JP3975470B2 - Method for producing L-isoleucine by fermentation - Google Patents

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Description

【0001】
【産業上の利用分野】
本発明は、発酵法によるL−イソロイシンの製造法と同製造法において利用されるエシェリヒア属細菌に関する。L−イソロイシンは、人間や動物にとっての必須アミノ酸であり、主に栄養剤をはじめとする医薬用として有用である。
【0002】
【従来の技術】
イソロイシンには不斉炭素が2つ存在するため、化学合成による方法ではL体のみを工業的に安価に製造することは困難である。また、α−アミノ酪酸やα−ケト酪酸等のL−イソロイシン生合成の前駆体を原料として生物変換によってL−イソロイシンを製造する方法も知られている。しかし、これらの方法は原料が高価であり、工業的に安価にL−イソロイシンを製造するのに有利な方法とはいえない。
【0003】
安価な炭素源および窒素源を用いて直接発酵法によりL−イソロイシンを製造する方法として以下のものが知られている。1)L−イソロイシンのアンタゴニストに耐性なコリネバクテリウム属、セラチア属あるいはエシェリヒア属の変異株をL−イソロイシン生産株として用いる方法(特公昭51−21077号公報、特公昭52−4629号公報、特公昭56−29998号公報、特公昭56−3035号公報等)、2)L−イソロイシン生合成のキー酵素であるスレオニンデアミナーゼあるいは同アセトヒドロキシ酸シンターゼが組換えDNA技術によって増強されたエシェリヒア属あるいはコリネバクテリウム属の微生物をL−イソロイシン生産株として用いる方法(特開平2−458号公報、特開平2−42988号公報等)。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、発酵法を用いてL−イソロイシンをより高収率で安価に製造する方法を提供することにある。
【0005】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、L−スレオニンによる阻害が実質的に解除されたアスパルトキナーゼI−ホモセリンデヒドロゲナーゼIをコードするthrA遺伝子を含むthrABCオペロンと、L−イソロイシンによる阻害が実質的に解除されたスレオニンデアミナーゼをコードするilvA遺伝子を含みかつアテニュエーションに必要な領域が除去されたilvGMEDAオペロンとを保持することを特徴とする、L−イソロイシン生産性を有するエシェリヒア属細菌を用いて、L−イソロイシンをより高収率で安価に製造することに成功した。
【0006】
本発明は、L−スレオニンによる阻害が実質的に解除されたアスパルトキナーゼI−ホモセリンデヒドロゲナーゼIをコードするthrA遺伝子を含むthrABCオペロンと、L−イソロイシンによる阻害が実質的に解除されたスレオニンデアミナーゼをコードするilvA遺伝子を含みかつアテニュエーションに必要な領域が除去されたilvGMEDAオペロンとを保持することを特徴とするL−イソロイシン生産性を有するエシェリヒア属細菌を提供するものである。
本発明のエシェリヒア属細菌は、前記thrABCオペロンと、前記ilvGMEDAオペロンとをプラスミド上に保持することができる。
本発明のエシェリヒア属細菌は、前記thrABCオペロンを搭載するプラスミド(A)と、前記ilvGMEDAオペロンを搭載するプラスミド(B)との2種類のプラスミドを保持することができる。
前記ilvGMEDAオペロンの具体例としては、配列表配列番号1に記載されるDNA配列の953番から1160番までが欠損したDNA配列を有するものが挙げられる。
【0007】
プラスミド(A)の具体例としてはpVIC40が、またプラスミド(B)の具体例としてはpMWD5が挙げられる。
前記エシェリヒア属細菌として好ましいものはエシェリヒア・コリである。
本発明のさらに好ましいエシェリヒア属細菌は、thrC遺伝子を欠損し、5mg/mlのL−スレオニン存在下で増殖でき、スレオニンデヒドロゲナーゼ活性を欠失し、ilvA遺伝子がリーキー変異を有する宿主株に、前記thrABCオペロンと、前記ilvGMEDAオペロンとが導入された、エシェリヒア・コリである。その具体例としてはエシェリヒア・コリAJ12919株が挙げられる。
【0008】
本発明はまた、L−スレオニンによる阻害が実質的に解除されたアスパルトキナーゼI−ホモセリンデヒドロゲナーゼIをコードするthrA遺伝子を含むthrABCオペロンと、L−リジンによる阻害が実質的に解除されたアスパルトキナーゼIIIをコードするlysC遺伝子と、L−イソロイシンによる阻害が実質的に解除されたスレオニンデアミナーゼをコードするilvA遺伝子を含みかつアテニュエーションに必要な領域が除去されたilvGMEDAオペロンとを保持することを特徴とする、L−イソロイシン生産性を有するエシェリヒア属細菌を提供するものである。
本発明のエシェリヒア属細菌は、前記thrABCオペロンと、前記lysC遺伝子と、前記ilvGMEDAオペロンとをプラスミド上に保持することができる。
【0009】
本発明のエシェリヒア属細菌は、前記thrABCオペロンと前記lysC遺伝子とを搭載するプラスミド(C)と、前記ilvGMEDAオペロンを搭載するプラスミド(B)との2種類のプラスミドを保持することができる。
前記ilvGMEDAオペロンの具体例としては、配列表配列番号1に記載されるDNA配列の953番から1160番までが欠損したDNA配列を有するものが挙げられる。
プラスミド(C)の具体例としてはpVICLC*80Aが挙げられ、プラスミド(B)の具体例としてはpMWD5が挙げられる。
前記エシェリヒア属細菌として好ましいものはエシェリヒア・コリである。
本発明のさらに好ましいエシェリヒア属細菌は、thrC遺伝子を欠損し、5mg/mlのL−スレオニン存在下で増殖でき、スレオニンデヒドロゲナーゼ活性を欠失し、ilvA遺伝子がリーキー変異を有する宿主株に、前記thrABCオペロンと、前記lysC遺伝子と、前記ilvGMEDAオペロンが導入された、エシェリヒア・コリである。その具体例としてはエシェリヒア・コリAJ13100株が挙げられる。
【0010】
本発明はさらに上記エシェリヒア属細菌を培地に培養し、L−イソロイシンを当該培地中に生成蓄積せしめ、当該培地からL−イソロイシンを採取することを特徴とする、発酵法によるL−イソロイシンの製造法を提供するものである。
以下、本願明細書においては、L−スレオニンによる阻害が実質的に解除されたアスパルトキナーゼI−ホモセリンデヒドロゲナーゼIをコードするthrA遺伝子を「解除型thrA遺伝子」と呼ぶことがある。また、L−スレオニンによる阻害が実質的に解除されたアスパルトキナーゼI−ホモセリンデヒドロゲナーゼIをコードするthrA遺伝子を含むthrABCオペロンを「解除型thrABCオペロン」と呼ぶことがある。
【0011】
本願明細書においては、L−イソロイシンによる阻害が実質的に解除されたスレオニンデアミナーゼをコードするilvA遺伝子を「解除型ilvA遺伝子」と呼ぶことがある。また、L−イソロイシンによる阻害が実質的に解除されたスレオニンデアミナーゼをコードするilvA遺伝子(解除型ilvA遺伝子)を含むilvGMEDAオペロンを「解除型ilvGMEDAオペロン」と呼ぶことがある。解除型ilvA遺伝子を含みかつアテニュエーションに必要な領域が除去されたilvGMEDAオペロンを「完全解除型ilvGMEDAオペロン」と呼ぶことがある。
本願明細書においては、アスパルトキナーゼI−ホモセリンデヒドロゲナーゼIを「AKI−HDI」と略することがある。また、スレオニンデアミナーゼを「TD」と略することがある。
【0012】
本願明細書においては、L−スレオニンによる阻害が実質的に解除されたアスパルトキナーゼI−ホモセリンデヒドロゲナーゼIを「解除型AKI−HDI」と呼ぶことがある。また、L−イソロイシンによる阻害が実質的に解除されたスレオニンデアミナーゼを「解除型TD」と呼ぶことがある。
以下、本願発明を詳細に説明する。
【0013】
<1.L−スレオニンによる阻害が実質的に解除されたthrA遺伝子を含むthrABCオペロン>
【0014】
L−スレオニンによる阻害が実質的に解除されたアスパルトキナーゼI−ホモセリンデヒドロゲナーゼIをコードするthrA遺伝子を含むthrABCオペロン、すなわち解除型thrABCオペロンは、含まれるthrA遺伝子が変異を有する点で野生型thrABCオペロンと相違する。同変異とは、thrA遺伝子がコードするAKI−HDIに対するL−スレオニンによるフィードバック阻害が解除される変異を意味する。
【0015】
このような解除型thrABCオペロンを取得する方法は以下の通りである。まず、野生型thrABCオペロンを含有するDNAをインビトロ変異処理し、変異処理後のDNAと宿主に適合するベクターDNAとを連結して組換えDNAを得る。組換えDNAを宿主微生物に導入して形質転換体を得、同形質転換体のうちで解除型AKI−HDIを発現するように至ったものを選択すれば、同形質転換体が解除型thrABCオペロンを保持している。また、野生型thrABCオペロンを含有するDNAを、宿主に適合するベクターDNAと連結して組換えDNAを得て、その後組換えDNAをインビトロ変異処理し、変異処理後の組換えDNAを宿主微生物に導入して形質転換体を得、同形質転換体のうちで解除型AKI−HDIを発現するように至ったものを選択しても、同形質転換体は解除型thrABCオペロンを保持している。
【0016】
野生型AKI−HDIを生産する微生物を変異処理し、解除型AKI−HDIを生産する変異株を創成した後、該変異株から解除型thrABCオペロンを取得してもよい。もしくは、野生型thrABCオペロンが連結されている組換えDNAが導入されている形質転換体を変異処理し、変異型AKI−HDIを生産する変異株を創成した後、該変異株から組換えDNAを回収すれば、同DNA上に解除型thrABCオペロンが創成されることがある。
【0017】
DNAをインビトロ変異処理するための薬剤としては、ヒドロキシルアミン等が挙げられる。ヒドロキシルアミンは、シトシンをN4 −ヒドロキシシトシンに変えることによりシトシンからチミンへの変異を起こす化学変異処理剤である。また、微生物自体を変異処理する場合は、紫外線照射または N−メチル−N'−ニトロ−N −ニトロソグアニジン(NTG)等の通常人工突然変異に用いられている変異剤による処理を行う。
thrABCオペロンとしては、エシェリヒア属細菌由来のもの、特にエシェリヒア・コリ(Escherichia coli;以下、「E. coli 」と呼ぶことがある)由来のthrABCオペロンが挙げられる。
【0018】
エシェリヒア属細菌由来のthrABCオペロンを利用する場合、野生型thrABCオペロンを含有するDNAの供与菌としては、エシェリヒア属に属する微生物であればいかなるものを用いてもかまわない。具体的にはナイトハルトらの著書(Neidhardt, F. C. et. al., Escherichia coli and Salmonella Typhimurium, American Society for Microbiology, Washington D.C., 1208, table 1)にあげられるものが利用できる。たとえば、E.coli JM109 株や、MC1061 株などがあげられる。thrABCオペロンを含有するDNAの供与菌として野生株を用いた場合、野生型のthrABCオペロンを含むDNAが取得できる。
【0019】
(1)野生型thrABCオペロンの取得
以下に、thrABCオペロンを含有するDNAの調製例について説明する。まず、野生型のAKI−HDIをもつE. coli 例えばMC1061株を培養して培養物を得る。上記微生物を培養するには、通常の固体培養法で培養しても良いが、集菌の際の効率を考慮すると液体培養法を採用して培養するのが好ましい。また、培地としては、酵母エキス、ペプトン、トリプトン、又は肉エキスに塩化ナトリウム(NaCl)を加えた培地が用いられる。具体的には、L−broth(バクト・トリプトン1%、バクト・イースト・エキストラクト0.5%、NaCl0.5%、ブドウ糖0.1%、pH=7.2)である。なお、培地の初発pHは、6〜8に調整するのが適当である。また培養は30〜42℃、好ましくは37℃前後で4〜24時間、通気かく拌深部培養、振とう培養または静置培養等により行う。
【0020】
このようにして得られた培養物を、例えば3,000 r.p.m.で5分間遠心分離してE. coli MC1061株の菌体を得る。この菌体より、例えば斎藤、三浦の方法(Biochem. Biophys. Acta., 72, 619, (1963)) 、K. S. Kirby の方法(Biochem. J., 64, 405, (1956))等の方法により染色体DNAを得ることができる。
【0021】
こうして得られた染色体DNAからthrABCオペロンを単離するために、染色体DNAライブラリーを作製する。まず、染色体DNAを適当な制限酵素で部分分解して種々の断片混合物を得る。例えば、Sau3AIを、温度30℃以上、好ましくは37℃、酵素濃度1〜10ユニット/mlで様々な時間(1分〜2時間)染色体DNAに作用させてこれを消化する。
【0022】
ついで、切断された染色体DNA断片を、エシェリヒア属細菌細胞内で自律複製可能なベクターDNAに連結し、組換えDNAを作製する。具体的には、染色体DNAの切断に用いた制限酵素Sau3AIと同一末端塩基配列を生じさせる制限酵素、例えばBamHIを、温度30℃以上、酵素濃度1〜100ユニット/mlの条件下で1時間以上、好ましくは1〜3時間、ベクターDNAに作用させてこれを完全消化し、切断開裂する。次いで、上記のようにして得た染色体DNA断片混合物と開裂切断されたベクターDNAを混合し、これにDNAリガーゼ、好ましくはT4DNAリガーゼを、温度4〜16℃、酵素濃度1〜100ユニット/mlの条件下で1時間以上、好ましくは6〜24時間作用させて組換えDNAを得る。
【0023】
得られた組換えDNAを用いて、エシェリヒア属の微生物、例えば大腸菌K-12株、あるいはE. coli Gif106M1株(thrA1101, metLM1000, lysC1001, ilvA, argH)のようなアスパルトキナーゼ欠損変異株を形質転換して染色体DNAライブラリーを作製する。この形質転換は D.M.Morrison の方法(Methods in Enzymology 68, 326, 1979)あるいは受容菌細胞を塩化カルシウムで処理する方法(Mandel,M. and Higa,A., J. Mol. Biol., 53, 159 (1970)) 等により行うことができる。なお、E. coli Gif106M1株は、E. coli Genetic Stock Center(米国コネチカット州)より入手可能である。
【0024】
得られた染色体DNAライブラリーの中から、アスパルトキナーゼ活性が増大した株あるいはアスパルトキナーゼ遺伝子欠損に起因する栄養要求性が相補された株を選択し、thrA遺伝子を含む組換えDNAをもつ菌株を得る。
【0025】
thrA遺伝子を含有する組換えDNAをもつ候補株が、thrA遺伝子がクローニングされた組換えDNAを保持するかどうかを確認するには、候補株から細胞抽出液を調製し、それより粗酵素液を調製してアスパルトキナーゼ活性が増大していることを確認することにより達成できる。アスパルトキナーゼの酵素活性測定法は、スタットマンらの方法により行うことができる(Stadtman, E.R., Cohen, G.N., LeBras,G., and Robichon-Szulmajster, H., J. Biol. Chem., 236, 2033 (1961))。
【0026】
また、アスパルトキナーゼ欠損変異株はL−リジン、L−スレオニン、L−メチニオンおよびジアミノピメリン酸要求性であるので、アスパルトキナーゼ欠損変異株を宿主に用いた場合は、L−リジン、L−スレオニン、L−メチニオンおよびジアミノピメリン酸を含有しない最少培地上で、またはホモセリンおよびジアミノピメリン酸を含有しない培地上で生育可能となった菌株を単離し、該菌株から組換えDNAを回収することにより、thrA遺伝子を含有するDNA断片を得ることができる。
【0027】
ただしE. coli には3種類のアスパルトキナーゼが存在し、アスパルトキナーゼをコードする遺伝子も3種類存在する。そこで、目的とするthrA遺伝子が単離されたかどうかを確認するためには、その塩基配列あるいは制限酵素切断パターンを解析し、確認することが好ましい。なお、E. coli のthrA遺伝子の塩基配列はすでに報告されている(Katinka,M et al., Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A., 77, 5730 (1980))。
【0028】
そして、上記菌株より、thrA遺伝子を含有するDNAがベクターDNAに挿入された組換えDNAを、例えば P. Guerryらの方法(J. Bacteriol., 116, 1064, (1973)) 、D. B. Clewell の方法(J. Bacteriol., 110, 667, (1972))などにより単離することができる。
【0029】
thrABCオペロン全長を単離するには、thrABCオペロン全長を含む組換えDNAを保持する形質転換体を染色体DNAライブラリーの中から再度選択する必要がある。すなわち、得られたthrA遺伝子をプローブとして、コロニーハイブリダイゼーション法による選択を行う。コロニーハイブリダイゼーション法は常法に従う(Molecular Cloning, 2nd edition, Cold Spring Harbor Press (1989) )。
【0030】
thrABCオペロン全長が単離されたかどうかを確認するには、単離された候補DNAをthrB遺伝子を欠損した株に導入して、thrB遺伝子の欠損が回復することを確認し、さらに単離された候補DNAをthrC遺伝子を欠損した株に導入して、thrC遺伝子の欠損が回復することを確認すれば良い。thrB遺伝子を欠損する株としては E. coli YA73 株(thrB1000, thi-1, relA1, λー, spoT1)がある。thrC遺伝子を欠損する株としては E. coli Gif41株(thrC1001, thi-1, relA1, λー, spoT1)がある。なお、E. coli YA73株と E. coli Gif41株は、E. coli Genetic Stock Center(米国コネチカット州)より入手可能である。
【0031】
これ以外にthrABCオペロン全長が単離されたかどうかを確認するには、単離された候補DNAの塩基配列あるいは制限酵素切断パターンを解析し確認する。なお、E. coli のthrB遺伝子の塩基配列はすでに報告されており(Cossart, P et al., Nucleic Acids Res., 9, 339 (1981)) 、E. coli のthrC遺伝子の塩基配列もすでに報告されている(Parsot, C et al., Nucleic Acids Res., 11, 7331 (1983) )。
【0032】
野生型thrABCオペロンの取得は、染色体上に野生型thrABCオペロンを有する株から、斎藤、三浦の方法等により染色体DNAを調製し、ポリメラーゼチェインリアクション法(PCR:polymerase chain reaction; White, T.J. et al; Trends Genet. 5, 185 (1989) 参照)により、thrABCオペロンを増幅することによっても行える。増幅反応に用いるDNAプライマーは、thrABCオペロンの全領域あるいは一部領域を含有するDNA二重鎖の両3’末端に相補するものを用いる。thrABCオペロンの一部領域だけを増幅した場合には、該DNA断片をプローブとして全領域を含むDNA断片を染色体DNAライブラリーよりスクリーニングする必要がある。thrABCオペロンの全領域を増幅した場合には、増幅されたthrABCオペロンを含有するDNA断片を含むPCR反応液をアガロースゲル電気泳動に供した後、目的のDNA断片を抽出することによってthrABCオペロンを含有するDNA断片を回収できる。
【0033】
DNAプライマーとしては、例えばE. coli において既知となっている配列を基にして適宜作成すればよい。E. coli のthrA遺伝子の塩基配列はKatinka, M et al., Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A., 77, 5730 (1980) に報告されており、E. coli のthrB遺伝子の塩基配列は Cossart, P et al., Nucleic Acids Res., 9, 339 (1981)に報告されており、E. coli のthrC遺伝子の塩基配列はParsot, C et al., Nucleic Acids Res., 11, 7331 (1983) に報告されている。
【0034】
プライマーDNAの合成は、ホスホアミダイド法(Tetrahedron Letters, 22, 1859 (1981)参照)等の常法により、市販のDNA合成装置(例えば、Applied Biosystems社製DNA合成機 model 380B 等)を用いて合成することができる。また、PCR反応は、市販のPCR反応装置(パーキンエルマー社製DNAサーマルサイクラー PJ2000 型等)を使用し、TaqDNAポリメラーゼ(宝酒造(株)より供給されている)を用い、供給者により指定された方法に従って行うことができる。
【0035】
PCR法により増幅されたthrABCオペロンは、エシェリヒア属細菌細胞内において自律複製可能なベクターDNAに接続し、エシェリヒア属細菌細胞に導入することによって、thrA遺伝子への変異の導入などの操作がしやすくなる。用いられるベクターDNAと形質転換法、さらにthrABCオペロンの存在の確認方法は上述した方法と同じである。
【0036】
(2)thrABCオペロンへの変異の導入
上記のようにして得られたthrABCオペロンに、アミノ酸残基の置換、挿入および欠失等の変異を実施する方法としては、リコンビナントPCR法(Higuchi,R., 61, PCR Technology (Erlich, H. A. Eds., Stockton press (1989)))、部位特異的変異法(Kramer, W. and Frits,H.J., Meth. in Enzymol., 154, 350 (1987); Kunkel, T.A. et.al., Meth. in Enzymol., 154, 367 (1987)) などがある。これらの方法を用いると、目的部位に目的の変異を起こすことができる。
【0037】
また、目的遺伝子を化学合成する方法によれば、目的部位への変異、あるいはランダムな変異を導入することができる。
さらに、染色体もしくはプラスミド上のthrABCオペロンを直接ヒドロキシルアミンで処理する方法(Hashimoto,T. and Sekiguchi,M.,J.Bacteriol.,159,1039(1984))がある。また、thrABCオペロンを保有するエシェリヒア属細菌を紫外線照射する方法または N−メチル−N'−ニトロ−N−ニトロソグアニジンもしくは亜硝酸などの化学薬剤処理による方法を用いてもよい。これらの方法によれば、ランダムに変異を導入できる。
【0038】
解除型thrABCオペロンの選択方法としては、まずthrABCオペロンを含有するDNA断片とベクターDNAからなる組換えDNAを、直接ヒドロキシルアミン等で変異処理し、これで例えば、E. coli Gif106M1株を形質転換する。次にL−スレオニンのアンタゴニスト、例えばα−アミノ−β−ヒドロキシ吉草酸(AHV)を含む最少培地、例えばM9に形質転換株を培養する。野生型のthrABCオペロンを含有する組換えDNAを保持する株は、その組換えDNAにより発現されるAKI−HDIがAHVにより阻害されるために、L−ホモセリン及びジアミノピメリン酸(DAP) の合成が出来なくなり生育が抑えられる。これに対し、L−スレオニンによる阻害の解除されたAKI−HDIをコードするthrA遺伝子を含むthrABCオペロンを含有する組換えDNAを保持する株は、同組換えDNA中のthrA遺伝子にコードされる解除型AKI−HDIがAHVによる阻害を受けないので、AHVが添加された最少培地上での生育が可能になるはずである。この現象を利用し、生育が、AHVに耐性となっている株、すなわち阻害の解除された解除型thrA遺伝子を含むthrABCオペロンを含有する組換えDNAを保持する株を選択することができる。
【0039】
こうして得られた該解除型thrABCオペロンを、組換えDNAとして適当な宿主微生物に導入し、発現させることによりフィードバック阻害が解除されたAKI−HDIを保有し、thrABCオペロンにコードされるL−スレオニン生合成系の酵素群の発現が増強された微生物を取得できる。宿主としては、エシェリヒア属に属する微生物が好ましく、例えばエシェリヒア・コリ(E. coli)があげられる。
【0040】
また、組換えDNAから解除型thrABCオペロンを取り出し、他のベクターDNAに挿入したものを使用してもよい。本発明において用いることのできるベクターDNAとしては、プラスミドベクターDNAが好ましく、例えばpUC19 、pUC18 、pBR322、pHSG299 、pHSG298 、pHSG399 、pHSG398 、RSF1010 、pMW119、pMW118、pMW219、pMW218等が挙げられる。他にファージDNAのベクターも利用できる。
【0041】
さらに、解除型thrABCオペロンの発現を効率的に実施するために、解除型thrABCオペロンの上流に位置する転写制御領域(オペレーターあるいはアテニュエーター)を除去しても良い。あるいは、lac、trp、PL等の微生物内で働く他のプロモーターを連結してもよく、thrABCオペロン固有のプロモーターを増幅して用いてもよい。
【0042】
