JP4603171B2 - (S) -4-Halo-3-hydroxybutyric acid ester-encoding gene useful for enzyme, method for obtaining the same, and method for producing optically active alcohol using the same - Google Patents

(S) -4-Halo-3-hydroxybutyric acid ester-encoding gene useful for enzyme, method for obtaining the same, and method for producing optically active alcohol using the same Download PDF

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光学活性アルコール、特に、(S)−4−ハロ−3−ヒドロキシ酪酸エステルの製造に有用な新規な4−ハロアセト酢酸エステル還元酵素、該酵素蛋白質をコードするDNA、該酵素の製造方法、該酵素を用いたアルコール、特に(S)−4−クロロ−3−ヒドロキシ酪酸エステル誘導体を製造する方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、光学活性(S)−4−ハロ−3−ヒドロキシ酪酸エステルの製造方法としては、次のような方法が知られている。
パン酵母など微生物を用いた不斉還元法
J.Am.Chem.Soc.,105,5925-5926(1983)
特開昭61-146191号公報等
3α−ヒドロキシステロイド脱水素酵素など酵素を用いた不斉還元法
特開平1-277494号公報
微生物に由来する4−ハロアセト酢酸エステルを還元し(S)−4−ハロ−3−ヒドロキシ酪酸エステルを生成する酵素の遺伝子をクローニングし、大腸菌に於いて該遺伝子を発現させた組換え大腸菌により、4−ハロアセト酢酸エステルを還元し(S)−4−ハロ−3−ヒドロキシ酪酸エステルを製造する方法等
WO 9835025
特開2000-236883
【0003】
また、本発明者らは、大腸菌(Escherichia coli)及び枯草菌(Bacillus subtilis)由来のβ-ケトアシル-ACP還元酵素(以下、KRと省略することがある)が4−ハロアセト酢酸エステルを還元し、(S)−4−ハロ−3−ヒドロキシ酪酸エステルを合成することを確認している。そして該酵素を利用した、(S)−4−ハロ−3−ヒドロキシ酪酸エステル合成法を確立した。脂肪酸合成酵素のうち、II型の脂肪酸合成酵素(新生化学実験講座4脂質I, p34-37)を構成するKRは、サブユニットの分子量が20,000 - 40,000程度で、分子量が小さい。また、これらのKRは、SH試薬で阻害されにくい特徴を有する。
【0004】
更に本発明者らは、アルカリゲネス・ユートロファスや、ズーグロエア・ラミゲーラ(Zoogloea ramigera)の生産するアセトアセチル-CoA還元酵素が、4−ハロアセト酢酸エステルを還元し、(S)−4−ハロ−3−ヒドロキシ酪酸エステルを合成する活性を有することを確認してきた(特開2000-189170)。アセトアセチル-CoA還元酵素(以下ARと省略することがある)をコードする遺伝子は、一般にphbB、あるいはphaBと省略される。また一般にKRをコードする遺伝子は、fabGと省略される。phbB、あるいはphaBは、fabGにホモロジーの高いポリβ−ヒドロキシ酸合成酵素(PHS)遺伝子を取得することにより、見出された。なおアルカリゲネス・ユートロファスは、現在はラルストニア・ユートロファ(Ralstonia eutropha)と呼ばれている。
