JP4414786B2 - 2,6−ジヒドロキシ安息香酸脱炭酸酵素タンパク質をコードするdna及びこれを利用した多価アルコ−ル芳香族カルボン酸の製造方法 - Google Patents
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Description
しかしながら現在に至るまでに、その遺伝子はクローニングされておらず、異種微生物での高発現も報告されていない。
また、他のジヒドロキシ安息香酸脱炭酸酵素として、2,3-ジヒドロキシ安息香酸脱炭酸酵素の精製と性質、活性中心残基の同定、ペプチド配列解析{Aspergillus nigerの2,3-ジヒドロキシ安息香酸脱炭酸酵素の精製と性質(非特許文献2参照)、精製酵素のペプチド分取とプロテインシーケンシングのデータ(非特許文献3参照)、A. oryzaeの酵素を用いた2,3-ジヒドロキシ安息香酸脱炭酸酵素の精製と性質(非特許文献4参照)、酵母にも2,3-ジヒドロキシ安息香酸脱炭酸酵素は存在する(非特許文献5参照)}、4-ヒドロキシ安息香酸脱炭酸酵素はClostridium hydroxybenzoicumから精製と性質、遺伝子クローニングが報告されている{精製と性質、N末端アミノ酸配列の解析、反応の可逆性(非特許文献6参照)、遺伝子クローニングと一次構造解析(非特許文献7参照)}。
また、3,4-ジヒドロキシ安息香酸脱炭酸酵素はClostridium hydroxybenzoicumの知見{酵素の精製と性質、N末端アミノ酸配列の解析、反応の可逆性(非特許文献8参照)}、プロトカテク酸の代謝に炭酸固定活性が関与する知見(非特許文献9参照)がある。
また、プロピオニバクテリウム・フロイデンライヒ(Propionibacterium freudenreichii)を用いた2,6-ジヒドロキシ安息香酸の製造方法(特許文献1参照)が知られているが、反応収率は33%と低く、圧力下における反応例の記載はなされていない。
本発明者らは、この2,6-ジヒドロキシ安息香酸脱炭酸酵素タンパク質をコードする遺伝子を大腸菌にクローニングし、その塩基配列を解析した結果、驚くべき事に、2,6-ジヒドロキシ安息香酸脱炭酸酵素タンパク質をコードする遺伝子は、これまでに報告されている4-ヒドロキシ安息香酸脱炭酸酵素タンパク質、3,4-ジヒドロキシ安息香酸脱炭酸酵素タンパク質をコードする遺伝子との相同性の低い、全く新規なDNAであることが分かった。
すなわち本発明は、多価アルコ−ル芳香族カルボン酸の製造に有用な新規な2,6-ジヒドロキシ安息香酸脱炭酸酵素タンパク質をコードするDNA、該酵素をコードするDNAを含むベクター、該ベクターで形質転換された形質転換体、該形質転換体を用いる該酵素並びに多価アルコ−ル芳香族カルボン酸を製造する方法に関する。
〔1〕 下記(a)から(c)のいずれかに記載の2,6-ジヒドロキシ安息香酸脱炭酸酵素タンパク質をコードするポリヌクレオチド、
(a)配列番号:1に記載の塩基配列を含むポリヌクレオチド
(b)配列番号:2に記載のアミノ酸配列からなるタンパク質をコードするポリヌクレオチド
(c)配列番号:2に記載のアミノ酸配列において、1若しくは複数のアミノ酸が置換、欠失、挿入、および/または付加されたアミノ酸配列からなるタンパク質をコードするポリヌクレオチド
〔2〕 〔1〕に記載のポリヌクレオチドによってコードされるタンパク質、
〔3〕 〔1〕に記載のポリヌクレオチドが挿入された組換えベクター、
〔4〕 更に可逆的脱炭酸反応を触媒することができる脱炭酸酵素をコードするポリヌクレオチドが挿入された、〔3〕に記載の組換えベクター、
〔5〕 〔1〕に記載のポリヌクレオチド、または〔3〕もしくは〔4〕に記載の組換えベクターを発現可能に保持した形質転換体、
〔6〕 〔5〕に記載の形質転換体を培養する工程を含む、〔1〕に記載のポリヌクレオチドによってコードされるタンパク質の製造方法、
〔7〕 〔1〕に記載のポリヌクレオチドによってコードされるタンパク質、〔5〕に記載の形質転換体、もしくはその処理物をアルコールに作用させ、該アルコールに炭酸を付加して多価アルコ−ル芳香族カルボン酸を製造することを特徴とする、多価アルコ−ル芳香族カルボン酸の製造方法、