また、上記のように、解除型thrABCオペロンを自律複製可能なベクターDNAに挿入したものを宿主に導入し、プラスミドのような染色体外DNAとして宿主に保持させてもよいが、thrABCオペロンを、トランスダクション、トランスポゾン(Berg, D.E. and Berg, C.M., Bio/Technol., 1, 417 (1983))、Muファージ(特開平2−109985)または相同性組換え(Experiments in Molecular Genetics, Cold Spring Habor Lab.(1972))を用いた方法で宿主微生物の染色体に組み込んでもよい。
【0043】
<2.L−イソロイシンによる阻害が実質的に解除されたilvA遺伝子を含みかつアテニュエーションに必要な領域が除去されたilvGMEDAオペロン>
L−イソロイシンによる阻害が実質的に解除されたスレオニンデアミナーゼをコードするilvA遺伝子を含むilvGMEDAオペロン、すなわち解除型ilvGMEDAオペロンは、含まれるilvA遺伝子が変異を有する点で野生型ilvGMEDAオペロンと相違する。この変異とは、ilvA遺伝子がコードするTDに対するL−イソロイシンによるフィードバック阻害が解除される変異を意味する。
【0044】
L−イソロイシンによる阻害が実質的に解除されたスレオニンデアミナーゼをコードするilvA遺伝子を含みかつアテニュエーションに必要な領域が除去されたilvGMEDAオペロン、すなわち完全解除型ilvGMEDAオペロンは、解除型ilvGMEDAオペロンに加えてアテニュエーションが起こらないように変異が導入されている点で野生型ilvGMEDAオペロンあるいは解除型ilvGMEDAオペロンと相違する。この変異とは、ilvGMEDAオペロンの5’上流域に存在するアテニュエーター全部、一部または近傍部分を除去するものの他に、アテニュエーター内部に新たなDNA断片を挿入するものも含まれる。
【0045】
解除型ilvGMEDAオペロンを取得する方法は以下の通りである。まず、野生型ilvGMEDAオペロンを含有するDNAをインビトロ変異処理し、変異処理後のDNAと宿主に適合するベクターDNAとを連結して組換えDNAを得る。組換えDNAを宿主微生物に導入して形質転換体を得、同形質転換体のうちで解除型TDを発現するように至ったものを選択すれば、同形質転換体が解除型ilvGMEDAオペロンを保持している。また、野生型ilvGMEDAオペロンを含有するDNAを、宿主に適合するベクターDNAと連結して組換えDNAを得て、その後組換えDNAをインビトロ変異処理し、変異処理後の組換えDNAを宿主微生物に導入して形質転換体を得、同形質転換体のうちで解除型TDを発現するように至ったものを選択しても、同形質転換体は解除型ilvGMEDAオペロンを保持している。
【0046】
野生型TDを生産する微生物を変異処理し、解除型TDを生産する変異株を創成した後、該変異株から解除型ilvGMEDAオペロンを取得してもよい。もしくは、野生型ilvGMEDAオペロンが連結されている組換えDNAが導入されている形質転換体を変異処理し、変異型TDを生産する変異株を創成した後、該変異株から組換えDNAを回収すれば、同DNA上に解除型ilvGMEDAオペロンが創成されることがある。
【0047】
DNAをインビトロ変異処理するための薬剤としては、ヒドロキシルアミン等が挙げられる。ヒドロキシルアミンは、シトシンをN4 −ヒドロキシシトシンに変えることによりシトシンからチミンへの変異を起こす化学変異処理剤である。また、微生物自体を変異処理する場合は、紫外線照射または N−メチル−N'−ニトロ−N −ニトロソグアニジン(NTG)等の通常人工突然変異に用いられている変異剤による処理を行う。
ilvGMEDAオペロンとしては、エシェリヒア属細菌由来のもの、特にエシェリヒア・コリ(E. coli)由来のilvGMEDAオペロンがあげられる。
【0048】
エシェリヒア属細菌由来のilvGMEDAオペロンを利用する場合、野生型ilvGMEDAオペロンを含有するDNAの供与菌としては、エシェリヒア属に属する微生物であればいかなるものを用いてもかまわない。具体的にはナイトハルトらの著書(Neidhardt, F.C. et.al., Escherichia coli and Salmonella Typhimurium, American Society for Microbiology, Washington D.C., 1208, table 1) にあげられるものが利用できる。ilvGMEDAオペロンを含有するDNAの供与菌として野生株を用いた場合、野生型のilvGMEDAオペロンを含むDNAが取得できる。
【0049】
ただし、野生型ilvGMEDAオペロンのDNA供与菌として E. coliを用いる場合、K12 野生株はilvG遺伝子がフレームシフト変異をもっているために活性のあるアセトヒドロキシ酸シンターゼのアイソザイムII(AHASII)が発現していない(Proc. Natl. Acad. Sci. USA 78, 922, 1981)。従って K12株をDNA供与菌とする場合には、ilvG遺伝子がコードするアセトヒドロキシ酸シンターゼIIの活性が回復するようにフレームが戻った変異株を調製してから同変異株をDNA供与菌として用いる必要がある。あるいは K12株由来の株以外の E. coliをDNA供与菌としてilvG遺伝子のみを単離し、これを K12株由来のilvGMEDAオペロンに導入してもよい。すなわち、 K12株をDNA供与菌としてilvMEDA部分を単離し、 K12株由来の株以外の E. coliをDNA供与菌としてilvG遺伝子のみを単離し、両者を連結して完全長のilvGMEDAオペロンとする。なお、アセトヒドロキシ酸シンターゼのアイソザイムII(AHASII)は大小2つのサブユニットにより構成されており、大サブユニットはilvG遺伝子にコードされている。小サブユニットはilvM遺伝子にコードされている。
【0050】
完全解除型ilvGMEDAオペロンを取得する方法は以下の通りである。
ilvGMEDAオペロンの5’上流域に存在するアテニュエーターの位置および塩基配列はR. P. Lawther らによって報告されている(Nucleic Acids Res.15, 2137 (1987))。解除型ilvGMEDAオペロンを出発材料にして、アテニュエーターが完全に除去されたilvGMEDAオペロンを調製することにより完全解除型ilvGMEDAオペロンが得られる。
【0051】
配列表の配列番号1として記載した塩基配列はアテニュエーションに必要な領域を開示している。999 番目から1007番目にいたるDNA配列はリーダーペプチド内に存在するバリン残基の連続部分をコードし、1008番目から1016番目にいたるDNA配列はリーダーペプチド内に存在するイソロイシン残基の連続部分をコードする。1081番目から1104番目にいたるDNA配列はアテニュエーター内にあるロー非依存型のターミネーター様シュテム/ループを形成する部分をコードする。
【0052】
細胞内にL−イソロイシンが十分量存在すると、1081番目から1104番目にいたるDNA配列より転写されるRNAによりロー非依存型のターミネーター様シュテム/ループが形成されるためRNAポリメラーゼによる転写が終結してilvGMEDAオペロンは発現しない。
【0053】
細胞内にL−イソロイシンが不足すると細胞内にイソロイシンが結合したtRNAが不足し、リーダーペプチドをコードする領域内に存在するイソロイシン残基の連続部分でリボゾームによる翻訳が停滞する。このため、mRNAが新たな立体構造を形成するようになって、結果として1081番目から1104番目にいたるDNA配列より転写されるRNAにより形成されていたロー非依存型のターミネーター様シュテム/ループが形成されなくなる。このためRNAポリメラーゼによる転写が続行してilvGMEDAオペロンは発現する。
したがって、アテニュエーションに必要な領域を除去するためには、配列表の配列番号1に開示される配列の1008番目から1016番目にいたるDNA配列、または1081番目から1104番目にいたるDNA配列を除去すれば良い。
【0054】
ところで、アテニュエーションに必要な領域を除去するとは、アテニュエーションが起こらないように変異が導入されていることを意味する。したがって同変異はilvGMEDAオペロンの5’上流域に存在するアテニュエーター全部を除去するものだけに限定されない。要するに、アテニュエーターがロー非依存型のターミネーター様シュテム/ループを形成できなくなる変異であってもよい。リーダーペプチド内にイソロイシン残基の連続部分が含まれないようにする変異であってもよい。いずれの場合もアテニュエーションは機能しなくなるからである。
【0055】
すなわち、この変異とはilvGMEDAオペロンの5’上流域に存在するアテニュエーター全部、一部または近傍部分を除去するものの他に、アテニュエーター内部に新たなDNA断片を挿入するものも含まれる。
【0056】
なお、L−イソロイシンによる阻害が実質的に解除されたスレオニンデアミナーゼをコードするilvA遺伝子を含みかつアテニュエーションに必要な領域が除去されたilvGMEDAオペロン、すなわち完全解除型ilvGMEDAオペロンは、野生型ilvGMEDAオペロンに変異を導入してアテニュエーションが起こらないようにした後で、同ilvGMEDAオペロンに含まれるilvA遺伝子に変異を導入し、同ilvA遺伝子がコードするスレオニンデアミナーゼに対するL−イソロイシンによる阻害が実質的に解除されたものとなるようにしても調製できる。
【0057】
(1)野生型ilvGMEDAオペロンの取得
ilvGMEDAオペロンを含有するDNAを取得するには、ilvGM遺伝子、ilvE遺伝子、ilvD遺伝子及びilvA遺伝子をおのおの取得し、これらを連結する方法が考えられる。
【0058】
まず、野生型のTDをもつE. coli 例えば、E. coli K12 株、E. coli W3110 株、E. coli MC1061株(以上の3株はilvGがフレームシフトを起こしている)、E. coli MI162 株(thr-10, car-94, λ-, relA1, ilvG603, thi-1)、E. coli B 株(以上の2株は正常なilvGを有している)を培養して培養物を得る。上記微生物を培養するには、通常の固体培養法で培養しても良いが、集菌の際の効率を考慮すると液体培養法を採用して培養するのが好ましい。また、培地としては、酵母エキス、ペプトン、トリプトン、又は肉エキスに塩化ナトリウム(NaCl)を加えた培地が用いられる。具体的にはL−broth(バクト・トリプトン1%、バクト・イースト・エキストラクト0.5%、NaCl0.5%、ブドウ糖0.1%、pH=7.2)である。なお、培地の初発pHは、6〜8に調整するのが適当である。また培養は30〜42℃、好ましくは37℃前後で4〜24時間、通気かく拌深部培養、振とう培養または静置培養等により行う。なお、E. coli MI162 株は、E. coli Genetic Stock Center(米国コネチカット州)より入手可能である。同株の索引番号はCGSC5919である。同株の詳しい性質は、Mol. Gen. Genet. 143, 243 (1976), J. Bacteriol., 149, 294 (1982)に記載されている。
【0059】
このようにして得られた培養物を、例えば3,000 r.p.m.で5分間遠心分離してE. coli の菌体を得る。この菌体より、例えば斎藤、三浦の方法(Biochem. Biophys. Acta., 72, 619 (1963))、K. S. Kirby の方法(Biochem. J., 64, 405 (1956))等の方法により染色体DNAを得ることができる。
【0060】
こうして得られた染色体DNAからilvGMEDAオペロンを単離するために、染色体DNAライブラリーを作製する。まず、染色体DNAを適当な制限酵素で部分分解して種々の断片混合物を得る。例えば、Sau3AIを、温度30℃以上、好ましくは37℃、酵素濃度1〜10ユニット/mlで様々な時間(1分〜2時間)染色体DNAに作用させてこれを消化する。
【0061】
ついで、切断された染色体DNA断片を、エシェリヒア属細菌細胞内で自律複製可能なベクターDNAに連結し、組換えDNAを作製する。具体的には、染色体DNAの切断に用いた制限酵素Sau3AIと同一末端塩基配列を生じさせる制限酵素、例えばBamHIを、温度30℃以上、酵素濃度1〜100ユニット/mlの条件下で1時間以上、好ましくは1〜3時間、ベクターDNAに作用させてこれを完全消化し、切断開裂する。次いで、上記のようにして得た染色体DNA断片混合物と開裂切断されたベクターDNAを混合し、これにDNAリガーゼ、好ましくはT4DNAリガーゼを、温度4〜16℃、酵素濃度1〜100ユニット/mlの条件下で1時間以上、好ましくは6〜24時間作用させて組換えDNAを得る。
【0062】
得られた組換えDNAを用いて、エシェリヒア属の微生物、例えば E. coli MI262株(leuB6, ilvI614, ilvH612,λ-, relA1, spoT1, ilvB619, ilvG603, ilvG605(am), thi-1 )のようなアセトヒドロキシ酸シンターゼ欠損変異株、E. coli AB2070株(proA2, trp-3, hisG4, ilvE12, metE46, thi-1, ara-9, lacY1 or lacZ4, galK2, malA1, mtl-1, rpsL8 or rpsL9, ton-1, tsx-3, λR,λ-, supE44)のようなトランスアミナーゼB欠損変異株、あるいは E. coli AB1280 株(hisG1, ilvD16, metB1, argH1, thi-1, ara-13, lacY1 or lacZ4, gal-6, xyl-7, mtl-2, malA1, rpsL8,9 or 17, tonA2, λR,λ-, supE44)のようなジヒドロキシ酸デヒドラターゼ欠損変異株、E. coli AB1255株(thi-1, ilvA201, argH1, metB1, hisG1, lacY1 or lacZ4, malA1, mtl-2, xyl-7, ara-13, gal-6, rpsL8,9 or 17, tonA2, tsx-5, λR,λ-, supE44)のようなスレオニンデアミナーゼ欠損変異株、を形質転換して染色体DNAライブラリーを作製する。この形質転換は D.M.Morrison の方法(Methods in Enzymology 68, 326, 1979)あるいは受容菌細胞を塩化カルシウムで処理してDNAの透過性を増す方法(Mandel,M. and Higa,A., J. Mol. Biol., 53, 159 (1970)) 等により行うことができる。なお、E. coli MI262 株は、E. coli Genetic Stock Center(米国コネチカット州)より入手可能である。同株の索引番号はCGSC5769である。同株の詳しい性質は、Mol. Gen. Genet.,156,1(1977)に記載されている。E. coli AB2070株は、E. coli Genetic Stock Center(米国コネチカット州)より入手可能である。同株の索引番号はCGSC2070である。同株の詳しい性質は、J. Bacteriol., 109, 730 (1972)に記載されている。E. coli AB1280株は、E. coli Genetic Stock Center(米国コネチカット州)より入手可能である。同株の索引番号はCGSC1280である。E. coli AB1255株は、E. coli Genetic Stock Center(米国コネチカット州)より入手可能である。同株の索引番号はCGSC1255である。同株の詳しい性質は、J. Bacteriol., 109, 730 (1972)に記載されている。
【0063】
ところで、ilvGMEDAオペロンの全塩基配列は明らかにされている(Nucleic Acids Res. 15, 2137 (1987))ので、特定の制限酵素を選んで染色体DNAを消化することにより、目的とする遺伝子が存在するDNA断片を特定の長さのものとすることができる。この特定の長さを有するDNA断片だけをベクターDNAに連結して組換えDNAを作成し、この組換えDNAを用いて染色体DNAライブラリーを作成する方が、より効率よく目的とする遺伝子が存在するDNA断片を取得することができる。
【0064】
得られた染色体DNAライブラリーの中から、アセトヒドロキシ酸シンターゼ活性が増大した株あるいはアセトヒドロキシ酸シンターゼ遺伝子欠損に起因する栄養要求性が相補された株を選択し、ilvGM遺伝子を含む組換えDNAをもつ菌株を得る。
得られた染色体DNAライブラリーの中から、トランスアミナーゼB活性が増大した株あるいはトランスアミナーゼB遺伝子欠損に起因する栄養要求性が相補された株を選択し、ilvE遺伝子を含む組換えDNAをもつ菌株を得る。
【0065】
得られた染色体DNAライブラリーの中から、ジヒドロキシ酸デヒドラターゼ活性が増大した株あるいはジヒドロキシ酸デヒドラターゼ遺伝子欠損に起因する栄養要求性が相補された株を選択し、ilvD遺伝子を含む組換えDNAをもつ菌株を得る。
【0066】
得られた染色体DNAライブラリーの中から、スレオニンデアミナーゼ活性が増大した株あるいはスレオニンデアミナーゼ遺伝子欠損に起因する栄養要求性が相補された株を選択し、ilvA遺伝子を含む組換えDNAをもつ菌株を得る。
【0067】
ilvGM遺伝子を含有する組換えDNAをもつ候補株が、ilvGM遺伝子がクローニングされた組換えDNAを保持するかどうかを確認するには、候補株から細胞抽出液を調製し、それより粗酵素液を調製してアセトヒドロキシ酸シンターゼ活性が増大していることを確認することにより達成できる。アセトヒドロキシ酸シンターゼの酵素活性測定法は、M. D. Feliceらの方法により行うことができる(Methods in Enzymology 166, 241)。
【0068】
また、アセトヒドロキシ酸シンターゼ欠損変異株はイソロイシン、ロイシン及びバリン要求性であるので、アセトヒドロキシ酸シンターゼ欠損変異株を宿主に用いた場合は、バリンを含有しない最少培地上で生育可能となった菌株を単離し、該菌株から組換えDNAを回収することにより、ilvGM遺伝子を含有するDNA断片を得ることができる。
【0069】
あるいは、ilvGM遺伝子を含むDNAの塩基配列はR. P. Lawther らによってすでに報告されている(Nucleic Acids Res. 15, 2137 (1987))。そこで候補株から組換えDNAを単離して、その塩基配列を解読して、同報告にある塩基配列と比較することによっても確認が行える。
【0070】
上述した通り、E. coli K12 株のilvG遺伝子のオープン・リーディング・フレーム内部には変異が生じている。その結果フレームシフトが起き、さらに途中に終始コドンが出現するために翻訳が終了してしまう。すなわち、ilvG遺伝子の開始コドンのATG (1〜3番目)から数えて982 〜984 番目に終始コドンが出現している。したがって、同株より取得したilvGM遺伝子を用いる場合には、サイト・ダイレクティッド・ミュータジェネシス法により変異部分を正常に戻す必要がある。たとえばエシェリヒア・コリMI162株のilvG遺伝子(ilvG603)では、982 〜984 番目にある終始コドンTGA の前に、TGの2塩基対が挿入されて、フレームが正常に戻っている。その他については J. Bacteriol. 149, 294 (1982)の Fig. 2 に詳しく記載されている。
【0071】
ilvE遺伝子を含有する組換えDNAをもつ候補株が、ilvE遺伝子がクローニングされた組換えDNAを保持するかどうかを確認する方法は以下の通りである。トランスアミナーゼB欠損変異株はイソロイシン要求性であるので、トランスアミナーゼB欠損変異株を宿主に用いた場合は、イソロイシンを含有しない最少培地上で生育可能となった菌株を単離し、該菌株から組換えDNAを回収することにより、ilvE遺伝子を含有するDNA断片を得ることができる。
【0072】
あるいは、ilvE遺伝子を含むDNAの塩基配列はR. P. Lawther らによってすでに報告されている(Nucleic Acids Res. 15, 2137 (1987))。そこで、候補株から組換えDNAを単離して、その塩基配列を解読して、同報告にある塩基配列と比較することによっても確認が行える。
【0073】
ilvD遺伝子を含有する組換えDNAをもつ候補株が、ilvD遺伝子がクローニングされた組換えDNAを保持するかどうかを確認する方法は以下の通りである。ジヒドロキシ酸デヒドラターゼ欠損変異株はイソロイシン、ロイシン、バリン要求性であるので、ジヒドロキシ酸デヒドラターゼ欠損変異株を宿主に用いた場合は、バリンを含有しない培地上で生育可能となった菌株を単離し、該菌株から組換えDNAを回収することにより、ilvD遺伝子を含有するDNA断片を得ることができる。
【0074】
あるいは、ilvD遺伝子を含むDNAの塩基配列はR. P. Lawther らによってすでに報告されている(Nucleic Acids Res. 15, 2137 (1987))。そこで、候補株から組換えDNAを単離して、その塩基配列を解読して、同報告にある塩基配列と比較することによっても確認が行える。
【0075】
ilvA遺伝子を含有する組換えDNAをもつ候補株が、ilvA遺伝子がクローニングされた組換えDNAを保持するかどうかを確認するには、候補株から細胞抽出液を調製し、それより粗酵素液を調製してスレオニンデアミナーゼ活性が増大していることを確認することにより達成できる。スレオニンデアミナーゼの酵素活性測定法は、Methods in Enzymology 17B, 555 (1971) に記載されている。
【0076】
また、スレオニンデアミナーゼ欠損変異株はイソロイシン要求性であるので、スレオニンデアミナーゼ欠損変異株を宿主に用いた場合は、イソロイシンを含有しない最少培地上で生育可能となった菌株を単離し、該菌株から組換えDNAを回収することにより、ilvA遺伝子を含有するDNA断片を得ることができる。
【0077】
あるいは、ilvA遺伝子を含むDNAの塩基配列はR. P. Lawther らによってすでに報告されている(Nucleic Acids Res. 15, 2137 (1987))。そこで、候補株から組換えDNAを単離して、その塩基配列を解読して、同報告にある塩基配列と比較することによっても確認が行える。
上記菌株おのおのより、組換えDNAを、例えば P. Guerryらの方法(J. Bacteriol., 116, 1064 (1973))、D. B. Clewell の方法(J. Bacteriol., 110, 667 (1972)) などにより単離することができる。
【0078】
ilvGMEDAオペロン全長を単離するには、ilvGM遺伝子を有するDNA断片、ilvE遺伝子を有するDNA断片、ilvD遺伝子を有するDNA断片、及びilvA遺伝子を有するDNA断片を連結する。連結するときには、R. P. Lawther らによってすでに報告されている(Nucleic Acids Res. 15, 2137 (1987))ilvGMEDAオペロン全塩基配列を参考にできる。
【0079】
野生型ilvGMEDAオペロンの取得は、染色体上に野生型ilvGMEDAオペロンを有する株から、斎藤、三浦の方法等により染色体DNAを調製し、ポリメラーゼチェインリアクション法(PCR:polymerase chain reaction; White, T.J. et al; Trends Genet. 5, 185 (1989) 参照)により、ilvGMEDAオペロンを増幅することによっても行える。増幅反応に用いるDNAプライマーは、ilvGMEDAオペロンの全領域あるいは一部領域を含有するDNA二重鎖の両3’末端に相補するものを用いる。ilvGMEDAオペロンの一部領域だけを増幅した場合には、該DNA断片をプローブとして全領域を含むDNA断片を染色体DNAライブラリーよりスクリーニングする必要がある。ilvGMEDAオペロンの全領域を増幅した場合には、増幅されたilvGMEDAオペロンを含有するDNA断片を含むPCR反応液をアガロースゲル電気泳動に供した後、目的のDNA断片を抽出することによってilvGMEDAオペロンを含有するDNA断片を回収できる。
DNAプライマーを作成するには、R. P. Lawther らによってすでに報告されている(Nucleic Acids Res. 15, 2137 (1987))E. coli のilvGMEDAオペロン全塩基配列を参考にできる。
【0080】
プライマーDNAの合成は、ホスホアミダイド法(Tetrahedron Letters, 22, 1859 (1981)参照)等の常法により、市販のDNA合成装置(例えば、Applied Biosystems社製DNA合成機 model 380B 等)を用いて合成することができる。また、PCR反応は、市販のPCR反応装置(パーキンエルマー社製DNAサーマルサイクラー PJ2000 型等)を使用し、TaqDNAポリメラーゼ(宝酒造(株)より供給されている)を用い、供給者により指定された方法に従って行うことができる。
【0081】
PCR法により増幅されたilvGMEDAオペロンは、エシェリヒア属細菌細胞内において自律複製可能なベクターDNAに接続し、エシェリヒア属細菌細胞に導入することによって、ilvA遺伝子への変異の導入操作およびアテニュエーションに必要な領域の除去操作等がしやすくなる。用いられるベクターDNAと形質転換法、さらにilvGMEDAオペロンの存在の確認方法は上述した方法と同じである。
【0082】
(2)ilvGMEDAオペロンへの変異の導入
上記のようにして得られたilvGMEDAオペロンに、アミノ酸残基の置換、挿入および欠失等の変異を実施する方法としては、リコンビナントPCR法(Higuchi, R., 61, PCR Technology (Erlich, H. A. Eds., Stockton press (1989)) )、部位特異的変異法(Kramer, W. and Frits, H. J., Meth. in Enzymol., 154, 350 (1987); Kunkel, T. A. et.al., Meth. in Enzymol., 154, 367 (1987) )などがある。これらの方法を用いると、目的部位に目的の変異を起こすことができる。