しかしながら、公知の酵素を用いた方法は、いずれも酵素の安定性が低い、生産物の生産性が低い、あるいは生成物の蓄積濃度が低いなどの問題点を有していた。(S)−4−ハロ−3−ヒドロキシ酪酸エステルの酵素的な合成を工業的に実施するには、これらの問題点の改善が望まれる。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、(S)−4−ハロ−3−ヒドロキシ酪酸エステルの製造に有用な、新規な4−ハロアセト酢酸エステル還元酵素をコードするDNAを取得する方法、新規な4−ハロアセト酢酸エステル還元酵素をコードするDNA、該DNAによりコードされる酵素、該酵素を利用した(S)−4−ハロ−3−ヒドロキシ酪酸エステルの製造方法を提供することを課題とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、II型の脂肪酸合成酵素を構成するKRは、微生物、ウイルス、あるいは植物等に広く分布する可能性が高いことに着目した。したがって、通常の培養方法では生育しない微生物を含めた、種々の生物に由来するβ-ケトアシル-ACP還元酵素を取得できれば、その中から、有利な性状を備えた酵素を見出すことが可能になると考えた。より具体的には、有機溶媒耐性、安定性、立体選択性、あるいは組換え微生物による生産性に優れた酵素を取得することができるのではないかと考えた。
【0007】
このような予測に基づいて、本発明者らは、公知のKRをコードする遺伝子(fabG)を解析して、比較的保存された領域を見出した。そしてこの部分に対応したPCRプライマーを合成し、fabG遺伝子の報告されていない微生物ゲノムDNAを鋳型としてPCRを行い、fabG遺伝子の一部を取得することができた。更に得られた遺伝子の塩基配列を利用して、fabG遺伝子の全領域をクローニングし、大腸菌などの宿主を用いて発現させた。その結果、発現した酵素が4−ハロアセト酢酸エステルを還元し、(S)−4−ハロ−3−ヒドロキシ酪酸エステルを生成することを確認し、本発明を完成した。
【0008】
すなわち本発明は、(S)−4−ハロ−3−ヒドロキシ酪酸エステルの製造に有用な4−ハロアセト酢酸エステル還元酵素遺伝子を取得する方法、取得された遺伝子、該遺伝子によりコードされる4−ハロアセト酢酸エステル還元酵素、及びこれを利用した光学活性アルコールの製造方法に関する。
〔1〕 配列番号:3、および配列番号:4に記載の塩基配列、またはそれらの相補配列に相補的な少なくとも15塩基の連続した塩基配列を含むオリゴヌクレオチドの組み合わせからなる、4−ハロアセト酢酸エステルに作用し、(S)−4−ハロ−3−ヒドロキシ酪酸エステルを生成する酵素活性を有する蛋白質をコードする遺伝子の合成用プライマーセット。
〔2〕 以下の工程を含む、4−ハロアセト酢酸エステルに作用し、(S)−4−ハロ−3−ヒドロキシ酪酸エステルを生成する酵素活性を有する蛋白質をコードする遺伝子の取得方法。
(a)〔1〕に記載のプライマーセットを用い、生物に由来するポリヌクレオチドを鋳型としてPCRを行う工程、
(b)工程(a)の増幅生成物を採取する工程、
(c)前記増幅生成物の塩基配列を含み、かつ目的とする酵素活性を有する蛋白質をコードする遺伝子を取得する工程、
〔3〕 生物が好熱性微生物である〔2〕に記載の方法。
〔4〕 下記(a)から(e)のいずれかに記載の、4−ハロアセト酢酸エステルに作用し、(S)−4−ハロ−3−ヒドロキシ酪酸エステルを生成する酵素活性を有する蛋白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蛋白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/または付加したアミノ酸からなる蛋白質をコードするポリヌクレオチド、
(d)配列番号:1に記載の塩基配列からなるポリヌクレオチドとストリンジェントな条件下でハイブリダイズするポリヌクレオチド、
(e)配列番号:2に記載のアミノ酸配列と80%以上の相同性を有するアミノ酸配列をコードするポリヌクレオチド、
〔5〕 〔4〕に記載のポリヌクレオチドによってコードされる蛋白質。
〔6〕 〔4〕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。
〔7〕 更にβ-ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドを補酵素とする酸化還元反応を触媒することができる脱水素酵素をコードするポリヌクレオチドが挿入された、〔6〕に記載の組換えベクター。
〔8〕 〔4〕に記載のポリヌクレオチド、または〔6〕に記載のベクターを発現可能に保持した形質転換体。