〔8〕 2,6-ジヒドロキシ安息香酸脱炭酸酵素、または2,6-ジヒドロキシ安息香酸脱炭酸活性を有する微生物菌株を加圧反応条件下、炭酸付加反応を行わせる2,6-ジヒドロキシ安息香酸の製造方法、
〔9〕 加圧反応条件が0.14 MPa以上である、〔8〕に記載の製造方法、を提供するものである。
すなわち、本発明の2,6-ジヒドロキシ安息香酸脱炭酸酵素は、炭酸付加反応の選択性が高く、該酵素を用いることによって選択的な2,6-ジヒドロキシ安息香酸合成が可能になるため、工業的な利用において有利である。また従来の製造方法は、高温・高圧条件下で実施されていたため危険性が伴っていたが、本発明の製造方法はそのような危険性を伴わず安全である。また従来の製造方法では反応収率が33%程度であったが、本発明の製造方法は50−60%と反応収率が良く、工業的な利用において有利である。
配列番号:1に記載の塩基配列を元にPCR用のプライマーを設計し、酵素生産株の染色体DNAもしくは、cDNAライブラリーを鋳型としてPCRを行うことにより本発明のDNAを得ることができる。
さらに、得られたDNA断片をプローブとして、酵素生産株の染色体DNAの制限酵素消化物をファージ、プラスミドなどに導入し、大腸菌を形質転換して得られたライブラリーやcDNAライブラリーを利用して、コロニーハイブリダイゼーション、プラークハイブリダイゼーションなどにより、本発明のポリヌクレオチドを得ることができる。
また、PCRにより得られたDNA断片の塩基配列を解析し、得られた配列から、既知のDNAの外側に伸長させるためのPCRプライマーを設計し、酵素生産株の染色体DNAを適当な制限酵素で消化後、自己環化反応によりDNAを鋳型として逆PCRを行うことにより(Genetics 120, 621-623 (1988))、また、RACE法(Rapid Amplification of cDNA End、「PCR実験マニュアル」p25-33, HBJ出版局)などにより本発明のポリヌクレオチドを得ることも可能である。
バチルス(Bacillus)属
シュードモナス(Pseudomonas)属
セラチア(Serratia)属
ブレビバクテリウム(Brevibacterium)属
コリネバクテリイウム(Corynebacterium)属
ストレプトコッカス(Streptococcus)属
ラクトバチルス(Lactobacillus)属など宿主ベクター系の開発されている細菌
ロドコッカス(Rhodococcus)属
ストレプトマイセス(Streptomyces)属など宿主ベクター系の開発されている放線菌
サッカロマイセス(Saccharomyces)属
クライベロマイセス(Kluyveromyces)属
シゾサッカロマイセス(Schizosaccharomyces)属
チゴサッカロマイセス(Zygosaccharomyces)属
ヤロウイア(Yarrowia)属
トリコスポロン(Trichosporon)属
ロドスポリジウム(Rhodosporidium)属
ピキア(Pichia)属
キャンディダ(Candida)属などの宿主ベクター系の開発されている酵母
ノイロスポラ(Neurospora)属
アスペルギルス(Aspergillus)属
セファロスポリウム(Cephalosporium)属
トリコデルマ(Trichoderma)属などの宿主ベクター系の開発されているカビ
本発明の炭酸付加反応もしくは脱炭酸反応は、固定化酵素、膜リアクター等を利用して行うことも可能である。
