was smeared on LB agar medium containing 25% sucrose and subjected to stationary culture at 30° C. The transformant in which it was confirmed by colony direct PCR that the acpC opt / acpA opt / acpB opt gene set was inserted into the genomic DNA was designated as NGC729::P tac : acpCAB opt strain.
得られたNGC729[pSEVAacpCAB opt]株及びNGC729::P tac :acpCAB opt株のそれぞれを、25mg/LのKmを含む、又は含まない10mLのLBに接種し、30℃で一晩の振盪培養に供した。得られた培養液0.1mLを新しい25mg/L Kmを含む、又は含まない10mLのLBに接種し、30℃で16時間の振盪培養に供した。得られた培養液を遠心分離に供して菌体を回収し、得られた菌体をMMx-3 bufferに懸濁して、OD600が5.0になるように細胞懸濁液1.2mLを調製した。得られた細胞懸濁液にAVを終濃度が1.0mMになるようにAVを添加し、得られた混合液を30℃、1,500rpmで振盪することによりAV変換反応に供した。 The obtained NGC729 [pSEVA acpCAB opt ] strain and NGC729:: P tac : acpCAB opt strain were inoculated into 10 mL of LB containing or not containing 25 mg / L Km, and subjected to shaking culture at 30 ° C. overnight. 0.1 mL of the obtained culture was inoculated into 10 mL of LB containing or not containing fresh 25 mg / L Km, and subjected to shaking culture at 30 ° C. for 16 hours. The obtained culture was subjected to centrifugation to recover the cells, and the obtained cells were suspended in MMx-3 buffer to prepare 1.2 mL of cell suspension so that OD 600 was 5.0. AV was added to the obtained cell suspension so that the final concentration was 1.0 mM, and the obtained mixture was subjected to AV conversion reaction by shaking at 30 ° C. and 1,500 rpm.
反応開始後、一定時間毎にサンプリングし、反応液を遠心分離して得た反応上清について、AV及びVAの濃度を上記と同様にHPLC分析により測定した。 After the reaction started, samples were taken at regular intervals, and the reaction solution was centrifuged to obtain a reaction supernatant, and the AV and VA concentrations were measured by HPLC analysis in the same manner as above.
NGC729[pSEVAacpCAB opt]株を用いた反応結果を図10Aに示し、NGC729::P tac :acpCAB opt株を用いた反応結果を図10Bに示す。図10A及び図10Bが示すとおり、NGC729[pSEVAacpCAB opt]株及びNGC729::P tac :acpCAB opt株を用いた反応では、両方ともに、1時間の反応でAVが完全にVAへ変換された。以上のことから、プラスミドでの遺伝子導入及びゲノムDNAへの直接導入によらず、acpC opt/acpA opt/acpB opt遺伝子セットをNGC7株のVA生産宿主であるNGC729株に導入することで、AVからのVA生産が可能であることがわかった。 The reaction results using the NGC729 [pSEVA acpCAB opt ] strain are shown in FIG. 10A, and the reaction results using the NGC729::P tac : acpCAB opt strain are shown in FIG. 10B. As shown in FIG. 10A and FIG. 10B, in the reactions using the NGC729 [pSEVA acpCAB opt ] strain and the NGC729::P tac : acpCAB opt strain, AV was completely converted to VA in 1 hour of reaction. From the above, it was found that VA production from AV is possible by introducing the acpC opt / acpA opt / acpB opt gene set into the NGC729 strain, which is a VA production host of the NGC7 strain, regardless of gene introduction by plasmid or direct introduction into genomic DNA.
また、上記AV変換反応を、NGC729[pSEVAacpCAB opt]株及びNGC729::P tac :acpCAB opt株のそれぞれについて、OD600が1.0になるように調製した細胞懸濁液1.2mLを用いて行った。 The AV conversion reaction was carried out using 1.2 mL of cell suspension prepared so that OD 600 was 1.0 for each of the NGC729[pSEVA acpCAB opt ] strain and the NGC729::P tac : acpCAB opt strain.
NGC729[pSEVAacpCAB opt]株の結果を図11Aに示し、NGC729::P tac :acpCAB opt株の結果を図11Bに示す。 The results for the NGC729[pSEVA acpCAB opt ] strain are shown in FIG. 11A, and the results for the NGC729::P tac : acpCAB opt strain are shown in FIG. 11B.
図11A及び図11Bが示すとおり、NGC729[pSEVAacpCAB opt]株を用いた場合と比較して、NGC729::P tac :acpCAB opt株を用いた場合の方がAVからのVAの生成速度が速かった。以上のことから、遺伝子をゲノムDNAへ直接導入したNGC729::P tac :acpCAB opt株を用いた方が、AVからのVA生産に適していることがわかった。 11A and 11B, the rate of VA production from AV was faster when the NGC729::P tac : acpCAB opt strain was used than when the NGC729[pSEVA acpCAB opt ] strain was used. From the above, it was found that the NGC729::P tac : acpCAB opt strain in which the gene was directly introduced into the genomic DNA is more suitable for VA production from AV.
[8.コドンを最適化したacvA遺伝子、acvB遺伝子、acvC遺伝子、acvD遺伝子、acvE遺伝子、acvF遺伝子、vceA遺伝子及びvceB遺伝子並びに最適なRBSを付加したDNA配列のNGC729株への導入とAV変換]
GENEiusソフトウェアを用いて、acvA遺伝子、acvB遺伝子、acvC遺伝子、acvD遺伝子、acvE遺伝子、acvF遺伝子、vceA遺伝子及びvceB遺伝子のコドンが、Pseudomonas putidaゲノム中でのコドン使用頻度と同等になるように塩基配列を設計した。またRBS Calculatorを用いて、Pseudomonas putidaでの翻訳効率が最大になるように、acvA遺伝子、acvB遺伝子、acvC遺伝子、acvD遺伝子、acvE遺伝子、acvF遺伝子、vceA遺伝子及びvceB遺伝子それぞれの開始コドン上流にシャイン・ダルガノ配列を含むRBS配列をそれぞれ設計した。設計したDNA塩基配列の合成をTwist Bioscience社に委託した。
[8. Introduction of codon-optimized acvA gene, acvB gene, acvC gene, acvD gene, acvE gene, acvF gene, vceA gene and vceB gene, and DNA sequence with optimal RBS added, into NGC729 strain and AV conversion]
Using GENEius software, the base sequences were designed so that the codons of the acvA gene, acvB gene, acvC gene, acvD gene, acvE gene, acvF gene, vceA gene, and vceB gene have the same codon usage frequency as that in the Pseudomonas putida genome. In addition, using RBS Calculator, RBS sequences containing Shine- Dalgarno sequences were designed upstream of the start codons of the acvA gene, acvB gene, acvC gene, acvD gene, acvE gene, acvF gene, vceA gene, and vceB gene, respectively, so that the translation efficiency in Pseudomonas putida is maximized. The synthesis of the designed DNA base sequence was outsourced to Twist Bioscience.
合成されたDNA塩基配列が挿入されたプラスミドを鋳型として、配列番号40及び41のプライマー16及び17からなるプライマーセットを用いたPCR法によって、acvA opt遺伝子及びacvB opt遺伝子が連結された約3.0kbpのDNA断片を増幅した。 Using the plasmid into which the synthesized DNA base sequence was inserted as a template, a PCR method using a primer set consisting of primers 16 and 17 of SEQ ID NOs: 40 and 41 was performed to amplify a DNA fragment of about 3.0 kbp in which the acvA opt gene and the acvB opt gene were linked.
得られた断片をあらかじめEcoRI及びKpnIで消化したpSEVA241_P lac とNEBuilder HiFi DNAアッセンブリーとを用いたシームレスクローニング法により連結させることにより、pSEVAacvAB optを得た。 The resulting fragment was ligated to pSEVA241_P lac previously digested with EcoRI and KpnI by seamless cloning using NEBuilder HiFi DNA assembly to obtain pSEVA acvAB opt .
同様に、合成されたDNA塩基配列が挿入されたプラスミドを鋳型として、配列番号42及び43のプライマー18及び19からなるプライマーセットを用いたPCR法によって、大腸菌由来ラクトースプロモーターの下流にacvC opt遺伝子、acvD opt遺伝子、acvE opt遺伝子及びacvF opt遺伝子が連結された約4.5kbpのDNA断片を増幅した。 Similarly, a DNA fragment of about 4.5 kbp in which the acvC opt gene, acvD opt gene, acvE opt gene and acvF opt gene were linked downstream of the E. coli-derived lactose promoter was amplified by PCR using a primer set consisting of primers 18 and 19 of SEQ ID NOs: 42 and 43, using the plasmid into which the synthesized DNA base sequence was inserted as a template.
得られた断片をあらかじめHindIII及びBamHIで消化したpSEVAacvAB optとNEBuilder HiFi DNAアッセンブリーとを用いたシームレスクローニング法により連結させることにより、pSEVAacv optを得た。 The resulting fragment was ligated to pSEVA acvAB opt , which had been previously digested with HindIII and BamHI, by seamless cloning using NEBuilder HiFi DNA assembly to obtain pSEVA acv opt .
同様に、合成遺伝子が挿入されたプラスミドを鋳型として、配列番号44及び45のプライマー20及び21からなるプライマーセットを用いたPCR法によって、vceA opt遺伝子及びvceB opt遺伝子が連結された約1.5kbpのDNA断片を増幅した。 Similarly, a DNA fragment of about 1.5 kbp in which the vceA opt gene and the vceB opt gene were linked was amplified by PCR using a primer set consisting of primers 20 and 21 of SEQ ID NOs: 44 and 45, using the plasmid into which the synthetic gene had been inserted as a template.