〔9〕 〔8〕に記載の形質転換体を培養し、4−ハロアセト酢酸エステルに作用し、(S)−4−ハロ−3−ヒドロキシ酪酸エステルを生成する酵素活性を有する蛋白質、またはそれを含む画分を回収する工程を含む〔5〕に記載の蛋白質の製造方法。
〔10〕 〔5〕に記載の蛋白質、該蛋白質を産生する微生物、もしくは該微生物の処理物、をケトンに作用させ、該ケトンを還元してアルコールを製造することを特徴とする、アルコールの製造方法。
〔11〕 前記微生物が〔8〕に記載の形質転換体である〔10〕に記載のアルコールの製造方法。
〔12〕 ケトンが、4-ハロアセト酢酸エステル誘導体であり、アルコールが(S)-4-ハロ-3-ヒドロキシ酪酸エステル誘導体である〔10〕に記載のアルコールの製造方法。
〔13〕 4-ハロアセト酢酸エステル誘導体が4-クロロアセト酢酸エチルエステルであり、アルコールが(S)-4-クロロ-3-ヒドロキシ酪酸エチルエステルである〔12〕に記載のアルコールの製造方法。
〔14〕 更に付加的に酸化型β-ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドを還元型に変換する工程を含むことを特徴とする〔10〕に記載のアルコールの製造方法。
【0009】
【発明の実施の形態】
本発明において、4−ハロアセト酢酸エステルに作用し、(S)−4−ハロ−3−ヒドロキシ酪酸エステルを生成する酵素活性を有する酵素を、4−ハロアセト酢酸エステル還元酵素と言う。本発明による4−ハロアセト酢酸エステル還元酵素は、4−ハロアセト酢酸エステルの3位カルボニル基を還元し、(S)配置の水酸基を生成することによって特徴付けられる。本発明において、4−ハロアセト酢酸エステル還元酵素活性は、4−クロロアセト酢酸エチル対する還元活性で表され、次のようにして確認することができる。
【0010】
4−クロロアセト酢酸エチルに対する還元活性測定法:
100mMリン酸カリウム緩衝液(pH6.5)、0.2mM還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドリン酸(以下、NADPHと略す)、20mM 4−クロロアセト酢酸エチル及び酵素を合む反応液中30℃で反応させ、NADPHの減少にともなう340nmの吸光度の減少を測定する。1Uは、1分間に1μmolのNADPHの減少を触媒する酵素量とする。また、蛋白質の定量は、バイオラッド製蛋白質アッセイキットを用いた色素結合法により行う。
【0011】
本発明は、4−ハロアセト酢酸エステル還元酵素をコードする遺伝子の取得用プライマーセットに関する。本発明におけるプライマーセットは、配列番号:3、および配列番号:4に記載の塩基配列、またはそれらの相補配列に相補的な少なくとも15塩基の連続した塩基配列を含むオリゴヌクレオチドの組み合わせからなる。本発明において「相補配列」とは、A:T、G:Cの塩基対からなる2本鎖DNAの一方の鎖に対する他方の鎖を構成する塩基配列を指す。また、「相補的」とは、少なくとも15個の連続したヌクレオチド領域で完全に相補配列である場合に限られず、少なくとも70% 、好ましくは少なくとも80% 、より好ましくは90% 、さらに好ましくは95% 以上の塩基配列上の相同性を有すればよい。相同性を決定するためのアルゴリズムはBLASTN等の公知のものを使用すればよい。
【0012】
本発明者らは、既知のデータベース(SWISS-PROTなど)に記載されているβ−ケトアシルACP還元酵素遺伝子(fabG)のアラインメントを行って、図1の□で囲んだ領域において、生物種を越えてアミノ酸配列が保存されていることを見出した。配列番号:3および配列番号:4に示す塩基配列は、この保存されたアミノ酸配列をコードする縮重配列(degenerative sequence)である。本発明者らは、この領域に対して設定した縮重プライマー(degenerative primer)を利用することにより、幅広い生物種に由来する4−ハロアセト酢酸エステル還元酵素をコードする遺伝子を合成可能であることを見出した。
【0013】
