JP4516712B2

JP4516712B2 - Ｌ−ピペコリン酸の生物学的な製造方法

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Publication number: JP4516712B2
Application number: JP2001548728A
Authority: JP
Inventors: 匡藤井; 保秀有徳; 学向原; 隆夫成田; 仁上松; 邦夫一色
Original assignee: Mercian Corp
Current assignee: Mercian Corp
Priority date: 1999-12-28
Filing date: 2000-12-22
Publication date: 2010-08-04
Anticipated expiration: 2020-12-22
Also published as: ES2317857T3; DE60041595D1; WO2001048216A1; US7022502B2; CA2396439A1; US20030207410A1; CN1415015A; EP1249494B1; KR20020065494A; AU783140B2; EP1249494A1; ATE423205T1; CA2396439C; EP1249494A4; AU2222501A; CN1415015B; JPWO2001048216A1; KR100819380B1

Description

技術分野
本発明は、Ｌ−ピペコリン酸（または２−ピペリジンカルボン酸もしくはＬ−ホモプロリン）の生物学的な製造方法および該製造方法に都合よく用いることのできる組換え大腸菌またはコリネ型細菌に関する。
背景技術
Ｌ−ピペコリン酸は医薬品の合成原料として重要である。現在、Ｌ−ピペコリン酸はＬ−リジンからの合成法（Ｊ．Ｃｈｅｍ．Ｓｏｃ．Ｃｈｅｍ．Ｃｏｍｍｕｎ．１９８５年、６３３〜６３５頁）あるいは、ピコリン酸からの合成法によってつくられたＤＬ−ピペコリン酸の光学分割によって製造されている（ＭｅｔｈｏｄｏｆＥｎｚｙｍｏｌ．１７Ｂ、１７４〜１８８頁、１９７１年）。光学分割の方法としては、Ｄ−酒石酸を用いるジアステレオマー塩法と豚の肝臓由来のＤ−アミノ酸オキシダーゼによりＤ体を分解してＬ体を残す酵素法が知られている。
他方、Ｌ−ピペコリン酸は動物（Ｊ．Ｂｉｏｌ．Ｃｈｅｍ．、２１１巻、８５１頁、１９５４年）や植物（Ｊ．Ａｍｅｒ．Ｃｈｅｍ．Ｓｏｃ．７４巻、２９４９頁、１９５２年）、微生物（Ｂｉｏｃｈｅｍｉｓｔｒｙ，１巻、６０６〜６１２頁、１９２６年；特開平６−３８７８１号）において生成されることが知られているが、畜積量が少ないためこれらの生物を用いるＬ−ピペコリン酸の生産方法は実用化されるには至っていない。これまでのＬ−リジンの代謝研究から、Ｌ−リジンからリジン−６−アミノトランスフェラーゼ（以下、ＬＡＴともいう）によるアミノ基転移反応（Ｂｉｏｃｈｅｍｉｓｔｒｙ、７巻、４１０２〜４１０９頁、１９６８年）を介するか、あるいはＬ−リジン−６−デヒドロゲナーゼ（Ｊ．Ｂｉｏｃｈｅｍ．、１０５巻、１００２〜１００８頁、１９８９年）によってデルタ−１−ピペリデイン−６−カルボン酸（以下、Ｐ６Ｃともいう）が生じることが知られている。
Ｐ６Ｃは酸化白金を用いた水素添加によって化学的にＬ−ピペコリン酸に変換できることが報告されている（Ｂｉｏｃｈｅｍｉｓｔｒｙ、７巻、４１０２〜４１０９頁、１９６８年）が、Ｐ６Ｃの生物学的ないしは酵素的還元によるＬ−ピペコリン酸の生成については報告されていない。また、シュウドモナス・プチダ（Ｐｓｅｕｄｏｍｏｎａｓｐｕｔｉｄａ）がＤ−リジンからデルタ−１−ピペリデイン−２−カルボン酸を経由してＬ−ピペコリン酸を生成するとの代謝経路が推定されている（Ｊ．Ｂａｃｔｅｒｉｏｌｏｇｙ、１４９巻、８６４〜８７１頁、１９８２年）。このような生物学的な経路もＬ−ピペコリン酸の大量生産には利用が困難である。
前記した化学合成法によって製造したＤＬ−ピペコリン酸を光学分割する方法では、使用する光学分割剤が高価でかつ操作が煩雑であり、また光学分割に酵素を用いる方法は精製した酵素を使用するためやはり高価となり、いずれもこれらの欠点のために工業的製法としては効率的でなくＬ−ピペコリン酸を安価に製造することができない。
また、従来の微生物を用いてＬ−ピペコリン酸を製造する方法は蓄積量が低いために実用化されていない。
発明の開示
本発明者らは、今回、下記のようにデルタ−１−ピロリン−５−カルボン酸をＬ−プロリン