また、目的遺伝子を化学合成する方法によれば、目的部位への変異、あるいはランダムな変異を導入することができる。
【0083】
さらに、染色体もしくはプラスミド上のilvGMEDAオペロンを直接ヒドロキシルアミンで処理する方法(Hashimoto,T. and Sekiguchi,M.,J.Bacteriol.,159,1039(1984))がある。また、ilvGMEDAオペロンを保有するエシェリヒア属細菌を紫外線照射する方法またはN−メチル−N'−ニトロ−N−ニトロソグアニジンもしくは亜硝酸などの化学薬剤処理による方法を用いてもよい。これらの方法によれば、ランダムに変異を導入できる。
【0084】
解除型ilvA遺伝子を有するDNA断片の選択方法は以下の通りである。まずilvA遺伝子を有するDNA断片とベクターDNAからなる組換えDNAを、直接ヒドロキシルアミン等で変異処理し、これで例えば E. coli W3110株を形質転換する。次にL−イソロイシンのアンタゴニスト、例えば適当量のグリシル−L−ロイシンを含む最少培地、例えばM9に形質転換株を培養すると、野生型のilvA遺伝子を有する組換えDNAを保持する株は、L−イソロイシンの合成が出来なくなり生育が抑えられる場合がある(ベクターに少コピーのものを用いる方がジーン・ドーセージ効果による影響を少なくできるので好ましい)。これに対し、L−イソロイシンによる阻害の解除されたTDをコードするilvA遺伝子を有する組換えDNAを保持する株は、グリシル−L−ロイシンが存在するときにもL−イソロイシンを過剰量合成するので、グリシル−L−ロイシンが添加された最少培地上での生育が可能になるはずである。この現象を利用し、生育が、グリシルーL−ロイシンに耐性となっている株、すなわち阻害の解除された解除型ilvA遺伝子を有する組換えDNAを保持する株を選択することができる。
【0085】
こうして得られる解除型ilvA遺伝子を含む解除型ilvGMEDAオペロンを、組換えDNAとして適当な宿主微生物に導入し、発現させることによりフィードバック阻害が解除されたTDを保有し、ilvGMEDAオペロンにコードされるL−イソロイシン生合成系の酵素群の発現が増強された微生物を取得できる。宿主としては、エシェリヒア属に属する微生物が好ましく、例えばエシェリヒア・コリ(E. coli)があげられる。
【0086】
また、組換えDNAから解除型ilvGMEDAオペロンを取り出し、他のベクターDNAに挿入したものを使用してもよい。本発明において用いることのできるベクターDNAとしては、プラスミドベクターDNAが好ましく、例えばpUC19 、pUC18 、pBR322、pHSG299 、pHSG298 、pHSG399 、pHSG398 、RSF1010 、pMW119、pMW118、pMW219、pMW218等が挙げられる。他にファージDNAのベクターも利用できる。
【0087】
さらに、解除型ilvGMEDAオペロンの発現を効率的に実施するために、解除型ilvGMEDAオペロンの上流に位置する転写制御領域(オペレーターあるいはアテニュエーター)を除去しても良い。あるいは、lac、trp、PL等の微生物内で働く他のプロモーターを連結してもよく、ilvGMEDAオペロン固有のプロモーターを増幅して用いてもよい。
【0088】
また、上記のように、解除型ilvGMEDAオペロンを自律複製可能なベクターDNAに挿入したものを宿主に導入し、プラスミドのような染色体外DNAとして宿主に保持させてもよいが、ilvGMEDAオペロンを、トランスダクション、トランスポゾン(Berg, D. E. and Berg, C. M., Bio/Technol., 1, 417 (1983))、Muファージ(特開平2−109985)または相同性組換え(Experiments in Molecular Genetics, Cold Spring Habor Lab.(1972))を用いた方法で宿主微生物の染色体に組み込んでもよい。
【0089】
(3)ilvGMEDAオペロンのアテニュエーションに必要な領域の除去
ilvGMEDAオペロンからアテニュエーションに必要な領域を除去する、すなわちilvGMEDAオペロンにアテニュエーションが起こらないような変異を導入するには、ilvGMEDAオペロンの5’上流域に存在するアテニュエーター全部、一部または近傍部分を除去するものの他に、アテニュエーター内部に新たなDNA断片を挿入するものも含まれる。なお、ここで「アテニュエーター」とは、ロー非依存型のターミネーター様シュテム/ループを形成する塩基配列である。たとえば配列表配列番号1に記載される塩基配列の1081番目から1104番目にいたる部分である。
【0090】
アテニュエーターを除去するためにはilvGMEDAオペロンのうちアテニュエーター部よりも上流域のDNA断片を調製し、またilvGMEDAオペロンのうちアテニュエーター部よりも下流域のDNA断片を調製して両者を連結すればよい。例えばilvGMEDAオペロンのうちアテニュエーター部よりも上流域のDNA断片は、完全長のilvGMEDAオペロンを含むDNA断片を適当な制限酵素で切断することによって調製できる。あるいは、ilvGMEDAオペロンのうちアテニュエーター部よりも上流域のDNA断片をPCR法によって増幅してもよい。PCR法に用いるプライマーDNAは、R. P. Lawther らによってすでに報告されている(Nucleic Acids Res. 15, 2137 (1987))塩基配列、G. Coppolaらによってすでに報告されている(Gene 97, 21 (1991))塩基配列を基にして化学合成してもよい。さらには、ilvGMEDAオペロンのうちアテニュエーター部よりも上流域のDNA断片を化学合成してもよい。
ilvGMEDAオペロンのうちアテニュエーター部よりも下流域のDNA断片を調製する方法も同様である。
【0091】
解除型ilvGMEDAオペロンを出発材料にして、アテニュエーターの一部または近傍部分が除去されたilvGMEDAオペロンを調製することにより完全解除型ilvGMEDAオペロンが得られる場合がある。アテニュエーターの位置および塩基配列はR. P. Lawther らによってすでに報告されている(Nucleic Acids Res. 15, 2137 (1987))ので、この配列を基にして除去するDNAを決定する。
【0092】
除去するDNAは、アテニュエーターがロー非依存型のターミネーター様シュテム/ループを形成するために必要なDNA部分か、同シュテム/ループの上流に位置する連続するイソロイシン残基をコードする領域を含む適当なDNA部分か、あるいはその両方を含むDNA部分が好ましい。アテニュエーターの一部または近傍部分を除去するためにはilvGMEDAオペロンのうち除去されるDNA部分よりも上流域のDNA断片を調製し、またilvGMEDAオペロンのうち除去されるDNA部分よりも下流域のDNA断片を調製して両者を連結すればよい。例えばilvGMEDAオペロンのうち除去されるDNA部分よりも上流域のDNA断片は、完全長のilvGMEDAオペロンを含むDNA断片を適当な制限酵素で切断することによって調製できる。あるいは、ilvGMEDAオペロンのうち除去されるDNA部分よりも上流域のDNA断片をPCR法によって増幅してもよい。PCR法に用いるプライマーDNAは、R. P. Lawther らによってすでに報告されている(Nucleic Acids Res. 15, 2137 (1987))塩基配列、G. Coppolaらによってすでに報告されている(Gene 97, 21 (1991))塩基配列を基にして化学合成してもよい。さらには、ilvGMEDAオペロンのうち除去されるDNA部分よりも上流域のDNA断片を化学合成してもよい。
ilvGMEDAオペロンのうち除去されるDNA部分よりも下流域のDNA断片を調製する方法も同様である。
【0093】
解除型ilvGMEDAオペロンを出発材料にして、アテニュエーター内部に新たなDNA断片が挿入されたilvGMEDAオペロンを調製することにより完全解除型ilvGMEDAオペロンが得られる場合がある。アテニュエーターの位置および塩基配列は、R. P. Lawther ら、あるいはG. Coppolaらによってすでに報告されているので、この配列を基にして挿入される新たなDNA断片の挿入位置および挿入されるDNA断片の塩基配列を決定する。
【0094】
挿入される新たなDNA断片は、アテニュエーターがロー非依存型のターミネーター様シュテム/ループを形成するために必要なDNA部分か、あるいは同シュテム/ループの上流に位置する連続するイソロイシン残基をコードするDNA部分に挿入されることが好ましい。挿入の結果、アテニュエーターがロー非依存型のターミネーター様シュテム/ループを形成できなくなることがあり、このためアテニュエーターが機能しなくなることが期待されるからである。
【0095】
挿入される新たなDNA断片の塩基配列は、挿入されたときにアテニュエーターがロー非依存型のターミネーター様シュテム/ループを形成しないように設計され、挿入されたときに同シュテム/ループの上流に連続するイソロイシン残基が位置しないように設計されることが好ましい。
【0096】
アテニュエーターの内部に新たなDNA断片を挿入するためには、ilvGMEDAオペロンのうち新たなDNA断片が挿入されるDNA部分よりも上流域のDNA断片を調製し、またilvGMEDAオペロンのうち新たなDNA断片が挿入されるDNA部分よりも下流域のDNA断片を調製して、さらに挿入される新たなDNA断片を調製して3者を連結すればよい。例えばilvGMEDAオペロンのうち新たなDNA断片が挿入されるDNA部分よりも上流域のDNA断片は、完全長のilvGMEDAオペロンを含むDNA断片を適当な制限酵素で切断することによって調製できる。あるいは、ilvGMEDAオペロンのうち新たなDNA断片が挿入されるDNA部分よりも上流域のDNA断片をPCR法によって増幅してもよい。PCR法に用いるプライマーDNAは、R. P. Lawther らによってすでに報告されている(Nucleic Acids Res. 15, 2137 (1987))塩基配列、G. Coppolaらによってすでに報告されている(Gene 97, 21 (1991))塩基配列を基にして化学合成してもよい。さらには、ilvGMEDAオペロンのうち新たなDNA断片が挿入されるDNA部分よりも上流域のDNA断片を化学合成してもよい。
ilvGMEDAオペロンのうち新たなDNA断片が挿入されるDNA部分よりも下流域のDNA断片を調製する方法も同様である。
【0097】
挿入される新たなDNA断片は化学合成によって調製できる。
【0098】
また、ilvGMEDAオペロンのうち新たなDNA断片が挿入されるDNA部分よりも上流域のDNA断片、あるいはilvGMEDAオペロンのうち新たなDNA断片が挿入されるDNA部分よりも下流域のDNA断片をPCR法によって増幅する際に、プライマーDNAに挿入される新たなDNA断片を連結しておくこともできる。例えば、ilvGMEDAオペロンのうち新たなDNA断片が挿入されるDNA部分よりも上流域のDNA断片を増幅するために用いる3’側DNAプライマーに、挿入される新たなDNA断片の片方の鎖を連結する。同様にしてilvGMEDAオペロンのうち新たなDNA断片が挿入されるDNA部分よりも下流域のDNA断片を増幅するために用いる5’側DNAプライマーに、挿入される新たなDNA断片の相補鎖を連結する。これらのプライマーを用いて増幅される2種のDNA断片を連結する。
【0099】
こうして得られた該完全解除型ilvGMEDAオペロンを、組換えDNAとして適当な宿主微生物に導入し、発現させることによりフィードバック阻害が解除されたTDを保有し、アテニュエーションが生じないためにilvGMEDAオペロンにコードされるL−イソロイシン生合成系の酵素群の発現が一層増強された微生物を取得できる。宿主としては、エシェリヒア属に属する微生物が好ましく、例えばエシェリヒア・コリ(E. coli)があげられる。
【0100】
また、組換えDNAから完全解除型ilvGMEDAオペロンを取り出し、他のベクターDNAに挿入したものを使用してもよい。本発明において用いることのできるベクターDNAとしては、プラスミドベクターDNAが好ましく、例えばpUC19 、pUC18 、pBR322、pHSG299 、pHSG298 、pHSG399 、pHSG398 、RSF1010 、pMW119、pMW118、pMW219、pMW218等が挙げられる。他にファージDNAのベクターも利用できる。
【0101】
さらに、完全解除型ilvGMEDAオペロンの発現を効率的に実施するために、完全解除型ilvGMEDAオペロンの上流にlac、trp、PL等の微生物内で働く他のプロモーターを連結してもよく、ilvGMEDAオペロン固有のプロモーターを増幅して用いてもよい。
【0102】
また、上記のように、完全解除型ilvGMEDAオペロンを自律複製可能なベクターDNAに挿入したものを宿主に導入し、プラスミドのような染色体外DNAとして宿主に保持させてもよいが、ilvGMEDAオペロンを、トランスダクション、トランスポゾン(Berg, D. E. and Berg, C. M., Bio/Technol., 1, 417 (1983))、Muファージ(特開平2−109985)または相同性組換え(Experiments in Molecular Genetics, Cold Spring Habor Lab.(1972))を用いた方法で宿主微生物の染色体に組み込んでもよい。
【0103】
AKIIIをコードする遺伝子(lysC) を含有するDNAの供与菌としては、エシェリヒア属に属する微生物であればいかなるものを用いてもかまわない。具体的には、ナイトハルトらの著書(Neidhardt, F.C. et,al., Escherichia coli and Salmonella Typhimurium, American Society for Microbiology, Washington D. C., 1208, Table 1)にあげられるものが利用できる。たとえば、E. coli JM109 株や、MG1061株などがあげられる。
【0104】
AKIIIをコードする遺伝子(lysC) を含有するDNAの供与菌として野生株を用いた場合、野生型のAKIII遺伝子を含むDNAが取得できる。この遺伝子に変異を導入してL−リジンによるフィードバック阻害が解除されたAKIII遺伝子(lysC* ) を得るには、DNAを直接ヒドロキシルアミンで処理するin vitro変異処理法を採用すればよい。ヒドロキシルアミンは、シトシンをN4 −ヒドロキシシトシンに変えることによりC→Tの変異を起こす化学変異処理剤である。
また、L−リジンによるフィードバック阻害が解除されたAKIII遺伝子を含むDNAを取得するには、AKIII活性に対するL−リジンによるフィードバック阻害が解除された変異株をDNA供与菌に用いることによって取得することができる。該変異株は、例えば、通常の変異処理法、紫外線照射またはN−メチル−N′−ニトロ−N−ニトロソグアニジン(NTG)等の変異剤処理を施した変異株の細胞群の中から取得することができる。
【0105】
次に、AKIIIをコードする遺伝子(lysC) を含有するDNAの調製について述べる。
まず、野生型のlysCをもつE. coli 、例えばMC1061株を培養して培養物を得る。上記微生物を培養するには、通常の固体培養法で培養しても良いが、液体培養法を採用して培養するのが集菌効率の見地から好ましい。また、培地としては、例えば酵母エキス、ペプトン、肉エキス、コーンスィープリカーまたは大豆もしくは小麦の浸出液等の1種類以上の窒素源に、リン酸第一カリウム、リン酸第二カリウム、硫酸マグネシウム、塩化ナトリウム、塩化マグネシウム、塩化第二鉄、硫酸第二鉄または硫酸マンガン等の無機塩類の1種以上を添加し、更に必要に応じて糖質原料、ビタミン等を適宜添加したものが用いられる。なお、培地の初発pHは、7〜8に調整するのが適当である。また、培養は30〜42℃、好ましくは37℃前後で4〜24時間、通常攪拌深部培養、振盪培養、静置培養等により行う。このようにして得られた培養物を、例えば3,000 r.p.m.で5分間遠心分離してE. coli MC1061株の菌体を得る。
この菌体より、例えば斉藤らの方法(Biochem. Biophys. Acta., 72, 619,(1963))、K. S. Kirby の方法(Biochem. J., 64, 405,(1956)) 等の方法により染色体DNAを得ることができる。
【0106】
lysC遺伝子を単離する方法は、上記方法により得られた染色体DNAを適当な制限酵素で切断する。ついで、エシェリヒア属細菌細胞内で増殖し得るベクターDNAを接続し、得られた組換えDNAを用いてエシェリヒア属の微生物のアスパルトキナーゼI、II、III 全欠損変異株、例えばGT3を形質転換せしめ(遺伝子ライブラリー)、リジンを含有しない最少培地上生育可能となった菌株を単離し、これよりlysC遺伝子の組換えDNAを分離できる。
【0107】
具体的には、染色体DNAを制限酵素、例えばSau3AIを、温度30℃以上、好ましくは37℃、酵素温度1〜10ユニット/mlで様々な時間(1分〜2時間)作用させて消化し、部分分解して種々の染色体DNA断片混合物を得る。エシェリヒア属細菌細胞内で増殖し得るベクターDNAに、染色体DNAの切断に用いた制限酵素Sau3AIと同一末端塩基配列を生じさせる制限酵素、例えばBamHIを、温度30℃以上、酵素濃度1〜100ユニット/mlで1時間以上、好ましくは1〜3時間作用させて完全消化し、切断開裂されたDNAを得る。次いで、上記のようにして得たE. coli MC1061株由来で、lysC遺伝子を含有するDNA断片を含む混合物と、開裂切断されたベクターDNAとを混合し、これにDNAリガーゼ、好ましくはT4DNAリガーゼを、温度4〜16℃、酵素濃度1〜100ユニットで1時間以上、好ましくは6〜24時間作用させて組換えDNAを得る。
【0108】
本発明において用いることのできるベクターDNAとしては、プスラミドベクターDNAが好ましく、例えば pUC19、 pUC18、 pBR322 、pHSG299 、pHSG399 、RSF1010 等が挙げられる。他にもファージDNAのベクターも利用できる。目的有用遺伝子の発現を効率的に実施するために、lac、trp、PL等の微生物内で働くプロモーターを用いてもよい。尚、ここでいう組換えDNAには、該有用遺伝子をトランスポゾン(Berg, D. E. and Berg, C. M., Bio/Technol., 1,417(1983))、Muファージ(特開平2−109985号公報)または相同性組換え(Experiments in Molecular Genetics, Cold Spring Habor Lab.(1972))を用いた方法で染色体に組み込んだものも含まれる。
【0109】
この組換えDNAを用いて、例えば大腸菌 K-12 株、好ましくは GT3株等を形質転換して、AK活性が増大した株あるいは栄養要求性が相補された株より lysC 遺伝子の組換えDNAをもつ菌株を得る。この形質転換は、 D.M.Morrison の方法(Methods in Enzymology 68, 326, 1979 )あるいは受容菌細胞を塩化カルシウムで処理してDNAの透過性を増す方法(Mandel, M. and Higa, A., J.Mol. Biol., 53, 159 (1970)) により行うことができる。そして、上記菌株より、lysC遺伝子を含有するDNAがベクターDNAに挿入された組換えDNAを、例えば P. Guerryらの方法(J. Bacteriol., 116, 1064, (1973))、D.B. Clewellの方法(J. Bacteriol., 110, 667, (1972)) などにより単離することができる。
【0110】
候補株が、実際に lysC がクローニングされた組換えDNAを保持するかどうかを確認するには、細胞抽出液を調製し、そこより粗酵素液を調製してアスパルトキナーゼ活性を確認することにより達成できる。アスパルトキナーゼの酵素活性測定法は、スタットマンらの方法により行うことができる(Stadtman, E.R., Cohen, G. N., LeBras, G., and Robichon-Szulmajster, H., J. Biol. Chem., 236,2033(1961))。
【0111】
あるいは、 lysC 遺伝子の取得は、前記斎藤らの方法等により取得された染色体DNAよりPCR (polymerase chain reaction; White, T. J. et al; Trends Genet., 5, 185 (1989)参照) によりlysC遺伝子を増幅することによっても行える。増幅に用いるDNAプライマーは、lysC遺伝子の全領域あるいは一部領域を含有するDNA二重鎖の両3 ′末端に相補するものを用いる。lysC遺伝子の一部領域だけを増幅した場合には、該DNA断片をプライマーとして全領域を含むDNA断片を遺伝子ライブラリーよりスクリーニングする必要がある。全領域を増幅した場合には、該DNA断片をアガロースゲル電気泳動に供した後、目的のバンドを切り出すことによってlysC遺伝子を含有するDNA断片を回収できる。
【0112】
DNAプライマーとしては、例えば、E. coti において既知となっている配列(Cassan,M., Parsot, C., Cohen, G.N., and Patte, J.C., J. Biol. Chem., 261, 1052(1986)) を基にして適宜作成できるが、lysC遺伝子をコードする 1347base の領域を増巾できる、 5′-CTTCCCTTGTGCCAAGGCTG-3 ′(後掲配列表の配列番号6)および 5′-GAATTCCTTTGCGAGCAG-3 ′(後掲配列表の配列番号7)の2種のプライマーが適当である。DNAの合成は、Applied Biosystems社製「DNA合成機 model 3808」を使用し、ホスホアミダイド法を用いて(Tetrahedron Letters, 22, 1859(1981) 参照)常法に従って行なうことができる。PCR 反応は、宝酒造社製「DNA サーマルサイクラーPJ2000型」を用い、TaqDNAポリメラーゼを用い、供給者により指定された方法に従って行うことができる。
【0113】
PCR 法により増幅されたlysC遺伝子は、エシェリヒア属細菌細胞内において増殖し得るベクターDNAに接続され、エシェリヒア属細菌細胞に導入される。用いられるベクターDNAと形質転換法、さらにlysCの確認方法は上述した方法と同じである。
得られたlysCにアミノ酸置換、挿入および欠失等の変異を実施する方法としては、リコンビナントPCR法(Higuchi, R., 61, PCR Technology (Erlich, H. A. Eds., Stockton Press (1989)) 、部位特異的変異法(Kramer, W. and Frits, H. J., Meth. in Enzymol., 154, 350 (1987)) およびKunkel, T.A. et.al., Meth. in Enzymol., 154, 367 (1987)) などがある。これらの方法を用いる場合には目的部位に目的の変異を起こすことができる。さらに、染色体もしくはプラスミド上の目的遺伝子DNAを直接ヒドロキシルアミン処理する方法(Hashimoto, T. and Sekiguchi, M., J. Bacteriol., 159, 1039 (1984)) または該DNAを保有する菌体を紫外線照射法もしくはN−メチル−N’−ニトロ−N−ニトロソグアニジン、亜硝酸などの化学薬剤処理による常法、目的遺伝子を化学合成する方法等を用いればランダムに変異を導入できる。
【0114】
阻害解除型変異遺伝子lysC *の取得方法としては、まず変異処理した組換えDNAをAK完全欠損株、例えば E.coli GT3 株に形質転換する。次に著量のリジンを含む最少培地、例えばM9に形質転換株を培養する。野性型のlysCを持つプラスミドを保持する株は唯一のAKがリジンにより阻害されるために、スレオニン、イソロイシン、メチオニン、及びジアミノピメリン酸(DAP) の合成が出来なくなり生育が抑えられる。これに対し、リジンによる阻害の解除されたlysC * を持つプラスミド保持株は著量のリジンが添加された最少培地上での生育が可能になるはずである。この現象を利用し、生育が、リジンあるいはリジンのアナログであるS−2−アミノエチルシステイン(AEC) に耐性となっている株、すなわち阻害の解除されたlysC *を持つプラスミド保持株を選択することができる。
【0115】
こうして得られた該変異型遺伝子を、組換えDNAとして適当な微生物(宿主)に導入し、発現させることによりフィードバック阻害が解除されたAKを保有する微生物を取得できる。
スレオニンを生産するために、取得されたlysC遺伝子あるいは変異型lysC遺伝子 (lysC * )が導入され増幅される宿主としては、上記したエシャリヒア属細菌の野性株があげられるが、これ以外にも、ここで構築した組換えベクターDNAの複製起点と lysC 遺伝子あるいは変異型 lysC 遺伝子 (lysC * )が機能し、組換えベクターDNAが複製可能でかつ lysC 遺伝子あるいは変異型 lysC 遺伝子 (lysC * )の増強が可能な菌なら、全て宿主として利用できる。最も好ましい宿主は、E.coli B-3996 株である。
【0116】
<3.本発明によるL−イソロイシンの製造>
上記のようにして得られる解除型thrABCオペロンを導入することによって形質転換され、さらに解除型ilvGMEDAオペロンを保持するエシェリヒア属細菌を、好適な培地中で培養し、該培養物中にL−イソロイシンを生産蓄積させ、該培養物からL−イソロイシンを採取することにより、L−イソロイシンを効率よく製造することができる。すなわち、解除型thrABCオペロンと解除型ilvGMEDAオペロンとをともにエシェリヒア属細菌に保持させることによって、L−イソロイシンを効率よく製造させることができる。
【0117】