得られた断片をあらかじめBamHI及びEcoRIで消化したpTS093とNEBuilder HiFi DNAアッセンブリーとを用いたシームレスクローニング法により連結させることにより、pTS093vce optを得た。 The resulting fragment was ligated to pTS093 previously digested with BamHI and EcoRI and NEBuilder HiFi DNA assembly by seamless cloning method to obtain pTS093 vce opt .
得られたプラスミドpSEVAacv opt及びpTS093vce optを用いて、NGC729株を形質転換して、NGC729[pSEVAacv opt+pTS093vce opt]株を得た。 The resulting plasmids pSEVA acv opt and pTS093 vce opt were used to transform the NGC729 strain to obtain the NGC729 [pSEVA acv opt +pTS093 vce opt ] strain.
また同様に、プラスミドpSEVAacv及びpTS093vceを用いて、NGC729株を形質転換して、NGC729[pSEVAacv+pTS093vce]株を得た。 Similarly, the NGC729 strain was transformed with the plasmids pSEVA acv and pTS093 vce to obtain the NGC729 [pSEVA acv + pTS093 vce ] strain.
得られたNGC729[pSEVAacv opt+pTS093vce opt]株及びNGC729[pSEVAacv+pTS093vce]株のそれぞれを、25mg/L Km+15mg/L Tcを含むLB液体培地10mLに接種し、30℃、一晩の振盪培養(180rpm)に供した。得られたそれぞれの培養液0.1mLを新しい25mg/L Km+15mg/L Tcを含む10mLのLBに接種し、30℃で16時間の振盪培養に供した。得られたそれぞれの培養液由来の細胞をMMx-3 bufferを用いて洗浄した後、再度MMx-3 bufferに懸濁し、OD600が5.0になるように細胞懸濁液1.2mLを調製した。得られた細胞懸濁液に、終濃度が1.0mMになるようにAVを添加し、次いで得られた混合液を30℃、1,500rpmで振盪することによりAV変換反応に供した。 Each of the obtained NGC729 [pSEVA acv opt + pTS093 vce opt ] strain and NGC729 [pSEVA acv + pTS093 vce ] strain was inoculated into 10 mL of LB liquid medium containing 25 mg / L Km + 15 mg / L Tc, and subjected to shaking culture (180 rpm) at 30 ° C. overnight. 0.1 mL of each of the obtained cultures was inoculated into 10 mL of fresh LB containing 25 mg / L Km + 15 mg / L Tc, and subjected to shaking culture at 30 ° C. for 16 hours. The cells derived from each of the obtained cultures were washed with MMx-3 buffer, and then suspended again in MMx-3 buffer, and 1.2 mL of cell suspension was prepared so that the OD 600 was 5.0. AV was added to the obtained cell suspension to a final concentration of 1.0 mM, and the resulting mixture was then subjected to an AV conversion reaction by shaking at 30° C. and 1,500 rpm.
反応開始後、一定時間毎にサンプリングし、反応液を遠心分離して得た反応上清について、AV及びVAの濃度を上記と同様にHPLC分析により測定した。 After the reaction started, samples were taken at regular intervals, and the reaction solution was centrifuged to obtain a reaction supernatant, and the AV and VA concentrations were measured by HPLC analysis in the same manner as above.
NGC729[pSEVAacv+pTS093vce]株を用いた反応結果を図12Aに示し、NGC729[pSEVAacv opt+pTS093vce opt]株を用いた反応結果を図12Bに示す。 The reaction results using the NGC729 [pSEVA acv +pTS093 vce ] strain are shown in FIG. 12A, and the reaction results using the NGC729 [pSEVA acv opt +pTS093 vce opt ] strain are shown in FIG. 12B.
図12A及び図12Bが示すとおり、NGC729[pSEVAacv+pTS093vce]株を用いた場合と比較して、NGC729[pSEVAacv opt+pTS093vce opt]株を用いた場合の方がAVからのVA生成速度が遅く、acvA遺伝子、acvB遺伝子、acvC遺伝子、acvD遺伝子、acvE遺伝子、acvF遺伝子、vceA遺伝子及びvceB遺伝子のコドンの最適化及び最適なRBSを付加した効果は得られなかった。 As shown in Figures 12A and 12B, the rate of VA production from AV was slower when the NGC729[pSEVA acv opt + pTS093 vce opt] strain was used compared to when the NGC729[pSEVA acv +pTS093 vce opt ] strain was used, and no effect was obtained by optimizing the codons of the acvA gene, acvB gene, acvC gene, acvD gene, acvE gene, acvF gene, vceA gene, and vceB gene and by adding an optimal RBS.
[9.NGC729[pSEVAacv+pTS093vce]株及びNGC729::P tac :acpCAB
opt株を用いた針葉樹サルファイトリグニン分解物モデルからのVA生産性の評価]
NGC729[pSEVAacv+pTS093vce]株及びNGC729::P tac :acpCAB
opt株を、25mg/L Km+15mg/L Tcを含む、又は含まないLB液体培地10mLに接種し、30℃、一晩の振盪培養(180rpm)に供した。得られた培養液0.1mLを新しい25mg/L Km+15mg/L Tcを含む、又は含まないLB液体培地10mLに接種し、30℃、16時間の振盪培養に供した。得られた培養液を遠心分離に供して菌体を回収し、得られた菌体を、MMx-3培地を用いて洗浄し、次いで再度MMx-3培地に懸濁して、OD600が10になるように細胞懸濁液 1mLを調製した。
[9. Evaluation of VA productivity from a coniferous sulfite lignin decomposition product model using NGC729 [pSEVA acv + pTS093 vce ] strain and NGC729::P tac : acpCAB opt strain]
NGC729 [pSEVA acv + pTS093 vce ] strain and NGC729:: P tac : acpCAB opt strain were inoculated into 10 mL of LB liquid medium containing or not containing 25 mg / L Km + 15 mg / L Tc, and subjected to shaking culture (180 rpm) at 30 ° C. overnight. 0.1 mL of the obtained culture was inoculated into 10 mL of fresh LB liquid medium containing or not containing 25 mg / L Km + 15 mg / L Tc, and subjected to shaking culture at 30 ° C. for 16 hours. The obtained culture was subjected to centrifugation to recover the bacterial cells, and the obtained bacterial cells were washed with MMx-3 medium and then suspended again in MMx-3 medium to prepare 1 mL of cell suspension so that OD 600 was 10.
200g/L Glucose溶液0.75mL及び針葉樹サルファイトリグニン分解物モデル[292mM バニリン(以下、VNともよぶ。)、81.5mM AV、126.5mM VA)]0.2mLを含むMMx-3液体培地[34.2g/L Na2HPO4・12H2O、6.0g/L KH2PO4、1.0g/L NaCl、2.5g/L(NH4)2SO4、49.3mg/L MgSO4・7H2O、15mg/L CaCl2・2H2O、5mg/L FeSO4・7H2O](25mg/L Km及び15mg/L Tcを含む、又は含まない)10mLに、初期OD600が0.1になるように細胞懸濁液を添加した。得られた細胞を含む培地を、30℃の振盪培養に供した。 MMx-3 liquid medium [34.2 g/L Na 2 HPO 4 ·12H 2 O, 6.0 g/L KH 2 PO 4 , 1.0 g/L NaCl, 2.5 g/L (NH 4 ) 2 SO 4 , 49.3 mg/L MgSO 4 ·7H 2 O, 15 mg/L CaCl 2 ·2H 2 O, 5 mg/L FeSO 4 ·7H 2 O] (25 mg/L Km and 15 mg/L CaCl 2 ·2H 2 O, 5 mg/L FeSO 4 ·7H 2 O)] containing 0.75 mL of 200 g/L glucose solution and 0.2 mL of a coniferous sulfite lignin decomposition product model [292 mM vanillin (hereinafter also referred to as VN), 81.5 mM AV, 126.5 mM VA)] was used . The cell suspension was added to 10 mL of medium (with or without Tc) to give an initial OD 600 of 0.1. The obtained medium containing the cells was subjected to shaking culture at 30°C.
培養開始後、一定時間毎にサンプリングし、培養液のOD600を測定し、さらに培養液を遠心分離して得た培養上清について、AV、VN、VA及びグルコースの濃度を測定した。OD600は分光光度計(「BIOmaster XB-10」、TOMY SEIKO社)を用いて測定した。AV、VN及びVAの濃度は、上記のHPLC分析を用いて測定した。グルコース濃度は、「バイオセンサー BF-5」(王子計測機器社)を用いて測定した。 After the start of the culture, the culture was sampled at regular intervals to measure the OD 600 of the culture medium, and the culture medium was centrifuged to obtain a culture supernatant, and the concentrations of AV, VN, VA, and glucose were measured. OD 600 was measured using a spectrophotometer ("BIOmaster XB-10", Tomy Seiko). The concentrations of AV, VN, and VA were measured using the above-mentioned HPLC analysis. The glucose concentration was measured using "Biosensor BF-5" (Oji Scientific Instruments).
NGC729[pSEVAacv+pTS093vce]株を用いた培養結果を図13Aに示し、NGC729::P tac :acpCAB opt株を用いた培養結果を図13Bに示す。 The results of the culture using the NGC729 [pSEVA acv + pTS093 vce ] strain are shown in FIG. 13A, and the results of the culture using the NGC729::P tac : acpCAB opt strain are shown in FIG. 13B.
図13A及び図13Bに示すとおり、NGC729[pSEVAacv+pTS093vce]株を用いた反応では、培養68時間においてもAVが残存したのに対し、NGC729::P tac :acpCAB opt株を用いた場合は、培養30時間でAVが完全にVAへ変換された。 As shown in Figures 13A and 13B, in the reaction using the NGC729 [pSEVA acv + pTS093 vce ] strain, AV remained even after 68 hours of culture, whereas in the reaction using the NGC729::P tac : acpCAB opt strain, AV was completely converted to VA after 30 hours of culture.