に還元するピロリン−５−カルボン酸レダクターゼ［ＥＣ１．５．１．２］が、下記のようにＰ６Ｃをも対応するＬ−ピペコリン酸まで効率よく還元しうることを見出した。

また、このような還元系は、別の生物学的なＰ６Ｃの生産系と都合よく組み合わせて使用できることも見出した。
本発明は、これらの知見に基くものであり、ピロリン−５−カルボン酸レダクターゼの作用を利用することにより、効率よくＬ−ピペコリン酸を製造するための手段を提供するものである。
したがって本発明は、ピロリン−５−カルボン酸レダクターゼを用いてデルタ−１−ピペリデイン−６−カルボン酸（Ｐ６Ｃ）の還元を行う工程を含んでなるＬ−ピペコリン酸の製造方法に関する。
本発明の好ましい態様では、Ｐ６Ｃの還元工程が、リジン−６−アミノトランスフェラーゼ（ＬＡＴ）を用いるＬ−リジンからＰ６Ｃへの変換工程と組み合わされる。
また、本発明は、ＬＡＴをコードする遺伝子を発現しうる形態で含んでなる組換え大腸菌またはコリネ型細菌にも関する。
発明を実施するための最良の形態
なお、本発明において、「外来の・・・遺伝子」という場合は、言及されている細胞または微生物に対して異種または同種であるかを問わず、言及されている細胞それ自体とは異なる細胞に由来する遺伝子を意味する。
本発明にいう、ピロリン−５−カルボン酸レダクターゼ（ＥＣ１．５．１．２；以下、Ｐ５Ｃレダクターゼともいう）は、通常、アルギニン、グルタミン酸からプロリンを合成する代謝経路に関与する酵素として知られており、還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド（ＮＡＤＨ）または還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドリン酸（ＮＡＤＰＨ）の助けにより、上記のとおり、デルタ−１−ピロリン−５−カルボン酸をプロリンに還元する活性を有する。Ｐ５Ｃレダクターゼは、広く各種細菌、植物や動物に分布することが知られている。
本発明において用いることのできるＰ５Ｃレダクターゼは、Ｐ６ＣをＬ−ピペコリン酸に還元する活性を有するものであれば、起源によって限定されるものでない。Ｐ５Ｃレダクターゼは、精製されたものおよび細胞の溶解物のような調製物、ならびに生きた細胞から選ばれるいずれの形態で存在するものであってもよい。なお、調製物を用いる場合、本発明に従う還元を行うには、場合によって、ＮＡＤＨもしくはＮＡＤＰＨを共存させる必要があろう。
ところで、本発明に従い、Ｐ５Ｃレダクターゼを用いて還元すべきデルタ−１−ピペリデイン−６−カルボン酸（Ｐ６Ｃ）は、Ｌ−リジンからリジン−６−アミノトランスフェラーゼ（ＬＡＴ）の作用により生成する２−アミノアジピン酸６−セミアルデヒドが非酵素的に脱水閉環した形態に相当するものである。通常、該セミアルデヒドは、水溶液中でＰ６Ｃと平衡混合物と存在するものとみなされているので、本発明の反応系においては、Ｐ６Ｃと該セミアルデヒドは等価のものと理解されている。従って、本発明の反応系には、Ｐ６ＣをＰ６Ｃそれ自体、またはＰ６Ｃと該セミアルデヒドの混合物、あるいは該セミアルデヒドそれ自体を添加することができ、これらのいずれの態様も本発明に包含される。
Ｐ６Ｃ（または２−アミノアジピン酸６−セミアルデヒド）は、化学合成的および生物学的をはじめとする如何なる手段によって製造されたものも使用できるが、特定の光学異性体であるＬ−ピペコリン酸を経済的に製造するとの観点に立てば、Ｌ−ピペコリン酸に対応する立体配置（具体的には２位における不斉炭素において）をもつＰ６Ｃを使用することが好ましい。
本発明に従う、Ｐ６Ｃの還元を行う工程は、通常の酵素反応が進行する条件下でＰ６ＣにＰ５Ｃレダクターゼを作用させることによって実施する。前述のように、Ｐ５Ｃレダクターゼは、精製されたものおよび細胞の溶解物のような調製物、ならびに生きた細胞のいずれの形態でもＰ６Ｃに作用させることができる。しかし、該酵素反応に、例えばＮＡＤＨもしくはＮＡＤＰＨのような補酵素が関与することを考慮すると、細胞の溶解物または生きた細胞そのものを使用することが好ましい。さらに細胞としては、Ｐ６ＣをＬ−ピペコリン酸に変換（すなわち、還元）する能力をもつＰ５Ｃレダクターゼ活性を示す微生物のうちで、特に大腸菌またはコリネ型細菌が好ましく使用できる。大腸菌には、Ｐ５Ｃレダクターゼをコードする遺伝子ｐｒｏＣが存在することが知られており、しかもｐｒｏＣの配列とその発現についても報告されている（Ａ．Ｈ．Ｄｅｕｔｃｈｅｔａｌ．，ＮｕｃｌｅｉｃＡｃｉｄｓＲｅｓｅａｒｃｈ，ｖｏｌ．１０、１９８２、７７０１−７７１４参照）。
したがって、本発明の好ましい態様では、Ｐ５Ｃレダクターゼ活性を有する大腸菌または上記遺伝子ｐｒｏＣを発現しうる状態で含む大腸菌もしくはその他の微生物とＰ６Ｃとを、これらの微生物が生存し、Ｐ５Ｃレダクターゼ活性を生じる条件下でインキュベートすることによってＰ６ＣをＬ−ピペコリン酸に還元することができる。本明細書において、特定の遺伝子を発現しうる状態で含むまたは組み込むとは、該遺伝子が宿主細胞の染色体中に、必要によりプロモーター、レギュレーター等を伴った状態で組み込まれるか、あるいは発現ベクターに該遺伝子が適当なプロモーター等を伴って組み込まれた状態で、宿主細胞中に含まれることを意味する。上記のＰ５Ｃレダクターゼ活性を生じる条件とは、それぞれの微生物が生存し得る条件であって、好ましくは、増殖しうる培養条件下にあることをいう。これらの条件は当業者に周知のものであり、また、当業者であれば、後述する実施例を参照に容易に設定することができるであろう。
Ｐ６Ｃは、上記微生物の懸濁液または培養物に直接添加して目的の反応を行うことができるが、本発明によれば、リジン−６−アミノトランスフェラーゼ（ＬＡＴ）を用いて、入手容易なＬ−リジンからＰ６Ｃへの変換工程を上記Ｐ５Ｃレダクターゼを用いる還元工程と組み合わせることにより、Ｐ６Ｃを還元工程に供給することが好ましい。このような組み合わせにおいて、Ｐ５Ｃレダクターゼ源として大腸菌を用いる場合、通常、大腸菌にはＬ−リジンからＰ６Ｃへの変換過程を触媒する酵素系が存在しないか、存在するとしても極めて活性が低いので異種細胞由来のＬＡＴ酵素系を該大腸菌の酵素系と組み合わせる必要がある。このような組み合わせに使用できるＬＡＴは、Ｌ−リジンをＰ６Ｃに変換する活性を有するものであれば起源によって限定されるものでないが、フラボバクテリウム・ルテセンス（Ｆｌａｖｏｂａｃｔｅｒｉｕｍｌｕｔｅｓｃｅｎｓ）由来のＬＡＴが、好ましいものとして挙げられる。この微生物の典型的なもの、例えばＩＦＯ３０８４株は、通常、Ｌ−リジンのバイオアッセイに用いられており、ＬＡＴ活性を有することが知られている（Ｓｏｄａｅｔａｌ．，Ｂｉｏｃｈｅｍｉｓｔｒｙ７（１９６８）、４１０２−４１０９、同４１１０−４１１９）。なお、一定のＦ．ｌｕｔｅｓｃｅｎｓは、それが有するデルタ−１−ピペリデイン−６−カルボン酸デヒドロゲナーゼの作用によりＰ６Ｃをα−アミノアジピン酸まで酸化する能力をもつ（ＢｉｏｃｈｅｍＪ．（１９７７）、３２７、５９−６４）。さらに、Ｐ５ＣレダクターゼまたはＰ６Ｃレダクターゼ活性によりＰ６Ｃから生成したＬ−ピペコリン酸は、さらなる代謝経路で他の化合物に変換される可能性がある。したがって、通常、この細菌の酵素系を用いるとＬ−リジンからＬ−ピペコリン酸までの変換ができないか、変換が生じてもＬ−ピペコリン酸が蓄積しない場合がある。したがって、本発明の目的を達成するには、上記のような、異種細胞（もしくは微生物）間の酵素系を組み合わせることが好ましい。このような酵素系の組み合わさった微生物としては、限定されるものでないが、上述の大腸菌に、例えばＦ．ｌｕｔｅｓｃｅｎｓのＬＡＴをコードするｌａｔ遺伝子を発現しうる状態で組み込んだもの、逆に、大腸菌のｐｒｏＣ遺伝子をＦ．ｌｕｔｅｓｃｅｎｓに組み込んだもの、さらには、他の本発明の目的上、適宜使用できる宿主微生物に該ｌａｔおよびｐｒｏＣを共に発現しうる状態で組み込んだものを挙げることができる。宿主への各遺伝子の組み込みは、組換えプラスミドを介して導入するか、あるいは宿主の染色体上へ直接発現しうる状態で組み込んでもよい。なお、Ｆ．ｌｕｔｅｓｃｅｎｓを宿主とする場合、該微生物は生産されたＬ−ピペコリン酸をさらなる代謝経路で代謝する可能性があるので、必要により、かかる代謝経路をブロックした変異株を使用する必要があるかも知れない。本発明に従って、Ｌ−リジンからＬ−ピペコリン酸までの変換を行うのに適する酵素系は、系の安定性、処理の容易さ、変換効率の高さ等から、宿主として大腸菌（場合によってｐｒｏＣの供給源ともなる）を用い、これに少なくともＦ．ｌｕｔｅｓｃｅｎｓのｌａｔを組み込んで構築するものが都合よく使用できる。さらに宿主として大腸菌を使用する場合には、ｌａｔ遺伝子の外に、外来のｐｒｏＣ遺伝子を組み込んでもよいが、特に、出発原料であるＬ−リジンの菌体内への取り込みを容易にするため、外来の大腸菌のリジン特異的取り込み（または透過）酵素をコードする遺伝子（リジンの取り込みに関与する遺伝子ともいう）を組み込むことが好ましい。かような遺伝子の代表的なものとしては、限定されるものでないが、リジン特異的パーミアーゼをコードする遺伝子（ｌｙｓＰ）やリジン、アルギニンおよびオルニチンの取り込みに関与するＬＡＯシステムを構成するタンパク質をコードする遺伝子（ａｒｇＴ、ｈｉｓＰおよびｈｉｓＱ）を挙げることができる。例えば、Ｊ．Ｂａｃｔｅｒｉｏｌ．，ｖｏｌ．１７４、３２４２−３２４９、１９９２によると、遺伝子ｌｙｓＰをマルチコピープラスミドで導入した大腸菌はリジンの取り込み速度が２０倍にも上昇することが示唆されている。
以上のような本発明で使用できる酵素系または遺伝子の組み合わせた系は、それ自体当業者に常用されている細胞生物学、細胞培養、分子生物学、微生物学、組換えＤＮＡに関する技法に従い構築ないしは作成できる。このような技法は、例えば、ＭｏｌｅｃｕｌａｒｃｌｏｎｉｎｇＡＬａｂｏｒａｔｏｒｙＭａｎｕａｌ，２ｎｄＥｄ．，ｅｄ．ｂｙＳａｍｂｒｏｏｋ，ＦｒｉｔｓｃｈａｎｄＭａｎｉａｔｉｓ（ＣｏｌｄＳｐｒｉｎｇＨａｒｂｏｒＬａｂｏｒａｔｏｒｙＰｒｅｓｓ：１９８９）；ＤＮＡＣｌｏｎｉｎｇ，ＶｏｌｕｍｅｓＩａｎｄＩＩ（Ｄ．Ｎ．Ｇｌｏｖｅｒｅｄ．，１９８５）；ＯｌｉｇｏｎｕｃｌｅｏｔｉｄｅＳｙｎｔｈｅｓｉｓ（Ｍ．Ｊ．Ｇａｉｔｅｄ．，１９８４）；Ｍｕｌｌｉｓｅｔａｌ．米国特許第４，６８３，１９５号，ＮｕｃｌｅｉｃＡｃｉｄＨｙｂｒｉｄｉｚａｔｉｏｎ（Ｂ．Ｄ．Ｈａｍｅｓ＆Ｓ．Ｊ．Ｈｉｇｇｉｎｓｅｄｓ，１９８４）を参照できるであろう。
本発明において、特に好ましく用いることのできる酵素系または微生物の構築ないしは作成について、宿主として大腸菌（以下、Ｅ．ｃｏｌｉと略記する）を用いる場合について、以下、本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらにより限定されるものではない。
宿主・ベクター系：
それぞれ市販されているものを適宜使用することができるが、ここでは、宿主として、大腸菌ＢＬ２１（ＤＥ３）、大腸菌ＢＬ２１または大腸菌Ｃ６００株を、そしてベクターとしてｐＥＴ系またはｐＵＣ系を使用する例を挙げる。その他のベクターとしては、通商産業省「組替えＤＮＡ技術工業化指針」指針第二章第三２．（２）に該当するベクターが好ましく使用できる。
ｌａｔ遺伝子のクローニングおよび発現：
フラボバクテリウム・ルテセンス（Ｆ．ｌｕｔｅｓｃｅｎｓ）ＩＦＯ３０８４株の培養上清から疎水クロマトグラフィー、イオン交換クロマトグラフィー、ゲルろ過クロマトグラフィーによりＬＡＴを精製した。ＬＡＴの酵素活性の測定はオルト−アミノベンズアルデヒドを用いる発色法（Ｂｉｏｃｈｅｍｉｓｔｒｙ、７巻、４１０２〜４１０９頁、１９６８年）により行った。精製したＬＡＴのＮ末をＫＬＬＡＰＬＡＰＬＲＡＨＡＧＴＲＬＴＱＧＬと決定し、このアミノ酸配列に基づいてミックスプライマーを設計しフラボバクテリウム・ルテセンスＩＦＯ３０８４株のゲノムＤＮＡからのＰＣＲ反応によるｌａｔのＤＮＡ断片の増幅を行い、更に得られたＤＮＡ断片を基に逆ＰＣＲ法によて約１．６ｋｂｐからなるｌａｔ遺伝子全体を取得した。ｌａｔのＤＮＡ配列およびＬＡＴのアミノ酸配列を配列番号１に示す。なお、必要があれば、ｌａｔ遺伝子のクローニングの詳細については、本願と同時係属中の国際出願ＰＣＴ／Ｊ９９／０４１９７を参照することができる。
こうして決定されたｌａｔ遺伝子の塩基配列からｌａｔ遺伝子のＮ末端ＡＴＧ付近をＮｄｅＩサイトに改変したＦｏｒｗａｒｄＤＮＡｐｒｉｍｅｒ