さらには、上記のようにして得られる解除型thrABCオペロンを導入することによって形質転換され、さらに完全解除型ilvGMEDAオペロンを保持するエシェリヒア属細菌を、好適な培地中で培養し、該培養物中にL−イソロイシンを生産蓄積させ、該培養物からL−イソロイシンを採取することにより、L−イソロイシンを一層効率よく製造することができる。すなわち、解除型thrABCオペロンと完全解除型ilvGMEDAオペロンとをともにエシェリヒア属細菌に保持させることによって、L−イソロイシンをさらに効率よく製造させることができる。
【0118】
解除型thrABCオペロンを保持するエシェリヒア属細菌としては、解除型thrABCオペロンを含むDNAが染色体DNAに組み込まれて形質転換されたエシェリヒア属細菌、または該DNAとエシェリヒア属細菌細胞内で自律複製可能なベクターDNAとを連結してなる組換えDNAが細胞内に導入されることによって形質転換されたエシェリヒア属細菌等が挙げられる。
【0119】
一方、解除型ilvGMEDAオペロンを含むDNAをエシェリヒア属細菌に導入することによって形質転換するには、解除型ilvGMEDAオペロンを含むDNAを染色体DNAに組み込んで形質転換してもよく、解除型ilvGMEDAオペロンを含むDNAとエシェリヒア属細菌細胞内で自律複製可能なベクターDNAとを連結してなる組換えDNAを細胞内に導入することによって形質転換してもよい。
【0120】
さらに、完全解除型ilvGMEDAオペロンを含むDNAをエシェリヒア属細菌に導入することによって形質転換するには、完全解除型ilvGMEDAオペロンを含むDNAを染色体DNAに組み込んで形質転換してもよく、完全解除型ilvGMEDAオペロンを含むDNAとエシェリヒア属細菌細胞内で自律複製可能なベクターDNAとを連結してなる組換えDNAを細胞内に導入することによって形質転換してもよい。
【0121】
解除型thrABCオペロンおよび解除型ilvGMEDAオペロンの両方、または解除型thrABCオペロンおよび完全解除型ilvGMEDAオペロンの両方をエシェリヒア属細菌に導入する場合には、両方のオペロンがエシェリヒア属細菌の染色体DNA上に組み込まれて保持されていても、細胞内で単一または別々のプラスミド上に染色体外DNAとして保持されていてもよい。さらに、各々のオペロンの一方が染色体DNA上に組み込まれて保持され、もう一方のオペロンが細胞内でプラスミド上に染色体外DNAとして保持されていてもよい。解除型thrABCオペロンと、解除型ilvGMEDAオペロンまたは完全解除型ilvGMEDAオペロンとを、別々のプラスミドの形でエシェリヒア属細菌に持たせる場合には、2種のプラスミドが不和合性を示さないよう、異なる種類の複製起点を有することが好ましい。
【0122】
解除型thrABCオペロンを含むDNAおよび解除型ilvGMEDAオペロンを含むDNAをエシェリヒア属細菌に導入するに際しては、両DNAの導入の順序は問わない。
解除型thrABCオペロンを含むDNAおよび完全解除型ilvGMEDAオペロンを含むDNAをエシェリヒア属細菌に導入するに際しては、両DNAの導入の順序は問わない。
【0123】
宿主として用いるエシェリヒア属細菌としては、その細胞内で解除型thrABCオペロン、解除型ilvGMEDAオペロンおよび完全解除型ilvGMEDAオペロンのプロモーター又はこれらの遺伝子を発現させるための他のプロモーターが機能し、さらに同オペロンのいずれかをプラスミド上に染色体外DNAとして導入する場合には、導入するのに用いるベクターDNAの複製起点が細胞内で機能して複製可能なものであれば利用できる。解除型thrABCオペロンと、解除型ilvGMEDAオペロンまたは完全解除型ilvGMEDAオペロンとを、別々のプラスミドの形でエシェリヒア属細菌に持たせる場合には、2種のプラスミドの複製起点がともに機能する必要がある。
【0124】
本発明による微生物によるL−イソロイシンの生産は、通常の微生物培養方法にて実施可能である。
使用培地としては、炭素源、窒素源、無機物を含有し、必要があれば使用菌株が生育に要求する栄養源を適当量含有するものであれば、合成培地でも天然培地でもよい。
【0125】
炭素源としては、グルコースをはじめとする各種炭水化物、ピルビン酸をはじめとする各種有機酸があげられる。また使用する微生物の資化性によってはエタノールやグリセロール等のアルコールを用いることが出来る。
窒素源としては、アンモニアや、硫酸アンモニウム等の各種酸のアンモニウム塩類や、アミン類その他の窒素化合物や、ペプトン、大豆加水分解物、発酵菌体分解物等の天然窒素源を用いることが出来る。
無機物としては、燐酸第一カリウム、硫酸マグネシウム、塩化ナトリウム、硫酸第一鉄、硫酸マンガン、炭酸カルシウム等が用いられる。
【0126】
培養は、振とう培養、通気かくはん培養等の好気的条件下で行われ、培養温度は20〜40℃で、好ましくは30〜38℃の範囲である。培地のpHは5〜9の範囲で、6.5〜7.2の範囲が好ましい。培地のpHは、アンモニア、炭酸カルシウム、各種酸、各種塩基、緩衝液などによって調整する。
通常1〜3日の培養によって、培養液中にL−イソロイシンが蓄積する。
培養終了後、培養液から菌体などの固形物を遠心分離や膜分離法で除去し、イオン交換法、濃縮法、晶析法等によってL−イソロイシンを回収することが出来る。
【0127】
【実施例】
以下に本発明の実施例を示す。
(実施例1 pMWD5の構築)
エシェリヒア・コリMI162株より、染色体DNAを抽出した。該染色体DNAを制限酵素HindIII で切断した。ilvGM遺伝子を含むHindIII −HindIII DNA断片は4.8kbの長さであることが判明している。そこで4.8kb前後の長さを有するHindIII −HindIII DNA断片と、宝酒造社より購入したプラスミドベクターpBR322をHindIII で切断して得られるDNA断片とを連結した。得られたDNA混合物をアセトヒドロキシ酸シンターゼ欠損株であるエシェリヒア・コリMI262株に導入した。形質転換されてアセトヒドロキシ酸シンターゼ欠損の形質が相補された株を選択し、その株が保有するプラスミドを単離した。同プラスミドの構造を解析した結果、pBR322のHindIII 部位にilvGM遺伝子を含む4.8kbのDNA断片が挿入されていた。同プラスミドをpBRGM7と命名した。
【0128】
Gene 97, 21, (1991) 、Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 78, 922, (1981) と J. Bacteriol. 149, 294, (1982) に報告されている塩基配列を参考にして、配列表配列番号2と配列番号3に記載した合成オリゴヌクレオチドDNAを合成した。両DNAをプライマーとして、MI162株の染色体DNAを鋳型として、PCR法にてDNAの増幅を行った。増幅されるDNA断片は配列表配列番号1に記載される塩基配列のうち25番目から952番目の配列を有するDNA断片である。同断片を断片(A)とする。
【0129】
同様にして、Gene 97, 21, (1991) 、Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 78, 922, (1981) と J. Bacteriol. 149, 294, (1982) に報告されている塩基配列を参考にして、配列表配列番号4と配列番号5に記載した合成オリゴヌクレオチドDNAを合成した。両DNAをプライマーとして、MI162株の染色体DNAを鋳型として、PCR法にてDNAの増幅を行った。増幅されるDNA断片は配列表配列番号1に記載される塩基配列のうち1161番目から2421番目の配列を有するDNA断片である。同断片を断片(B)とする。
【0130】
断片(A)をSmaIで消化して得られる大断片と、pUC18(宝酒造)をSmaIで消化して得られるDNA断片とを連結してプラスミドpUCAを作成した。断片(B)をKpnIで消化して得られる大断片と、pHSG399(宝酒造)をHincII及びKpnIで消化して得られる大断片とを連結してプラスミドpHSGBを作成した。
【0131】
プラスミドpUCAをKpnIで消化し、DNAポリメラーゼIの大フラグメント(クレノーフラグメント)を用いて切断端を平滑末端化し、さらにPstIで消化し、最終的に断片(A)を含むDNA断片を単離した。プラスミドpHSGBをHindIII で消化し、DNAポリメラーゼIの大フラグメント(クレノーフラグメント)を用いて切断端を平滑末端化し、さらにPstIで消化し、最終的に断片(B)を含むDNA断片を単離した。両DNA断片を連結し、プラスミドpHSGSKを作成した。
【0132】
pHSGSKに搭載される、断片(A)及び断片(B)に由来するSmaI−KpnI断片を断片(C)と命名した。断片(C)は、ilvGM遺伝子を含む4.8kbのHindIII −HindIII 断片をSmaIとKpnIで切断して得られる断片に相当し、プロモーター、SD配列及びilvG遺伝子上流域を含むが、リーダー配列からアテニュエーター領域に至る配列約0.2kbを欠いている。以上、pHSGSKを構築する手順を図1にまとめた。
【0133】
プラスミドpHSGSKをSmaIとKpnIで消化することにより断片(C)を得、プラスミドpBRGM7をSmaIとKpnIで消化することにより大DNA断片を得、両者を連結した。得られたプラスミドをpdGM1と命名した。pdGM1に搭載される、ilvGM遺伝子を含む4.6kbのHindIII −HindIII 断片は、アテニュエーションに必要な領域を欠いている。アテニュエーションに必要な領域を欠いたilvGM遺伝子を、本実施例及び図面において「△attGM」と表現する。以上、pdGM1を構築する手順を図2にまとめた。
【0134】
特開平2−458号公報に記載されているプラスミドpDRIA4は、エシェリヒア属細菌で自律複製可能でありかつブレビバクテリウム属細菌で自律複製可能なシャトルベクターpDR1120と、L−イソロイシンによる阻害が実質的に解除されたスレオニンデアミナーゼをコードするilvA遺伝子を含むBamHI−BamHI断片とが結合されて調製される。なお同BamHI−BamHI断片は、特開平2−458号公報では、2.3kbと記載されているが、現在では2.75kbであることが判明している。プラスミドpDRIA4はブレビバクテリウム・フラバムAJ12358(FERM BP−5087)あるいはブレビバクテリウム・フラバムAJ12359(FERM BP−5088)の染色体DNA外に存在する。これらの株から常法によりプラスミドpDRIA4を調製できる。
【0135】
プラスミドpDRIA4上のBamHI−BamHI 2.3kbのDNA断片中、L−イソロイシンによる阻害が実質的に解除されたスレオニンデアミナーゼをコードするilvA遺伝子を含むHindIII−BamHI断片を調製し、ベクターpMW119(ニッポンジーン社製)をHindIII 及びBamHIで切断して得られるDNA断片と連結した。こうして作製されたプラスミドをpMWA1と命名した。L−イソロイシンによる阻害が実質的に解除されたスレオニンデアミナーゼをコードするilvA遺伝子を、本実施例及び図面において「A*」と表現することがある。
【0136】
プラスミドpMWA1をHindIII で切断して得られるDNA断片と、プラスミドpdGM1をHindIII で切断して得られるilvGM遺伝子を含むDNA断片とを連結した。プラスミド上に存在する制限酵素認識部位の位置を解析することによって、ilvGM遺伝子の転写方向とilvA遺伝子の転写方向とが同方向となったものを選択し、これをプラスミドpMWGMA2と命名した。以上、pMWGMA2を構築する手順を図3にまとめた。
【0137】
エシェリヒア・コリMI162株の染色体DNAを調製し、これをSalI及びPstIで切断してDNA断片混合物を調製した。一方、ベクターpUC19(宝酒造社)をSalI及びPstIで切断してDNA断片を調製した。DNA断片混合物とpUC19が切断されて得られるDNA断片とを連結し、DNA混合物を得た。このDNA混合物を、トランスアミナーゼB欠損株であるAB2070株に導入し、形質転換されて分岐鎖アミノ酸要求性が回復した株を選択した。この株よりプラスミドを調製したところ、プラスミドpUC19がSalI及びPstIで切断して得られるDNA断片と、ilvE遺伝子を含むSalI−PstI DNA断片が連結されていた。このプラスミドをpUCE1と命名した。
【0138】
pMWGMA2をHindIII で部分消化してDNA断片混合物を調製した。一方、pUCE1をHindIII で切断しilvE遺伝子の一部とilvD遺伝子の一部とを含む1.7kbのHindIII −HindIII DNA断片を調製した。両者を連結して得られるDNA混合物を用いてジヒドロキシ酸デヒドラターゼ(ilvD遺伝子産物)欠損株AB1280株を形質転換し、形質転換された株のうち分岐鎖アミノ酸要求性が消失したものを選択した。同形質転換株から、プラスミドを調製したところ、pMWGMA2が△attGMとA*との間に存在するHindIII 部位でのみ切断されて得られるDNA断片と、pUCE1に由来するilvE遺伝子の一部とilvD遺伝子の一部とを含む1.7kbのHindIII −HindIII DNA断片が連結されており、ilvGMEDAオペロンが再生されていた。こうして得られるプラスミドをpMWD5と命名した。以上、pMWD5を構築する手順を図4にまとめた。
【0139】
以上の様にして得られたプラスミドpMWD5は、pMW119をベクターとしており、L−イソロイシンによる阻害が実質的に解除されたTDをコードするilvA遺伝子を含みかつアテニュエーションに必要な領域が除去されたilvGMEDAオペロンを搭載したプラスミドである。
【0140】
(実施例2 L−イソロイシン生産菌株の造成)
実施例1で得られたプラスミドpMWD5を、特表平3−501682号公報及びUSP5,175,107に記載されるL−スレオニン生産菌エシェリヒア・コリB−3996株に、常法である塩化ルビジウム法により、導入した。pMWD5により形質転換された株のうち、ストレプトマイシン 100μg/mlとアンピシリン 100μg/mlに同時に耐性となった形質転換株を選択した。得られた形質転換株をAJ12919株と命名した。
【0141】
L−スレオニン生産菌エシェリヒア・コリB−3996株は、旧USSRアンチバイオティクス・リサーチ・インスティチュート(the USSR Antibiotics Research Institute) に登録番号1867のもとに寄託されている。B−3996株の宿主菌はエシェリヒア・コリTDH−6株であり、thrC遺伝子を欠損し、サッカロース資化性を有し、5mg/mlのL−スレオニン存在下で増殖でき、スレオニンデヒドロゲナーゼを欠失し、ilvA遺伝子がリーキー変異を有している。そしてB−3996株は、L−スレオニンによる阻害が実質的に解除されたAKI−HDIをコードするthrA遺伝子を含むthrABCオペロンが広宿主域ベクターRSF1010由来のベクターに搭載されて得られるプラスミドpVIC40を保持している。従って、プラスミドpVIC40とプラスミドpNWD5とを保持するエシェリヒア・コリAJ12919株は、L−スレオニンによる阻害が実質的に解除されたAKI−HDIをコードするthrA遺伝子を含むthrABCオペロンと、L−イソロイシンによる阻害が実質的に解除されたTDをコードするilvA遺伝子を含みかつアテニュエーションに必要な領域が除去されたilvGMEDAオペロンとをプラスミドベクターによって保持する株である。
【0142】
(実施例3 AJ12919株によるL−イソロイシン生産試験(1))
実施例2で得られたAJ12919株のL−イソロイシン発酵生産試験を行った。バクトトリプトン1%、酵母エキス0.5%、NaCl0.5%、寒天1.5%、ストレプトマイシン100μg/ml、アンピシリン100μg/mlからなる組成の培地にAJ12919株を塗布し、37℃で18ないし24時間培養後、その一部を白金耳で20mlの発酵培地(グルコース4%、硫酸アンモニウム1.6%、リン酸二水素カリウム0.1%、硫酸マグネシウム7水塩0.1%、硫酸第一鉄7水塩0.001%、硫酸マンガン5水塩0.001%、酵母エキス0.2%、炭酸カルシウム3%、pH7.0)に接種して、37℃で24時間振とう培養した。菌体を除去した培養上清中のL−イソロイシン及びL−スレオニン濃度を高速液体クロマトグラフィーにて測定した。結果を表1に示す。
【0143】
【表1】
菌株 L−イソロイシン濃度( g/L) L−スレオニン濃度( g/L
AJ12919 10
【0144】
(実施例4 AJ12919株によるL−イソロイシン生産試験(2))
AJ12919株を実施例3と同様の寒天培地にて37℃、24時間培養後、実施例3と同様の組成の発酵培地300mlを含む1リットル容発酵槽に接種し、かくはん数400rpm、通気量300ml/minにて37゜Cで16時間培養して種培養液を得た。得られた種培養液30mlをグルコース6%、硫酸アンモニウム1.6%、リン酸二水素カリウム0.1%、硫酸マグネシウム7水塩0.1%、硫酸第一鉄7水塩0.001%、硫酸マンガン5水塩0.001%、酵母エキス0.2%、pH7.0の組成の発酵培地250mlを含む1リットル容発酵槽に接種して、37℃、通気量300ml/minにて、培地中の容存酸素濃度が5%以上となるようにかくはん数を制御しながら、グルコースを適宜供給し、アンモニアガスにてpHを7.0付近に維持しつつ、23時間培養を行った。菌体を除去した培養上清中のL−イソロイシン濃度を高速液体クロマトグラフィーにて測定した。その結果、培養上清中のL−イソロイシンの蓄積量は39g/Lであった。
【0145】
(実施例5 L−イソロイシン生産菌株の造成(2))
国際公開特許WO94/11517号公報には、旧USSRアンチバイオティクス・リサーチ・インスティチュート(the USSR Antibiotics Research Institute)に登録番号1867のもとに寄託されているL−スレオニン生産菌B−3996株の保持するプラスミドpVIC40と、日本の工業技術院生命工学工業技術研究所に登録番号FERM P−13136(国際寄託番号FERM BP−4462)のもとに寄託されている、L−リジンによる阻害が実質的に解除されたAKIIIをコードするlysC遺伝子搭載プラスミド(pLLC*80)とから、L−スレオニンによる阻害が実質的に解除されたAKI−HDIをコードするthrA遺伝子を含むthrABCオペロンと、L−リジンによる阻害が実質的に解除されたAKIIIをコードするlysC遺伝子とが広宿主域ベクターRSF1010由来のベクターに搭載されたプラスミドpVICLC*80Aを構築する方法と、該プラスミドpVICLC*80AをB−3996株の宿主B−399株(TDH−6株)に導入したL−スレオニン生産菌とが開示されている。
【0146】
プラスミドpVICLC*80AをB−3996株の宿主B−399株(TDH−6株)に導入したL−スレオニン生産菌に実施例1で得られたプラスミドpMWD5を、常法である塩化ルビジウム法により導入した。pMWD5により形質転換された株のうち、ストレプトマイシン100 μg/mlとアンピシリン100 μg/mlに同時に耐性となった形質転換株を選択した。得られた形質転換株をAJ13100株と命名した。
【0147】
AJ13100株の宿主菌はエシェリヒア・コリTDH−6株(B−399株)であり、thrC遺伝子を欠損し、サッカロース資化性を有し、5mg/mlのL−スレオニン存在下で増殖でき、スレオニンデヒドロゲナーゼを欠失し、ilvA遺伝子がリーキー変異を有している。そしてAJ13100株は、L−スレオニンによる阻害が実質的に解除されたAKI−HDIをコードするthrA遺伝子を含むthrABCオペロンとL−リジンによる阻害が実質的に解除されたAKIIIをコードするlysC遺伝子とが広宿主域ベクターRSF1010由来のベクターに搭載されたプラスミドpVICLC*80Aと、実施例1で得られたプラスミドpMWD5とを保持している。従って、エシェリヒア・コリAJ13100株は、L−スレオニンによる阻害が実質的に解除されたAKI−HDIをコードするthrA遺伝子を含むthrABCオペロンと、L−リジンによる阻害が実質的に解除されたAKIIIをコードするlysC遺伝子と、L−イソロイシンによる阻害が実質的に解除されたTDをコードするilvA遺伝子を含みかつアテニュエーションに必要な領域が除去されたilvGMEDAオペロンとをプラスミドベクターによって保持する株である。
【0148】
(実施例6 AJ13100株によるL−イソロイシン生産試験)
実施例5で得られたAJ13100株のL−イソロイシン発酵生産試験を行った。バクトトリプトン1%、酵母エキス0.5%、NaCl0.5%、寒天1.5%、ストレプトマイシン100μg/ml、アンピシリン100μg/mlからなる組成の培地にAJ13100株を塗布し、37℃で18ないし24時間培養後、その一部を白金耳で20mlの発酵培地(グルコース4%、硫酸アンモニウム1.6%、リン酸二水素カリウム0.1%、硫酸マグネシウム7水塩0.1%、硫酸第一鉄7水塩0.001%、硫酸マンガン5水塩0.001%、酵母エキス0.2%、炭酸カルシウム3%、pH7.0)に接種して、37℃で24時間振とう培養した。実施例2で得られたAJ12919株も同様に培養した。菌体を除去した培養上清中のL−イソロイシン及びL−スレオニン濃度を高速液体クロマトグラフィーにて測定した。結果を表2に示す。
【0149】
【表2】
菌株 L−イソロイシン濃度( g/L) L−スレオニン濃度( g/L
AJ12919 10 0
AJ13100 12
【0150】
【発明の効果】
本願発明であるL−イソロイシン生産性を有するエシェリヒア属細菌は、L−スレオニンによる阻害が実質的に解除されたアスパルトキナーゼI−ホモセリンデヒドロゲナーゼIをコードするthrA遺伝子を含むthrABCオペロンが複数コピーのプラスミド上に搭載されて増幅されているため、L−イソロイシンの前駆体物質であるL−スレオニンを十分量生合成する。さらに、L−イソロイシンによる阻害が実質的に解除されたスレオニンデアミナーゼをコードするilvA遺伝子を含みかつアテニュエーションに必要な領域が除去されたilvGMEDAオペロンが複数コピーのプラスミド上に搭載されて増幅されているため、L−スレオニンをL−イソロイシンに効率よく変換する。
【0151】
L−イソロイシンによる阻害が実質的に解除されたスレオニンデアミナーゼをコードするilvA遺伝子を含みかつアテニュエーションに必要な領域が除去されたilvGMEDAオペロンを用いると、ilvGM遺伝子、ilvE遺伝子、ilvD遺伝子及びilvA遺伝子に由来するL−イソロイシン生合成系の酵素群がバランスよく産生される。転写は本来のプロモーターによって行なわれるので効率よく行なわれる。
【0152】
一般には、多コピーのプラスミドを用いてL−イソロイシンによる阻害が実質的に解除されたスレオニンデアミナーゼをコードするilvA遺伝子を含むilvGMEDAオペロンの遺伝子量を増加するだけで、ilvGMEDAオペロンの転写レベルのネガティヴ・コントロールは解除され、L−イソロイシンの生産性は十分改善されるものと思われる。ところが本願発明では、さらにアテニュエーションに必要な領域を除去することにより、意外にもいっそうL−イソロイシンの生産性を改善することに成功した。
【0153】
【配列表】

Figure 0003975470
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Figure 0003975470
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Figure 0003975470
【0154】
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【0155】
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【0156】
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【0157】
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【0158】
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【0159】
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【図面の簡単な説明】
【図1】プラスミドpHSGSKの構築手順を示す。
図1で用いられている略記号のうち、HはDNA上に存在するHindIII 切断部位を示す。同様にPはPstI切断部位を、KはKpnI切断部位を、BはBamHI切断部位を、XはXbaI切断部位を、SmはSmaI切断部位を示す。&は制限酵素による再切断が不能であることを示す。
P→はプロモーターを示す。SDはシャイン・ダルガノ配列を示す。ATGは翻訳開始コドンを示す。TGAは翻訳終始コドンを示す。
Apは形質転換株にアンピシリン耐性を付与するマーカー遺伝子である。Cmは形質転換株にクロラムフェニコール耐性を付与するマーカー遺伝子である。
【図2】ilvGMEDAオペロンのアテニュエーションに必要な領域を除去したilvGM遺伝子を造成し、プラスミドpdGM1を構築する手順を示す。
図2で用いられている略記号は、図1で用いられている略記号と同じ意味のものである。
【図3】プラスミドpMWGMA2の構築手順を示す。
図3で用いられている略記号は、図1で用いられている略記号と同じ意味のものである。
【図4】プラスミドpMWD5の構築手順を示す。
図4で用いられている略記号は、図1で用いられている略記号と同じ意味のものであるが、加えて、SはSalI切断部位を示す。また、parはプラスミドの安定化領域を示す。[0001]
[Industrial application fields]
The present invention relates to a method for producing L-isoleucine by a fermentation method and an Escherichia bacterium used in the production method. L-isoleucine is an essential amino acid for humans and animals, and is mainly useful for pharmaceutical use including nutrients.