2,6-ジヒドロキシ安息香酸脱炭酸酵素の分解活性を有する微生物のスクリーニングは静置培養で行い、以下に示す培地20 mlを含む試験管中で28℃で6日間行った。培地組成:2,6-ジヒドロキシ安息香酸 1 g、酵母エキス1 g、リン酸水素二アンモニウム 2 g、硫酸マグネシウム七水和物0.5 g、金属溶液 5 ml(吉田ら、Novel reversible indole-3-carboxylate decarboxylase catalyzing nonoxidative decarboxylation, Biosci. Biotechnol. Biochem., 66, 2388-2394 (2002))およびビタミン溶液5 mlを1 Lの水道水に溶解し、pHを7.0に調製した。ビタミン溶液には100 ml中にビオチン10 mg、パントテン酸カルシウム 2 mg、イノシトール10 mg、ニコチン酸2 mg、ピリドキシン塩酸塩2 mg、4-アミノ安息香酸1 mg、リボフラビン1 mg、葉酸0.05 mgが含まれている。
前培養を28℃で2日間、4 mlの培地を試験管に入れ、115 strokes/minの振とう培養で行った。前培養用培地は、1 Lあたり酵母エキス5 g、肉エキス5 g、塩化ナトリウム2 gを含み、pHを7.0に調整した。前培養の培養液はスクリーニング時に用いた培地組成30 ml(500 ml振とうフラスコ中)にスケールアップし、28℃で1日間培養した。生育菌体は12,000 x g、15分間の遠心分離で集菌し、0.15 M 塩化ナトリウム溶液に懸濁して、菌体反応に用いた。
反応液体積2 mlとし、50 mMリン酸カリウム緩衝液(pH 7.0)中で、培養液12 ml分の菌体を20 mM の2,6-ジヒドロキシ安息香酸に作用させた。温度30℃で10分間反応させ、0.2 mlの2 N塩酸の添加で反応を停止させた。12,000 x gで10分間遠心した後、上清をHPLC分析した。この菌体を用いた反応における全活性は、1 mlの培養液から得られた菌体を用いて、1分間あたりに生成した1,3-ジヒドロキシベンゼンの量と定義した。
培地組成を最適化するために、以下の炭素源を検討した:グルコース、フルクトース、スクロース、ラクトース、ガラクトース、マルトース、ソルビトール、クエン酸ナトリウム、フマル酸ナトリウム、グルタミン酸ナトリウム、グリセロール。
窒素源については以下の化合物を検討した:酵母エキス、肉エキス、ポリペプトン、カザミノ酸、大豆加水分解物、コーンスティープリカー、NZアミン、グルタミン酸ナトリウム、リン酸水素二アンモニウム、硝酸ナトリウム。
酵素の誘導効果の検討には以下の化合物を用いた:2,6-ジヒドロキシ安息香酸、2-ヒドロキシ安息香酸、3-ヒドロキシ安息香酸、4-ヒドロキシ安息香酸、2-ヒドロキシベンザミド、2,3-ジヒドロキシ安息香酸、3,4-ジヒドロキシ安息香酸、2,4-ジヒドロキシ安息香酸、2-メチルレゾルシノール、2,4,6-トリヒドロキシ安息香酸、3,4,6-トリヒドロキシ安息香酸、3-メチル-4-ヒドロキシ安息香酸、1,3-ジヒドロキシベンゼン、2,6-ジヒドロキシピリジン。
2,6-ジヒドロキシ安息香酸脱炭酸酵素の活性測定のための基本反応液体積は1 mlとし、20 mMの2,6-ジヒドロキシ安息香酸、100 mMのリン酸カリウム緩衝液(pH 7.0)および酵素液を入れた。反応を30℃で15分間行い、0.1 ml の2 N塩酸を添加して反応を停止させ、HPLC分析した。酵素の1ユニットは1分間で1μmolの1,3-ジヒドロキシベンゼンの生成を触媒する酵素量と定義した。
1,3-ジヒドロキシベンゼンへの炭酸固定反応は文献(Wieser et al., Carbon dioxide fixation of reversible pyrrole-2-carboxylate decarboxylase from Bacillus megaterium PYR2910, Eur. J. Biochem., 257, 495-499 (1998))にしたがって、気密密閉容器内で行った。反応液体積は2 mlとし、15 mMの1,3-ジヒドロキシベンゼン、3 Mの炭酸水素カリウム、100 mMのリン酸カリウム緩衝液(pH 7.0)、および酵素液を入れた。反応は1,3-ジヒドロキシベンゼンの添加で開始し、20℃に加温した。2 mlのメタノールの添加で反応を停止させ、12,000 x gで10分間遠心分離した後、上清をHPLC分析した。