および終止コドン下流をＢａｍＨＩに改変したＲｅｖｅｒｓｅＤＮＡｐｒｉｍｅｒ

を作成し、これを用いてＰＣＲ反応を行いｌａｔ遺伝子領域約１．６ｋｂｐを増幅した。この増幅断片を制限酵素ＮｄｅＩとＢａｍＨＩで消化したものをインサートＤＮＡ溶液とした。一方、発現ベクターｐＥＴ１１ａ（Ｎｏｖａｇｅｎ製）を制限酵素ＮｄｅＩとＢａｍＨＩで消化し、これとインサートＤＮＡ溶液とをＬｉｇａｔｉｏｎＫｉｔｖｅｒｓｉｏｎ２（ＴａＫａＲａ製）を用いて連結反応したプラスミドをｐＥＴｌａｔとした。ｐＥＴｌａｔは生来のＬＡＴタンパク質が発現するように設計したプラスミドである。このプラスミドでＥ．ｃｏｌｉＢＬ２１（ＤＥ３）を形質転換した株をＥ．ｃｏｌｉＢＬ２１（ＤＥ３）ｐＥＴｌａｔ株とした。
発現ベクターｐＥＴ１１ａに代えｐＵＣ１９を、そして宿主Ｅ．ｃｏｌｉＢＬ２１株を用いる場合には、上記ｌａｔ遺伝子の塩基配列からｌａｔ遺伝子のＮ末端ＡＴＧ付近をＨｉｎｄＩＩＩサイトに改変したＦｏｒｗａｒｄＤＮＡｐｒｉｍｅｒ