[0002]
[Prior art]
Since isoleucine has two asymmetric carbons, it is difficult to produce only the L form industrially at low cost by the method using chemical synthesis. A method for producing L-isoleucine by bioconversion using a precursor of L-isoleucine biosynthesis such as α-aminobutyric acid and α-ketobutyric acid as a raw material is also known. However, these methods are expensive, and are not advantageous methods for producing L-isoleucine at an industrially low cost.
[0003]
The following is known as a method for producing L-isoleucine by direct fermentation using an inexpensive carbon source and nitrogen source. 1) A method using a mutant strain of Corynebacterium, Serratia or Escherichia resistant to an antagonist of L-isoleucine as an L-isoleucine producing strain (Japanese Patent Publication Nos. 51-21077 and 52-4629) 2) Escherichia or Coryne in which threonine deaminase or acetohydroxy acid synthase, which is a key enzyme for biosynthesis of L-isoleucine, is enhanced by recombinant DNA technology, is disclosed in Japanese Patent Publication Nos. 56-29998 and 56-3035. A method in which a microorganism belonging to the genus Bacteria is used as an L-isoleucine-producing strain (JP-A-2-458, JP-A-2-42988, etc.).
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
An object of the present invention is to provide a method for producing L-isoleucine at a higher yield and at a lower cost by using a fermentation method.
[0005]
[Means for Solving the Problems]
The present inventors have provided a thrABC operon containing a thrA gene encoding aspartokinase I-homoserine dehydrogenase I substantially desensitized by L-threonine, and threonine substantially desensitized by L-isoleucine. L. isoleucine is produced using an Escherichia bacterium having L-isoleucine productivity, characterized by retaining an ilvGMEDA operon containing the ilvA gene encoding deaminase and excluding the region necessary for attenuation. We succeeded in manufacturing at a higher yield and lower cost.
[0006]
The present invention relates to a thrABC operon containing a thrA gene encoding aspartokinase I-homoserine dehydrogenase I substantially desensitized by L-threonine, and threonine deaminase substantially desensitized by L-isoleucine. The present invention provides an Escherichia bacterium having L-isoleucine productivity, characterized in that it retains the ilvGMEDA operon containing the coding ilvA gene and from which the region necessary for attenuation is removed.
The Escherichia bacterium of the present invention can retain the thrABC operon and the ilvGMEDA operon on a plasmid.
The bacterium belonging to the genus Escherichia of the present invention can hold two types of plasmids: a plasmid (A) carrying the thrABC operon and a plasmid (B) carrying the ilvGMEDA operon.
Specific examples of the ilvGMEDA operon include those having a DNA sequence from which DNA sequences Nos. 953 to 1160 are deleted from SEQ ID NO: 1 in Sequence Listing.
[0007]
A specific example of the plasmid (A) is pVIC40, and a specific example of the plasmid (B) is pMWD5.
A preferred Escherichia bacterium is Escherichia coli.
A more preferred Escherichia bacterium of the present invention is a thrABC that lacks the thrC gene, can grow in the presence of 5 mg / ml of L-threonine, lacks threonine dehydrogenase activity, and the ilvA gene has a leaky mutation. This is Escherichia coli in which an operon and the ilvGMEDA operon are introduced. Specific examples thereof include Escherichia coli AJ12919 strain.
[0008]
The present invention also provides a thrABC operon comprising a thrA gene encoding aspartokinase I-homoserine dehydrogenase I substantially desensitized by L-threonine, and an aspart that is substantially desensitized by L-lysine. Retaining the lysC gene encoding kinase III and the ilvGMEDA operon containing the ilvA gene encoding threonine deaminase substantially desensitized by L-isoleucine and having a region necessary for attenuation removed. The present invention provides a bacterium belonging to the genus Escherichia having L-isoleucine productivity.
The bacterium belonging to the genus Escherichia of the present invention can retain the thrABC operon, the lysC gene, and the ilvGMEDA operon on a plasmid.
[0009]
The bacterium belonging to the genus Escherichia of the present invention can hold two types of plasmids: a plasmid (C) carrying the thrABC operon and the lysC gene and a plasmid (B) carrying the ilvGMEDA operon.
Specific examples of the ilvGMEDA operon include those having a DNA sequence from which DNA sequences Nos. 953 to 1160 are deleted from SEQ ID NO: 1 in Sequence Listing.
A specific example of the plasmid (C) is pVICLC * 80A, and a specific example of the plasmid (B) is pMWD5.
A preferred Escherichia bacterium is Escherichia coli.
A more preferred Escherichia bacterium of the present invention is a thrABC that lacks the thrC gene, can grow in the presence of 5 mg / ml of L-threonine, lacks threonine dehydrogenase activity, and the ilvA gene has a leaky mutation. Escherichia coli into which an operon, the lysC gene, and the ilvGMEDA operon have been introduced. A specific example thereof is Escherichia coli AJ13100 strain.
[0010]
The present invention further comprises culturing the aforementioned Escherichia bacterium in a medium, producing and accumulating L-isoleucine in the medium, and collecting L-isoleucine from the medium, and a method for producing L-isoleucine by a fermentation method Is to provide.
Hereinafter, in the present specification, the thrA gene encoding aspartokinase I-homoserine dehydrogenase I in which inhibition by L-threonine has been substantially eliminated may be referred to as a “released thrA gene”. In addition, the thrABC operon containing the thrA gene encoding aspartokinase I-homoserine dehydrogenase I, which is substantially desensitized by L-threonine, may be referred to as a “released thrABC operon”.
[0011]
In the present specification, an ilvA gene encoding a threonine deaminase from which inhibition by L-isoleucine has been substantially released is sometimes referred to as a “released ilvA gene”. In addition, the ilvGMEDA operon containing the ilvA gene (released ilvA gene) encoding threonine deaminase whose inhibition by L-isoleucine is substantially released may be referred to as a “released ilvGMEDA operon”. The ilvGMEDA operon containing the release-type ilvA gene and from which a region necessary for attenuation is removed may be referred to as a “fully release-type ilvGMEDA operon”.
In the present specification, aspartokinase I-homoserine dehydrogenase I may be abbreviated as “AKI-HDI”. Further, threonine deaminase may be abbreviated as “TD”.
[0012]
In the present specification, aspartokinase I-homoserine dehydrogenase I in which inhibition by L-threonine is substantially released is sometimes referred to as “released AKI-HDI”. In addition, threonine deaminase from which inhibition by L-isoleucine has been substantially eliminated may be referred to as “released TD”.
Hereinafter, the present invention will be described in detail.
[0013]
<1. ThrABC operon containing thrA gene whose inhibition by L-threonine is substantially released>
[0014]
The thrABC operon containing the thrA gene encoding aspartokinase I-homoserine dehydrogenase I, which is substantially inhibited from being inhibited by L-threonine, that is, the released thrABC operon is wild-type thrABC in that the thrA gene contained therein has a mutation. Different from operons. The mutation means a mutation that cancels feedback inhibition by L-threonine for AKI-HDI encoded by the thrA gene.
[0015]
A method for obtaining such a release-type thrABC operon is as follows. First, DNA containing the wild-type thrABC operon is subjected to in vitro mutation treatment, and the DNA after mutation treatment and a vector DNA suitable for the host are ligated to obtain recombinant DNA. If a recombinant DNA is introduced into a host microorganism to obtain a transformant, and a transformant that has been expressed so as to express a release type AKI-HDI is selected, the transformant becomes a release type thrABC operon. Holding. In addition, DNA containing the wild-type thrABC operon is ligated with a vector DNA compatible with the host to obtain recombinant DNA, and then the recombinant DNA is subjected to in vitro mutation treatment, and the recombinant DNA after mutation treatment is used as a host microorganism. Even if a transformant is obtained by introduction and a transformant that has been expressed so as to express the release type AKI-HDI is selected, the transformant retains the release type thrABC operon.
[0016]
After a microorganism that produces wild-type AKI-HDI is subjected to mutation treatment to create a mutant strain that produces release-type AKI-HDI, a release-type thrABC operon may be obtained from the mutant strain. Alternatively, after transforming a transformant introduced with a recombinant DNA linked with a wild-type thrABC operon to create a mutant that produces mutant AKI-HDI, a recombinant DNA is produced from the mutant. If recovered, a release-type thrABC operon may be created on the same DNA.
[0017]
Examples of the drug for in vitro mutation treatment of DNA include hydroxylamine. Hydroxylamine is a chemical mutation treatment agent that causes a mutation from cytosine to thymine by changing cytosine to N4-hydroxycytosine. When the microorganism itself is subjected to mutation treatment, treatment with a mutation agent usually used for artificial mutation such as ultraviolet irradiation or N-methyl-N′-nitro-N-nitrosoguanidine (NTG) is performed.
Examples of the thrABC operon include those derived from bacteria belonging to the genus Escherichia, particularly the thrABC operon derived from Escherichia coli (hereinafter sometimes referred to as “E. coli”).
[0018]
When the thrABC operon derived from bacteria belonging to the genus Escherichia is used, any microorganisms belonging to the genus Escherichia may be used as the donor bacteria for the DNA containing the wild-type thrABC operon. Specifically, those listed in the book by Neidhardt et al. (Neidhardt, F. C. et. Al., Escherichia coli and Salmonella Typhimurium, American Society for Microbiology, Washington D.C., 1208, table 1) can be used. For example, E.coli JM109 strain and MC1061 strain can be mentioned. When a wild strain is used as a donor bacterium for DNA containing the thrABC operon, DNA containing the wild-type thrABC operon can be obtained.
[0019]
(1) Acquisition of wild-type thrABC operon
Hereinafter, preparation examples of DNA containing the thrABC operon will be described. First, E. coli having wild type AKI-HDI, for example, MC1061 strain is cultured to obtain a culture. In order to culture the microorganism, it may be cultured by a normal solid culture method, but it is preferable to employ a liquid culture method in consideration of the efficiency in collecting bacteria. As the medium, a medium obtained by adding sodium chloride (NaCl) to yeast extract, peptone, tryptone, or meat extract is used. Specifically, L-broth (Bacto tryptone 1%, Bacto yeast extract 0.5%, NaCl 0.5%, glucose 0.1%, pH = 7.2). The initial pH of the medium is suitably adjusted to 6-8. Further, the culture is performed at 30 to 42 ° C., preferably around 37 ° C. for 4 to 24 hours, by aeration and agitation deep culture, shaking culture or stationary culture.
[0020]
The culture thus obtained is centrifuged at, for example, 3,000 r.p.m. for 5 minutes to obtain cells of E. coli MC1061 strain. From these cells, for example, by the method of Saito and Miura (Biochem. Biophys. Acta., 72, 619, (1963)), the method of KS Kirby (Biochem. J., 64, 405, (1956)), etc. Chromosomal DNA can be obtained.
[0021]
In order to isolate the thrABC operon from the chromosomal DNA thus obtained, a chromosomal DNA library is prepared. First, chromosomal DNA is partially decomposed with an appropriate restriction enzyme to obtain a mixture of various fragments. For example, Sau3AI is digested by acting on chromosomal DNA for various times (1 minute to 2 hours) at a temperature of 30 ° C. or higher, preferably 37 ° C. and an enzyme concentration of 1 to 10 units / ml.
[0022]
Subsequently, the cleaved chromosomal DNA fragment is ligated to a vector DNA capable of autonomous replication in Escherichia bacterial cells to produce a recombinant DNA. Specifically, a restriction enzyme that produces the same base sequence as the restriction enzyme Sau3AI used for cleaving chromosomal DNA, such as BamHI, is at least 30 hours at a temperature of 30 ° C. or more and an enzyme concentration of 1 to 100 units / ml. Preferably, it is allowed to act on vector DNA for 1 to 3 hours to completely digest it and cleave it. Next, the chromosomal DNA fragment mixture obtained as described above and the cleaved vector DNA are mixed, and this is mixed with a DNA ligase, preferably T4 DNA ligase, at a temperature of 4-16 ° C. and an enzyme concentration of 1-100 units / ml. Recombinant DNA is obtained by allowing to act for 1 hour or more, preferably 6 to 24 hours under the conditions.
[0023]
The obtained recombinant DNA is used to transform Escherichia microorganisms such as Escherichia coli K-12 strain or E. coli Gif106M1 strain (thrA1101, metLM1000, lysC1001, ilvA, argH). Convert to make a chromosomal DNA library. This transformation can be accomplished by DM Morrison's method (Methods in Enzymology 68, 326, 1979) or by treating recipient cells with calcium chloride (Mandel, M. and Higa, A., J. Mol. Biol., 53, 159). (1970)) etc. The E. coli Gif106M1 strain is available from the E. coli Genetic Stock Center (Connecticut, USA).
[0024]
From the obtained chromosomal DNA library, a strain having increased aspartokinase activity or a strain having complemented auxotrophy due to an aspartokinase gene deficiency is selected, and a strain having a recombinant DNA containing the thrA gene Get.
[0025]
In order to confirm whether the candidate strain having the recombinant DNA containing the thrA gene retains the recombinant DNA cloned in the thrA gene, a cell extract is prepared from the candidate strain, and a crude enzyme solution is added from the cell extract. This can be achieved by preparing and confirming that aspartokinase activity is increased. The enzyme activity of aspartokinase can be measured by the method of Stattman et al. (Stadtman, ER, Cohen, GN, LeBras, G., and Robichon-Szulmajster, H., J. Biol. Chem., 236 , 2033 (1961)).
[0026]
Moreover, since the aspartokinase-deficient mutant is auxotrophic for L-lysine, L-threonine, L-methinion and diaminopimelate, when the aspartokinase-deficient mutant is used as a host, L-lysine, L-threonine A thrA gene by isolating a strain capable of growing on a minimal medium containing no L-methinion and diaminopimelic acid, or on a medium not containing homoserine and diaminopimelic acid, and recovering the recombinant DNA from the strain. DNA fragments containing can be obtained.
[0027]
However, E. coli has three types of aspartokinase, and there are also three types of genes encoding aspartokinase. Therefore, in order to confirm whether or not the target thrA gene has been isolated, it is preferable to analyze and confirm its base sequence or restriction enzyme cleavage pattern. The base sequence of the thrA gene of E. coli has already been reported (Katinka, M et al., Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A., 77, 5730 (1980)).
[0028]
A recombinant DNA in which a DNA containing the thrA gene is inserted into a vector DNA from the above strain is obtained by, for example, the method of P. Guerry et al. (J. Bacteriol., 116, 1064, (1973)) or the method of DB Clewell. (J. Bacteriol., 110, 667, (1972)).
[0029]
In order to isolate the full length of the thrABC operon, it is necessary to select again a transformant carrying a recombinant DNA containing the full length of the thrABC operon from the chromosomal DNA library. That is, selection by colony hybridization is performed using the obtained thrA gene as a probe. The colony hybridization method follows a conventional method (Molecular Cloning, 2nd edition, Cold Spring Harbor Press (1989)).
[0030]
In order to confirm whether or not the full length of the thrABC operon was isolated, the isolated candidate DNA was introduced into a strain lacking the thrB gene to confirm that the thrB gene deficiency was recovered and further isolated. A candidate DNA may be introduced into a strain lacking the thrC gene to confirm that the thrC gene deficiency is recovered. As a strain lacking the thrB gene, there is an E. coli YA73 strain (thrB1000, thi-1, relA1, λ-, spoT1). As a strain lacking the thrC gene, there is E. coli Gif41 strain (thrC1001, thi-1, relA1, λ-, spoT1). The E. coli YA73 strain and E. coli Gif41 strain are available from the E. coli Genetic Stock Center (Connecticut, USA).
[0031]
In addition, in order to confirm whether or not the full length of the thrABC operon has been isolated, the base sequence or restriction enzyme cleavage pattern of the isolated candidate DNA is analyzed and confirmed. The nucleotide sequence of the thrB gene of E. coli has already been reported (Cossart, P et al., Nucleic Acids Res., 9, 339 (1981)), and the nucleotide sequence of the thrC gene of E. coli has already been reported. (Parsot, C et al., Nucleic Acids Res., 11, 7331 (1983)).
[0032]
The wild-type thrABC operon was obtained by preparing a chromosomal DNA from a strain having the wild-type thrABC operon on the chromosome by the method of Saito, Miura, etc., and using the polymerase chain reaction method (PCR: Polymerase chain reaction; White, TJ et al; Trends Genet. 5, 185 (1989)), and can also be performed by amplifying the thrABC operon. A DNA primer used for the amplification reaction is complementary to both 3 'ends of a DNA duplex containing the entire region or a partial region of the thrABC operon. When only a partial region of the thrABC operon is amplified, it is necessary to screen a DNA fragment containing the entire region from the chromosomal DNA library using the DNA fragment as a probe. When the entire region of the thrABC operon is amplified, the PCR reaction solution containing the amplified thrABC operon-containing DNA fragment is subjected to agarose gel electrophoresis, and then the desired DNA fragment is extracted to contain the thrABC operon. DNA fragments can be recovered.
[0033]
As a DNA primer, for example, an appropriate primer may be prepared based on a sequence known in E. coli. The base sequence of the thrA gene of E. coli is reported in Katinka, M et al., Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 77, 5730 (1980), and the base sequence of the thrB gene of E. coli is Cossart. , P et al., Nucleic Acids Res., 9, 339 (1981), and the nucleotide sequence of the thrC gene of E. coli is Parsot, C et al., Nucleic Acids Res., 11, 7331 (1983). ).
[0034]
The primer DNA is synthesized by a conventional method such as the phosphoramidide method (see Tetrahedron Letters, 22, 1859 (1981)) using a commercially available DNA synthesizer (for example, DNA synthesizer model 380B manufactured by Applied Biosystems). be able to. The PCR reaction was carried out using a commercially available PCR reaction apparatus (Perkin Elmer DNA thermal cycler PJ2000 type or the like), Taq DNA polymerase (supplied by Takara Shuzo Co., Ltd.), and a method designated by the supplier. Can be done according to.
[0035]
The thrABC operon amplified by the PCR method is connected to a vector DNA capable of autonomous replication in Escherichia bacterial cells and introduced into Escherichia bacterial cells, thereby facilitating operations such as introducing mutations into the thrA gene. . The vector DNA used, the transformation method, and the method for confirming the presence of the thrABC operon are the same as described above.
[0036]
(2) Introduction of mutation into thrABC operon
The thrABC operon obtained as described above may be subjected to mutations such as substitution, insertion and deletion of amino acid residues by recombinant PCR (Higuchi, R., 61, PCR Technology (Erlich, HA Eds , Stockton press (1989))), site-directed mutagenesis (Kramer, W. and Frits, HJ, Meth. In Enzymol., 154, 350 (1987); Kunkel, TA et.al., Meth. In Enzymol ., 154, 367 (1987)). When these methods are used, the target mutation can be caused at the target site.
[0037]
Moreover, according to the method of chemically synthesizing the target gene, mutations to the target site or random mutations can be introduced.
Furthermore, there is a method (Hashimoto, T. and Sekiguchi, M., J. Bacteriol., 159, 1039 (1984)) in which the thrABC operon on the chromosome or plasmid is directly treated with hydroxylamine. Alternatively, a method of irradiating an bacterium belonging to the genus Escherichia having a thrABC operon with ultraviolet rays or a method of treating with a chemical agent such as N-methyl-N′-nitro-N-nitrosoguanidine or nitrous acid may be used. According to these methods, mutations can be introduced at random.
[0038]
As a method for selecting the released thrABC operon, first, a recombinant DNA comprising a DNA fragment containing the thrABC operon and a vector DNA is directly mutated with hydroxylamine or the like, and for example, E. coli Gif106M1 is transformed. . Next, the transformed strain is cultured in a minimal medium such as M9 containing an antagonist of L-threonine, such as α-amino-β-hydroxyvaleric acid (AHV). A strain carrying a recombinant DNA containing the wild-type thrABC operon can synthesize L-homoserine and diaminopimelic acid (DAP) because AKI-HDI expressed by the recombinant DNA is inhibited by AHV. Eliminates growth. In contrast, a strain carrying a recombinant DNA containing a thrABC operon containing a thrA gene encoding AKI-HDI that has been desensitized by L-threonine is released by the thrA gene encoded in the recombinant DNA. Since type AKI-HDI is not inhibited by AHV, it should be able to grow on minimal medium supplemented with AHV. By utilizing this phenomenon, a strain whose growth is resistant to AHV, that is, a strain carrying a recombinant DNA containing a thrABC operon containing a released thrA gene whose inhibition is released can be selected.
[0039]
The released thrABC operon thus obtained is introduced into a suitable host microorganism as a recombinant DNA and expressed to carry AKI-HDI in which feedback inhibition is released, and the L-threonine biosynthesis encoded by the thrABC operon. Microorganisms with enhanced expression of synthetic enzymes can be obtained. As the host, microorganisms belonging to the genus Escherichia are preferable, and examples thereof include Escherichia coli (E. coli).
[0040]
Alternatively, a release-type thrABC operon extracted from the recombinant DNA and inserted into another vector DNA may be used. The vector DNA that can be used in the present invention is preferably a plasmid vector DNA, and examples thereof include pUC19, pUC18, pBR322, pHSG299, pHSG298, pHSG399, pHSG398, RSF1010, pMW119, pMW118, pMW219, and pMW218. In addition, phage DNA vectors can be used.
[0041]
Furthermore, in order to efficiently perform the expression of the release-type thrABC operon, the transcription control region (operator or attenuator) located upstream of the release-type thrABC operon may be removed. Alternatively, other promoters that work in microorganisms such as lac, trp, and PL may be linked, and a promoter unique to the thrABC operon may be amplified and used.
[0042]
In addition, as described above, the thrABC operon inserted into a vector DNA capable of autonomous replication may be introduced into the host and retained in the host as extrachromosomal DNA such as a plasmid. Daction, transposon (Berg, DE and Berg, CM, Bio / Technol., 1, 417 (1983)), Mu phage (JP-A-2-109985) or homologous recombination (Experiments in Molecular Genetics, Cold Spring Habor Lab. (1972)) may be incorporated into the chromosome of the host microorganism.
[0043]
<2. IlvGMEDA operon containing the ilvA gene whose inhibition by L-isoleucine is substantially released and the region necessary for attenuation is removed>
The ilvGMEDA operon containing the ilvA gene encoding threonine deaminase substantially desensitized by L-isoleucine, that is, the released ilvGMEDA operon differs from the wild type ilvGMEDA operon in that the contained ilvA gene has a mutation. This mutation means a mutation that cancels feedback inhibition by L-isoleucine on TD encoded by the ilvA gene.
[0044]
The ilvGMEDA operon containing the ilvA gene encoding threonine deaminase substantially desensitized by L-isoleucine and having the region necessary for attenuation removed, ie, the completely released ilvGMEDA operon is added to the released ilvGMEDA operon. Thus, it is different from the wild type ilvGMEDA operon or the release type ilvGMEDA operon in that a mutation is introduced so that no attenuation occurs. This mutation includes not only a part of the attenuator existing in the 5 'upstream region of the ilvGMEDA operon, but a part or a part of the attenuator, and a part that inserts a new DNA fragment inside the attenuator.
[0045]
The method for obtaining the release type ilvGMEDA operon is as follows. First, DNA containing the wild type ilvGMEDA operon is subjected to in vitro mutation treatment, and the DNA after mutation treatment and a vector DNA suitable for the host are ligated to obtain recombinant DNA. If a recombinant DNA is introduced into a host microorganism to obtain a transformant, and a transformant that has been expressed so as to express a release TD is selected, the transformant retains the release ilvGMEDA operon. is doing. In addition, DNA containing the wild type ilvGMEDA operon is ligated with vector DNA suitable for the host to obtain recombinant DNA, and then the recombinant DNA is subjected to in vitro mutation treatment, and the recombinant DNA after mutation treatment is used as a host microorganism. Even when a transformant is obtained by introduction and a transformant that has been expressed so as to express the release TD is selected, the transformant retains the release ilvGMEDA operon.
[0046]
After mutating a microorganism that produces wild-type TD and creating a mutant strain that produces release-type TD, the release-type ilvGMEDA operon may be obtained from the mutant strain. Alternatively, after transforming a transformant introduced with a recombinant DNA to which the wild-type ilvGMEDA operon has been ligated to create a mutant strain producing mutant TD, the recombinant DNA can be recovered from the mutant strain. For example, a release-type ilvGMEDA operon may be created on the same DNA.