以上の結果より、リグニン分解物モデルを用いた培養においても、MHK4株のAV変換酵素遺伝子群を用いると、SYK-6株由来のAV変換酵素遺伝子群を用いる場合と比べて、AVを速やかにVAへ変換できることが示された。 These results show that even in cultures using the lignin degradation product model, when the AV converting enzyme gene group of the MHK4 strain is used, AV can be converted to VA more quickly than when the AV converting enzyme gene group derived from the SYK-6 strain is used.
また培養68時間時点でのVA収率は、NGC729[pSEVAacv+pTS093vce]株を用いた場合は95.7%であり、NGC729::P tac :acpCAB opt株を用いた場合は99.4%であった。VAの収率は、[68時間培養後のVA量(mol)]/[培養開始時点のAV量(mol)+VN量(mol)+VA量(mol)]×100(%)から算出した。 The VA yield after 68 hours of culture was 95.7% when the NGC729 [pSEVA acv + pTS093 vce ] strain was used, and 99.4% when the NGC729::P tac : acpCAB opt strain was used. The VA yield was calculated by [VA amount (mol) after 68 hours of culture]/[AV amount (mol) at the start of culture + VN amount (mol) + VA amount (mol)] x 100 (%).
[10.MHK4ΔvanA3B3株の作製]
以下の手順により、MHK4株からバニレート O-デメチラーゼ遺伝子(vanAB)を破壊した変異株である、MHK4ΔvanA3B3株を作製した。
[10. Preparation of MHK4Δ vanA3B3 strain]
The MHK4Δ vanA3B3 strain, which is a mutant strain in which the vanillate O -demethylase gene ( vanAB ) was disrupted from the MHK4 strain, was prepared by the following procedure.
酸素添加型のバニレート O-デメチラーゼは、オキシゲナーゼコンポーネント(VanA)とオキシドレダクターゼコンポーネント(VanB)とから構成される。P.putida KT2440株由来のバニレート O-デメチラーゼ オキシゲナーゼコンポーネント(VanA)及びバニレート O-デメチラーゼ オキシドレダクターゼコンポーネント(VanB)の推定アミノ酸配列と配列同一性が高いアミノ酸配列を有するタンパク質をコードしている遺伝子をMHK4株のゲノム配列から検索した。検索の結果、MHK4株のゲノムDNAには、VanAと87.9%の配列同一性を示したアミノ酸配列をコードしている遺伝子vanA3(PSMH_1445)、VanBと74.7%の配列同一性を示したアミノ酸配列をコードしている遺伝子vanB3(PSMH_1446)があることを確認した。 Oxygenation-type vanillate O -demethylase is composed of an oxygenase component (VanA) and an oxidoreductase component (VanB). Genes encoding proteins having amino acid sequences with high sequence identity to the deduced amino acid sequences of vanillate O -demethylase oxygenase component (VanA) and vanillate O -demethylase oxidoreductase component (VanB) derived from P. putida KT2440 strain were searched from the genome sequence of the MHK4 strain. As a result of the search, it was confirmed that the genomic DNA of the MHK4 strain contains a gene vanA3 (PSMH_1445) encoding an amino acid sequence that showed 87.9% sequence identity with VanA, and a gene vanB3 (PSMH_1446) encoding an amino acid sequence that showed 74.7% sequence identity with VanB.
vanA3遺伝子及びvanB3遺伝子のそれぞれの遺伝子セットを欠失させたMHK4ΔvanA3B3株を以下の手順により作製した。遺伝子の欠失は、遺伝子の全領域を欠失させることにより行った。 An MHK4Δ vanA3B3 strain in which each of the vanA3 gene and vanB3 gene sets was deleted was prepared by the following procedure: The gene deletion was performed by deleting the entire region of the gene.
MHK4株のゲノムDNAを鋳型として、配列番号46及び47のプライマー22及び23からなるプライマーセットと、配列番号48及び49のプライマー24及び25からなるプライマーセットとをそれぞれ用いたPCR法によって、vanA3遺伝子の5’末端上流及びvanB3遺伝子の3’末端下流の約1.2kbpのDNA断片をそれぞれ増幅した。それぞれの断片をあらかじめHindIII及びBamHIで消化したpK18mobsacBとNEBuilder HiFi DNAアッセンブリーとを用いたシームレスクローニング法により連結させることにより、vanA3遺伝子及びvanB3遺伝子の遺伝子領域欠失株作製用プラスミドpK18ΔvanA3B3を作製した。 Using the genomic DNA of the MHK4 strain as a template, a primer set consisting of primers 22 and 23 of SEQ ID NOs: 46 and 47, and a primer set consisting of primers 24 and 25 of SEQ ID NOs: 48 and 49, respectively, was used to amplify approximately 1.2 kbp DNA fragments upstream of the 5' end of the vanA3 gene and downstream of the 3' end of the vanB3 gene, respectively. Each fragment was ligated by seamless cloning using pK18 mobsacB previously digested with HindIII and BamHI and NEBuilder HiFi DNA Assembly to prepare a plasmid pK18ΔvanA3B3 for preparing strains lacking the gene regions of the vanA3 gene and vanB3 gene.
作製したプラスミドpK18ΔvanA3B3を、前記記載の方法のとおり、エレクトロポレーション法によりMHK4株に導入し、25mg/L Kmを含むLB寒天培地上で生育可能である株を選抜した。 The prepared plasmid pK18Δ vanA3B3 was introduced into the MHK4 strain by electroporation as described above, and a strain capable of growing on LB agar medium containing 25 mg/L Km was selected.
得られたKm耐性株を、10%のスクロースを含むLB液体培地に接種し、30℃で16~24時間の振盪培養に供した。得られた培養液を同培地に再度接種し、培養する操作を3回繰り返した。培養後の培養液を、LB寒天培地上に塗抹し、30℃で静置培養した。コロニーダイレクトPCRにより、ゲノムDNA上のvanA3B3遺伝子の内部領域が欠失したことが確認できた形質転換体を、MHK4ΔvanA3B3株とした。 The obtained Km resistant strain was inoculated into LB liquid medium containing 10% sucrose and subjected to shaking culture at 30°C for 16 to 24 hours. The obtained culture solution was inoculated again into the same medium and cultured three times. After culture, the culture solution was smeared on LB agar medium and cultured stationarily at 30°C. The transformant in which it was confirmed by colony direct PCR that the internal region of the vanA3B3 gene on the genomic DNA had been deleted was designated as the MHK4Δ vanA3B3 strain.
[11.MHK4ΔvanA3B3株が有するVAの分解性の評価]
MHK4株及びMHK4ΔvanA3B3株を、それぞれLB液体培地10mLに接種し、30℃、24時間の振盪培養に供した。得られた培養液0.1mLを新しいLB液体培地10mLに接種し、30℃、16時間の振盪培養に供した。
[11. Evaluation of VA degradability of MHK4Δ vanA3B3 strain]
The MHK4 strain and the MHK4Δ vanA3B3 strain were each inoculated into 10 mL of LB liquid medium and subjected to shaking culture for 24 hours at 30° C. 0.1 mL of the obtained culture solution was inoculated into 10 mL of fresh LB liquid medium and subjected to shaking culture at 30° C. for 16 hours.
得られた培養液を遠心分離に供して菌体を回収し、得られた菌体をWx bufferに懸濁し、OD600が5.0になるように細胞懸濁液1.2mLを調製した。得られた細胞懸濁液に、終濃度が1.0mMになるようにVAを添加し、次いで得られた混合液を30℃、1,500rpmで振盪することによるVA変換反応に供した。 The resulting culture solution was subjected to centrifugation to recover the cells, and the cells were suspended in Wx buffer to prepare 1.2 mL of a cell suspension so that the OD 600 was 5.0. VA was added to the resulting cell suspension to a final concentration of 1.0 mM, and the resulting mixture was subjected to a VA conversion reaction by shaking at 30° C. and 1,500 rpm.
反応開始後、一定時間毎にサンプリングし、反応液を遠心分離して得た上清について、VAの濃度を上記と同様にHPLC分析により測定した。図14に測定結果を示す。 After the reaction started, samples were taken at regular intervals, and the reaction solution was centrifuged to obtain a supernatant, which was used to measure the VA concentration by HPLC analysis in the same manner as above. The measurement results are shown in Figure 14.
図14に示すとおり、MHK4株は添加したVAを全て分解したが、MHK4ΔvanA3B3株はVAを分解しなかった。以上の結果より、vanA3遺伝子及びvanB3遺伝子にコードされるバニレート O-デメチラーゼが、MHK4株のVA分解に関わる酸素添加型のバニレート O-デメチラーゼであることがわかった。 As shown in Fig. 14, the MHK4 strain degraded all of the added VA, whereas the MHK4Δ vanA3B3 strain did not degrade VA. These results demonstrated that vanillate O -demethylase encoded by the vanA3 gene and vanB3 gene is an oxygen-adding type vanillate O -demethylase involved in VA degradation in the MHK4 strain.
[12.MHK4ΔvanA3B3株を用いたAVからのVA蓄積性の評価]
MHK4ΔvanA3B3株を、LB液体培地10mLに接種し、30℃、24時間の振盪培養に供した。得られた培養液0.1mLを新しいLB液体培地10mLに接種し、30℃、16時間の振盪培養に供した。
[12. Evaluation of VA accumulation from AV using MHK4Δ vanA3B3 strain]
The MHK4Δ vanA3B3 strain was inoculated into 10 mL of LB liquid medium and subjected to shaking culture for 24 hours at 30° C. 0.1 mL of the obtained culture solution was inoculated into 10 mL of fresh LB liquid medium and subjected to shaking culture at 30° C. for 16 hours.