および終始コドン下流をＢａｍＨＩに改変したＲｅｖｅｒｓｅＤＮＡｐｒｉｍｅｒ

を作成し、これを用いてＰＣＲ反応を行いｌａｔ遺伝子領域約１．６ｋｂｐを増幅した。この増幅断片を制限酵素ＨｉｎｄＩＩＩとＢａｍＨＩで消化したものをインサートＤＮＡ溶液とした。一方、ベクターｐＵＣ１９を制限酵素ＨｉｎｄＩＩＩとＢａｍＨＩで消化し、これとインサートＤＮＡ溶液とをＬｉｇａｔｉｏｎＫｉｔｖｅｒｓｉｏｎ２（ＴａＫａＲａ製）を用いて連結反応したプラスミドをｐＵＣｌａｔ（図１参照）とした。ｐＵＣｌａｔはＬａｃＺ−ＬＡＴ融合タンパク質が発現するように設計したプラスミドである。このプラスミドでＥ．ｃｏｌｉＢＬ２１を形質転換した株をＥ．ｃｏｌｉＢＬ２１ｐＵＣｌａｔ株とした。
Ｅ．ｃｏｌｉＢＬ２１（ＤＥ３）ｐＥＴｌａｔ株およびＥ．ｃｏｌｉＢＬ２１ｐＵＣｌａｔ株を、それぞれＬ−リジンを添加した培地（Ｂａｃｔｏｔｒｙｐｔｏｎｅ１．５％、酵母エキス３．０％、グリセリン０．５％、ｐＨ７）で培養したところ、それぞれ培地中にＬ−ピペコリン酸が蓄積したことが確認できた。このことはＬ−リジンからＬＡＴのアミノ基転移反応によって生じたＰ６Ｃを還元する酵素が宿主である大腸菌に存在していることを意味している。
このＰ６Ｃ還元酵素の探索を行った。大腸菌の全ゲノムの遺伝子情報からＰ５Ｃ還元酵素がＰ６Ｃをも還元していると推測して、ｐｒｏＣ欠損株であるｐｒｏＣ３２変異株のＥ．ｃｏｌｉＲＫ４９０４株（ＹａｌｅＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙのＥ．ｃｏｌｉＧｅｎｅｔｉｃＳｔｏｃｋＣｅｎｔｅｒから取得）を用いてＬ−ピペコリン酸生産におけるｐｒｏＣの役割の検討を行った。まずｐｒｏＣ（配列番号：５参照）の効果を調べるためにｐＵＣｌａｔにｐｒｏＣを導入することを試みた。末端にＫｐｎＩサイトを付着させた、ｐｒｏＣを含む約１．５Ｋｂｐを増幅させるＤＮＡｐｒｉｍｅｒ

を作成し、これを用いてＰＣＲ反応を行った。この増幅断片約１．５Ｋｂｐを制限酵素ＫｐｎＩで消化したものをインサートＤＮＡ溶液とした。一方、ｐＵＣｌａｔを制限酵素ＫｐｎＩで消化し、これとインサートＤＮＡ溶液とをＬｉｇａｔｉｏｎＫｉｔｖｅｒｓｉｏｎ２（ＴａＫａＲａ社）を用いて連結反応した。ｌａｔとｐｒｏＣが互いに順向きに連結されたプラスミドをｐＵＣｌａｔｐｒｏＣとした。
このプラスミドでＥ．ｃｏｌｉＲＫ４９０４を形質転換した株をＥ．ｃｏｌｉＲＫ４９０４ｐＵＣｌａｔｐｒｏＣ株とした。さらにｐｒｏＣのみが乗ったプラスミドを作成した。すなわち、ｐＵＣｌａｔｐｒｏＣを制限酵素ＢａｍＨＩとＨｉｎｄＩＩＩで消化し、これをＢｌｕｎｔｉｎｇＫｉｔ（ＴａＫａＲａ製）を用いて平滑化後、自己連結反応したプラスミドをｐＵＣｐｒｏＣとした。このプラスミドでＥ．ｃｏｌｉＲＫ４９０４を形質転換した株をＥ．ｃｏｌｉＲＫ４９０４ｐＵＣｐｒｏＣ株とした。こうして構築したＥ．ｃｏｌｉＲＫ４９０４ｐＵＣ１９株、Ｅ．ｃｏｌｉＲＫ４９０４ｐＵＣｌａｔ株、Ｅ．ｃｏｌｉＲＫ４９０４ｐＵＣｐｒｏＣ株、およびＥ．ｃｏｌｉＲＫ４９０４ｐＵＣｌａｔｐｒｏＣ株を用いてＬ−ピペコリン酸の生産試験を行ったところ、Ｅ．ｃｏｌｉＲＫ４９０４ｐＵＣｌａｔｐｒｏＣ株においてのみＬ−ピペコリン酸の蓄積が見られ、他の株ではＬ−ピペコリン酸の生産は見られなかった。
この結果はｌａｔとｐｒｏＣ両者がＥ．ｃｏｌｉ内で発現したときはじめてＬ−ピペコリン酸が生産されること、さらには、ｐｒｏＣがコードしているタンパク質であるＰ５ＣレダクターゼがＰ６Ｃをも還元していることを示している。本発明者らが知る限りでは、これまでにＰ６Ｃを還元する酵素は文献未載であり、本明細書により初めて開示される。
ｌｙｓＰ遺伝子のクローニングおよびｌａｔ遺伝子との同時組み込み：
上述のＪ．Ｂａｃｔｅｒｉｏｌ．，ｖｏｌ．１７４、３２４２−３２４９、１９９２によると、リジンの大腸菌内への取り込み速度が大腸菌によるＬ−ピペコリン酸の生産で生産速度の律速になっている可能性がある。そこで、以下、リジン特異的パーミアーゼをコードする遺伝子ｌｙｓＰをプラスミドｐＥＴｌａｔに導入することを試みた。大腸菌のｌｙｓＰの遺伝子配列情報（配列番号：８参照）から末端にＢｇｌＩＩ，ＢａｍＨＩサイトを付着させた、ｌｙｓＰを含む約２．２Ｋｂｐを増幅させるＤＮＡｐｒｉｍｅｒ

を作成し、これらを用いてｌｙｓＰをクローニングするためにＰＣＲ反応を行った。この増幅断片約２．２Ｋｂｐを制限酵素ＢｇｌＩＩで消化したものをインサートＤＮＡ溶液とした。一方、ｐＥＴｌａｔを制限酵素ＢｇｌＩＩで消化し、これとインサートＤＮＡ溶液とをＬｉｇａｔｉｏｎＫｉｔｖｅｒｓｉｏｎ２（ＴａＫａＲａ社）を用いて連結反応した。こうして構築されたｌａｔとｌｙｓＰが互いに逆向きに連結されたプラスミドをｐＥＴｌａｔｌｙｓＰとし、このプラスミドでＥ．ｃｏｌｉＢＬ２１（ＤＥ３）を形質転換した株をＥ．ｃｏｌｉＢＬ２１（ＤＥ３）ｐＥＴｌａｔｌｙｓＰ株とした。このＥ．ｃｏｌｉＢＬ２１（ＤＥ３）ｐＥＴｌａｔｌｙｓＰ株と、他方、先に作成したｐＥＴｌａｔで形質転換したＥ．ｃｏｌｉＢＬ２１（ＤＥ３）ｐＥＴｌａｔ株でＬ−ピペコリン酸の生産試験を行ったところ、Ｅ．ｃｏｌｉＢＬ２１（ＤＥ３）ｐＥＴｌａｔｌｙｓＰ株はＥ．ｃｏｌｉＢＬ２１（ＤＥ３）ｐＥＴｌａｔ株よりもＬ−ピペコリン酸を３倍多く生産することが確認できる。
さらに上記の増幅断片約２．２Ｋｂｐを制限酵素ＢａｍＨＩで消化したものをインサートＤＮＡ溶液とした。一方、ｐＵＣｌａｔを制限酵素ＢａｍＨＩで消化し、これとインサートＤＮＡ溶液とをＬｉｇａｔｉｏｎＫｉｔｖｅｒｓｉｏｎ２（ＴａＫａＲａ社）を用いて連結反応した。こうして構築されたｌａｔとｌｙｓＰが互いに順向きに連結されたプラスミドをｐＵＣｌａｔｌｙｓＰ（図１参照）とし、このプラスミドでＥ．ｃｏｌｉＢＬ２１を形質転換した株をＥ．ｃｏｌｉＢＬ２１ｐＵＣｌａｔｌｙｓＰ株とした。このＥ．ｃｏｌｉＢＬ２１ｐＵＣｌａｔｌｙｓＰ株とＥ．ｃｏｌｉＢＬ２１ｐＵＣｌａｔ株でピペコリン酸の生産試験を行ったところ、Ｅ．ｃｏｌｉＢＬ２１ｐＵＣｌａｔｌｙｓＰ株はＥ．ｃｏｌｉＢＬ２１ｐＵＣｌａｔ株よりもＬ−ピペコリン酸を３倍多く生産することが確認できる。こうして、宿主に大腸菌を用いる場合には、ｌｙｓＰ遺伝子を増強することが望ましい。本発明に従う、Ｅ．ｃｏｌｉＢＬ２１ｐＵＣｌａｔｌｙｓＰ株は、１９９９年１２月２０日付で日本国茨城県つくば市東１丁目１番３号の通商産業省工業技術院生命工学工業技術研究所に寄託され、ＦＥＲＭＰ−１７６８１で受託され、その後、所謂ブダペスト条約の規定の下に該研究所の国際寄託当局に上記寄託が移管され、ＦＥＲＭＢＰ−７３２６で受託されている。
ｙｅｉＥ遺伝子の導入：
ＢＬ２１ｐＵＣｌａｔｌｙｓＰ株のＬ−ピペコリン酸生産能を向上させるため、さらにｌｙｓＰ活性を上げることを試みた。Ｅ．ｃｏｌｉのゲノムプロジェクトによりｌｙｓＰ周辺領域のＤＮＡシークエンスも明らかにされている。これによるとｌｙｓＰの上流にｌｙｓＰとタンデムに並ぶ遺伝子ｙｅｉＥ（配列番号：１１参照）が存在していた。ｙｅｉＥはバクテリアでよく保存されているｌｙｓＲ型の転写調節配列であることがそのアミノ酸配列から示唆された。このｙｅｉＥがｌｙｓＰの転写を制御していることが予想されたので、ｙｅｉＥとｌｙｓＰを共にプラスミド上に乗せることにより、ｌｙｓＰの転写量が増大し、Ｌ−リジンの取り込み能が上昇し、Ｌ−ピペコリン酸の生産能が向上することが期待された。
このプラスミドｐＵＣｌａｔｌｙｓＰＬを次のように構築した。末端にＢｇｌＩＩ部位を付着させたＦｏｒｗａｒｄＤＮＡｐｒｉｍｅｒ