2,6-ジヒドロキシ安息香酸脱炭酸酵素の精製の全ステップは4℃で行い、特記しない場合は1 mMジチオスレイトースを含むリン酸カリウム緩衝液(pH 7.0)を標準緩衝液として用いた。540mlの培養液から得た乾燥菌体重量15 g分に相当するA. tumefaciens IAM12048の菌体を100 mM緩衝液50 mlに懸濁し、超音波破砕機(Insonator 201M, 久保田社製)を用いて100 Wで20分間破砕した。細胞残渣を12000 x gで20分間の遠心分離によって除去して無細胞抽出液を得た。硫安分画で30−60%飽和画分を得た。その沈殿を10 mM緩衝液に溶解し、10 mM緩衝液を用いて透析した後、10 mM緩衝液で平衡化したDEAE-セファセルカラム(18 x 80 mm)に供した。0.1 Mの塩化カリウムを含む100 mM緩衝液で洗浄した後、0.2 M塩化カリウムを含む100 mM緩衝液で酵素活性画分が溶出した。活性画分を回収し、20%飽和の硫酸アンモニウムを含む10 mM緩衝液に対して透析した。この酵素液を20%飽和で硫酸アンモニウムを含む10 mM緩衝液で平衡化したフェニルセファロースCL-4Bカラム(10 x 130 mm)に供した。カラムを5%飽和濃度で硫酸アンモニウムを含む10 mM緩衝液で洗浄した後、酵素活性画分は10 mM緩衝液で溶出した。
反応液のHPLC分析にはShimadzu社製LC-10A・SPD-10Aシステムを用い、Waters社製Spherisorb OS2カラム(4.6 x 150 mm)を用いた。50 mMリン酸カリウム緩衝液(pH 2.8)とアセトニトリルを9:1の比で混合し、分析用溶媒として用いた。流速は1.0 ml/minとし、278 nmの吸光度で検出した。
SDSポリアクリルアミドゲル電気泳動は12%(w/v)ポリアクリルアミド濃度のスラブゲルで行い、クマシーブリリアントブルーR-250で染色した。
タンパク質濃度はBradfordの方法に従って定量し、牛血清アルブミンを標準タンパク質として検量線を作成した。
精製酵素の分子量はTSG G-3000 SWカラム(0.75 x 60 cm)を用いたHPLC分析から算出した。この時の分析では、流速を0.7 ml/minとし、0.2 M塩化ナトリウムを含むリン酸カリウム緩衝液(pH 7.0)を溶媒として用いた。酵素分子量は以下のタンパク質を用いた検量線から算出した:グルタミン酸脱水素酵素(290 kDa)、乳酸脱水素酵素(142 kDa)、エノラーゼ(67 kDa)、アデニル酸キナーゼ(32 kDa)、チトクロームc(12.4 kDa)。
NMR分析には溶媒としてアセトン-d6を用い、Jeol KNM-400 F17システムで行った。
2,6-ジヒドロキシ安息香酸は和光純薬社製を用いた。酵母エキス、HPLC用の分子マーカータンパク質はオリエンタル酵母社製を用いた。DEAE-セファセル、フェニルセファロースCL-4B、SDSポリアクリルアミドゲル電気泳動用の低分子量マーカーはアマシャムファルマシア社製を用いた。
A. tumefaciens IAM12048より2,6-ジヒドロキシ安息香酸脱炭酸酵素を上記「2,6-ジヒドロキシ安息香酸脱炭酸酵素の精製」に示したステップで単一にまで精製した。精製酵素のSDS-PAGEを行い、PVDF膜にブロッテインングした後、気相プロテインシーケンサーによりN末端アミノ酸配列を決定した。
N末端アミノ酸配列は、MQGKVALEEHFAIPETLQDSAGFVPGD(配列番号:3)(27アミノ酸)であった。この配列をFASTAプログラムにてデータベースサーチを実行した結果、A. tumefaciens C58のconserved hypothetical protein Atu2529(accession No. AF2887)のN末端アミノ酸配列と完全に一致した。この配列はC58株のゲノム解析により得られている(Science (2001) 294, 2317-2323)。
上述のaccession No. AF2887の一次構造を、可逆的脱炭酸酵素である4-ヒドロキシ安息香酸脱炭酸酵素、ピロール-2-カルボン酸脱炭酸酵素、インドール-3-カルボン酸脱炭酸酵素とアライメント解析した。