得られた培養液を遠心分離に供して菌体を回収し、得られた菌体をWx bufferに懸濁し、OD600が5.0になるように細胞懸濁液1.2mLを調製した。得られた細胞懸濁液に、終濃度が1.0mMになるようにAVを添加し、次いで得られた混合液を30℃、1,500rpmで振盪することによるAV変換反応に供した。 The resulting culture solution was subjected to centrifugation to recover the cells, and the cells were suspended in Wx buffer to prepare 1.2 mL of cell suspension so that the OD 600 was 5.0. AV was added to the resulting cell suspension to a final concentration of 1.0 mM, and the resulting mixture was subjected to an AV conversion reaction by shaking at 30° C. and 1,500 rpm.
反応開始後、一定時間毎にサンプリングし、反応液を遠心分離して得た上清について、AV及びVAの濃度を上記と同様にHPLC分析により測定した。図15に測定結果を示す。 After the reaction started, samples were taken at regular intervals, and the reaction solution was centrifuged to obtain a supernatant, which was used to measure the AV and VA concentrations by HPLC analysis in the same manner as above. The measurement results are shown in Figure 15.
図15が示すとおり、2時間の反応でAVが完全にVAへ変換され、VAが蓄積した。以上のことから、MHK4ΔvanA3B3株を用いることで、AVからのVA生産が可能であることがわかった。 15, AV was completely converted to VA after 2 hours of reaction, and VA was accumulated. From the above, it was found that VA production from AV is possible by using the MHK4Δ vanA3B3 strain.
[13.MHK4株とSYK-6株のAVの分解性の評価]
MHK4株及びSYK-6株を、LB液体培地10mLに接種し、30℃、16時間又は24時間の振盪培養に供した。得られた培養液0.1mLを新しいLB液体培地10mLに接種し、30℃、16時間又は24時間の振盪培養に供した。
[13. Evaluation of AV degradation ability of MHK4 and SYK-6 strains]
The MHK4 strain and the SYK-6 strain were inoculated into 10 mL of LB liquid medium and subjected to shaking culture at 30° C. for 16 or 24 hours. 0.1 mL of the obtained culture solution was inoculated into 10 mL of fresh LB liquid medium and subjected to shaking culture at 30° C. for 16 or 24 hours.
得られた培養液を遠心分離に供して菌体を回収し、得られた菌体をWx bufferに懸濁し、OD600が5.0になるように細胞懸濁液1.4mLを調製した。得られた細胞懸濁液に、終濃度が1.0mMになるようにAVを添加し、次いで得られた混合液を30℃、1,500rpmで振盪することによるAV変換反応に供した。 The resulting culture solution was subjected to centrifugation to recover the cells, and the cells were suspended in Wx buffer to prepare 1.4 mL of a cell suspension so that the OD 600 was 5.0. AV was added to the resulting cell suspension to a final concentration of 1.0 mM, and the resulting mixture was subjected to an AV conversion reaction by shaking at 30° C. and 1,500 rpm.
反応開始後、一定時間毎にサンプリングし、反応液を遠心分離して得た上清について、AVの濃度を測定した。AVの濃度は、上記と同様にHPLC分析により測定した。図16に測定結果を示す。 After the reaction started, samples were taken at regular intervals, and the reaction solution was centrifuged to obtain a supernatant, and the AV concentration was measured. The AV concentration was measured by HPLC analysis in the same manner as above. The measurement results are shown in Figure 16.
図16が示すとおり、MHK4株は、SYK-6株に比べて、より迅速にAVを分解することがわかった。 As shown in Figure 16, the MHK4 strain was found to degrade AV more rapidly than the SYK-6 strain.
[14.AcpA酵素及びAcpB酵素の基質範囲]
プラスミドpE16acpAをEscherichia coli Lemo21(DE3)株に導入し、プラスミドpE16acpB及びシャペロンプラスミドpKJE7をEscherichia coli BL21(DE3)株に導入した。
14. Substrate range of AcpA and AcpB enzymes
Plasmid pE16 acpA was introduced into Escherichia coli strain Lemo21(DE3), and plasmid pE16 acpB and the chaperone plasmid pKJE7 were introduced into Escherichia coli strain BL21(DE3).
得られたLemo21(DE3)[pE16acpA]株及びBL21(DE3)[pE16acpB+pKJE7]を、100mg/LのAmpを含む10mLのLBに接種し、37℃で一晩振盪培養した。得られた培養液0.1mLを、新しい100mg/LのAmpを含む10mLのLBに接種し、30℃でOD600が0.5になるまで振盪培養した。OD600が0.5になったら、isopropyl β-D-thiogalactopyranosideを終濃度が0.5mMになるように添加し、さらにFeSO4を終濃度が0.1mMになるように添加した。添加後、各菌株を15℃で20時間の振盪培養に供した。 The obtained Lemo21 (DE3) [pE16 acpA ] strain and BL21 (DE3) [pE16 acpB + pKJE7] were inoculated into 10 mL of LB containing 100 mg / L of Amp, and cultured overnight with shaking at 37 ° C. 0.1 mL of the obtained culture was inoculated into 10 mL of fresh LB containing 100 mg / L of Amp, and cultured with shaking at 30 ° C. until OD 600 reached 0.5. When OD 600 reached 0.5, isopropyl β-D-thiogalactopyranoside was added to a final concentration of 0.5 mM, and FeSO 4 was further added to a final concentration of 0.1 mM. After addition, each strain was subjected to shaking culture at 15 ° C. for 20 hours.
Lemo21(DE3)[pE16acpA]株の培養液由来の細胞を、50mM Tris-HCl buffer(pH7.5)+3mM dithiothreitol溶液を用いて洗浄した後、再度30mLの同溶液に懸濁した。BL21(DE3)[pE16acpB+pKJE7]株の培養液由来の細胞は50mM Tris-HCl buffer(pH7.5)を用いて洗浄した後、再度210mLの同bufferに懸濁した。超音波ホモジナイザーを用いてそれぞれの細胞懸濁液中の細胞を破砕し、破砕後の細胞懸濁液を遠心分離に供して上清を得た。 The cells derived from the culture of Lemo21 (DE3) [pE16 acpA ] strain were washed with 50 mM Tris-HCl buffer (pH 7.5) + 3 mM dithiothreitol solution, and then suspended again in 30 mL of the same solution. The cells derived from the culture of BL21 (DE3) [pE16 acpB + pKJE7] strain were washed with 50 mM Tris-HCl buffer (pH 7.5), and then suspended again in 210 mL of the same buffer. The cells in each cell suspension were disrupted using an ultrasonic homogenizer, and the cell suspension after disruption was subjected to centrifugation to obtain a supernatant.
得られたLemo21(DE3)[pE16acpA]株の細胞破砕後の上清を、HisTrap HPカラム1mLに送液することにより、His×10融合AcpAをカラム担体に結合させた。50mM Tris-HCl buffer(pH7.5)+500mM NaCl+3mM dithiothreitol+100mM imidazole溶液を上記カラムに送液して夾雑タンパク質を溶出させた後、50mM Tris-HCl buffer(pH7.5)+500mM NaCl+3mM dithiothreitol+500mM imidazole溶液を送液してHis×10融合AcpAを含む溶出画分を得た。得られた溶出画分を、HiTrap Desaltingカラムに通して脱塩処理を行った後、His×10融合AcpAを含む画分を回収した。回収した画分を、Amicon Ultra-0.5mL Centrifugal Filter 30kDa cutoffに通し、溶液量が約0.3mLになるまで濃縮をして、得られた濃縮液を精製AcpA溶液とした。 The resulting supernatant after cell lysis of the Lemo21 (DE3) [pE16 acpA ] strain was sent to 1 mL of a HisTrap HP column to bind Hisx10 fusion AcpA to the column carrier. 50 mM Tris-HCl buffer (pH 7.5) + 500 mM NaCl + 3 mM dithiothreitol + 100 mM imidazole solution was sent to the column to elute impurity proteins, and then 50 mM Tris-HCl buffer (pH 7.5) + 500 mM NaCl + 3 mM dithiothreitol + 500 mM imidazole solution was sent to obtain an elution fraction containing Hisx10 fusion AcpA. The obtained eluted fraction was desalted through a HiTrap Desalting column, and then a fraction containing Hisx10 fused AcpA was collected. The collected fraction was passed through an Amicon Ultra-0.5mL Centrifugal Filter 30kDa cutoff and concentrated until the solution volume was about 0.3mL, and the obtained concentrate was used as a purified AcpA solution.
同様に得られたBL21(DE3)[pE16acpB+pKJE7]株の細胞破砕後の上清を、HiTrap TALON crudeカラムに送液することにより、His×10融合AcpBをカラム担体に結合させた。50mM Tris-HCl buffer(pH7.5)+500mM NaCl+100mM imidazole溶液を送液して夾雑タンパク質を溶出させた後、50mM Tris-HCl buffer(pH7.5)+500mM NaCl+500mM imidazole溶液を送液してHis×10融合AcpBを含む溶出画分を得た。得られた溶出画分を、HiTrap Desaltingカラムに通して脱塩処理を行った後、His×10融合AcpBを含む画分を回収した。回収した画分に3mMとなるようにdithiothreitolを加えた後、Amicon Ultra-0.5mL Centrifugal Filter 30kDa cutoffに通し、溶液量が約0.3mLになるまで濃縮をして、得られた濃縮液を精製AcpB溶液とした。得られた各精製タンパク質溶液のタンパク質濃度をBradford法によって測定した。 Similarly, the supernatant obtained after cell lysis of the BL21 (DE3) [pE16 acpB + pKJE7] strain was sent to a HiTrap TALON crude column to bind Hisx10 fusion AcpB to the column carrier. After sending a 50 mM Tris-HCl buffer (pH 7.5) + 500 mM NaCl + 100 mM imidazole solution to elute impurity proteins, a 50 mM Tris-HCl buffer (pH 7.5) + 500 mM NaCl + 500 mM imidazole solution was sent to obtain an elution fraction containing Hisx10 fusion AcpB. The obtained eluted fraction was passed through a HiTrap Desalting column for desalting, and then a fraction containing Hisx10 fusion AcpB was collected. After adding dithiothreitol to the collected fraction to make it 3 mM, the fraction was passed through an Amicon Ultra-0.5mL Centrifugal Filter 30kDa cutoff and concentrated until the solution volume was about 0.3mL, and the resulting concentrate was used as a purified AcpB solution. The protein concentration of each of the obtained purified protein solutions was measured by the Bradford method.