および末端ｋｐｎＩｓｉｔｅを付着させたＲｅｖｅｒｓｅＤＮＡｐｒｉｍｅｒ

を用いてＰＣＲ反応を行いｙｅｉＥとｌｙｓＰを含む約３Ｋｂｐを増幅した。この増幅断片を制限酵素ＢｇｌＩＩとｋｐｎＩで消化したものをインサートＤＮＡとした。一方、ｐＵＣｌａｔｌｙｓＰを制限酵素ＢａｍＨＩとｋｐｎＩで消化し、これとインサートＤＮＡとをＬｉｇａｔｉｏｎＫｉｔｖｅｒｓｉｏｎ２（ＴａＫａＲａ社）を用いて連結反応したプラスミドをｐＵＣｌａｔｌｙｓＰＬとした（図１参照）。このプラスミドでＥ．ｃｏｌｉＢＬ２１を形質転換した株をＥ．ｃｏｌｉＢＬ２１ｐＵＣｌａｔｌｙｓＰＬ株とした。
ａｒｇＴ遺伝子のクローニングおよび導入：
ｌｙｓＰはリジン濃度が高い時はその発現が抑制され低いときは誘導されることが知られている（Ｊ．Ｂａｃｔｅｒｉｏｌ．（１９９６）ｖｏｌ．１７８，５５２２−５５２８）。そこで、更にリジンの細胞内への取り込みに関与する遺伝子の導入を計画した。これまでに大腸菌にはリジン，アルギニン，オルニチンの菌体内への取り込みシステム（ＬＡＯシステム）が存在することが知られている（ＪｏｕｎａｌｏｆＢｉｏｌｏｇｉｃａｌＣｈｅｍｉｓｔｒｙ，ｖｏｌ．２６５，ｐ１７８３−１７８６（１９９０））。また、ゲノムプロジェクトにより明らかにされた大腸菌の遺伝子ａｒｇＴは、サルモネラ・ティフィムリウム（Ｓａｌｍｏｎｅｌｌａｔｙｐｈｉｍｕｒｉｕｍ）で明らかにされているＬＡＯシステム（Ｐｒｏｃ．Ｎａｔｌ．Ａｃａｄ．Ｓｃｉ．ＵＳＡ，ｖｏｌ．７８，ｐ６０３８−６０４２（１９８１））に関与するａｒｇＴと高い相同性を有していることから、大腸菌のａｒｇＴもリジンの取り込みに関与する可能性が高いことが予想された。
そこで、ａｒｇＴの効果を調べるためにｌａｔとａｒｇＴの乗ったプラスミドｐＵＣｌａｔａｒｇＴを以下のように構築した。

を用い大腸菌のゲノムＤＮＡをテンプレートにしてａｒｇＴをＰＣＲ反応により増幅した。反応条件は９８℃２０ｓ、６０℃３０ｓ、６８℃ｌｍｉｎの２５ｃｙｃｌｅとした。この増幅断片約１．５Ｋｂｐを制限酵素ＫｐｎＩで消化し、ｐＵＣｌａｔｌｙｓＰＬのＫｐｎＩサイトに導入した。さらに得られたプラスミドのＳｃａＩサイトにテトラサイクリン耐性遺伝子を導入した。すなわち、ｐＢＲ３２２をテンプレートにし、末端にＳｃａＩサイトを付加したプライマー

を用いテトラサイクリン耐性遺伝子をＰＣＲ反応により増幅した。これをｐＵＣｌａｔｌｙｓＰＬのアンピシリン耐性遺伝子内に存在するＳｃａＩサイトに導入したプラスミドをｐＵＣｌａｔｌｙｓＰＬａｒｇＴ−ｔｅｔとした。また、このプラスミドを大腸菌ＢＬ２１株に導入したものをＥ．ｃｏｌｉＢＬ２１ｐＵＣｌａｔｌｙｓＰＬａｒｇＴ−ｔｅｔ株とした。ａｒｇＴのＤＮＡ配列およびアミノ酸配列は配列番号：１８に示す。
コリネ型細菌でのｌａｔ形質転換株の構築と発現：
以上で述べたようにｌａｔ発現大腸菌を用いたＬ−リジンからＬ−ピペコリン酸への変換反応によるＬ−ピペコリン酸の生産系を確立することができた。この組み替え大腸菌の系ではＬ−リジンの菌体内への取り込みがピペコリン酸の生産の、場合により律速であることが示唆されたので、培養液中にＬ−リジンを添加せずに菌自身がＬ−リジンを生産してピペコリン酸に変換させるピペコリン酸直接生産菌を提供することも望ましいであろう。かような提供は、以下のような戦略に従うことができる。Ｌ−リジンはコリネバクテリウム・グルタミカム（Ｃｏｒｙｎｅｂａｃｔｅｒｉｕｍｇｌｕｔａｍｉｃｕｍ）により大量に発酵生産されている。そこで、Ｃ．ｇｌｕｔａｍｉｃｕｍのベクター系として確立されているｐＣ２プラスミド（ＰＬＡＳＭＩＤ，ｖｏｌ．３６，６２−６６（１９９６））にｌａｔを乗せ、Ｃ．ｇｌｕｔａｍｉｃｕｍＡＴＣＣ３１８３１に導入してｌａｔを発現させることができれば、菌体内で生合成されたＬ−リジンをＰ６Ｃに変換し、さらに、Ｃ．ｇｌｕｔａｍｉｃｕｍのゲノムにコードされているｐｒｏＣの発現によるピロリン−５−カルボン酸還元酵素によりＰ６Ｃがピペコリン酸に変換されうるであろう。かような戦略の有効性は、例えば以下の実験を行うことにより確認できる。
上記ｐＣ２プラスミドを用いｌａｔ発現プラスミドｐＣｌａｔを以下のように構築した。