本発明において、4−ハロアセト酢酸エステル還元酵素としては、β−ケトアシルACP還元酵素やアセトアセチル-CoA還元酵素等を挙げることができる。一方、これらの酵素をコードする遺伝子を取得するための生物種は、特に限定されない。特に、β−ケトアシルACP還元酵素遺伝子が知られていない、細菌、ウイルス、あるいは植物等は、新規な4−ハロアセト酢酸エステル還元酵素を取得するために有用である。中でも、好熱性の微生物に由来する酵素は、一般に高い安定性を期待できるので、工業的に用いる酵素の供給源として好適である。熱に対して安定な酵素蛋白質は、酵素の精製においても有利である。すなわち、粗精製酵素を加熱することにより、酵素蛋白質に夾雑する成分は、分解やアグリゲートの形成等の変性を起こす。このとき、熱安定性を有する酵素蛋白質は、変性しない。その結果、目的とする酵素蛋白質の精製が容易となるのである。
【0014】
また本発明は、前記プライマーセットを用いる、4−ハロアセト酢酸エステル還元酵素をコードする遺伝子の取得方法に関する。本発明の方法は、適当な生物に由来する遺伝子を鋳型として、PCRを行うことにより、fabG遺伝子の一部(コア領域)を取得することができる。鋳型とする遺伝子は特に限定されない。たとえば、先に挙げた細菌、ウイルス、あるいは植物等の遺伝子を用いることができる。遺伝子としては、ゲノムDNA、ゲノムRNA、mRNA,あるいはcDNAを用いることができる。植物ゲノムのように、遺伝子がイントロンによって分断されている場合には、cDNAを鋳型とするのが有利である。PCRにおいては、Taq DNA polymerase (宝酒造) 、KOD DNA polymerase (東洋紡)、Pfu DNA polymerase(Strategene)などが利用可能であり、製品に添付された指示書に記載された標準的な条件で反応を行えばよい。
【0015】
PCRにより特異的な産物が得られない場合には、アニール温度を37℃に下げ、アニール温度から伸長温度60℃まで1分間に10℃ずつ徐々に昇温し、60℃で伸長反応を行った後、熱処理を行うサイクルを5サイクル行い、その後は、アニール温度を45℃に上げ、伸長反応を70℃で行った後、熱処理を行うサイクルを25サイクル行うことにより特異的なバンドの増幅を行うことができる。また、非特異的なPCR産物が得られる場合には、Nested PCR (BioTechniques 18, 609-610 (1995)) 等の手法により特異的なPCR産物を得ることができる。
【0016】
このようにして合成される遺伝子は、通常、4−ハロアセト酢酸エステル還元酵素をコードする遺伝子のうち、その5'側、および3'側の末端配列を欠く断片(コア)である。ある遺伝子の、断片の塩基配列情報に基づいて、目的とする遺伝子の全長を取得する方法は公知である。
たとえば逆PCR;inverse PCR(Genetics 120, 621-623 (1988))に基づいて、断片の両側に隣接する塩基配列が未知の領域を取得することができる。inverse PCRにおいては、染色体DNAを適当な制限酵素で消化後、自己環化させたDNAを鋳型として用いる。環化したDNAを鋳型として、既知のDNAの外側に伸長させるためのPCRプライマーを使ってPCRを行えば、塩基配列が未知の領域を増幅することができる。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、遺伝子の全長を取得することも可能である。
その他、前記プライマーを用いたPCRの増幅生成物をプローブとして、ゲノムライブラリーやcDNAライブラリーを、ハイブリダイズスクリーニングすることにより、目的とする遺伝子を含むクローンを選択することもできる。
【0017】
本発明は、下記(a)から(e)のいずれかに記載の、4−ハロアセト酢酸エステルに作用し、(S)−4−ハロ−3−ヒドロキシ酪酸エステルを生成する酵素活性を有する蛋白質をコードするポリヌクレオチドに関する。
(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蛋白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/または付加したアミノ酸からなる蛋白質をコードするポリヌクレオチド、
(d)配列番号:1に記載の塩基配列からなるポリヌクレオチドとストリンジェントな条件下でハイブリダイズするポリヌクレオチド、
(e)配列番号:2に記載のアミノ酸配列と80%以上の相同性を有するアミノ酸配列をコードするポリヌクレオチド、