[0047]
Examples of the drug for in vitro mutation treatment of DNA include hydroxylamine. Hydroxylamine is a chemical mutation treatment agent that causes a mutation from cytosine to thymine by changing cytosine to N4-hydroxycytosine. When the microorganism itself is subjected to mutation treatment, treatment with a mutation agent usually used for artificial mutation such as ultraviolet irradiation or N-methyl-N′-nitro-N-nitrosoguanidine (NTG) is performed.
Examples of the ilvGMEDA operon include those derived from bacteria belonging to the genus Escherichia, in particular, the ilvGMEDA operon derived from E. coli.
[0048]
When the ilvGMEDA operon derived from the genus Escherichia is used, any microorganisms belonging to the genus Escherichia may be used as the donor bacteria for the DNA containing the wild type ilvGMEDA operon. Specifically, those listed in the book by Neidhardt et al. (Neidhardt, F.C. et.al., Escherichia coli and Salmonella Typhimurium, American Society for Microbiology, Washington D.C., 1208, table 1) can be used. When a wild strain is used as a donor strain for DNA containing the ilvGMEDA operon, DNA containing the wild type ilvGMEDA operon can be obtained.
[0049]
However, when E. coli is used as a DNA donor for the wild type ilvGMEDA operon, the K12 wild strain does not express active acetohydroxyacid synthase isozyme II (AHASII) because the ilvG gene has a frameshift mutation. (Proc. Natl. Acad. Sci. USA 78, 922, 1981). Therefore, when the K12 strain is used as a DNA donor bacterium, a mutant strain whose frame is returned so that the activity of acetohydroxy acid synthase II encoded by the ilvG gene is restored is used, and then the mutant strain is used as a DNA donor bacterium. There is a need. Alternatively, only the ilvG gene may be isolated using E. coli other than the strain derived from the K12 strain as a DNA donor and introduced into the ilvGMEDA operon derived from the K12 strain. That is, the ilvMEDA part is isolated using the K12 strain as a DNA donor, and only the ilvG gene is isolated using E. coli other than the strain derived from the K12 strain as a DNA donor, and both are ligated to form the full-length ilvGMEDA operon. The isozyme II (AHASII) of acetohydroxy acid synthase is composed of two large and small subunits, and the large subunit is encoded by the ilvG gene. The small subunit is encoded by the ilvM gene.
[0050]
The method for obtaining the fully released ilvGMEDA operon is as follows.
The position and base sequence of the attenuator existing in the 5 'upstream region of the ilvGMEDA operon has been reported by R. P. Lawther et al. (Nucleic Acids Res. 15, 2137 (1987)). By using the released ilvGMEDA operon as a starting material, the fully released ilvGMEDA operon is obtained by preparing the ilvGMEDA operon from which the attenuator is completely removed.
[0051]
The base sequence described as SEQ ID NO: 1 in the sequence listing discloses a region necessary for attenuation. The DNA sequence from 999th to 1007 codes for the continuous part of valine residues present in the leader peptide, and the DNA sequence from 1008th to 1016th codes for the continuous part of isoleucine residues present in the leader peptide. To do. The DNA sequence from 1081 to 1104 encodes the portion that forms a row-independent terminator-like stem / loop in the attenuator.
[0052]
When a sufficient amount of L-isoleucine is present in the cell, transcription by RNA polymerase is terminated because a low-independent terminator-like stem / loop is formed by RNA transcribed from the 1081st to 1104th DNA sequences. The ilvGMEDA operon is not expressed.
[0053]
When L-isoleucine is deficient in the cell, the tRNA to which isoleucine is bound is deficient in the cell, and translation by ribosomes stagnates in a continuous portion of isoleucine residues present in the region encoding the leader peptide. As a result, mRNA forms a new three-dimensional structure, resulting in the formation of a low-independent terminator-like stem / loop formed by RNA transcribed from the 1081st to 1104th DNA sequences. It will not be done. For this reason, transcription by RNA polymerase continues and the ilvGMEDA operon is expressed.
Therefore, in order to remove the region necessary for attenuation, the DNA sequence from the 1008th to the 1016th sequence or the DNA sequence from the 1081st to the 1104th sequence of the sequence disclosed in SEQ ID NO: 1 in the sequence listing is removed. Just do it.
[0054]
By the way, removing the region necessary for attenuation means that a mutation has been introduced so that attenuation does not occur. Therefore, the mutation is not limited to the one that removes all attenuators existing in the 5 'upstream region of the ilvGMEDA operon. In short, it may be a mutation that prevents the attenuator from forming a row-independent terminator-like stem / loop. It may be a mutation that prevents a continuous part of isoleucine residues from being included in the leader peptide. This is because the attenuation does not work in either case.
[0055]
That is, this mutation includes not only a part of the attenuator existing in the 5 'upstream region of the ilvGMEDA operon, but a part of or a part near the attenuator, and a part that inserts a new DNA fragment inside the attenuator.
[0056]
The ilvGMEDA operon containing the ilvA gene encoding threonine deaminase whose inhibition by L-isoleucine has been substantially released and from which the region necessary for attenuation is removed, ie, the completely released ilvGMEDA operon is a wild-type ilvGMEDA operon. After the mutation was introduced to prevent attenuation, the mutation was introduced into the ilvA gene contained in the ilvGMEDA operon, and the inhibition of L-isoleucine on the threonine deaminase encoded by the ilvA gene was substantially reduced. It can also be prepared to be released.
[0057]
(1) Acquisition of wild type ilvGMEDA operon
In order to obtain DNA containing the ilvGMEDA operon, a method of obtaining the ilvGM gene, the ilvE gene, the ilvD gene and the ilvA gene and linking them can be considered.
[0058]
First, E. coli with wild-type TD For example, E. coli K12 strain, E. coli W3110 strain, E. coli MC1061 strain (the above three strains have ilvG caused frameshift), E. coli MI162 Strain (thr-10, car-94, λ-, relA1, ilvG603, thi-1) and E. coli B strain (the above two strains have normal ilvG) to obtain a culture . In order to culture the microorganism, it may be cultured by a normal solid culture method, but it is preferable to employ a liquid culture method in consideration of the efficiency in collecting bacteria. As the medium, a medium obtained by adding sodium chloride (NaCl) to yeast extract, peptone, tryptone, or meat extract is used. Specifically, L-broth (Bacto tryptone 1%, Bacto yeast extract 0.5%, NaCl 0.5%, glucose 0.1%, pH = 7.2). The initial pH of the medium is suitably adjusted to 6-8. Further, the culture is performed at 30 to 42 ° C., preferably around 37 ° C. for 4 to 24 hours, by aeration and agitation deep culture, shaking culture or stationary culture. The E. coli MI162 strain is available from the E. coli Genetic Stock Center (Connecticut, USA). The index number of this stock is CGSC5919. Detailed properties of this strain are described in Mol. Gen. Genet. 143, 243 (1976), J. Bacteriol., 149, 294 (1982).
[0059]
The culture thus obtained is centrifuged at, for example, 3,000 r.p.m. for 5 minutes to obtain E. coli cells. From this cell, chromosomal DNA can be obtained by the method of Saito and Miura (Biochem. Biophys. Acta., 72, 619 (1963)), the method of KS Kirby (Biochem. J., 64, 405 (1956)), etc. Can be obtained.
[0060]
In order to isolate the ilvGMEDA operon from the chromosomal DNA thus obtained, a chromosomal DNA library is prepared. First, chromosomal DNA is partially decomposed with an appropriate restriction enzyme to obtain a mixture of various fragments. For example, Sau3AI is digested by acting on chromosomal DNA for various times (1 minute to 2 hours) at a temperature of 30 ° C. or higher, preferably 37 ° C. and an enzyme concentration of 1 to 10 units / ml.
[0061]
Subsequently, the cleaved chromosomal DNA fragment is ligated to a vector DNA capable of autonomous replication in Escherichia bacterial cells to produce a recombinant DNA. Specifically, a restriction enzyme that produces the same base sequence as the restriction enzyme Sau3AI used for cleaving chromosomal DNA, such as BamHI, is at least 30 hours at a temperature of 30 ° C. or more and an enzyme concentration of 1 to 100 units / ml. Preferably, it is allowed to act on vector DNA for 1 to 3 hours to completely digest it and cleave it. Next, the chromosomal DNA fragment mixture obtained as described above and the cleaved vector DNA are mixed, and this is mixed with a DNA ligase, preferably T4 DNA ligase, at a temperature of 4-16 ° C. and an enzyme concentration of 1-100 units / ml. Recombinant DNA is obtained by allowing to act for 1 hour or more, preferably 6 to 24 hours under the conditions.
[0062]
Using the obtained recombinant DNA, microorganisms belonging to the genus Escherichia such as E. coli MI262 (leuB6, ilvI614, ilvH612, λ-, relA1, spoT1, ilvB619, ilvG603, ilvG605 (am), thi-1) Acetohydroxy acid synthase deficient mutant, E. coli AB2070 (proA2, trp-3, hisG4, ilvE12, metE46, thi-1, ara-9, lacY1 or lacZ4, galK2, malA1, mtl-1, rpsL8 or rpsL9 , ton-1, tsx-3, λR, λ-, supE44) or E. coli AB1280 strain (hisG1, ilvD16, metB1, argH1, thi-1, ara-13, lacY1 or dihydroxy acid dehydratase-deficient mutants such as lacZ4, gal-6, xyl-7, mtl-2, malA1, rpsL8,9 or 17, tonA2, λR, λ-, supE44), E. coli AB1255 strain (thi-1 , ilvA201, argH1, metB1, hisG1, lacY1 or lacZ4, malA1, mtl-2, xyl-7, ara-13, gal-6, rpsL8,9 or 17, tonA2, tsx-5, λR, λ-, supE44) A chromosomal DNA library by transforming a threonine deaminase-deficient mutant such as . This transformation can be accomplished by the DM Morrison method (Methods in Enzymology 68, 326, 1979) or by treating recipient cells with calcium chloride to increase DNA permeability (Mandel, M. and Higa, A., J. Mol. Biol., 53, 159 (1970)) and the like. The E. coli MI262 strain is available from the E. coli Genetic Stock Center (Connecticut, USA). The index number of this stock is CGSC5769. The detailed properties of this strain are described in Mol. Gen. Genet., 156, 1 (1977). The E. coli AB2070 strain is available from the E. coli Genetic Stock Center (Connecticut, USA). The index number of this stock is CGSC2070. The detailed properties of this strain are described in J. Bacteriol., 109, 730 (1972). The E. coli AB1280 strain is available from the E. coli Genetic Stock Center (Connecticut, USA). The index number of this stock is CGSC1280. The E. coli AB1255 strain is available from the E. coli Genetic Stock Center (Connecticut, USA). The index number of this stock is CGSC1255. The detailed properties of this strain are described in J. Bacteriol., 109, 730 (1972).
[0063]
By the way, since the whole nucleotide sequence of the ilvGMEDA operon has been clarified (Nucleic Acids Res. 15, 2137 (1987)), the target gene exists by selecting a specific restriction enzyme and digesting the chromosomal DNA. The DNA fragment can be of a specific length. It is more efficient to create a chromosomal DNA library using this recombinant DNA by ligating only a DNA fragment having this specific length to a vector DNA, and the target gene exists. DNA fragments to be obtained can be obtained.
[0064]
From the obtained chromosomal DNA library, a strain with increased acetohydroxy acid synthase activity or a strain with complemented auxotrophy due to acetohydroxy acid synthase gene deficiency is selected, and a recombinant DNA containing the ilvGM gene is selected. A strain is obtained.
From the obtained chromosomal DNA library, a strain having increased transaminase B activity or a strain having complemented auxotrophy due to transaminase B gene deficiency is selected to obtain a strain having a recombinant DNA containing the ilvE gene. .
[0065]
From the obtained chromosomal DNA library, a strain having increased dihydroxy acid dehydratase activity or a strain having complemented auxotrophy due to dihydroxy acid dehydratase gene deficiency is selected, and a strain having a recombinant DNA containing the ilvD gene Get.
[0066]
From the obtained chromosomal DNA library, a strain with increased threonine deaminase activity or a strain with complemented auxotrophy due to threonine deaminase gene deficiency is selected to obtain a strain having a recombinant DNA containing the ilvA gene. .
[0067]
In order to confirm whether a candidate strain having a recombinant DNA containing the ilvGM gene retains the recombinant DNA into which the ilvGM gene has been cloned, a cell extract is prepared from the candidate strain, and a crude enzyme solution is used from the cell extract. This can be achieved by preparing and confirming that acetohydroxy acid synthase activity is increased. A method for measuring the enzyme activity of acetohydroxy acid synthase can be performed by the method of M. D. Felice et al. (Methods in Enzymology 166, 241).
[0068]
In addition, since acetohydroxy acid synthase-deficient mutant strains are isoleucine, leucine and valine-requiring mutants, when acetohydroxy acid synthase-deficient mutant strains are used as hosts, they can grow on a minimal medium that does not contain valine. And a DNA fragment containing the ilvGM gene can be obtained by recovering the recombinant DNA from the strain.
[0069]
Alternatively, the base sequence of DNA containing the ilvGM gene has already been reported by R. P. Lawther et al. (Nucleic Acids Res. 15, 2137 (1987)). Therefore, it can also be confirmed by isolating the recombinant DNA from the candidate strain, decoding its base sequence, and comparing it with the base sequence in the report.
[0070]
As described above, a mutation has occurred in the open reading frame of the ilvG gene of E. coli K12. As a result, a frame shift occurs, and the translation ends because a stop codon appears in the middle. That is, the stop codon appears at 982 to 984th from the start codon ATG (1st to 3rd) of the ilvG gene. Therefore, when the ilvGM gene obtained from the same strain is used, it is necessary to restore the mutated portion to normal by the site-directed mutagenesis method. For example, in the ilvG gene (ilvG603) of Escherichia coli MI162 strain, two base pairs of TG are inserted before the termination codon TGA at the 982 to 984th positions, and the frame returns to normal. Others are described in detail in Fig. 2 of J. Bacteriol. 149, 294 (1982).
[0071]
A method for confirming whether a candidate strain having a recombinant DNA containing the ilvE gene retains the recombinant DNA into which the ilvE gene has been cloned is as follows. Since a transaminase B-deficient mutant is isoleucine-requiring, when a transaminase B-deficient mutant is used as a host, a strain that can grow on a minimal medium that does not contain isoleucine is isolated, and a recombinant DNA is isolated from the strain. Can be obtained to obtain a DNA fragment containing the ilvE gene.
[0072]
Alternatively, the base sequence of DNA containing the ilvE gene has already been reported by R. P. Lawther et al. (Nucleic Acids Res. 15, 2137 (1987)). Therefore, it can also be confirmed by isolating the recombinant DNA from the candidate strain, decoding its base sequence, and comparing it with the base sequence in the report.
[0073]
A method for confirming whether a candidate strain having a recombinant DNA containing the ilvD gene retains the recombinant DNA into which the ilvD gene has been cloned is as follows. Since the dihydroxy acid dehydratase-deficient mutant strain is isoleucine, leucine, and valine-requiring mutants, when the dihydroxy acid dehydratase-deficient mutant strain is used as a host, isolate the strain that can grow on a medium not containing valine, A DNA fragment containing the ilvD gene can be obtained by recovering the recombinant DNA from the strain.
[0074]
Alternatively, the base sequence of DNA containing the ilvD gene has already been reported by R. P. Lawther et al. (Nucleic Acids Res. 15, 2137 (1987)). Therefore, it can also be confirmed by isolating the recombinant DNA from the candidate strain, decoding its base sequence, and comparing it with the base sequence in the report.
[0075]
In order to confirm whether a candidate strain having a recombinant DNA containing the ilvA gene retains the recombinant DNA into which the ilvA gene has been cloned, a cell extract is prepared from the candidate strain, and a crude enzyme solution is added thereto. It can be achieved by preparing and confirming that threonine deaminase activity is increased. A method for measuring the enzyme activity of threonine deaminase is described in Methods in Enzymology 17B, 555 (1971).
[0076]
In addition, since a threonine deaminase-deficient mutant is isoleucine-requiring, when a threonine deaminase-deficient mutant is used as a host, a strain that can grow on a minimal medium not containing isoleucine is isolated and assembled from the strain. By recovering the replacement DNA, a DNA fragment containing the ilvA gene can be obtained.
[0077]
Alternatively, the base sequence of DNA containing the ilvA gene has already been reported by R. P. Lawther et al. (Nucleic Acids Res. 15, 2137 (1987)). Therefore, it can also be confirmed by isolating the recombinant DNA from the candidate strain, decoding its base sequence, and comparing it with the base sequence in the report.
From each of the above strains, recombinant DNA can be obtained by the method of P. Guerry et al. (J. Bacteriol., 116, 1064 (1973)), the method of DB Clewell (J. Bacteriol., 110, 667 (1972)), etc. It can be isolated.
[0078]
In order to isolate the full length of the ilvGMEDA operon, a DNA fragment having the ilvGM gene, a DNA fragment having the ilvE gene, a DNA fragment having the ilvD gene, and a DNA fragment having the ilvA gene are ligated. When ligating, the entire nucleotide sequence of the ilvGMEDA operon already reported by R. P. Lawther et al. (Nucleic Acids Res. 15, 2137 (1987)) can be referred to.
[0079]
The wild type ilvGMEDA operon was obtained by preparing a chromosomal DNA from a strain having the wild type ilvGMEDA operon on the chromosome by the method of Saito, Miura, etc., and using the polymerase chain reaction method (PCR: Polymerase chain reaction; White, TJ et al; Trends Genet. 5, 185 (1989)), and can also be performed by amplifying the ilvGMEDA operon. A DNA primer used for the amplification reaction is complementary to both 3 'ends of a DNA duplex containing the entire region or a partial region of the ilvGMEDA operon. When only a partial region of the ilvGMEDA operon is amplified, it is necessary to screen a DNA fragment containing the entire region from the chromosomal DNA library using the DNA fragment as a probe. When the entire region of the ilvGMEDA operon is amplified, the PCR reaction solution containing the amplified ilvGMEDA operon-containing DNA fragment is subjected to agarose gel electrophoresis, and then the desired DNA fragment is extracted to contain the ilvGMEDA operon. DNA fragments can be recovered.
To prepare a DNA primer, the entire nucleotide sequence of E. coli ilvGMEDA operon, which has already been reported by R. P. Lawther et al. (Nucleic Acids Res. 15, 2137 (1987)), can be referred to.
[0080]
The primer DNA is synthesized by a conventional method such as the phosphoramidide method (see Tetrahedron Letters, 22, 1859 (1981)) using a commercially available DNA synthesizer (for example, DNA synthesizer model 380B manufactured by Applied Biosystems). be able to. The PCR reaction was carried out using a commercially available PCR reaction apparatus (Perkin Elmer DNA thermal cycler PJ2000 type or the like), Taq DNA polymerase (supplied by Takara Shuzo Co., Ltd.), and a method designated by the supplier. Can be done according to.
[0081]
The ilvGMEDA operon amplified by PCR is connected to a vector DNA capable of autonomous replication in Escherichia bacterial cells and introduced into Escherichia bacterial cells, and is necessary for the operation of introducing mutations into the ilvA gene and attenuation. This makes it easy to perform operations such as removing a region. The vector DNA used, the transformation method, and the method for confirming the presence of the ilvGMEDA operon are the same as described above.
[0082]
(2) Introduction of mutations into the ilvGMEDA operon
The ilvGMEDA operon obtained as described above may be subjected to mutation such as substitution, insertion and deletion of amino acid residues by recombinant PCR (Higuchi, R., 61, PCR Technology (Erlich, HA Eds , Stockton press (1989))), site-directed mutagenesis (Kramer, W. and Frits, HJ, Meth. In Enzymol., 154, 350 (1987); Kunkel, TA et.al., Meth. In Enzymol ., 154, 367 (1987)). When these methods are used, the target mutation can be caused at the target site.
Moreover, according to the method of chemically synthesizing the target gene, mutations to the target site or random mutations can be introduced.
[0083]
Furthermore, there is a method (Hashimoto, T. and Sekiguchi, M., J. Bacteriol., 159, 1039 (1984)) in which the ilvGMEDA operon on the chromosome or plasmid is directly treated with hydroxylamine. Alternatively, a method of irradiating a bacterium belonging to the genus Escherichia having the ilvGMEDA operon with ultraviolet rays or a method of treating with a chemical agent such as N-methyl-N′-nitro-N-nitrosoguanidine or nitrous acid may be used. According to these methods, mutations can be introduced at random.
[0084]
A method for selecting a DNA fragment having a released ilvA gene is as follows. First, a recombinant DNA composed of a DNA fragment having the ilvA gene and a vector DNA is directly mutated with hydroxylamine or the like to transform, for example, E. coli strain W3110. Next, when the transformed strain is cultured in a minimal medium containing an appropriate amount of glycyl-L-leucine, such as M9, for example, an L-isoleucine antagonist, the strain carrying the recombinant DNA having the wild type ilvA gene is In some cases, isoleucine cannot be synthesized and growth can be suppressed (the use of a small copy of the vector is preferable because the influence of the gene-doseage effect can be reduced). In contrast, a strain carrying a recombinant DNA having an ilvA gene encoding TD that has been desensitized by L-isoleucine synthesizes an excessive amount of L-isoleucine even when glycyl-L-leucine is present. Should be able to grow on minimal medium supplemented with glycyl-L-leucine. By utilizing this phenomenon, a strain whose growth is resistant to glycyl-L-leucine, that is, a strain carrying a recombinant DNA having a released ilvA gene whose inhibition has been released can be selected.
[0085]
The thus obtained release-type ilvGMEDA operon containing the release-type ilvA gene is introduced into a suitable host microorganism as a recombinant DNA and expressed to carry the TD whose feedback inhibition has been released, and the L- encoded by the ilvGMEDA operon. Microorganisms with enhanced expression of isoleucine biosynthetic enzymes can be obtained. As the host, microorganisms belonging to the genus Escherichia are preferable, and examples thereof include Escherichia coli (E. coli).
[0086]
Alternatively, a release-type ilvGMEDA operon may be taken out from the recombinant DNA and inserted into another vector DNA. The vector DNA that can be used in the present invention is preferably a plasmid vector DNA, and examples thereof include pUC19, pUC18, pBR322, pHSG299, pHSG298, pHSG399, pHSG398, RSF1010, pMW119, pMW118, pMW219, and pMW218. In addition, phage DNA vectors can be used.
[0087]
Furthermore, in order to efficiently perform the expression of the release type ilvGMEDA operon, the transcription control region (operator or attenuator) located upstream of the release type ilvGMEDA operon may be removed. Alternatively, other promoters working in microorganisms such as lac, trp, and PL may be linked, and a promoter specific to the ilvGMEDA operon may be amplified and used.
[0088]
Further, as described above, the release-type ilvGMEDA operon inserted into a vector DNA capable of autonomous replication may be introduced into the host and retained in the host as extrachromosomal DNA such as a plasmid. Daction, transposon (Berg, DE and Berg, CM, Bio / Technol., 1, 417 (1983)), Mu phage (JP-A-2-109985) or homologous recombination (Experiments in Molecular Genetics, Cold Spring Habor Lab. (1972)) may be incorporated into the chromosome of the host microorganism.
[0089]
(3) Removal of the area required for attenuation of the ilvGMEDA operon
In order to remove the region required for attenuation from the ilvGMEDA operon, that is, to introduce a mutation that does not cause attenuation in the ilvGMEDA operon, all the attenuators existing in the 5 'upstream region of the ilvGMEDA operon Alternatively, in addition to those that remove the vicinity, those that insert a new DNA fragment inside the attenuator are also included. Here, the “attenuator” is a base sequence that forms a row-independent terminator-like stem / loop. For example, it is a portion from the 1081st position to the 1104th position of the base sequence described in SEQ ID NO: 1 in the sequence listing.
[0090]
To remove the attenuator, prepare a DNA fragment upstream of the attenuator part of the ilvGMEDA operon, and prepare a DNA fragment of the ilvGMEDA operon downstream of the attenuator part. What is necessary is just to connect. For example, a DNA fragment upstream of the attenuator part of the ilvGMEDA operon can be prepared by cleaving a DNA fragment containing the full length ilvGMEDA operon with an appropriate restriction enzyme. Alternatively, a DNA fragment upstream of the attenuator part of the ilvGMEDA operon may be amplified by the PCR method. The primer DNA used in the PCR method has already been reported by RP Lawther et al. (Nucleic Acids Res. 15, 2137 (1987)), and has already been reported by G. Coppola et al. (Gene 97, 21 (1991)). ) Chemical synthesis may be performed based on the base sequence. Furthermore, a DNA fragment upstream of the attenuator part of the ilvGMEDA operon may be chemically synthesized.