その結果、相同領域を見いだすことは困難であり、また、既知の可逆的脱炭酸酵素群で保存性が認められた配列(E-G-P-F/M-P-G)が存在しなかった。そこで、遺伝子の塩基配列の解析はaccession No. AF2887の塩基配列に基づいて行った。
ORF全領域をPCRによって増幅させるために、accession No. AF2887の上下流塩基配列からプライマーを作成し、A. tumefaciens IAM12048のゲノムDNAを鋳型としてPCRを行ない、約1.1 kbpの増幅断片を得た。この増幅断片をpT7Blue vectorへサブクローニングし、DNAシーケンシングを行った。なお、PCR用プライマーは数種作成したが、増幅が認められないものも多くあった。このことから、IAM12048株とC58株で塩基配列で相違があることが示唆された。
DNAシーケンシングにより決定した塩基配列と推定される一次構造を図1に示した。PCRに用いたプライマー配列(ATGATTGGCCAGAGCATGC/配列番号:4、CAGCCTTTCGTCTATATGGC/配列番号:5)には誤りがある可能性があるため、これを除外した1065 bpを配列と決定した。開始コドンATG以下にプロテインシーケンシングで得られたN末端アミノ酸配列27残基の一致を確認した。終止コドンTGAまでに327アミノ酸残基がコードされ、サブユニット分子量は37492 Daと算出された。精製酵素のSDS-PAGEによるサブユニット分子量は38 kDaと推定され、この値と一致した。
A. tumefaciens C58のconserved hypothetical protein Atu2529との相同性は96%で、アミノ酸327残基の中で12残基が異なっていた。データベースへのホモロジーサーチの結果では、その他にはBordetella bronchisepticaのhypothetical protein(46%)、Bordetella parapertussisのhypothetical protein(46%)、Synechocystis sp. PCC6803のhypothetical protein(38%)、Sphingomonas paucimobilisの5-カルボキシバニリン酸脱炭酸酵素(34%)、Staphylococcus aureusのORF(35%)、Neurospora crassaのhypothetical protein(33%)が30%程度の相同性を示したに過ぎず、機能未知タンパク質は何らかの脱炭酸酵素の可能性が示唆される程度であった。
Aspergillus属の2,3-ジヒドロキシ安息香酸脱炭酸酵素ではシステイン残基が活性中心に存在することが推定され、Cysが修飾されたペプチド断片のアミノ酸配列がLLGLAETCK(配列番号:10)と決定されている(Santha et al, Eur J Biochem (1995) 230, 104-110)。また、精製酵素のアミノ酸配列データが2,6-ジヒドロキシ安息香酸脱炭酸酵素と類似である(図2)。
そこで、一次構造を解析した結果、LLGLAETCKに相当する配列LAEECA(配列番号:11)が認められた。このCys88が活性中心に存在する可能性が示唆される。
A. tumefaciens IAM12048からクローニングした遺伝子の機能確認のため、大腸菌において遺伝子を発現させ、2,6-ジヒドロキシ安息香酸脱炭酸酵素活性を評価した。発現用ベクターpKK223-3のEcoRI/HindIIIギャップに酵素遺伝子を組込むために、それぞれのリンカー配列を持つプライマー(P1: GAATTCCATGCAAGGCAAGGTCGCT(配列番号:6); P2:AAGCTTGCCATATAGACGAAAGGCTG(配列番号:7)、下線部はリンカー配列)を用いてゲノムDNAを鋳型としたPCRによって酵素遺伝子を増幅させた。増幅断片をpT7 Blueにサブクローニングした後、EcoRIとHindIIIで消化し、得られたDNAフラグメントをpKK223-3のEcoRI/HindIIIギャップにライゲーションし、発現用プラスミドpK26AT(FERM P-19657)を作成した。