(a)および(b)に記載のポリヌクレオチドに対して、(c)〜(e)に記載のポリヌクレオチドを、本発明においては特にホモログという。
本発明のポリヌクレオチドは、DNA、RNA、両者のキメラ、あるいは人工的なヌクレオチド誘導体を含むことができる。配列番号:1に記載の塩基配列からなるポリヌクレオチドは、好熱性細菌であるバチルス・ステアロサーモフィラス IFO 12550株から取得した4-ハロアセト酢酸エステル還元酵素遺伝子の塩基配列である。配列番号:1に記載の塩基配列を含むポリヌクレオチドは、同菌株から、配列番号:1に記載の塩基配列情報に基づいて、PCRやハイブリダイゼーションによって取得することができる。あるいは、完全に人工的に合成することもできる。配列番号:1に記載の塩基配列は、配列番号:2に記載のアミノ酸配列をコードしている。本発明のポリヌクレオチドには、配列番号:2に記載のアミノ酸配列をコードすることができる、あらゆるポリヌクレオチドが含まれる。
更に本発明は、本発明のポリヌクレオチドのホモログに関する。当業者であれば、配列番号:1記載のDNAに部位特異的変異導入法(Nucleic Acid Res. 10,pp.6487 (1982), Methods in Enzymol.100,pp.448 (1983), Molecular Cloning 2ndEdt., Cold Spring Harbor Laboratory Press (1989), PCR A Practical Approach IRL Press pp.200(1991))などを用いて、適宜置換、欠失、挿入、および/または付加変異を導入することによりホモログを得ることが可能である。
【0018】
また、本発明のホモログは、配列番号:1に示される塩基配列からなるDNAとストリンジェントな条件でハイブリダイズできるポリヌクレオチドであって、かつ、4−ハロアセト酢酸エステルを還元し、(S)−4−ハロ−3−ヒドロキシ酪酸エステルを生成する活性を有する蛋白質をコードするポリヌクレオチドも含む。
ストリンジェントな条件でハイブリダイズできるポリヌクレオチドとは、配列番号:1に記載中の任意の少なくとも20個、好ましくは少なくとも30個、たとえば40、60または100個の連続した配列を一つまたは複数選択したDNAをプローブDNAとし、たとえばECL direct nucleic acid labeling and detection system (Amersham Pharmaica Biotech社製)を用いて、マニュアルに記載の条件(wash:42℃、0.5x SSCを含むprimary wash buffer)において、ハイブリダイズするポリヌクレオチドを指す。
【0019】
さらに、本発明のホモログは、配列番号:2に示されるアミノ酸配列と少なくとも80%、好ましくは少なくとも90%、より好ましくは95%以上のホモロジーを有する蛋白質をコードするポリヌクレオチドを含む。蛋白質のホモロジー検索は、たとえばSWISS-PROT、PIRなどの蛋白質のアミノ酸配列に関するデータベースや DDBJ、EMBL、Gene-BankなどのDNA配列に関するデータベース、DNA配列を元にした予想アミノ酸配列に関するデータベースなどを対象に、BLAST、FASTAなどのプログラムを利用して、例えば、インターネットを通じて行うことができる。
【0020】
配列番号:2に記載のアミノ酸配列を用いてSWISS-PROT、PIRなど蛋白質に関するデータベースを対象にBLAST programを用いてホモロジー検索を行った結果、既知の蛋白質の中でもっとも高いホモロジーを示したのは、ストレプトミセス・コエリカラー(Streptomyces coelicolor)A3(2)由来のputative short chain oxidoreductaseであり、機能未知のゲノム解析に由来する予想ORFであり、identityは58%、positiveは72%であった。本発明の80%以上のホモロジーとは、例えば、BLASTプログラムを用いたPositiveの相同性の値を表す。
本発明のポリヌクレオチドは、4−ハロアセト酢酸エステル還元酵素活性を有する蛋白質の製造に有用である。あるいは本発明のポリヌクレオチドは、4−ハロアセト酢酸エステル還元酵素活性を有する蛋白質を用いた、光学活性アルコールの製造に有用である。