精製AcpA溶液の終濃度が50μg/mLになり、精製AcpB溶液の終濃度が134.3μg/mLになり、還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド(NADH)の終濃度が0.4mMになり、及び各基質の終濃度が0.2mMになるように50mM GTA buffer(pH7.0)中で混合し、得られた混合液を30℃で、1時間反応させた。基質にはそれぞれAV、acetophenone、HAP、3’,5’-dimethoxy-4’-hydroxyacetophenone、3’,4’-dihydroxyacetophenone、3’,4’-dimethoxyacetophenone、3’-hydroxy-4’-methoxyacetophenone、3’-methoxyacetophenone、3’-hydroxyacetophenone、3’,4’,5’-trimethoxyacetophenone、4’-hydroxypropiophenone、4’-hydroxybutyrophenone、2-methoxy-4-methylphenol、2-methoxy-4-ethylphenol、VA及びHBAをそれぞれ用いた。反応後、反応液の一部を分取し、等量のアセトニトリルと混合して反応を停止した。得られた反応溶液を遠心分離に供して得た上清に含まれる各基質及び反応産物について、HPLC分析に供した。 The purified AcpA solution was mixed in 50 mM GTA buffer (pH 7.0) so that the final concentration of the purified AcpB solution was 50 μg/mL, the final concentration of the purified AcpB solution was 134.3 μg/mL, the final concentration of reduced nicotinamide adenine dinucleotide (NADH) was 0.4 mM, and the final concentration of each substrate was 0.2 mM, and the resulting mixture was reacted at 30°C for 1 hour. The substrates were AV, acetophenone, HAP, 3',5'-dimethoxy-4'-hydroxyacetophenone, 3',4'-dihydroxyacetophenone, 3',4'-dimethoxyacetophenone, 3'-hydroxy-4'-methoxyacetophenone, and 3'-methoxyacetophenone, respectively. The following compounds were used: 3'-hydroxyacetophenone, 3',4',5'-trimethoxyacetophenone, 4'-hydroxypropiophenone, 4'-hydroxybutyrophenone, 2-methoxy-4-methylphenol, 2-methoxy-4-ethylphenol, VA, and HBA. After the reaction, a portion of the reaction solution was taken and mixed with an equal amount of acetonitrile to stop the reaction. The resulting reaction solution was centrifuged, and the resulting supernatant was subjected to HPLC analysis for each substrate and reaction product.
上記のようにして、各基質を、AcpAB酵素による酵素反応に供した結果を、図17ABCDEFGH及び図17IJKLMNOPに示す。なお、図17ABCDEFGHには図17A~Hが含まれ、図17IJKLMNOPには図17I~Pが含まれる。具体的には、AVを基質として酵素溶液を含まない条件での反応開始直後及び反応開始1時間後、酵素溶液を含む条件での反応開始1時間後のHPLCクロマトグラムを図17Aに示す。同様に、Acetophenone、HAP、3’,5’-dimethoxy-4’-hydroxyacetophenone、3’,4’-dihydroxyacetophenone、3’,4’-dimethoxyacetophenone、3’-hydroxy-4’-methoxyacetophenone、3’-methoxyacetophenone、3’-hydroxyacetophenone、3’,4’,5’-trimethoxyacetophenone、4’-hydroxypropiophenone、4’-hydroxybutyrophenone、2-methoxy-4-methylphenol、2-methoxy-4-ethylphenol、VA及びHBAを基質とした場合のHPLCクロマトグラムをそれぞれ図17B~Pに示す。 The results of subjecting each substrate to the enzymatic reaction with the AcpAB enzyme as described above are shown in Figure 17ABCDEFGH and Figure 17IJKLMNOP. Note that Figure 17ABCDEFGH includes Figures 17A-H, and Figure 17IJKLMNOP includes Figures 17I-P. Specifically, Figure 17A shows HPLC chromatograms immediately after the start of the reaction using AV as a substrate under conditions that did not contain an enzyme solution, one hour after the start of the reaction, and one hour after the start of the reaction under conditions that contained an enzyme solution. Similarly, acetophenone, HAP, 3',5'-dimethoxy-4'-hydroxyacetophenone, 3',4'-dihydroxyacetophenone, 3',4'-dimethoxyacetophenone, 3'-hydr oxy-4'-methoxyacetophenone, 3'-methoxyacetophenone, 3'-hydroxya HPLC chromatograms for cetophenone, 3',4',5'-trimethoxyacetophenone, 4'-hydroxypropiophenone, 4'-hydroxybutyrophenone, 2-methoxy-4-methylphenol, 2-methoxy-4-ethylphenol, VA, and HBA as substrates are shown in Figures 17B to 17P, respectively.
図17A、図17C、図17E、図17K及び図17Lが示すように、精製AcpA溶液及び精製AcpB溶液からなる酵素溶液を用いた場合は、反応1時間においてそれぞれ保持時間10.6分、7.9分、5.5分、12.2分及び14.7分に変換産物のピークが検出された。このことから、AcpA酵素及びAcpB酵素は、AV、HAP、3’,4’-dihydroxyacetophenone、4’-hydroxypropiophenone及び4’-hydroxybutyrophenoneの分解能(変換能)を有することがわかった。 As shown in Figures 17A, 17C, 17E, 17K, and 17L, when an enzyme solution consisting of a purified AcpA solution and a purified AcpB solution was used, peaks of the conversion products were detected at retention times of 10.6 minutes, 7.9 minutes, 5.5 minutes, 12.2 minutes, and 14.7 minutes, respectively, after 1 hour of reaction. This indicates that the AcpA enzyme and the AcpB enzyme have the ability to degrade (convert) AV, HAP, 3',4'-dihydroxyacetophenone, 4'-hydroxypropiophenone, and 4'-hydroxybutyrophenone.
一方、図17B、図17D、図17F、図17G、図17H、図17I、図17J、図17M、図17N、図17O及び図17Pが示すように、acetophenone、3’,5’-dimethoxy-4’-hydroxyacetophenone、3’,4’-dimethoxyacetophenone、3’-hydroxy-4’-methoxyacetophenone、3’-methoxyacetophenone、3’-hydroxyacetophenone、3’,4’,5’-trimethoxyacetophenone、2-methoxy-4-methylphenol、2-methoxy-4-ethylphenol、VA及びHBAを基質とした場合は、変換産物のピークが検出されなかったことから、AcpA酵素及びAcpB酵素はこれらの基質の変換能を有さないことがわかった。 On the other hand, as shown in Figures 17B, 17D, 17F, 17G, 17H, 17I, 17J, 17M, 17N, 17O and 17P, acetophenone, 3',5'-dimethoxy-4'-hydroxyacetophenone, 3',4'-dimethoxyacetophenone, 3'-hydroxy-4'-methoxyacetophenone, 3'-methoxyace When 3-tophenone, 3'-hydroxyacetophenone, 3',4',5'-trimethoxyacetophenone, 2-methoxy-4-methylphenol, 2-methoxy-4-ethylphenol, VA, and HBA were used as substrates, no peaks of conversion products were detected, indicating that the AcpA and AcpB enzymes do not have the ability to convert these substrates.
[15.AcpC酵素の基質範囲]
AcpC粗酵素溶液の終濃度が50μg/mLになり、基質として用いたα-ヒドロキシアセトバニロン、2,4’-dihydroxyacetophenone又はα-ヒドロキシアセトシリンゴンの終濃度が0.2mMになるように50mM Tris-HCl buffer(pH7.5)中で混合し、得られた混合液を30℃で、1時間反応させた。反応後、反応液の一部を分取し、等量のアセトニトリルと混合して反応を停止した。得られた反応溶液を遠心分離に供して得た上清に含まれる各基質及び反応産物について、上記と同様にHPLC分析に供した。
15. Substrate range of AcpC enzyme
The final concentration of the AcpC crude enzyme solution was 50 μg/mL, and the final concentration of the substrates α-hydroxyacetovanillone, 2,4'-dihydroxyacetophenone or α-hydroxyacetosyringone was 0.2 mM. The mixture was mixed in 50 mM Tris-HCl buffer (pH 7.5), and the resulting mixture was reacted at 30 ° C. for 1 hour. After the reaction, a portion of the reaction solution was taken and mixed with an equal amount of acetonitrile to stop the reaction. The resulting reaction solution was centrifuged, and the resulting supernatant was subjected to HPLC analysis of each substrate and reaction product in the same manner as above.
上記のようにして、各基質を、AcpC酵素による酵素反応に供した結果を図18~図20に示す。具体的には、AcpC粗酵素溶液及びα-ヒドロキシアセトバニロンを用いた反応開始直後のHPLCクロマトグラムを図18Aに示し、反応開始1時間後のHPLCクロマトグラムを図18Bに示す。AcpC粗酵素溶液及び2,4’-dihydroxyacetophenoneを用いた反応開始直後のHPLCクロマトグラムを図19Aに示し、反応開始1時間後のHPLCクロマトグラムを図19Bに示す。AcpC粗酵素溶液及びα-ヒドロキシアセトシリンゴンを用いた反応開始直後のHPLCクロマトグラムを図20Aに示し、反応開始1時間後のHPLCクロマトグラムを図20Bに示す。 The results of the enzyme reaction of each substrate with the AcpC enzyme as described above are shown in Figures 18 to 20. Specifically, Figure 18A shows an HPLC chromatogram immediately after the start of the reaction using the AcpC crude enzyme solution and α-hydroxyacetovanillone, and Figure 18B shows an HPLC chromatogram one hour after the start of the reaction. Figure 19A shows an HPLC chromatogram immediately after the start of the reaction using the AcpC crude enzyme solution and 2,4'-dihydroxyacetophenone, and Figure 19B shows an HPLC chromatogram one hour after the start of the reaction. Figure 20A shows an HPLC chromatogram immediately after the start of the reaction using the AcpC crude enzyme solution and α-hydroxyacetosyringone, and Figure 20B shows an HPLC chromatogram one hour after the start of the reaction.