A method for preparing a DNA fragment in the downstream region of the attenuator part of the ilvGMEDA operon is also the same.
[0091]
The fully-released ilvGMEDA operon may be obtained by preparing the ilvGMEDA operon from which the attenuator is partially or in the vicinity by using the release-type ilvGMEDA operon as a starting material. Since the position and base sequence of the attenuator has already been reported by R. P. Lawther et al. (Nucleic Acids Res. 15, 2137 (1987)), the DNA to be removed is determined based on this sequence.
[0092]
The DNA to be removed contains a portion of DNA necessary for the attenuator to form a row-independent terminator-like stem / loop, or a region encoding a continuous isoleucine residue located upstream of the stem / loop. A suitable DNA portion or a DNA portion containing both is preferred. In order to remove a part of or the vicinity of the attenuator, a DNA fragment upstream of the DNA part to be removed of the ilvGMEDA operon is prepared, and a part of the DNA downstream of the ilvGMEDA operon to be removed is prepared. What is necessary is just to prepare a DNA fragment and to connect both. For example, a DNA fragment upstream of the DNA portion to be removed in the ilvGMEDA operon can be prepared by cleaving a DNA fragment containing the full length ilvGMEDA operon with an appropriate restriction enzyme. Alternatively, a DNA fragment upstream of the DNA portion to be removed in the ilvGMEDA operon may be amplified by PCR. The primer DNA used in the PCR method has already been reported by RP Lawther et al. (Nucleic Acids Res. 15, 2137 (1987)), and has already been reported by G. Coppola et al. (Gene 97, 21 (1991)). ) Chemical synthesis may be performed based on the base sequence. Furthermore, you may chemically synthesize | combine the DNA fragment of an upstream region from the DNA part removed among ilvGMEDA operons.
The method for preparing a DNA fragment in the downstream region of the DNA portion to be removed in the ilvGMEDA operon is also the same.
[0093]
A completely released ilvGMEDA operon may be obtained by preparing an ilvGMEDA operon in which a new DNA fragment is inserted into the attenuator using the released ilvGMEDA operon as a starting material. Since the position and base sequence of the attenuator has already been reported by RP Lawther et al. Or G. Coppola et al., The insertion position of the new DNA fragment to be inserted and the DNA fragment to be inserted are inserted based on this sequence. The base sequence is determined.
[0094]
The new DNA fragment to be inserted contains the DNA part necessary for the attenuator to form a row-independent terminator-like stem / loop, or a continuous isoleucine residue located upstream of the stem / loop. It is preferably inserted into the DNA portion to be encoded. This is because, as a result of the insertion, the attenuator may not be able to form a row-independent terminator-like stem / loop, which is expected to cause the attenuator to fail.
[0095]
The nucleotide sequence of the new DNA fragment to be inserted is designed so that when inserted, the attenuator does not form a row-independent terminator-like stem / loop, and when inserted, upstream of the stem / loop. It is preferable that the isoleucine residue is not located next to each other.
[0096]
In order to insert a new DNA fragment into the attenuator, a DNA fragment upstream of the DNA portion of the ilvGMEDA operon into which the new DNA fragment is inserted is prepared, and a new DNA fragment of the ilvGMEDA operon is prepared. What is necessary is just to prepare the DNA fragment of the downstream region rather than the DNA part into which a fragment is inserted, to prepare a new DNA fragment to be further inserted, and to connect the three parties. For example, a DNA fragment upstream of the DNA portion into which a new DNA fragment is inserted in the ilvGMEDA operon can be prepared by cleaving a DNA fragment containing the full length ilvGMEDA operon with an appropriate restriction enzyme. Alternatively, a DNA fragment upstream of the DNA portion into which a new DNA fragment is inserted in the ilvGMEDA operon may be amplified by PCR. The primer DNA used for the PCR method has already been reported by RP Lawther et al. (Nucleic Acids Res. 15, 2137 (1987)), and already reported by G. Coppola et al. (Gene 97, 21 (1991)). ) Chemical synthesis may be performed based on the base sequence. Furthermore, a DNA fragment upstream of the DNA portion into which a new DNA fragment is inserted in the ilvGMEDA operon may be chemically synthesized.
The method for preparing a DNA fragment downstream from the DNA portion into which a new DNA fragment is inserted in the ilvGMEDA operon is also the same.
[0097]
New DNA fragments to be inserted can be prepared by chemical synthesis.
[0098]
In addition, a DNA fragment in the upstream region from the DNA portion into which the new DNA fragment is inserted in the ilvGMEDA operon or a DNA fragment in the downstream region from the DNA portion into which the new DNA fragment is inserted in the ilvGMEDA operon is obtained by PCR. When amplifying, a new DNA fragment inserted into the primer DNA can be linked. For example, in the ilvGMEDA operon, one strand of the new DNA fragment to be inserted is linked to the 3 ′ DNA primer used for amplifying the DNA fragment upstream of the DNA portion into which the new DNA fragment is inserted. . Similarly, in the ilvGMEDA operon, the complementary strand of the new DNA fragment to be inserted is linked to the 5 ′ DNA primer used for amplifying the DNA fragment downstream from the DNA portion into which the new DNA fragment is inserted. . Two kinds of DNA fragments amplified using these primers are ligated.
[0099]
The completely released ilvGMEDA operon thus obtained is introduced into a suitable host microorganism as a recombinant DNA, and has a TD whose feedback inhibition has been released by expressing it, and since no attenuation occurs, the ilvGMEDA operon Microorganisms in which the expression of the encoded L-isoleucine biosynthetic enzyme group is further enhanced can be obtained. As the host, microorganisms belonging to the genus Escherichia are preferable, and examples thereof include Escherichia coli (E. coli).
[0100]
Alternatively, a completely released ilvGMEDA operon may be taken out from the recombinant DNA and inserted into another vector DNA. The vector DNA that can be used in the present invention is preferably a plasmid vector DNA, and examples thereof include pUC19, pUC18, pBR322, pHSG299, pHSG298, pHSG399, pHSG398, RSF1010, pMW119, pMW118, pMW219, and pMW218. In addition, phage DNA vectors can be used.
[0101]
Furthermore, in order to efficiently express the fully released ilvGMEDA operon, other promoters working in microorganisms such as lac, trp, and PL may be linked upstream of the fully released ilvGMEDA operon. These promoters may be amplified and used.
[0102]
In addition, as described above, a completely released ilvGMEDA operon inserted into a vector DNA capable of autonomous replication may be introduced into the host and retained in the host as extrachromosomal DNA such as a plasmid. Transduction, transposon (Berg, DE and Berg, CM, Bio / Technol., 1, 417 (1983)), Mu phage (JP-A-2-109985) or homologous recombination (Experiments in Molecular Genetics, Cold Spring Habor Lab (1972)) may be incorporated into the chromosome of the host microorganism.
[0103]
Any microorganism may be used as the donor microorganism for the DNA containing the gene encoding AKIII (lysC) as long as it belongs to the genus Escherichia. Specifically, those listed in the book by Neidhardt et al. (Neidhardt, F.C. et, al., Escherichia coli and Salmonella Typhimurium, American Society for Microbiology, Washington D.C., 1208, Table 1) can be used. Examples include E. coli JM109 strain and MG1061 strain.
[0104]
When a wild strain is used as a donor bacterium for DNA containing the gene encoding AKIII (lysC), DNA containing the wild-type AKIII gene can be obtained. AKIII gene (lysC) in which a mutation was introduced into this gene and feedback inhibition by L-lysine was released*) Can be obtained by employing an in vitro mutation treatment method in which DNA is directly treated with hydroxylamine. Hydroxylamine converts cytosine to NFour-Chemical mutation treatment agent that causes C → T mutation by changing to hydroxycytosine.
In addition, in order to obtain a DNA containing the AKIII gene in which feedback inhibition by L-lysine is released, it is possible to obtain by using a mutant strain in which feedback inhibition by L-lysine for AKIII activity is released as a DNA donor. it can. The mutant strain is obtained from, for example, a cell group of mutant strains subjected to a usual mutation treatment method, ultraviolet irradiation, or treatment with a mutation agent such as N-methyl-N′-nitro-N-nitrosoguanidine (NTG). be able to.
[0105]
Next, preparation of DNA containing a gene encoding AKIII (lysC) will be described.
First, E. coli having wild type lysC, for example, MC1061 strain is cultured to obtain a culture. In order to culture the microorganism, it may be cultured by a normal solid culture method, but it is preferable to adopt a liquid culture method from the viewpoint of collection efficiency. In addition, as the medium, for example, yeast extract, peptone, meat extract, corn sweeper, or one or more nitrogen sources such as soybean or wheat leachate, monopotassium phosphate, dipotassium phosphate, magnesium sulfate, chloride One or more inorganic salts such as sodium, magnesium chloride, ferric chloride, ferric sulfate or manganese sulfate are added, and further, saccharide raw materials, vitamins and the like are added as necessary. The initial pH of the medium is suitably adjusted to 7-8. The culture is performed at 30 to 42 ° C., preferably around 37 ° C. for 4 to 24 hours, usually by stirring deep culture, shaking culture, stationary culture, or the like. The culture thus obtained is centrifuged at, for example, 3,000 r.p.m. for 5 minutes to obtain cells of E. coli MC1061 strain.
From this bacterial cell, for example, the method of Saito et al. (Biochem. Biophys. Acta.,72, 619, (1963)), the method of K. S. Kirby (Biochem. J., 64, 405, (1956)) and the like, and thereby chromosomal DNA can be obtained.
[0106]
In the method of isolating the lysC gene, the chromosomal DNA obtained by the above method is cleaved with an appropriate restriction enzyme. Subsequently, a vector DNA that can grow in Escherichia bacteria cells is ligated, and the resulting recombinant DNA is used to transform an Escherichia microorganism aspartokinase I, II, III all-deficient mutant, such as GT3. (Gene library), a strain that can grow on a minimal medium containing no lysine is isolated, and from this, recombinant DNA of the lysC gene can be separated.
[0107]
Specifically, chromosomal DNA is digested with a restriction enzyme, such as Sau3AI, at a temperature of 30 ° C. or higher, preferably 37 ° C., at an enzyme temperature of 1 to 10 units / ml for various times (1 minute to 2 hours) Partially decompose to obtain a mixture of various chromosomal DNA fragments. A restriction enzyme that produces the same base sequence as the restriction enzyme Sau3AI used for cleaving the chromosomal DNA, such as BamHI, is added to vector DNA that can grow in Escherichia bacteria cells at a temperature of 30 ° C. or higher and an enzyme concentration of 1 to 100 units / unit. It is allowed to act on ml for 1 hour or longer, preferably 1 to 3 hours to obtain a digested and cleaved DNA by complete digestion. Next, a mixture containing a DNA fragment containing the lysC gene derived from E. coli MC1061 obtained as described above and a cleaved vector DNA are mixed, and this is mixed with a DNA ligase, preferably T4 DNA ligase. The recombinant DNA is obtained by reacting at a temperature of 4 to 16 ° C. and an enzyme concentration of 1 to 100 units for 1 hour or longer, preferably 6 to 24 hours.
[0108]
The vector DNA that can be used in the present invention is preferably a psramid vector DNA, and examples thereof include pUC19, pUC18, pBR322, pHSG299, pHSG399, and RSF1010. In addition, phage DNA vectors can also be used. In order to efficiently express the target useful gene, a promoter that works in microorganisms such as lac, trp, and PL may be used. In this case, the recombinant DNA includes a transposon (Berg, DE and Berg, CM, Bio / Technol., 1,417 (1983)), Mu phage (Japanese Patent Laid-Open No. Hei 2-109985) or homology. Those incorporated into the chromosome by a method using recombination (Experiments in Molecular Genetics, Cold Spring Habor Lab. (1972)) are also included.
[0109]
Using this recombinant DNA, for example, Escherichia coli K-12 strain, preferably GT3 strain, etc. is transformed to have lysC gene recombinant DNA from strains with increased AK activity or strains supplemented with auxotrophy. A strain is obtained. This transformation can be achieved by DMMorrison's method (Methods in Enzymology 68, 326, 1979) or by treating recipient cells with calcium chloride to increase DNA permeability (Mandel, M. and Higa, A., J. Mol. Biol.,53, 159 (1970)). A recombinant DNA in which a DNA containing the lysC gene is inserted into a vector DNA from the above strain is obtained by, for example, the method of P. Guerry et al.116, 1064, (1973)), D.B.Clewell's method (J. Bacteriol.,110, 667, (1972)).
[0110]
To confirm whether the candidate strain actually retains the cloned recombinant DNA, prepare a cell extract and prepare a crude enzyme solution from it to confirm aspartokinase activity. Can be achieved. The enzyme activity of aspartokinase can be measured by the method of Stattman et al. (Stadtman, E.R., Cohen, G.N., LeBras, G., and Robichon-Szulmajster, H., J. Biol. Chem.,236, 2033 (1961)).
[0111]
Alternatively, the lysC gene can be obtained by amplifying the lysC gene from the chromosomal DNA obtained by the method of Saito et al., Etc. by PCR (polymerase chain reaction; White, TJ et al; Trends Genet., 5, 185 (1989)). You can also do it. A DNA primer used for amplification is complementary to both 3 'ends of a DNA duplex containing the entire or partial region of the lysC gene. When only a partial region of the lysC gene is amplified, it is necessary to screen a DNA fragment containing the entire region from the gene library using the DNA fragment as a primer. When the entire region is amplified, the DNA fragment containing the lysC gene can be recovered by subjecting the DNA fragment to agarose gel electrophoresis and then cutting out the target band.
[0112]
Examples of the DNA primer include a sequence known in E. coti (Cassan, M., Parsot, C., Cohen, G.N., and Patte, J.C., J. Biol. Chem.,261, 1052 (1986)), but the region of 1347base encoding the lysC gene can be amplified. 5′-CTTCCCTTGTGCCAAGGCTG-3 ′ (SEQ ID NO: 6 in the sequence listing below) and 5′-GAATTCCTTTGCGAGCAG Two primers of −3 ′ (SEQ ID NO: 7 in the sequence listing below) are suitable. DNA synthesis can be performed according to a conventional method using “DNA synthesizer model 3808” manufactured by Applied Biosystems, using the phosphoamidide method (see Tetrahedron Letters, 22, 1859 (1981)). The PCR reaction can be performed using “DNA thermal cycler PJ2000 type” manufactured by Takara Shuzo Co., Ltd. using Taq DNA polymerase according to the method specified by the supplier.
[0113]
The lysC gene amplified by the PCR method is connected to a vector DNA that can grow in Escherichia bacterium cells, and is introduced into Escherichia bacterium cells. The vector DNA used, the transformation method, and the method for confirming lysC are the same as described above.
As a method for carrying out mutation such as amino acid substitution, insertion and deletion in the obtained lysC, a recombinant PCR method (Higuchi, R., 61, PCR Technology (Erlich, HA Eds., Stockton Press (1989))), site Specific mutation method (Kramer, W. and Frits, HJ, Meth. In Enzymol.,154,350 (1987)) and Kunkel, T.A. et.al., Meth. In Enzymol.,154,367 (1987)). When these methods are used, the target mutation can be caused at the target site. Furthermore, a method of directly treating a target gene DNA on a chromosome or plasmid with hydroxylamine (Hashimoto, T. and Sekiguchi, M., J. Bacteriol.,159, 1039 (1984)) or a method for chemically synthesizing a target gene by irradiating a cell containing the DNA with an ultraviolet ray irradiation method or treatment with a chemical agent such as N-methyl-N′-nitro-N-nitrosoguanidine or nitrous acid. Etc., mutations can be introduced at random.
[0114]
Uninhibited mutant gene lysC*As a method for obtaining the above, first, the mutated recombinant DNA is transformed into an AK-deficient strain such as E. coli GT3 strain. Next, the transformed strain is cultured in a minimal medium containing a significant amount of lysine, for example, M9. In the strain carrying the wild-type lysC-containing plasmid, since only AK is inhibited by lysine, threonine, isoleucine, methionine, and diaminopimelic acid (DAP) cannot be synthesized and growth is suppressed. In contrast, lysC, which was released from inhibition by lysine*  A plasmid-bearing strain with a should be able to grow on minimal medium supplemented with significant amounts of lysine. By utilizing this phenomenon, a strain whose growth is resistant to lysine or lysine analog S-2-aminoethylcysteine (AEC), that is, lysC whose inhibition has been released*A plasmid-bearing strain having can be selected.
[0115]
By introducing the mutated gene thus obtained into a suitable microorganism (host) as a recombinant DNA and expressing it, a microorganism having AK in which feedback inhibition is released can be obtained.
In order to produce threonine, the obtained lysC gene or mutant lysC gene (lysC* ) Is introduced and amplified, the wild strain of the genus Escherichia described above can be mentioned, but in addition to this, the replication origin of the recombinant vector DNA constructed here and the lysC gene or mutant lysC gene (lysC gene)* ) Function, the recombinant vector DNA is replicable and the lysC gene or the mutant lysC gene (lysC* ) Can be used as a host. The most preferred host is E. coli B-3996 strain.
[0116]
<3. Production of L-isoleucine according to the present invention>
An Escherichia bacterium transformed by introducing the released thrABC operon obtained as described above and further retaining the released ilvGMEDA operon is cultured in a suitable medium, and L-isoleucine is added to the culture. L-isoleucine can be produced efficiently by accumulating production and collecting L-isoleucine from the culture. That is, L-isoleucine can be efficiently produced by retaining both the release-type thrABC operon and the release-type ilvGMEDA operon in bacteria belonging to the genus Escherichia.
[0117]
Furthermore, an Escherichia bacterium transformed by introducing the release-type thrABC operon obtained as described above and further retaining the complete release-type ilvGMEDA operon is cultured in a suitable medium, By producing and accumulating L-isoleucine and collecting L-isoleucine from the culture, L-isoleucine can be produced more efficiently. That is, L-isoleucine can be produced more efficiently by allowing both the release-type thrABC operon and the complete release-type ilvGMEDA operon to be retained in Escherichia bacteria.
[0118]
Examples of the Escherichia bacterium that retains the release thrABC operon include Escherichia bacterium that has been transformed by incorporating a DNA containing the release thrABC operon into chromosomal DNA, or a vector capable of autonomous replication in the DNA and Escherichia bacterium cells. Examples include bacteria belonging to the genus Escherichia transformed by introducing recombinant DNA obtained by ligating DNA into cells.
[0119]
On the other hand, in order to transform by introducing a DNA containing the release type ilvGMEDA operon into a bacterium belonging to the genus Escherichia, the DNA containing the release type ilvGMEDA operon may be incorporated into the chromosomal DNA for transformation, including the release type ilvGMEDA operon. You may transform by introduce | transducing the recombinant DNA formed by ligating DNA and the vector DNA which can replicate autonomously in an Escherichia bacterium cell into a cell.
[0120]
Furthermore, in order to transform by introducing a DNA containing a completely released ilvGMEDA operon into a bacterium belonging to the genus Escherichia, the DNA containing the completely released ilvGMEDA operon may be incorporated into a chromosomal DNA for transformation. You may transform by introduce | transducing the recombinant DNA formed by ligating DNA containing an operon and the vector DNA which can replicate autonomously in the bacterium of the genus Escherichia into the cell.
[0121]
When both the released thrABC operon and the released ilvGMEDA operon, or both the released thrABC operon and the fully released ilvGMEDA operon are introduced into a bacterium belonging to the genus Escherichia, both operons are incorporated into the chromosomal DNA of the genus Escherichia. Or may be retained as extrachromosomal DNA on a single or separate plasmid in the cell. Furthermore, one of each operon may be incorporated and retained on the chromosomal DNA, and the other operon may be retained as extrachromosomal DNA on the plasmid in the cell. When the release-type thrABC operon and the release-type ilvGMEDA operon or the fully-release type ilvGMEDA operon are carried in the Escherichia bacterium in the form of separate plasmids, different types are used so that the two plasmids do not exhibit incompatibility. It preferably has a replication origin.
[0122]
When DNA containing the released thrABC operon and DNA containing the released ilvGMEDA operon are introduced into bacteria belonging to the genus Escherichia, the order of introduction of both DNAs is not limited.
When introducing a DNA containing the released thrABC operon and a DNA containing the fully released ilvGMEDA operon into a bacterium belonging to the genus Escherichia, the order of introduction of both DNAs is not limited.
[0123]
As the Escherichia bacterium used as a host, a promoter of a released thrABC operon, a released ilvGMEDA operon, a fully released ilvGMEDA operon or another promoter for expressing these genes functions in the cell, and When either of them is introduced as extrachromosomal DNA onto a plasmid, any DNA replication origin can be used as long as it can function and replicate in the cell. When the release-type thrABC operon and the release-type ilvGMEDA operon or the complete-release type ilvGMEDA operon are provided in the Escherichia bacterium in the form of separate plasmids, the two origins of replication of the plasmids must function together.
[0124]
Production of L-isoleucine by the microorganism according to the present invention can be carried out by a usual microorganism culture method.
The medium used may be a synthetic medium or a natural medium as long as it contains a carbon source, a nitrogen source, and an inorganic substance, and if necessary, contains an appropriate amount of nutrient source required for growth by the strain used.
[0125]
Examples of the carbon source include various carbohydrates including glucose and various organic acids including pyruvic acid. Moreover, alcohols such as ethanol and glycerol can be used depending on the assimilation property of the microorganism to be used.
As the nitrogen source, ammonia, ammonium salts of various acids such as ammonium sulfate, amines and other nitrogen compounds, and natural nitrogen sources such as peptone, soybean hydrolyzate, and fermentation cell decomposition product can be used.
Examples of inorganic substances include potassium phosphate, magnesium sulfate, sodium chloride, ferrous sulfate, manganese sulfate, and calcium carbonate.
[0126]
The culture is performed under aerobic conditions such as shaking culture and aeration stirring culture, and the culture temperature is 20 to 40 ° C, preferably 30 to 38 ° C. The pH of the medium is in the range of 5-9, preferably in the range of 6.5-7.2. The pH of the medium is adjusted with ammonia, calcium carbonate, various acids, various bases, buffer solutions, and the like.
Usually, L-isoleucine accumulates in the culture medium by culturing for 1 to 3 days.
After completion of the culture, solids such as microbial cells are removed from the culture solution by centrifugation or membrane separation, and L-isoleucine can be recovered by ion exchange, concentration, crystallization, or the like.
[0127]
【Example】
Examples of the present invention are shown below.
Example 1 Construction of pMWD5
Chromosomal DNA was extracted from Escherichia coli MI162 strain. The chromosomal DNA was cleaved with the restriction enzyme HindIII. The HindIII-HindIII DNA fragment containing the ilvGM gene has been found to be 4.8 kb long. Therefore, a HindIII-HindIII DNA fragment having a length of about 4.8 kb was ligated with a DNA fragment obtained by cleaving plasmid vector pBR322 purchased from Takara Shuzo with HindIII. The obtained DNA mixture was introduced into Escherichia coli MI262 strain which is an acetohydroxy acid synthase deficient strain. A strain that was transformed and complemented with a trait lacking acetohydroxy acid synthase was selected, and a plasmid possessed by the strain was isolated. As a result of analyzing the structure of the plasmid, a 4.8 kb DNA fragment containing the ilvGM gene was inserted into the HindIII site of pBR322. This plasmid was named pBRGM7.
[0128]
Gene 97, 21, (1991), Proc. Natl. Acad. Sci. USA 78, 922, (1981) and J. Bacteriol. 149, 294, (1982). Synthetic oligonucleotide DNAs described in Sequence Listing SEQ ID NO: 2 and SEQ ID NO: 3 were synthesized. DNA amplification was performed by PCR using both DNAs as primers and chromosomal DNA of MI162 strain as a template. The DNA fragment to be amplified is a DNA fragment having the 25th to 952nd sequences in the base sequence set forth in SEQ ID NO: 1 in the sequence listing. This fragment is referred to as fragment (A).
[0129]
Similarly, the base sequences reported in Gene 97, 21, (1991), Proc. Natl. Acad. Sci. USA 78, 922, (1981) and J. Bacteriol. 149, 294, (1982) are referenced. Thus, synthetic oligonucleotide DNAs described in SEQ ID NO: 4 and SEQ ID NO: 5 were synthesized. DNA amplification was performed by PCR using both DNAs as primers and chromosomal DNA of MI162 strain as a template. The DNA fragment to be amplified is a DNA fragment having the 1161st to 2421st sequences among the base sequences described in SEQ ID NO: 1 in the Sequence Listing. This fragment is referred to as fragment (B).