【0021】
本発明は、前記ポリヌクレオチドによってコードされる蛋白質に関する。本発明の配列番号:2に示すアミノ酸配列を含む蛋白質は、本発明の蛋白質の好ましい態様を構成する。配列番号:2に示すアミノ酸配列は、配列番号:1に記載の塩基配列によってコードされている。一方、本発明において、前記(c)〜(e)に記載のポリヌクレオチドによってコードされる蛋白質を、本発明の蛋白質のホモログという。
【0022】
本発明の蛋白質は、前記(a)〜(e)に記載のポリヌクレオチドを宿主に導入して発現させることにより得ることができる。さらに、本発明の蛋白質のホモログとは、配列番号:2に示されるアミノ酸配列と少なくとも80%、好ましくは少なくとも90%、より好ましくは95%以上のホモロジーを有する蛋白質が含まれる。蛋白質のホモロジー検索は、たとえばSWISS-PROT、PIRなどの蛋白質のアミノ酸配列に関するデータベースや DDBJ、EMBL、Gene-BankなどのDNA配列に関するデータベース、DNA配列を元にした予想アミノ酸配列に関するデータベースなどを対象に、BLAST、FASTAなどのプログラムを利用して、例えば、インターネット通じて行うことができる。
【0023】
配列番号:2に記載のアミノ酸配列を用いてSWISS-PROT、PIRなどアミノ酸配列を蓄積したデータベースを対象にBLAST programを用いてホモロジー検索を行った結果、既知の蛋白質の中でもっとも高いホモロジーを示したのは、ストレプトミセス・コエリカラー(Streptomyces coelicolor)A3(2)由来のputative short chain oxidoreductaseであった。このアミノ酸配列は、機能未知のゲノム解析に由来する予想ORFであり、identityは58%、positiveは72%であった。本発明の80%以上のホモロジーとは、例えば、BLASTプログラムを用いたPositiveの相同性の値を表す。
【0024】
本発明のポリヌクレオチドを公知の発現ベクターに挿入することにより、4-ハロアセト酢酸エステル還元酵素発現ベクターが提供される。また、この発現ベクターで形質転換した形質転換体を培養することにより、本発明の4-ハロアセト酢酸エステル還元酵素を組換え体として得ることができる。
【0025】
本発明において4-ハロアセト酢酸エステル還元酵素を発現させるために、形質転換の対象となる微生物は、4-ハロアセト酢酸エステル還元酵素活性を有するポリペプチドをコードするポリヌクレオチドを含む組換えベクターにより形質転換され、4-ハロアセト酢酸エステル還元酵素活性を発現することができる生物であれば特に制限はない。利用可能な微生物としては、たとえば以下のような微生物を示すことができる。
エシェリヒア(Escherichia)属
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
【0026】
形質転換体の作製のための手順および宿主に適合した組換えベクターの構築は、分子生物学、生物工学、遺伝子工学の分野において慣用されている技術に準じて行うことができる(例えば、Sambrookら、モレキュラー・クローニング、Cold Spring Harbor Laboratories)。微生物中などにおいて、本発明の4-ハロアセト酢酸エステル還元酵素遺伝子を発現させるためには、まず微生物中において安定に存在するプラスミドベクターやファージベクター中にこのDNAを導入し、その遺伝情報を転写・翻訳させる必要がある。そのためには、転写・翻訳を制御するユニットにあたるプロモーターを本発明のDNA鎖の5'-側上流に、より好ましくはターミネーターを3'-側下流に、それぞれ組み込めばよい。このプロモーター、ターミネーターとしては、宿主として利用する微生物中において機能することが知られているプロモーター、ターミネーターを用いる必要がある。これら各種微生物において利用可能なベクター、プロモーター、ターミネータ−などに関して「微生物学基礎講座8遺伝子工学・共立出版」、特に酵母に関しては、Adv.Biochem.Eng. 43, 75-102 (1990)、Yeast 8, 423-488 (1992)、などに詳細に記述されている。