図18及び図19が示すように、α-ヒドロキシアセトバニロン及び2,4’-dihydroxyacetophenoneを基質として用いた場合は、それぞれ反応1時間において保持時間8.2分及び7.1分にVA及びHBAのピークが検出された。このことから、AcpC酵素がα-ヒドロキシアセトバニロンをVAへ、2,4’-dihydroxyacetophenoneをHBAへ変換することがわかった。 As shown in Figures 18 and 19, when α-hydroxyacetovanillone and 2,4'-dihydroxyacetophenone were used as substrates, VA and HBA peaks were detected at retention times of 8.2 and 7.1 minutes, respectively, after 1 hour of reaction. This indicates that the AcpC enzyme converts α-hydroxyacetovanillone to VA and 2,4'-dihydroxyacetophenone to HBA.
一方、図20が示すように、α-ヒドロキシアセトシリンゴンを基質とした場合は、変換産物のピークが検出されなかった。このことから、AcpC酵素はα-ヒドロキシアセトシリンゴンの変換能を有さないことがわかった。 On the other hand, as shown in Figure 20, when α-hydroxyacetosyringone was used as a substrate, no peak of the conversion product was detected. This indicates that the AcpC enzyme does not have the ability to convert α-hydroxyacetosyringone.
[16.acpCAB
optを導入したPseudomonas sp.NGC7ΔpobA株を用いたHAPからのHBA蓄積性の評価]
NGC7株のゲノムにはシュードモナス・プチダ(Pseudomonas putida)KT2440株由来のHBA・モノオキシゲナーゼ遺伝子(PP_3537)と94.4%の配列同一性を示すアミノ酸配列をコードする遺伝子であるPSN_3542(pobA遺伝子;配列番号58)が存在することを確認した。そこで、HBAの分解能を欠失させるためにpobA遺伝子を破壊した変異株を作製した。
[16. Evaluation of HBA accumulation from HAP using Pseudomonas sp. NGC7Δ pobA strain with acpCAB opt introduced]
It was confirmed that the genome of the NGC7 strain contains PSN_3542 ( pobA gene; SEQ ID NO: 58), a gene encoding an amino acid sequence that shows 94.4% sequence identity with the HBA monooxygenase gene (PP_3537) derived from the Pseudomonas putida KT2440 strain. Therefore, a mutant strain in which the pobA gene was disrupted was prepared to eliminate the ability to degrade HBA.
NGC7株のゲノムDNAを鋳型として、配列番号59及び60のプライマー30及び31からなるプライマーセットを用いたPCR法によって、pobA遺伝子及びその開始コドンから5’末端側に約0.5kbp、そして終始コドンから3’末端側に約0.5kbpを含む約1.8kbpのDNA断片を増幅した。得られたDNA断片をEcoRI及びHindIIIで消化し、同じくEcoRI及びHindIIIで消化したpUC118にライゲーション反応により連結させることでpUC118+pobAを作製した。 A DNA fragment of about 1.8 kbp including the pobA gene and about 0.5 kbp from the initiation codon to the 5'-end and about 0.5 kbp from the termination codon to the 3'-end was amplified by PCR using the genomic DNA of the NGC7 strain as a template and a primer set consisting of primers 30 and 31 of SEQ ID NOs: 59 and 60. The resulting DNA fragment was digested with EcoRI and HindIII, and ligated to pUC118 similarly digested with EcoRI and HindIII to prepare pUC118+ pobA .
次いで、pUC118+pobAをSacIで切断することにより、pobAの内部領域を約0.3kbp欠失させたのちにセルフライゲーションすることでpUC118+ΔpobAを作製した。pUC118+ΔpobAをEcoRI及びHindIIIで消化して得られた約1.5kbpのDNA断片を、同じくEcoRI及びHindIIIで消化したpK19mobsacBにライゲーション反応により連結させ、pobA遺伝子領域欠失株作製用プラスミドpTS220を作製した。 Next, pUC118+ pobA was digested with SacI to delete about 0.3 kbp of the internal region of pobA , followed by self-ligation to prepare pUC118+Δ pobA . The DNA fragment of about 1.5 kbp obtained by digesting pUC118+Δ pobA with EcoRI and HindIII was ligated to pK19 mobsacB similarly digested with EcoRI and HindIII to prepare the plasmid pTS220 for preparing a strain lacking the pobA gene region.
常法に従って、作製したプラスミドpTS220を、エレクトロポレーション法によりNGC7株に導入し、25mg/LのKmを含むLB寒天培地上で生育可能である株を選抜した。 The prepared plasmid pTS220 was introduced into the NGC7 strain by electroporation according to standard methods, and a strain capable of growing on LB agar medium containing 25 mg/L Km was selected.
得られたKm耐性株を、10%のスクロースを含む10mLのLB液体培地(10g/L トリプトン、5g/L 酵母エキス、5g/L NaCl)に接種し、30℃で16時間の振盪培養に供した。得られた培養液0.1mLをさらに同培地に接種し、30℃で16時間の振盪培養に供する操作を2回繰り返した。得られた培養液をLB寒天培地上に塗抹し、30℃で静置培養した。コロニーダイレクトPCRにより、ゲノムDNA上のpobA遺伝子領域の欠失が確認できた形質転換体を、NGC7ΔpobA株とした。 The obtained Km-resistant strain was inoculated into 10 mL of LB liquid medium (10 g/L tryptone, 5 g/L yeast extract, 5 g/L NaCl) containing 10% sucrose, and subjected to shaking culture at 30° C. for 16 hours. 0.1 mL of the obtained culture solution was further inoculated into the same medium, and subjected to shaking culture at 30° C. for 16 hours. This operation was repeated twice. The obtained culture solution was smeared on an LB agar medium, and subjected to stationary culture at 30° C. The transformant in which deletion of the pobA gene region on the genomic DNA was confirmed by colony direct PCR was designated as NGC7Δ pobA strain.
プラスミドpSEVAacpCAB optを用いて、得られたNGC7ΔpobAを形質転換して、NGC7ΔpobA[pSEVAacpCAB opt]株を得た。 The resulting NGC7Δ pobA was transformed with the plasmid pSEVA acpCAB opt to obtain the strain NGC7Δ pobA [pSEVA acpCAB opt ].
得られたNGC7ΔpobA[pSEVAacpCAB opt]株を、25mg/LのKmを含む10mLのLBに接種し、30℃で一晩の振盪培養に供した。得られた培養液0.1mLを新しい25mg/L Kmを含む10mLのLBに接種し、30℃で16時間の振盪培養に供した。得られた培養液を遠心分離に供して菌体を回収し、得られた菌体をMMx-3 bufferに懸濁して、OD600が2.0になるように細胞懸濁液1.2mLを調製した。得られた細胞懸濁液に終濃度が1.0mMになるようにHAPを添加し、得られた混合液を30℃、1,500rpmで振盪することによりHAP変換反応に供した。 The obtained NGC7Δ pobA [pSEVA acpCAB opt ] strain was inoculated into 10 mL of LB containing 25 mg / L Km and subjected to shaking culture at 30 ° C. overnight. 0.1 mL of the obtained culture was inoculated into 10 mL of LB containing new 25 mg / L Km and subjected to shaking culture at 30 ° C. for 16 hours. The obtained culture was subjected to centrifugation to recover the cells, and the obtained cells were suspended in MMx-3 buffer to prepare 1.2 mL of cell suspension so that the OD 600 was 2.0. HAP was added to the obtained cell suspension so that the final concentration was 1.0 mM, and the resulting mixture was subjected to HAP conversion reaction by shaking at 30 ° C. and 1,500 rpm.
反応開始後、一定時間毎にサンプリングし、反応液を遠心分離して得た反応上清について、HAP及びHBAの濃度を上記と同様にHPLC分析により測定した。 After the reaction started, samples were taken at regular intervals, and the reaction solution was centrifuged to obtain a reaction supernatant, and the concentrations of HAP and HBA were measured by HPLC analysis in the same manner as above.
NGC7ΔpobA[pSEVAacpCAB opt]株を用いたHAPからHBAへの変換反応の結果を図21に示す。図21が示すとおり、NGC7ΔpobA[pSEVAacpCAB opt]株は、24時間の反応で約84%のHAPをHBAへ変換した。以上のことから、acpC opt/acpA opt/acpB opt遺伝子セットをNGC7株のHBA生産宿主であるNGC7ΔpobA株に導入することで、HAPからのHBA生産が可能であることがわかった。 The results of the conversion reaction from HAP to HBA using the NGC7Δ pobA [pSEVA acpCAB opt ] strain are shown in Figure 21. As shown in Figure 21, the NGC7Δ pobA [pSEVA acpCAB opt ] strain converted about 84% of HAP to HBA in a 24-hour reaction. From the above, it was found that HBA can be produced from HAP by introducing the acpC opt / acpA opt / acpB opt gene set into the NGC7Δ pobA strain, which is an HBA production host of the NGC7 strain.