[0130]
A large fragment obtained by digesting fragment (A) with SmaI and a DNA fragment obtained by digesting pUC18 (Takara Shuzo) with SmaI were ligated to prepare plasmid pUCA. A large fragment obtained by digesting fragment (B) with KpnI and a large fragment obtained by digesting pHSG399 (Takara Shuzo) with HincII and KpnI were ligated to produce plasmid pHSGB.
[0131]
Plasmid pUCA was digested with KpnI, the cut end was blunted using a large fragment of DNA polymerase I (Klenow fragment), and further digested with PstI, and finally a DNA fragment containing fragment (A) was isolated. . Plasmid pHSGB was digested with HindIII, the blunt end was blunted with a large fragment of DNA polymerase I (Klenow fragment), and further digested with PstI, and finally a DNA fragment containing fragment (B) was isolated. . Both DNA fragments were ligated to produce plasmid pHSGSK.
[0132]
The SmaI-KpnI fragment derived from fragment (A) and fragment (B) mounted on pHSGSK was designated as fragment (C). Fragment (C) corresponds to a fragment obtained by cleaving a 4.8 kb HindIII-HindIII fragment containing the ilvGM gene with SmaI and KpnI, and includes a promoter, an SD sequence and an upstream region of the ilvG gene. It lacks about 0.2 kb of arrangement leading to the nuator region. The procedure for constructing pHSGSK is summarized in FIG.
[0133]
A fragment (C) was obtained by digesting the plasmid pHSGSK with SmaI and KpnI, and a large DNA fragment was obtained by digesting the plasmid pBRGM7 with SmaI and KpnI. The resulting plasmid was named pdGM1. The 4.6 kb HindIII-HindIII fragment containing the ilvGM gene loaded on pdGM1 lacks the region necessary for attenuation. The ilvGM gene lacking the region necessary for attenuation is expressed as “ΔattGM” in this example and the drawings. The procedure for constructing pdGM1 is summarized in FIG.
[0134]
The plasmid pDRIA4 described in JP-A-2-458 is a shuttle vector pDR1120 that can autonomously replicate in Escherichia bacteria and autonomously replicates in Brevibacterium bacteria, and is substantially inhibited by L-isoleucine. It is prepared by ligating a BamHI-BamHI fragment containing the ilvA gene encoding the released threonine deaminase. The BamHI-BamHI fragment is described as 2.3 kb in Japanese Patent Laid-Open No. 2-458, but it is now known to be 2.75 kb. The plasmid pDRIA4 is present outside the chromosomal DNA of Brevibacterium flavum AJ12358 (FERM BP-5087) or Brevibacterium flavum AJ12359 (FERM BP-5088). Plasmid pDRIA4 can be prepared from these strains by conventional methods.
[0135]
A HindIII-BamHI fragment containing the ilvA gene encoding threonine deaminase from which inhibition by L-isoleucine was substantially eliminated from the BamHI-BamHI 2.3 kb DNA fragment on the plasmid pDRIA4 was prepared, and the vector pMW119 (manufactured by Nippon Gene Co., Ltd.) was prepared. ) Was ligated with a DNA fragment obtained by digestion with HindIII and BamHI. The plasmid thus prepared was named pMWA1. The ilvA gene encoding threonine deaminase substantially desensitized by L-isoleucine may be expressed as “A *” in this example and drawings.
[0136]
A DNA fragment obtained by cleaving plasmid pMWA1 with HindIII and a DNA fragment containing the ilvGM gene obtained by cleaving plasmid pdGM1 with HindIII were ligated. By analyzing the position of the restriction enzyme recognition site present on the plasmid, the one in which the transcription direction of the ilvGM gene and the transcription direction of the ilvA gene were the same direction was selected, and this was designated as plasmid pMWGMA2. The procedure for constructing pMWGMA2 is summarized in FIG.
[0137]
Chromosomal DNA of Escherichia coli MI162 strain was prepared, and this was cleaved with SalI and PstI to prepare a DNA fragment mixture. On the other hand, vector pUC19 (Takara Shuzo) was cleaved with SalI and PstI to prepare a DNA fragment. The DNA fragment mixture was ligated with the DNA fragment obtained by cleaving pUC19 to obtain a DNA mixture. This DNA mixture was introduced into the AB2070 strain, which is a transaminase B-deficient strain, and a strain that was transformed to restore the requirement for branched-chain amino acids was selected. When a plasmid was prepared from this strain, a DNA fragment obtained by cutting plasmid pUC19 with SalI and PstI was linked to a SalI-PstI DNA fragment containing the ilvE gene. This plasmid was named pUCE1.
[0138]
pMWGMA2 was partially digested with HindIII to prepare a DNA fragment mixture. On the other hand, pUCE1 was cleaved with HindIII to prepare a 1.7 kb HindIII-HindIII DNA fragment containing part of the ilvE gene and part of the ilvD gene. A dihydroxy acid dehydratase (ilvD gene product) -deficient strain AB1280 was transformed using a DNA mixture obtained by linking the two, and the transformed strain that lost the requirement for branched-chain amino acids was selected. When a plasmid was prepared from the transformant, a DNA fragment obtained by cutting pMWGMA2 only at the HindIII site existing between ΔattGM and A *, a part of the ilvE gene derived from pUCE1, and the ilvD gene A 1.7 kb HindIII-HindIII DNA fragment containing a portion of the ilvGMEDA operon was regenerated. The plasmid thus obtained was named pMWD5. The procedure for constructing pMWD5 is summarized in FIG.
[0139]
The plasmid pMWD5 obtained as described above uses pMW119 as a vector, contains the ilvA gene encoding TD that has been substantially desensitized by L-isoleucine, and a region necessary for attenuation is removed. This is a plasmid carrying the ilvGMEDA operon.
[0140]
(Example 2 Construction of L-isoleucine producing strain)
The plasmid pMWD5 obtained in Example 1 was converted to the L-threonine producing bacterium Escherichia coli B-3996 described in JP-T-3-501682 and USP 5,175,107 by the conventional rubidium chloride method. Introduced by Among the strains transformed with pMWD5, transformants that were simultaneously resistant to streptomycin 100 μg / ml and ampicillin 100 μg / ml were selected. The obtained transformant was designated as AJ12919 strain.
[0141]
The L-threonine-producing bacterium Escherichia coli B-3996 has been deposited with the USSR Antibiotics Research Institute under the registration number 1867. The B-3996 host strain is the Escherichia coli TDH-6 strain, which lacks the thrC gene, has saccharose utilization, can grow in the presence of 5 mg / ml L-threonine, and lacks threonine dehydrogenase. However, the ilvA gene has a leaky mutation. The B-3996 strain retains the plasmid pVIC40 obtained by mounting the thrABC operon containing the thrA gene encoding AKI-HDI, which is substantially desensitized by L-threonine, mounted on a vector derived from the broad host range vector RSF1010. is doing. Therefore, the Escherichia coli AJ12919 strain carrying the plasmid pVIC40 and the plasmid pNWD5 has a thrABC operon containing the thrA gene encoding AKI-HDI that has been substantially desensitized by L-threonine, and is inhibited by L-isoleucine. This is a strain that retains the ilvGMEDA operon containing the ilvA gene encoding TD that has been substantially released and from which the region necessary for attenuation is removed, by a plasmid vector.
[0142]
(Example 3 L-isoleucine production test by AJ12919 strain (1))
The L-isoleucine fermentation production test of the AJ12919 strain obtained in Example 2 was performed. AJ12919 strain was applied to a medium composed of 1% bactotryptone, 0.5% yeast extract, 0.5% NaCl, 1.5% agar, streptomycin 100 μg / ml, and ampicillin 100 μg / ml. After culturing for 24 hours, a part of the culture medium was put into a 20 ml fermentation medium (glucose 4%, ammonium sulfate 1.6%, potassium dihydrogen phosphate 0.1%, magnesium sulfate heptahydrate 0.1%, first sulfate sulfate. Iron heptahydrate 0.001%, manganese sulfate pentahydrate 0.001%, yeast extract 0.2%, calcium carbonate 3%, pH 7.0), and cultured with shaking at 37 ° C. for 24 hours. The L-isoleucine and L-threonine concentrations in the culture supernatant from which the cells were removed were measured by high performance liquid chromatography. The results are shown in Table 1.
[0143]
[Table 1]
Strain   L-isoleucine concentration ( g / L)  L-threonine concentration ( g / L )
AJ12919   10    0
[0144]
(Example 4 L-isoleucine production test by AJ12919 strain (2))
After culturing AJ12919 strain on an agar medium similar to Example 3 at 37 ° C. for 24 hours, the strain AJ12919 was inoculated into a 1-liter fermentor containing 300 ml of fermentation medium having the same composition as Example 3, and stirred at 400 rpm and aeration volume of 300 ml. The seed culture solution was obtained by culturing at 37 ° C. for 16 hours at / min. 30 ml of the obtained seed culture solution was glucose 6%, ammonium sulfate 1.6%, potassium dihydrogen phosphate 0.1%, magnesium sulfate heptahydrate 0.1%, ferrous sulfate heptahydrate 0.001%, Inoculate a 1 liter fermentor containing 250 ml of fermentation medium having a composition of manganese sulfate pentahydrate 0.001%, yeast extract 0.2%, pH 7.0, medium at 37 ° C. and aeration rate 300 ml / min. Cultivation was performed for 23 hours while supplying glucose as appropriate and controlling the pH at around 7.0 with ammonia gas while controlling the number of agitation so that the concentration of dissolved oxygen was 5% or more. The L-isoleucine concentration in the culture supernatant from which the cells were removed was measured by high performance liquid chromatography. As a result, the amount of L-isoleucine accumulated in the culture supernatant was 39 g / L.
[0145]
(Example 5 Construction of L-isoleucine producing strain (2))
International Publication No. WO94 / 11517 discloses an L-threonine producing strain B-3996 strain deposited under the registration number 1867 at the former USSR Antibiotics Research Institute. And the inhibition by L-lysine deposited under the registration number FERM P-13136 (international deposit number FERM BP-4462) at the Institute of Biotechnology, Japan Institute of Industrial Science and Technology. A lysC gene-carrying plasmid (pLLC * 80) that encodes AKIII that has been released, and a thrABC operon containing a thrA gene that encodes AKI-HDI that has been substantially desensitized by L-threonine, and L-lysine Which encodes AKIII substantially uninhibited by A method for constructing a plasmid pVICLC * 80A in which a sC gene is loaded on a vector derived from the broad host range vector RSF1010, and introducing the plasmid pVICLC * 80A into the host B-399 strain (TDH-6 strain) of the B-3996 strain And L-threonine producing bacteria.
[0146]
The plasmid pMWD5 obtained in Example 1 was introduced into the L-threonine producing bacterium in which the plasmid pVICLC * 80A was introduced into the host B-399 strain (TDH-6 strain) of the B-3996 strain by the conventional rubidium chloride method. did. Among the strains transformed with pMWD5, transformants that were simultaneously resistant to streptomycin 100 μg / ml and ampicillin 100 μg / ml were selected. The obtained transformant was designated as AJ13100 strain.
[0147]
The host strain of AJ13100 strain is Escherichia coli TDH-6 strain (B-399 strain), which lacks the thrC gene, has sucrose utilization, and can grow in the presence of 5 mg / ml L-threonine. The dehydrogenase is deleted and the ilvA gene has a leaky mutation. The AJ13100 strain has a thrABC operon containing a thrA gene encoding AKI-HDI that is substantially desensitized by L-threonine, and a lysC gene encoding AKIII that is substantially desensitized by L-lysine. The plasmid pVICLC * 80A mounted on the vector derived from the broad host range vector RSF1010 and the plasmid pMWD5 obtained in Example 1 are retained. Accordingly, the Escherichia coli AJ13100 strain encodes the thrABC operon containing the thrA gene encoding AKI-HDI that is substantially desensitized by L-threonine, and AKIII that is substantially desensitized by L-lysine. A lysC gene and an ilvGMEDA operon containing the ilvA gene encoding TD that has been substantially desensitized by L-isoleucine and from which a region necessary for attenuation is removed is retained by a plasmid vector.
[0148]
(Example 6 L-isoleucine production test by AJ13100 strain)
The L-isoleucine fermentation production test of AJ13100 strain obtained in Example 5 was performed. AJ13100 strain was applied to a medium composed of 1% bactotryptone, 0.5% yeast extract, 0.5% NaCl, 1.5% agar, 100 μg / ml streptomycin, 100 μg / ml ampicillin, After culturing for 24 hours, a part of the culture medium was put into a 20 ml fermentation medium (glucose 4%, ammonium sulfate 1.6%, potassium dihydrogen phosphate 0.1%, magnesium sulfate heptahydrate 0.1%, first sulfate sulfate. Iron heptahydrate 0.001%, manganese sulfate pentahydrate 0.001%, yeast extract 0.2%, calcium carbonate 3%, pH 7.0), and cultured with shaking at 37 ° C. for 24 hours. The AJ12919 strain obtained in Example 2 was also cultured in the same manner. The L-isoleucine and L-threonine concentrations in the culture supernatant from which the cells were removed were measured by high performance liquid chromatography. The results are shown in Table 2.
[0149]
[Table 2]
Strain   L-isoleucine concentration ( g / L)  L-threonine concentration ( g / L )
AJ12919 10 0
AJ13100   12    0
[0150]
【The invention's effect】
The bacterium belonging to the genus Escherichia having L-isoleucine productivity according to the present invention is a plasmid having a plurality of copies of the thrABC operon containing the thrA gene encoding aspartokinase I-homoserine dehydrogenase I substantially desensitized by inhibition by L-threonine. Since it is mounted and amplified, a sufficient amount of L-threonine, which is a precursor of L-isoleucine, is biosynthesized. Furthermore, the ilvGMEDA operon containing the ilvA gene encoding threonine deaminase whose inhibition by L-isoleucine was substantially released and from which the region necessary for attenuation was removed was mounted on a multiple copy plasmid and amplified. Therefore, L-threonine is efficiently converted to L-isoleucine.
[0151]
When the ilvGMEDA operon containing the ilvA gene encoding threonine deaminase substantially desensitized by L-isoleucine and having the region necessary for attenuation removed is used, the ilvGM gene, ilvE gene, ilvD gene and ilvA gene L-isoleucine biosynthetic enzyme group derived from is produced in a well-balanced manner. Transcription is performed efficiently because it is performed by the original promoter.
[0152]
In general, by using a multicopy plasmid to increase the gene dosage of the ilvGMEDA operon containing the ilvA gene encoding threonine deaminase substantially desensitized by L-isoleucine, the transcription level of the ilvGMEDA operon is negative. The control is released and the productivity of L-isoleucine appears to be sufficiently improved. However, the present invention succeeded in improving the productivity of L-isoleucine more unexpectedly by removing the region necessary for attenuation.
[0153]
[Sequence Listing]
Figure 0003975470
Figure 0003975470
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Figure 0003975470
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[0154]
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[0155]
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[0156]
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[0157]
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[0158]
Figure 0003975470
[0159]
Figure 0003975470

[Brief description of the drawings]
FIG. 1 shows the construction procedure of plasmid pHSGSK.
Of the abbreviations used in FIG. 1, H indicates a HindIII cleavage site present on DNA. Similarly, P represents a PstI cleavage site, K represents a KpnI cleavage site, B represents a BamHI cleavage site, X represents an XbaI cleavage site, and Sm represents an SmaI cleavage site. & Indicates that re-cleavage with a restriction enzyme is impossible.
P → represents a promoter. SD indicates the Shine-Dalgarno sequence. ATG represents a translation initiation codon. TGA indicates a translation termination codon.
Ap is a marker gene that confers ampicillin resistance to the transformed strain. Cm is a marker gene that confers chloramphenicol resistance to the transformed strain.
FIG. 2 shows a procedure for constructing a plasmid pdGM1 by constructing an ilvGM gene from which a region necessary for attenuation of the ilvGMEDA operon is removed.
The abbreviations used in FIG. 2 have the same meaning as the abbreviations used in FIG.
FIG. 3 shows the construction procedure of plasmid pMWGMA2.
The abbreviations used in FIG. 3 have the same meaning as the abbreviations used in FIG.
FIG. 4 shows the procedure for constructing plasmid pMWD5.
The abbreviations used in FIG. 4 have the same meaning as the abbreviations used in FIG. 1, but in addition, S indicates a SalI cleavage site. Moreover, par shows the stabilization area | region of a plasmid.

Claims (16)

L−スレオニンによる阻害が解除されたアスパルトキナーゼI−ホモセリンデヒドロゲナーゼIをコードするthrA遺伝子を含むthrABCオペロンと、L−イソロイシンによる阻害が解除されたスレオニンデアミナーゼをコードするilvA遺伝子を含みかつアテニュエーションに必要な領域が除去されたilvGMEDAオペロンとを保持することを特徴とする、L−イソロイシン生産性を有するエシェリヒア属細菌。  ThrABC operon containing thrA gene encoding aspartokinase I-homoserine dehydrogenase I de-inhibited by L-threonine and ilvA gene encoding threonine deaminase de-inhibited by L-isoleucine and attenuation A bacterium belonging to the genus Escherichia having L-isoleucine productivity, characterized in that it retains the ilvGMEDA operon from which a necessary region has been removed. 前記thrABCオペロンと、前記ilvGMEDAオペロンとをプラスミド上に保持することを特徴とする、請求項1記載のエシェリヒア属細菌。  The bacterium belonging to the genus Escherichia according to claim 1, wherein the thrABC operon and the ilvGMEDA operon are retained on a plasmid. 前記thrABCオペロンを搭載するプラスミド(A)と、前記ilvGMEDAオペロンを搭載するプラスミド(B)との2種類のプラスミドを保持することを特徴とする、請求項2記載のエシェリヒア属細菌。  The bacterium belonging to the genus Escherichia according to claim 2, wherein two types of plasmids are retained: a plasmid (A) carrying the thrABC operon and a plasmid (B) carrying the ilvGMEDA operon. 前記ilvGMEDAオペロンが、配列表配列番号1に記載されるDNA配列の953番から1160番までが欠損したDNA配列を有するものである、請求項1ないし3のいずれか1項に記載のエシェリヒア属細菌。  The bacterium belonging to the genus Escherichia according to any one of claims 1 to 3, wherein the ilvGMEDA operon has a DNA sequence in which DNA sequences 953 to 1160 are deleted from SEQ ID NO: 1 in the sequence listing. . 前記2種のプラスミドのうち、プラスミド(A)がpVIC40でありかつプラスミド(B)がpMWD5である、請求項4記載のエシェリヒア属細菌。  The Escherichia bacterium according to claim 4, wherein the plasmid (A) is pVIC40 and the plasmid (B) is pMWD5 among the two kinds of plasmids. 前記エシェリヒア属細菌がエシェリヒア・コリである、請求項1ないし5のいずれか1項に記載のエシェリヒア属細菌。  The bacterium belonging to the genus Escherichia according to any one of claims 1 to 5, wherein the bacterium belonging to the genus Escherichia is Escherichia coli. 前記thrABCオペロンと、前記ilvGMEDAオペロンが、thrC遺伝子を欠損し、5mg/mlのL−スレオニン存在下で増殖でき、スレオニンデヒドロゲナーゼ活性を欠失し、ilvA遺伝子がリーキー変異を有する宿主株に導入されたものである、請求項6記載のエシェリヒア属細菌。  The thrABC operon and the ilvGMEDA operon were introduced into a host strain that lacks the thrC gene, can grow in the presence of 5 mg / ml L-threonine, lacks threonine dehydrogenase activity, and the ilvA gene has a leaky mutation The bacterium belonging to the genus Escherichia according to claim 6, wherein the bacterium belongs to the genus Escherichia. 請求項1ないしのいずれか1項に記載のエシェリヒア属細菌を培地に培養し、L−イソロイシンを当該培地中に生成蓄積せしめ、当該培地からL−イソロイシンを採取することを特徴とする、発酵法によるL−イソロイシンの製造法。A fermentation characterized by culturing the Escherichia bacterium according to any one of claims 1 to 7 in a medium, producing and accumulating L-isoleucine in the medium, and collecting L-isoleucine from the medium. A method for producing L-isoleucine by the method. L−スレオニンによる阻害が解除されたアスパルトキナーゼI−ホモセリンデヒドロゲナーゼIをコードするthrA遺伝子を含むthrABCオペロンと、L−リジンによる阻害が解除されたアスパルトキナーゼIIIをコードするlysC遺伝子と、L−イソロイシンによる阻害が解除されたスレオニンデアミナーゼをコードするilvA遺伝子を含みかつアテニュエーションに必要な領域が除去されたilvGMEDAオペロンとを保持することを特徴とする、L−イソロイシン生産性を有するエシェリヒア属細菌。  A thrABC operon containing a thrA gene encoding aspartokinase I-homoserine dehydrogenase I de-inhibited by L-threonine; a lysC gene encoding aspartokinase III de-inhibited by L-lysine; A bacterium belonging to the genus Escherichia having L-isoleucine productivity, comprising an ilvGMEDA operon containing an ilvA gene encoding threonine deaminase that has been desensitized by isoleucine and having a region necessary for attenuation removed. . 前記thrABCオペロンと、前記lysC遺伝子と、前記ilvGMEDAオペロンとをプラスミド上に保持することを特徴とする、請求項記載のエシェリヒア属細菌。The bacterium belonging to the genus Escherichia according to claim 9 , wherein the thrABC operon, the lysC gene, and the ilvGMEDA operon are retained on a plasmid. 前記thrABCオペロンと前記lysC遺伝子とを搭載するプラスミド(C)と、前記ilvGMEDAオペロンを搭載するプラスミド(B)との2種類のプラスミドを保持することを特徴とする、請求項10記載のエシェリヒア属細菌。The bacterium belonging to the genus Escherichia according to claim 10 , wherein two types of plasmids are retained: a plasmid (C) carrying the thrABC operon and the lysC gene, and a plasmid (B) carrying the ilvGMEDA operon. . 前記ilvGMEDAオペロンが、配列表配列番号1に記載されるDNA配列の953番から1160番までが欠損したDNA配列を有するものである、請求項ないし11のいずれか1項に記載のエシェリヒア属細菌。The bacterium belonging to the genus Escherichia according to any one of claims 9 to 11 , wherein the ilvGMEDA operon has a DNA sequence in which DNA sequences 953 to 1160 of the DNA sequence shown in SEQ ID NO: 1 are deleted. . 前記2種のプラスミドのうち、プラスミド(C)がpVICLC*80Aでありかつプラスミド(B)がpMWD5である、請求項12記載のエシェリヒア属細菌。The Escherichia bacterium according to claim 12 , wherein, of the two kinds of plasmids, the plasmid (C) is pVICLC * 80A and the plasmid (B) is pMWD5. 前記エシェリヒア属細菌がエシェリヒア・コリである、請求項ないし13のいずれか1項に記載のエシェリヒア属細菌。The bacterium belonging to the genus Escherichia according to any one of claims 9 to 13 , wherein the bacterium belonging to the genus Escherichia is Escherichia coli. 前記thrABCオペロンと、前記lysC遺伝子と、前記ilvGMEDAオペロンが、thrC遺伝子を欠損し、5mg/mlのL−スレオニン存在下で増殖でき、スレオニンデヒドロゲナーゼ活性を欠失し、ilvA遺伝子がリーキー変異を有する宿主株に導入されたものである、請求項14記載のエシェリヒア属細菌。The thrABC operon, the lysC gene, and the ilvGMEDA operon are deficient in the thrC gene, can grow in the presence of 5 mg / ml L-threonine, lack threonine dehydrogenase activity, and the ilvA gene has a leaky mutation The bacterium belonging to the genus Escherichia according to claim 14 , which has been introduced into a strain. 請求項ないし15のいずれか1項に記載のエシェリヒア属細菌を培地に培養し、L−イソロイシンを当該培地中に生成蓄積せしめ、当該培地からL−イソロイシンを採取することを特徴とする、発酵法によるL−イソロイシンの製造法。A fermentation comprising culturing the Escherichia bacterium according to any one of claims 9 to 15 in a medium, causing L-isoleucine to be produced and accumulated in the medium, and collecting L-isoleucine from the medium. A method for producing L-isoleucine by the method.
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