【0027】
例えばエシェリヒア属、特に大腸菌エシェリヒア・コリ(Escherichia coli)においては、プラスミドベクターとして、pBR、pUC系プラスミドを利用でき、lac(β−ガラクトシダーゼ)、trp(トリプトファンオペロン)、tac、 trc (lac、trpの融合)、λファージ PL、PRなどに由来するプロモーターなどが利用できる。また、ターミネーターとしては、trpA由来、ファージ由来、rrnBリボソーマルRNA由来のターミネーターなどを用いることができる。これらの中で、市販のpSE420(Invitrogen製)のマルチクローニングサイトを一部改変したベクターpSE420D(特開2000-189170に記載)が好適に利用できる。
【0028】
バチルス属においては、ベクターとしてpUB110系プラスミド、pC194系プラスミドなどが利用可能であり、染色体にインテグレートすることもできる。また、プロモーター、ターミネーターとしてapr(アルカリプロテアーゼ)、npr(中性プロテアーゼ)、amy(α−アミラーゼ)などが利用できる。
【0029】
シュードモナス属においては、シュードモナス・プチダ(Pseudomonas putida)、シュードモナス・セパシア(Pseudomonas cepacia)などで宿主ベクター系が開発されている。トルエン化合物の分解に関与するプラスミドTOLプラスミドを基本にした広宿主域ベクター(RSF1010などに由来する自律的複製に必要な遺伝子を含む)pKT240などが利用可能であり、プロモーター、ターミネーターとして、リパーゼ(特開平5-284973)遺伝子などが利用できる。
【0030】
ブレビバクテリウム属特に、ブレビバクテリウム・ラクトファーメンタム(Brevibacterium lactofermentum)においては、pAJ43(Gene 39, 281 (1985))などのプラスミドベクターが利用可能である。プロモーター、ターミネーターとしては、大腸菌で使用されているプロモーター、ターミネーターがそのまま利用可能である。
【0031】
コリネバクテリウム属、特にコリネバクテリウム・グルタミカム(Corynebacterium glutamicum)においては、pCS11(特開昭57-183799)、pCB101(Mol.Gen.Genet. 196, 175 (1984)などのプラスミドベクターが利用可能である。
【0032】
ストレプトコッカス(Streptococcus)属においては、pHV1301(FEMS Microbiol. Lett. 26, 239 (1985)、pGK1(Appl.Environ.Microbiol. 50, 94 (1985))などがプラスミドベクターとして利用可能である。
【0033】
ラクトバチルス(Lactobacillus)属においては、ストレプトコッカス属用に開発されたpAMβ1(J.Bacteriol. 137, 614 (1979))などが利用可能であり、プロモーターとして大腸菌で利用されているものが利用可能である。
【0034】
ロドコッカス(Rhodococcus)属においては、ロドコッカス・ロドクロウス(Rhodococcus rhodochrous)から単離されたプラスミドベクターが使用可能である (J.Gen.Microbiol. 138,1003 (1992))。
【0035】
ストレプトマイセス(Streptomyces)属においては、HopwoodらのGenetic Manipulation of Streptomyces: A Laboratory Manual Cold Spring Harbor Laboratories (1985)に記載の方法に従って、プラスミドを構築することができる。特に、ストレプトマイセス・リビダンス(Streptomyces lividans)においては、pIJ486 (Mol.Gen.Genet. 203, 468-478, 1986)、pKC1064(Gene 103,97-99 (1991))、pUWL-KS (Gene 165,149-150 (1995))が使用できる。また、ストレプトマイセス・バージニア(Streptomyces virginiae)においても、同様のプラスミドを使用することができる(Actinomycetol. 11, 46-53 (1997))。