を用いフラボバクテリウム・ルテセンス（Ｆｌａｖｏｂａｃｔｅｒｉｕｍｌｕｔｅｓｃｅｎｓ）のゲノムＤＮＡをテンプレートにしてｌａｔをＰＣＲ反応により増幅した。反応条件は９８℃２０秒、６８℃２分の２５サイクルとした。この増幅断片約１．５ＫｂｐをＫｐｎＩとＢａｍＨＩで消化し、ｐＣ２のＫｐｎＩ、ＢａｍＨＩサイトに連結反応した（図２）。このプラスミドｐＣｌａｔを大腸菌ＪＭ１０９に導入した株を用いてＬ−リジンからピペコリン酸への変換反応が進行すること、つまりＬＡＴ活性を有することを確認した。
次にｐＣｌａｔによるＣ．ｇｌｕｔａｍｉｃｕｍの形質転換法を行う。例えば、Ｌ培地３ｍｌにＣ．ｇｌｕｔａｍｉｃｕｍを植菌し、３２℃で１７時間振とう培養した。この培養液３０μｌをＬ培地３ｍｌに植菌し、３２℃で２．５時間振とう培養した。これにペニシリンＧカリウム溶液（２ｍｇ／ｍｌ）を１．５μｌ加え、さらに１．５時間振とう培養した。全量を集菌し、１０％グリセロール溶液５ｍｌで洗浄し、１０％グリセロール溶液７００μｌで懸濁したものをエレクトロセルとした。エレクトロセル２００μｌにＴＥ溶液に溶けたプラスミド（２００μｇ／ｍｌ）を０．５μｌ加え、１２．５ｋＶ／ｃｍ，２５ｕＦ，２００Ωの条件でエレクトロポレーションを行なった。Ｌ培地１ｍｌを加え、３２℃で２時間振とう培養した後、カナマイシン１０μｇ／ｍｌを含むＬプレートに塗布し、３２℃で３日間培養して出現したコロニーを選抜することにより目的の形質転換株を提供できる。
本明細書において、コリネ型（ｃｏｒｙｎｅｆｏｒｍ）細菌とは、典型的にはコリネバクテリウム属（Ｃｏｒｙｎｅｂａｃｔｅｒｉｕｍ）に属するＬ−リジンを生産し、本発明の目的に沿うものであればいかなる種のものをも包含する。
上記各遺伝子またはＤＡＮ配列の改変体
本発明に従えば、上記各酵素をコードする遺伝子またはＤＮＡには、それら（例えば、配列番号：１、配列番号：５、配列番号：８、配列番号：１１および配列番号：１８参照）とそれぞれストリンジェントな条件下でハイブリダイズし、そしてそれらが発現することにより産生されるポリペプチドが、それぞれ目的の酵素活性を有するものであれば如何なる改変体も本発明にいう、リジン−６−アミノトランスフェラーゼをコードする遺伝子、ピロリン−５−カルボン酸レダクターゼをコードする遺伝子、リジン特異的取り込み酵素をコードする遺伝子、およびｌｙｓＰの転写を調節する遺伝子に包含される。
ストリンジェントな条件は、当業者に周知であり、例えば、上述のＳａｍｂｒｏｏｋｅｔａｌ．の９．３１〜９．６２ページに記載されている。これらの改変体は、それぞれ目的とする酵素活性に必須でないかまたは悪影響を及ぼさないとみなせる１つまたはそれ以上のアミノ酸残基が欠失あるいは付加したものか、あるいは類似する側鎖を有するアミノ酸残基間、例えば、塩基性側鎖（リジン、アルギニン、ヒスチジン等）、酸性側鎖（アスパラギン酸、グルタミン酸等）、無荷電極性側鎖（グリシン、アスパラギン、グルタミン、セリン、トレオニン、チロシン、システイン等）、非極性側鎖（アラニン、バリン、ロイシン、イソロイシン、プロリン、フェニルアラニン、メチオニン、トリプトファン等）、β−分枝した側鎖（例えば、スレオニン、バリン、イソロイシン等）および芳香族側鎖（例えば、チロシン、フェニルアラニン、トリプトファン、ヒスチジン等）を有するアミノ酸残基間で、それぞれ相互に置換されるか、等を指標にして、それ自体既知の点突然異変、部位特異的突然変異誘発法等、あるいは化学合成法等で作成できる。また、かような遺伝子による宿主細胞の形質転換またはトランスフォーメーションは、前述した操作または当業者に周知の方法によって行うことができる。
なお、生成したピペコリン酸がＬ体であることの確認はキラルカラムを用いたＨＰＬＣ法（Ａｇｒｉｃ．Ｂｉｏｌ．Ｃｈｅｍ．、５２巻、１１１３〜１１１６頁、１９８８年）により行った。カラムはＤＡＩＣＥＬＣＨＩＲＡＬＰＡＫＷＨ（４．６×２５０ｍｍ、ダイセル製）を用い、移動相は０．２５ｍＭ硫酸銅水溶液を用い、カラム温度５０℃、流速１．０ｍｌ／ｍｉｎ、検出はＵＶ２４３ｎｍで行った。このＨＰＬＣ条件でＤ体のピペコリン酸の保持時間は１１．５分、Ｌ体のピペコリン酸の保持時間は１５分であり、本発明による組換え大腸菌が生産するピペコリン酸を分析した結果、生産されたピペコリン酸は上記保持時間が１５分であった。
実施例
以下実施例により本発明をより具体的に説明する。
実施例においてＬ−ピペコリン酸の定量はダンシル化した後、高速液体クロマトグラフィー（以下ＨＰＬＣと略記）によってプロリンを内部標準として定量した。すなわち培養上清を蒸留水で１００倍希釈し、内１０μｌをエッペンチューブに移し、ここに５μｇ／ｍｌのプロリンを含む４０ｍＭ炭酸リチウム緩衝液（ｐＨ９．５）２００μｌとアセトニトリルに溶かした３．０ｍｇ／ｍｌのダンシルクロライド１００μｌを加え、撹拌し室温で暗所で２時間反応させた。２％のメチルアミン塩酸塩１０μｌを加えて撹拌し、その上清を分析サンプルとした。ＨＰＬＣ分析条件は、カラムはＹＭＣ−ＰａｃｋＯＤＳ−ＡＡ−３０３（４．６×２５０ｍｍ、ＹＭＣ製）を用い、移動相は０．００３ＭＬ−プロリンと０．００１５Ｍ硫酸銅と０．００３９Ｍ酢酸アンモニウムを含む３３．２％アセトニトリル溶液（アンモニア水でｐＨ７に調整）を用い、流速０．８ｍｌ／分、室温、検出は励起波長３６６ｎｍ、蛍光５１０ｎｍで行った。この条件でＬ−ピペコリン酸の保持時間は１３分であった。
実施例１
Ｅ．ｃｏｌｉＢＬ２１ｐＵＣｌａｔｌｙｓＰ（ＦＥＲＭＢＰ−７３２６）株、Ｅ．ｃｏｌｉＢＬ２１（ＤＥ３）ｐＥＴｌａｔｌｙｓＰ株、Ｅ．ｃｏｌｉＣ６００ｐＵＣｌａｔｌｙｓＰ株およびＥ．ｃｏｌｉＢＬ２１ｐＵＣｌａｔｌｙｓＰＬ株についてＬ−ピペコリン酸の生産試験を行った。アンピシリンナトリウム５０μｇ／ｍｌを含むＬ培地（ポリペプトン１．０％、酵母エキス０．５％、ＮａＣｌ０．５％、グルコース０．１％、ｐＨ７．２）３ｍｌにそれぞれの菌株を植菌し、３２℃で一晩振盪培養した。これらを種菌として各２７５μｌをアンピシリンナトリウム１００μｇ／ｍｌを含むＴＢ培地（グリセリン０．４４％、Ｂａｃｔｏ−トリプトン１．３３％、Ｂａｃｔｏ−酵母エキス２．６７％、ＫＨ_２ＰＯ_４０．２１％、Ｋ_２ＨＰＯ_４１．１４％）２７．５ｍｌに植菌し、それそれ３２℃で４．５時間振盪培養した。なお、Ｅ．ｃｏｌｉＢＬ２１（ＤＥ３）ｐＥＴｌａｔｌｙｓＰのようなｐＥＴ型ベクターを使用した微生物の培養では、ｌａｔを誘導するため１００ｍＭのイソプロピル−β−Ｄ−チオガラクトピラノシド（ＩＰＴＧ）２７５μｌを加え、さらに４時間３２℃で振盪培養した。これに対し、ｐＵＣ型ベクターを使用した場合には、ＩＰＴＧは添加不要である。これらにそれぞれ５０％Ｌ−リジン塩酸塩５００μｌとリン酸緩衝液（ｐＨ６．８）に溶かした５０％グリセリン２５０μｌを加え、３２℃で振盪培養をつづけた。Ｌ−リジン塩酸塩を添加後１５時間、３９時間、６３時間、８７時間、１２０時間、１５９時間でも５０％Ｌ−リジン塩酸塩５００μｌとリン酸緩衝液（ｐＨ６．８）に溶かした５０％グリセリン５００μｌを加えた。１５時間、３９時間、８７時間、１２０時間、１５９時間、２０７時間で１００μｌをサンプリングし、ＨＰＬＣでＬ−ピペコリン酸の定量を行った。これらの結果、各菌株は培養液中に次の濃度でＬ−ピペコリン酸を蓄積した：