[17.acpCAB
optを導入したPseudomonas sp.NGC7ΔpobA株を用いたHAP及びAVの混合物からのHBA生産性の評価]
NGC7ΔpobA[pSEVAacpCAB
opt]株を、25mg/L Kmを含むLB液体培地10mLに接種し、30℃、一晩の振盪培養(180rpm)に供した。得られた培養液0.1mLを新しい25mg/L Kmを含むLB液体培地10mLに接種し、30℃、16時間の振盪培養に供した。得られた培養液を遠心分離に供して菌体を回収し、得られた菌体を、MMx-3培地を用いて洗浄し、次いで再度MMx-3培地に懸濁して、OD600が10になるように細胞懸濁液 1mLを調製した。
[17. Evaluation of HBA productivity from a mixture of HAP and AV using Pseudomonas sp. NGC7Δ pobA strain with acpCAB opt introduced]
The NGC7Δ pobA [pSEVA acpCAB opt ] strain was inoculated into 10 mL of LB liquid medium containing 25 mg/L Km and subjected to shaking culture (180 rpm) at 30° C. overnight. 0.1 mL of the obtained culture was inoculated into 10 mL of fresh LB liquid medium containing 25 mg/L Km and subjected to shaking culture at 30° C. for 16 hours. The obtained culture was centrifuged to recover the cells, and the obtained cells were washed with MMx-3 medium and then suspended again in MMx-3 medium to prepare 1 mL of cell suspension so that the OD 600 was 10.
200g/L Glucose溶液0.75mL、100mM HAP溶液 0.1mL、100mM AV溶液 0.1mLを含むMMx-3液体培地[34.2g/L Na2HPO4・12H2O、6.0g/L KH2PO4、1.0g/L NaCl、2.5g/L(NH4)2SO4、49.3mg/L MgSO4・7H2O、15mg/L CaCl2・2H2O、5mg/L FeSO4・7H2O](25mg/L Km及び15mg/L Tcを含む)10mLに、初期OD600が0.1になるように細胞懸濁液を添加した。得られた細胞を含む培地を、30℃の振盪培養に供した。 The cell suspension was added to 10 mL of MMx-3 liquid medium [34.2 g/L Na 2 HPO 4 ·12H 2 O, 6.0 g/L KH 2 PO 4 , 1.0 g/L NaCl, 2.5 g/L (NH 4 ) 2 SO 4 , 49.3 mg/L MgSO 4 ·7H 2 O, 15 mg/L CaCl 2 ·2H 2 O, 5 mg/L FeSO 4 ·7H 2 O] (containing 25 mg/L Km and 15 mg/L Tc) containing 0.75 mL of 200 g/L glucose solution, 0.1 mL of 100 mM HAP solution, and 0.1 mL of 100 mM AV solution, so that the initial OD 600 was 0.1. The medium containing the obtained cells was subjected to shaking culture at 30°C.
培養開始後、一定時間毎にサンプリングし、培養液のOD600を測定し、さらに培養液を遠心分離して得た培養上清について、HAP、AV、HBA、VA及びグルコースの濃度を測定した。OD600は分光光度計(「BioSpec-mini、SHIMADZU CO.Ltd.)を用いて測定した。HAP、AV、HBA及びVAの濃度は、上記のHPLC分析を用いて測定した。グルコース濃度は、上記のバイオセンサー BF-5を用いて測定した。 After the start of the culture, the culture was sampled at regular time intervals to measure the OD 600 of the culture medium. The culture medium was then centrifuged to obtain a culture supernatant, and the concentrations of HAP, AV, HBA, VA, and glucose were measured. OD 600 was measured using a spectrophotometer (BioSpec-mini, Shimadzu Co., Ltd.). The concentrations of HAP, AV, HBA, and VA were measured using the above-mentioned HPLC analysis. The glucose concentration was measured using the above-mentioned biosensor BF-5.
HAP及びAVの混合物からのHBA生産試験の培養結果を図22に示す。図22に示すとおり、培養72時間においてHAP及びAVが完全に消費され、HBAのみが蓄積した。これにより、NGC7株のHBA生産宿主であるNGC7ΔpobA株に導入することで、HAP及びAVの混合物から、HBAのみを蓄積できることが示された。 The culture results of the HBA production test from a mixture of HAP and AV are shown in Figure 22. As shown in Figure 22, after 72 hours of culture, HAP and AV were completely consumed, and only HBA accumulated. This demonstrated that only HBA can be accumulated from a mixture of HAP and AV by introducing it into the NGC7Δ pobA strain, which is an HBA production host of the NGC7 strain.
なお、培養72時間時点でのHBA収率は、102%であった。HBAの収率は、72時間培養後のHBA量(mol)/培養開始時点のHAP量(mol)×100(%)から算出した。 The HBA yield after 72 hours of culture was 102%. The HBA yield was calculated by dividing the amount of HBA (mol) after 72 hours of culture by the amount of HAP (mol) at the start of culture x 100 (%).
[18.まとめ]
上記例1~例17を通じて、以下の事項が確認された。
日本各地からサンプリングした土壌から、AVを資化する新しい菌株であるPseudomonas sp.MHK4株を単離した。
MHK4株は、Sphingobium sp.SYK-6株が有するAV変換酵素遺伝子群(acvA遺伝子、acvB遺伝子、acvC遺伝子、acvD遺伝子、acvE遺伝子及びacvF遺伝子並びにvceA遺伝子及びvceB遺伝子)のうち、acvA遺伝子、acvB遺伝子、acvC遺伝子、acvE遺伝子及びacvF遺伝子並びにvceB遺伝子と配列同一性が30%以上ある遺伝子を有していなかった。
MHK4株は、acpA遺伝子及びacpB遺伝子を保有することにより、AVをα-ヒドロキシアセトバニロンへ変換した。
MHK4株は、acpA遺伝子、acpB遺伝子及びacpC遺伝子を保有することにより、AVをVAへ変換した。
acpA遺伝子及びacpB遺伝子の遺伝子産物であるAcpA酵素及びAcpB酵素によって、AVをα-ヒドロキシアセトバニロンへ変換した。
acpA遺伝子、acpB遺伝子及びacpC遺伝子の遺伝子産物であるAcpA酵素、AcpB酵素及びAcpC酵素によって、AVをVAへ変換した。
Pseudomonas sp. NGC7株にSYK-6株が有するAV変換酵素遺伝子群を導入した形質転換体はAVのVAへの変換効率は低かったのに対して、NGC7株にMHK4株のacpA遺伝子、acpB遺伝子及びacpC遺伝子を導入した形質転換体はAVのVAへの変換効率は非常に高かった。
NGC7株にSYK-6株が有するAV変換酵素遺伝子群を導入した形質転換体はAVを炭素源として増殖しなかったのに対して、NGC7株にMHK4株のacpA遺伝子、acpB遺伝子及びacpC遺伝子を導入した形質転換体はAVを炭素源として増殖した。
vanAB遺伝子を欠失したNGC7株へのMHK4株のacpA遺伝子、acpB遺伝子及びacpC遺伝子の導入により、プラスミド導入及びゲノム導入のいずれの導入形式であっても、AVからVAへの変換が可能であった。
1.6mM AVを含む針葉樹サルファイトリグニン分解物モデルを用いた場合、NGC7株にSYK-6株が有するAV変換酵素遺伝子群を導入した形質転換体はAVをほとんど消費しなかったのに対して、NGC7株にMHK4株のacpA遺伝子、acpB遺伝子及びacpC遺伝子を導入した形質転換体はAVを完全に消費した。また、この場合のVAの収率は、NGC7株にMHK4株のacpA遺伝子、acpB遺伝子及びacpC遺伝子を導入した形質転換体の方が大きかった。
MHK4株は、vanA3遺伝子及びvanB3遺伝子が発現することにより、VAを資化した。
MHK4株のvanA3遺伝子及びvanB3遺伝子を欠失した形質転換体は、AVからVAを生産した。
MHK4株は、SKY-6株に比べて、より迅速にAVを分解した。
AcpAB酵素は、AV、HAP、3’,4’-dihydroxyacetophenone、4’-hydroxypropiophenone及び4’-hydroxybutyrophenoneに対して分解活性を有した。
AcpC酵素は、α-ヒドロキシアセトバニロン及び2,4’-dihydroxyacetophenoneをそれぞれVA及びHBAへ変換した。
pobA遺伝子を欠失したNGC7株にMHK4株のacpA遺伝子、acpB遺伝子及びacpC遺伝子を導入した形質転換体は、HAP単独又はHAP及びAVの混合物からHBAを生産した。
AcpAB酵素及びAcpC酵素並びにこれらを発現する微生物を用いれば、リグニンのアルカリ酸化分解により得られるH核由来アセトフェノン類(例えば、HAPなど)及びG核由来アセトフェノン類(例えば、AVなど)から、分子内にカルボキシル基及びヒドロキシ基を有することからモノマーとして利用可能な有用物質を生産できることがわかった。
18. Summary
The following points were confirmed through the above Examples 1 to 17.
A new strain of Pseudomonas sp. MHK4 capable of assimilating AV was isolated from soil samples collected from various parts of Japan.
The MHK4 strain did not have any genes having a sequence identity of 30% or more with the acvA gene, acvB gene, acvC gene, acvD gene, acvE gene, acvF gene , and vceA gene and vceB gene among the AV convertase gene group ( acvA gene, acvB gene, acvC gene, acvD gene, acvE gene, acvF gene, and vceA gene and vceB gene) possessed by the Sphingobium sp. SYK-6 strain.
The MHK4 strain possessed the acpA and acpB genes and thus converted AV into α-hydroxyacetovanillone.
The MHK4 strain possessed the acpA , acpB and acpC genes and thereby converted AV to VA.
AV was converted to α-hydroxyacetovanillone by AcpA and AcpB enzymes, which are the gene products of the acpA and acpB genes.
AV was converted to VA by AcpA enzyme, AcpB enzyme and AcpC enzyme, which are gene products of acpA gene, acpB gene and acpC gene.
The transformant in which the AV convertase genes of the SYK-6 strain were introduced into the Pseudomonas sp. NGC7 strain had a low efficiency of AV to VA conversion, whereas the transformant in which the acpA gene, acpB gene, and acpC gene of the MHK4 strain were introduced into the NGC7 strain had a very high efficiency of AV to VA conversion.