宿主E. coli JM109にpK26ATを形質転換し、1 mMのIPTGと50μg/mlのアンピシリンを添加したLB培地で、28℃で28時間振とう培養した。培養菌体を超音波破砕し、遠心分離して得られた上清を無細胞抽出液とした。また、コントロールとしてpKK223-3を形質転換した株では脱炭酸酵素活性は検出されなかった。pK26ATを形質転換したE. coli JM109では2,6-ジヒドロキシ安息香酸脱炭酸酵素活性が0.0073 units/mgの比活性で検出され、クローニングした遺伝子が2,6-ジヒドロキシ安息香酸脱炭酸酵素をコードすることを確証した。
A. tumefaciens IAM12048から調製した無細胞抽出液での酵素比活性は0.0211 units/mgで、精製後の酵素標品の比活性が0.374 units/mgである。よって、A. tumefaciens IAM12048では可溶性タンパク質の約6%を2,6-ジヒドロキシ安息香酸脱炭酸酵素が占めると算出される。
E. coli JM109にpK26ATを形質転換し、1 mMのIPTGと50μg/mlのアンピシリンを添加したLB培地(酵母エキス5 g、肉エキス10g、塩化ナトリウム10 g、蒸留水1L、pH7.0)で、28℃で28時間振とう培養した。生育菌体は12,000 x g、15分間の遠心分離で集菌し、0.15 M 塩化ナトリウム溶液に懸濁して、菌体反応に用いた。反応は気密密閉容器内で行った。反応液体積は2 mlとし、15 mMの1,3-ジヒドロキシベンゼン、3 Mの炭酸水素カリウム、100 mMのリン酸カリウム緩衝液(pH 7.0)、および菌体懸濁液を入れた。炭酸固定反応は1,3-ジヒドロキシベンゼンの添加で開始し、20℃に加温し、24時間反応を行った。2 mlのメタノールの添加で反応を停止させ、12,000 x gで10分間遠心分離した後、上清をHPLC分析したところ、2mMの2,6-ジヒドロキシ安息香酸が生成していた。
Agrobacterium tumefaciens IAM12048の休止菌体を用いて2,6-ジヒドロキシ安息香酸生成反応を行った。反応液組成にはm-ジヒドロキシベンゼン12.5 mM、リン酸カリウム緩衝液(pH 7.0)50 mM、炭酸水素カリウム3 Mを入れ、密閉容器内で35℃で反応を行った。35℃で検討した理由は、二酸化炭素の臨界点は31℃で73気圧であるためである。
反応の継時変化を2 mlの反応溶液に20 ml分の培養菌体を入れて検討した。密閉容器内は炭酸水素カリウムから発生するCO2ガスによって約0.14 MPaの圧力となる。
結果、反応は開始後6時間で平衡に達し、変換率44%で5.5 mMの2,6-ジヒドロキシ安息香酸が生成した(図3左)。
次に、液体および超臨界状態の二酸化炭素を用いた炭酸固定反応を日本分光社製の反応システムを用いて検討した。反応液体積は5 mlとし、75 ml培養液分の菌体を用いた。反応容器内を4 MPaから10MPaとなるように液体二酸化炭素を入れ、反応容器を35℃に保って24時間の炭酸固定反応を行った。二酸化炭素のみの場合、4 MPa、6MPaでは液体、8 MPaは亜臨界〜超臨界、10 MPaで超臨界状態に相当するものとして反応系を設定した。
結果、いずれの場合も図3に示すように、炭酸固定反応は進行し、24時間後の変換率50-60%であった。一方、圧力が0の場合の変換率は30%であった。
Claims (3)
- 2,6-ジヒドロキシ安息香酸脱炭酸酵素、または2,6-ジヒドロキシ安息香酸脱炭酸活性を有する微生物菌株を加圧反応条件下、炭酸付加反応を行わせる2,6-ジヒドロキシ安息香酸の製造方法であって、該加圧反応条件が6〜8 MPaであることを特徴とする方法。
- 前記微生物がAgrobacterium属の微生物である、請求項1に記載の製造方法。
- 前記微生物がAgrobacterium tumefaciens IAM12048株である、請求項1に記載の製造方法。
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