実施例２
Ｐ５ＣレダクターゼのＬ−ピペコリン酸生産における役割を明らかにするためにｐｒｏＣ欠損株であるＥ．ｃｏｌｉＲＫ４９０４株を宿主とする組み替え株Ｅ．ｃｏｌｉＲＫ４９０４ｐＵＣ１９株、Ｅ．ｃｏｌｉＲＫ４９０４ｐＵＣｌａｔ株、Ｅ．ｃｏｌｉＲＫ４９０４ｐＵＣｐｒｏＣ株、およびＥ．ｃｏｌｉＲＫ４９０４ｐＵＣｌａｔｐｒｏＣ株についてＬ−ピペコリン酸の生産性を調べた。アンピシリンナトリウム５０μｇ／ｍｌを含むＬ培地（ポリペプトン１．０％、酵母エキス０．５％、ＮａＣｌ０．５％、グルコース０．１％、ｐＨ７．２）３ｍｌに植菌し、３２℃で一晩振盪培養した。これを種菌としてその２７５μｌをアンピシリンナトリウム５０μｇ／ｍｌを含むＴＢ培地（グリセリン０．４４％、Ｂａｃｔｏ−トリプトン１．３３％、Ｂａｃｔｏ−酵母エキス２．６７％、ＫＨ_２ＰＯ_４０．２１％、Ｋ_２ＨＰＯ_４１．１４％）２７．５ｍｌに植菌し、３２℃で８時間振盪培養した。これに５０％Ｌ−リジン塩酸塩５００μｌとリン酸緩衝液（ｐＨ６．８）に溶かした５０％グリセリン５００μｌを加え、３２℃で振盪培養をつづけた。４０時間で１００μｌをサンプリングし、ＨＰＬＣでＬ−ピペコリン酸の定量を行った。その結果、Ｅ．ｃｏｌｉＲＫ４９０４ｐＵＣｌａｔｐｒｏＣ株でのみ０．７６５ｇ／ｌのＬ−ピペコリン酸の蓄積が見られたが、他の株ではピペコリン酸の蓄積は見られなかった。
実施例３
Ｅ．ｃｏｌｉＣ６００ｐＵＣｌａｔｌｙｓＰ株を用いて培地の炭素源の検討を行った。培地組成は、ＴＢ培地（グリセリン０．４４％、Ｂａｃｔｏ−トリプトン１．３３％、Ｂａｃｔｏ−酵母エキス２．６７％、ＫＨ_２ＰＯ_４０．２１％、Ｋ_２ＨＰＯ_４１．１４％）のグリセリンを各種炭素源で置き換えた培地を用いた。炭素源としては、グリセリン、ピルビン酸ナトリウム、クエン酸、プロピオン酸、マレイン酸、乳酸、ＤＬ−リンゴ酸について検討した。培養は２５０ｍｌ容のエルレンマイヤーフラスコに２５ｍｌの培地を入れて３２℃で振盪培養を行った。培養２４時間目でのＬ−ピペコリン酸の蓄積量はそれぞれ、４．８ｇ／ｌ、３．３ｇ／ｌ、２．８ｇ／ｌ、２．６ｇ／ｌ、３．５ｇ／ｌ、４．７ｇ／ｌ、４．７ｇ／ｌであった。本発明では炭素源として有機酸も使用可能であることを示している。
実施例４菌体破砕物によるＬ−ピペコリン酸の生産
アンピシリンナトリウム５０μｇ／ｍｌを含むＬ培地３ｍｌにＥ．ｃｏｌｉＲＫ４９０４ｐＵＣ１９株、Ｅ．ｃｏｌｉＲＫ４９０４ｐＵＣｌａｔ株、Ｅ．ｃｏｌｉＲＫ４９０４ｐＵＣｐｒｏＣ株、およびＥ．ｃｏｌｉＲＫ４９０４ｐＵＣｌａｔｐｒｏＣ株を植菌し、３２℃で一晩振盪培養した。これらを種菌として２７５μｌをアンピシリンナトリウム５０μｇ／ｍｌを含むＬ培地５０ｍｌにそれぞれ植菌し、３２℃で８時間振盪培養した。この培養液を遠心し、菌体を０．８５％ＮａＣｌで洗い、ＢｕｇＢｕｓｔｅｒ（Ｎｏｖａｇｅｎ）２ｍｌを加えた上清を菌体破砕液とした。これらの菌体破砕液１００μｌにＬ−リジン−ＨＣｌ２０μｍｏｌ、２−ケトグルタール酸２０μｍｏｌ、ピリドキサールリン酸０．０７５μｍｏｌ、およびβ−ＮＡＤ^＋２００μｍｏｌを含む０．２Ｍリン酸バッファー（ｐＨ７．２）を１ｍｌ加え、３２℃で１５時間放置した。これらの反応液５μｌをＴＬＣプレート（ＭｅｒｃｋＡｒｔ．１３１４３）にスポットし、展開液（１−ブタノール：酢酸：水＝３：１：１）で展開後ニンドリン発色した。この結果Ｅ．ｃｏｌｉＲＫ４９０４ｐＵＣｌａｔｐｒｏＣ株菌体破砕液にのみＬ−ピペコリン酸のスポットが確認された。このことはプラスミド上にコードされたｌａｔ遺伝子から生成したＬＡＴと、ｐｒｏＣから生成したピロリン−５−カルボン酸レダクターゼにより、試験管内反応においてもＬ−ピペコリン酸が生産されることを示している。
実施例５
ｐＵＣｌａｔｌｙｓＰＬａｒｇＴ−ｔｅｔと同様に、ｐＵＣｌａｔｌｙｓＰＬのＳｃａＩサイトにテトラサイクリン耐性遺伝子を導入したプラスミドｐＵＣｌａｔｌｙｓＰＬ−ｔｅｔを構築し、以下の変換反応を行なった。
テトラサイクリン２５μｇ／ｍｌを含むＬ培地（３ｍｌ／遠沈管）に２菌株、Ｅ．ｃｏｌｉＢＬ２１ｐＵＣｌａｔｌｙｓＰＬａｒｇＴ−ｔｅｔ株とＥ．ｃｏｌｉＢＬ２１ｐＵＣｌａｔｌｙｓＰＬ−ｔｅｔ株の凍結種母を植菌し３２℃で１８時間ロータリーシェーカー上で培養した。これらの種母をテトラサイクリン２５μｇ／ｍｌを含むＴＢ培地（２７．５ｍｌ／遠沈管）に５００μｌ植菌し３２℃で２４時間ロータリーシェーカー上で培養した。培養終了時の６６０ｎｍのＯ．Ｄ．はそれぞれ３．９８、９．３８であった。それぞれの培養液４．７１ｍｌ、２．００ｍｌから遠心分離によって菌体を回収し、回収した菌体に２５ｍＭリン酸緩衝液（ｐＨ６．８）１ｍｌを加え、更に２０％Ｌ−リジン溶液２０μｌ、２０％グリセロール２０μｌを添加して３２℃で変換反応を開始した。反応開始２時間後、７時間後、２４時間後にそれぞれ１００μｌづつサンプリングしピペコリン酸とリジンの量をＨＰＬＣを用いて定量した。
変換反応２時間後、７時間目、２４時間目でのピペコリン酸の蓄積量はそれぞれＥ．ｃｏｌｉＢＬ２１ｐＵＣｌａｔｌｙｓＰＬａｒｇＴ−ｔｅｔ株が０．３６ｇ／ｌ、０．７３ｇｌ１、２．０ｇ／ｌに対し、Ｅ．ｃｏｌｉＢＬ２１ｐＵＣｌａｔｌｙｓＰＬ−ｔｅｔ株では０．８８ｇ／ｌ、１．３ｇ／ｌ、１．４ｇ／ｌであった。このようにＥ．ｃｏｌｉＢＬ２１ｐＵＣｌａｔｌｙｓＰＬ−ｔｅｔ株はピペコリン酸生産速度が徐々に鈍るのに対し、Ｅ．ｃｏｌｉＢＬ２１ｐＵＣｌａｔｌｙｓＰＬａｒｇＴ−ｔｅｔ株は出足のピペコリン酸生産速度は若干劣るものの、ほぼ一定のピペコリン酸生産速度を維持した。このピペコリン酸生産速度はリジン減少速度に完全に対応していた。この実験結果より、ピペコリン酸生産におけるａｒｇＴ遺伝子の効果を確認した。
実施例６
コリネ型細菌のｌａｔ形質転換株Ｃ．ｇｌｕｔａｍｉｃｕｍＡＴＣＣ３１８３１ｐＣｌａｔ株の培養試験を行った。対照としてｌａｔが挿入されてないプラスミドを保持するＣ．ｇｌｕｔａｍｉｃｕｍＡＴＣＣ３１８３１ｐＣ２株も同様に試験した。２株の寒天平板上のコロニーをカナマイシン２０μｇ／ｍｌを含むＬ培地３ｍｌを入れた試験管にそれぞれ植菌し、３２℃で１８時間ロータリーシェーカー上で培養した。得られた培養液２７５μｌをそれぞれをカナマイシン２０μｇ／ｍｌを含むＴＢ培地２７．５ｍｌが入った２５０ｍｌ容のエルレンマイヤーフラスコに植菌し、３２℃でロータリーシェーカー上で本培養して、培養開始後５、１５、３９、６３時間でリン酸緩衝液（ｐＨ６．８）に溶かした５０％グリセリンを５５０μｌづつ添加した。グリセリンの添加を開始してから１３５時間後に培養を終了し、培養上清中のピペコリン酸をＨＰＬＣを用いて定量した。その結果、Ｃ．ｇｌｕｔａｍｉｃｕｍＡＴＣＣ３１８３１ｐＣｌａｔ株は最初のグリセリン添加後１３５時間で約０．７ｇ／ｌのピペコリン酸を蓄積した。一方、対照のＣ．ｇｌｕｔａｍｉｃｕｍＡＴＣＣ３１８３１ｐＣ２株ではピペコリン酸の生産は見られなかった。このことは、コリネ型細菌においてもプラスミドで導入したｌａｔ遺伝子が発現すること、およびコリネ型細菌のピロリン−５−カルボン酸還元酵素（遺伝子、ｐｒｏＣ）がＬＡＴによってリジンから変換されたＰ６Ｃをピペコリン酸へ還元することを示している。
【配列表】