A transformant in which the AV convertase gene group of the SYK-6 strain was introduced into the NGC7 strain did not grow using AV as a carbon source, whereas a transformant in which the acpA gene, acpB gene, and acpC gene of the MHK4 strain were introduced into the NGC7 strain grew using AV as a carbon source.
By introducing the acpA , acpB , and acpC genes of the MHK4 strain into the NGC7 strain lacking the vanAB genes, conversion from AV to VA was possible regardless of whether the introduction was by plasmid introduction or genome introduction.
In the case of a model of coniferous sulfite lignin decomposition product containing 1.6 mM AV, the transformant in which the AV convertase genes of SYK-6 strain were introduced into NGC7 strain hardly consumed AV, whereas the transformant in which the acpA gene, acpB gene, and acpC gene of MHK4 strain were introduced into NGC7 strain completely consumed AV. In this case, the VA yield of the transformant in which the acpA gene, acpB gene, and acpC gene of MHK4 strain were introduced into NGC7 strain was higher.
The MHK4 strain was able to assimilate VA by expression of the vanA3 and vanB3 genes.
A transformant in which the vanA3 and vanB3 genes of the MHK4 strain were deleted produced VA from AV.
The MHK4 strain degraded AV more rapidly than the SKY-6 strain.
The AcpAB enzyme had decomposition activities against AV, HAP, 3',4'-dihydroxyacetophenone, 4'-hydroxypropiophenone, and 4'-hydroxybutyrophenone.
The AcpC enzyme converted α-hydroxyacetovanillone and 2,4'-dihydroxyacetophenone to VA and HBA, respectively.
A transformant in which the acpA , acpB and acpC genes of the MHK4 strain were introduced into the pobA gene-deleted NGC7 strain produced HBA from HAP alone or a mixture of HAP and AV.
It has been found that by using the AcpAB enzymes and AcpC enzymes and microorganisms expressing them, useful substances that can be used as monomers because they have carboxyl groups and hydroxyl groups in the molecule can be produced from H-nucleus-derived acetophenones (e.g., HAP, etc.) and G-nucleus-derived acetophenones (e.g., AV, etc.) obtained by alkaline oxidative decomposition of lignin.
[19.配列表]
配列表に記載の配列は以下の表6A~表6Dに示すとおりである。
[19. Sequence Listing]
The sequences described in the sequence listing are as shown in Tables 6A to 6D below.
本発明の一態様の遺伝子、微生物、形質転換微生物及び製造方法を利用することによって、リグニン由来の芳香族化合物であるアセトバニロンを含むバイオマスから、バニリン酸が得られる。バニリン酸は、種々の産業上有用な化合物に変換することができ、例えば、耐熱性及び剛性のあるプラスチック、コーティング剤などの用途があるバニリン酸誘導体の原料として利用することができる。同様に、本発明は、リグニン由来の芳香族化合物であるHAPからDHAPを介してHBAを得るために利用することができる。 By utilizing the gene, microorganism, transformed microorganism, and production method of one embodiment of the present invention, vanillic acid can be obtained from biomass containing acetovanillone, an aromatic compound derived from lignin. Vanillic acid can be converted into various industrially useful compounds, and can be used, for example, as a raw material for vanillic acid derivatives, which have applications such as heat-resistant and rigid plastics and coating agents. Similarly, the present invention can be used to obtain HBA from HAP, an aromatic compound derived from lignin, via DHAP.
Claims (17)
を含む、α-ヒドロキシアセトバニロンの製造方法。 A method for producing α-hydroxyacetovanillone, comprising the step of: allowing acetovanillone to act on an expression product of acpA gene and acpB gene, or on the transformed microorganism according to claim 1 or 2, thereby obtaining α-hydroxyacetovanillone.
を含む、バニリン酸の製造方法。 6. A method for producing vanillic acid, comprising the step of: allowing acetovanillone to act on an expression product of the acpA gene, the acpB gene and the acpC gene, or allowing it to act on the transformed microorganism according to claim 4 or 5, thereby obtaining vanillic acid.
を含む、4-ヒドロキシ安息香酸の製造方法。 A method for producing 4-hydroxybenzoic acid, comprising the step of: allowing 4'-hydroxyacetophenone to act on an expression product of the acpA gene, the acpB gene and the acpC gene, or allowing it to act on the transformed microorganism according to claim 7, thereby obtaining 4-hydroxybenzoic acid.
(1)配列表の配列番号1又は4に記載のヌクレオチド配列又は該ヌクレオチド配列に相補的なヌクレオチド配列とストリンジェントな条件下でハイブリダイズし、かつ該配列番号1又は4に記載のヌクレオチド配列において、塩基数100個からなる一単位あたり、1個~10個の塩基の欠失、置換及び/又は付加を有するヌクレオチド配列
(2)配列番号1又は4に記載のヌクレオチド配列からなる遺伝子と80%以上の配列同一性を有するヌクレオチド配列
(3)配列番号50に記載のアミノ酸配列と50%以上の配列同一性を有するアミノ酸配列をコードするヌクレオチド配列
(4)配列番号50に記載のアミノ酸配列において、アミノ酸数100個からなる一単位あたり、1個~10個のアミノ酸が欠失、置換及び/又は付加されたアミノ酸配列をコードするヌクレオチド配列 An acpA gene comprising any one of the following nucleotide sequences (1) to (4), which encodes an amino acid sequence of an enzyme having an activity of catalyzing a reaction of converting acetovanillone to α-hydroxyacetovanillone and/or an activity of catalyzing a reaction of converting 4'-hydroxyacetophenone to 2,4'-dihydroxyacetophenone:
(1) A nucleotide sequence which hybridizes under stringent conditions with the nucleotide sequence set forth in SEQ ID NO: 1 or 4 in the sequence listing or a nucleotide sequence complementary to said nucleotide sequence, and in said nucleotide sequence set forth in SEQ ID NO: 1 or 4, has deletion, substitution and/or addition of 1 to 10 bases per unit consisting of 100 bases. (2) A nucleotide sequence which has 80% or more sequence identity with a gene consisting of the nucleotide sequence set forth in SEQ ID NO: 1 or 4. (3) A nucleotide sequence which encodes an amino acid sequence which has 50% or more sequence identity with the amino acid sequence set forth in SEQ ID NO: 50. (4) A nucleotide sequence which encodes an amino acid sequence in which 1 to 10 amino acids are deleted, substituted and/or added per unit consisting of 100 amino acids in the amino acid sequence set forth in SEQ ID NO: 50.
(1)配列表の配列番号2又は5に記載のヌクレオチド配列又は該ヌクレオチド配列に相補的なヌクレオチド配列とストリンジェントな条件下でハイブリダイズし、かつ該配列番号2又は5に記載のヌクレオチド配列において、塩基数100個からなる一単位あたり、1個~10個の塩基の欠失、置換及び/又は付加を有するヌクレオチド配列
(2)配列番号2又は5に記載のヌクレオチド配列からなる遺伝子と80%以上の配列同一性を有するヌクレオチド配列
(3)配列番号51に記載のアミノ酸配列と50%以上の配列同一性を有するアミノ酸配列をコードするヌクレオチド配列
(4)配列番号51に記載のアミノ酸配列において、アミノ酸数100個からなる一単位あたり、1個~10個のアミノ酸が欠失、置換及び/又は付加されたアミノ酸配列をコードするヌクレオチド配列 An acpB gene comprising any one of the following nucleotide sequences (1) to (4), which encodes an amino acid sequence of an enzyme having an activity of catalyzing a reaction of converting acetovanillone to α-hydroxyacetovanillone and/or an activity of catalyzing a reaction of converting 4'-hydroxyacetophenone to 2,4'-dihydroxyacetophenone:
(1) A nucleotide sequence which hybridizes under stringent conditions with the nucleotide sequence set forth in SEQ ID NO: 2 or 5 in the sequence listing or a nucleotide sequence complementary to said nucleotide sequence, and in said nucleotide sequence set forth in SEQ ID NO: 2 or 5, has deletion, substitution and/or addition of 1 to 10 bases per unit consisting of 100 bases. (2) A nucleotide sequence which has 80% or more sequence identity with a gene consisting of the nucleotide sequence set forth in SEQ ID NO: 2 or 5. (3) A nucleotide sequence which encodes an amino acid sequence which has 50% or more sequence identity with the amino acid sequence set forth in SEQ ID NO: 51. (4) A nucleotide sequence which encodes an amino acid sequence in which 1 to 10 amino acids are deleted, substituted and/or added per unit consisting of 100 amino acids in the amino acid sequence set forth in SEQ ID NO: 51.
染色体上にある、バニレート O-デメチラーゼ遺伝子が欠失している、
形質転換微生物。 the host microorganism is Pseudomonas sp. MHK4 strain (accession number: NITE P-03794); and the vanillate O -demethylase gene located on the chromosome is deleted;
Transformed microorganisms.
を含む、バニリン酸の製造方法。 A method for producing vanillic acid, comprising the step of obtaining vanillic acid by allowing acetovanillone to act on the transformed microorganism according to claim 12 or 13.
染色体上にある、4-ヒドロキシ安息香酸・モノオキシゲナーゼ遺伝子が欠失している、
形質転換微生物。 The host microorganism is Pseudomonas sp. MHK4 strain (Accession Number: NITE P-03794), and the 4-hydroxybenzoate monooxygenase gene on the chromosome is deleted.
Transformed microorganisms.
を含む、4-ヒドロキシ安息香酸の製造方法。
A method for producing 4-hydroxybenzoic acid, comprising the step of obtaining 4-hydroxybenzoic acid by allowing 4'-hydroxyacetophenone to act on the transformed microorganism according to claim 15 or 16.
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