【図面の簡単な説明】
図１は大腸菌中でＬ−リジンからＬ−ピペコリン酸を生産するための本発明に関連するプラスミドの略図である。
図２は、コリネ型細菌中でＬ−ピペコリン酸を生産するための本発明に関連するプラスミドの略図である。

Claims

ピロリン−５−カルボン酸レダクターゼを用いて、デルタ−１−ピペリデイン−６−カルボン酸の還元を行う工程を含んでなるＬ−ピペコリン酸の製造方法。
ピロリン−５−カルボン酸レダクターゼが大腸菌（Ｅｓｃｈｅｒｉｃｈｉａｃｏｌｉ）またはコリネ型（ｃｏｒｙｎｅｆｏｒｍ）細菌に由来する請求項１記載の製造方法。
デルタ−１−ピペリデイン−６−カルボン酸がリジン−６−アミノトランスフェラーゼを用いるＬ−リジンからの変換工程により得られる請求項１または２記載の製造方法。
リジン−６−アミノトランスフェラーゼがフラボバクテリウウム・ルテセンス（Ｆｌａｖｏｂａｃｔｅｒｉｕｍｌｕｔｅｓｃｅｎｓ）に由来する請求項３記載の製造方法。
デルタ−１−ピペリデイン−６−カルボン酸の還元を行う工程およびリジン−６−アミノトランスフェラーゼを用いるＬ−リジンからＬ−ピペコリン酸への変換工程が、リジン−６−アミノトランスフェラーゼをコードする遺伝子で形質転換されたピロリン−５−カルボン酸レダクターゼ活性を有する大腸菌またはコリネ型細菌を用いて実施される請求項３または４記載の製造方法。
大腸菌またはコリネ型細菌が、外来のピロリン−５−カルボン酸レダクターゼをコードする遺伝子および外来のリジンの取り込みに関与する遺伝子からなる群より選ばれる少なくとも１つの遺伝子を含み、かつ、該リジンの取り込みに関与する遺伝子がリジン特異的パーミアーゼをコードする遺伝子であることを特徴とする請求項５記載の製造方法。
リジン−６−アミノトランスフェラーゼをコードする遺伝子を発現する形態で含んでなり、かつ、該リジン−６−アミノトランスフェラーゼが配列番号１のアミノ酸配列に示されるものであることを特徴とする組換え大腸菌またはコリネ型細菌。
外来のピロリン−５−カルボン酸レダクターゼをコードする遺伝子および外来のリジンの取り込みに関与する遺伝子からなる群より選ばれる少なくとも１つの遺伝子を発現する形態でさらに含み、かつ、該リジンの取り込みに関与する遺伝子がリジン特異的パーミアーゼをコードする遺伝子であることを特徴とする請求項７記載の組換え大腸菌。
リジンの取り込みに関与する遺伝子が、その上流にタンデムに並ぶ転写調節因子をコードする配列をさらに含む請求項８記載の組換え大腸菌。
請求項７ないし９のいずれかに記載の組換え大腸菌またはコリネ型細菌をＬ−リジン含有培地で培養し、次いで培養物中に蓄積したＬ−ピペコリン酸を採取する工程を含んでなり、かつ、該大腸菌またはコリネ型細菌がピロリン−５−カルボン酸レダクターゼの供給源であることを特徴とするＬ−ピペコリン酸の製造方法。