【0036】
サッカロマイセス(Saccharomyces)属、特にサッカロマイセス・セレビジアエ(Saccharomyces cerevisiae) においては、YRp系、YEp系、YCp系、YIp系プラスミドが利用可能であり、染色体内に多コピー存在するリボソームDNAとの相同組換えを利用したインテグレーションベクター(EP 537456など)は、多コピーで遺伝子を導入でき、かつ安定に遺伝子を保持できるため極めて有用である。また、ADH(アルコール脱水素酵素)、GAPDH(グリセルアルデヒド−3−リン酸脱水素酵素)、PHO(酸性フォスファターゼ)、GAL(β−ガラクトシダーゼ)、PGK(ホスホグリセレートキナーゼ)、ENO(エノラーゼ)などのプロモーター、ターミネーターが利用可能である。
【0037】
クライベロマイセス属、特にクライベロマイセス・ラクティス(Kluyveromyces lactis)においては、サッカロマイセス・セレビジアエ由来2μm系プラスミド、pKD1系プラスミド(J.Bacteriol. 145, 382-390 (1981))、キラー活性に関与するpGKl1由来プラスミド、クライベロマイセス属における自律増殖遺伝子KARS系プラスミド、リボソームDNAなどとの相同組換えにより染色体中にインテグレート可能なベクタープラスミド(EP 537456など)などが利用可能である。また、ADH、PGKなどに由来するプロモーター、ターミネーターが利用可能である。
【0038】
シゾサッカロマイセス(Schizosaccharomyces)属においては、シゾサッカロマイセス・ポンベ由来のARS (自律複製に関与する遺伝子)及びサッカロマイセス・セレビジアエ由来の栄養要求性を相補する選択マーカーを含むプラスミドベクターが利用可能である(Mol.Cell.Biol. 6, 80 (1986))。また、シゾサッカロマイセス・ポンベ由来のADHプロモーターなどが利用できる(EMBO J. 6, 729 (1987))。特に、pAUR224は、宝酒造から市販されており容易に利用できる。
【0039】
チゴサッカロマイセス属(Zygosaccharomyces)においては、チゴサッカロマイセス・ロウキシ(Zygosaccharomyces rouxii)由来の pSB3(Nucleic Acids Res. 13, 4267 (1985))などに由来するプラスミドベクターが利用可能であり、サッカロマイセス・セレビジアエ由来 PHO5 プロモーターや、チゴサッカロマイセス・ロウキシ由来GAP-Zr(グリセルアルデヒド−3−リン酸脱水素酵素)のプロモーター(Agri.Biol.Chem. 54, 2521 (1990))などが利用可能である。
【0040】
ピキア(Pichia)属においては、ピキア・アンガスタ(旧名:ハンゼヌラ・ポリモルファ(Hansenula polymorpha))において宿主ベクター系が開発されている。ベクターとしては、ピキア・アンガスタ由来自律複製に関与する遺伝子(HARS1、 HARS2)も利用可能であるが、比較的不安定であるため、染色体への多コピーインテグレーションが有効である(Yeast 7, 431-443(1991))。また、メタノールなどで誘導される AOX(アルコールオキシダーゼ)、FDH(ギ酸脱水素酵素)のプロモーターなどが利用可能である。また、ピキア・パストリス(Pichia pastoris)などにピキア由来自律複製に関与する遺伝子(PARS1、PARS2)などを利用した宿主ベクター系や染色体への多コピーインテグレーションベクター(Invitrogen社よりPichia Expression Kitとして市販されている)が開発されており(Mol.Cell.Biol. 5, 3376(1985))、高濃度培養とメタノールで誘導可能なAOXなど強いプロモーターが利用できる(Nucleic Acids Res.15,3859(1987))。
【0041】
キャンディダ(Candida)属においては、キャンディダ・マルトーサ(Candida maltosa)、キャンディダ・アルビカンス(Candida albicans)、キャンディダ・トロピカリス(Candida tropicalis)、キャンディダ・ウチルス (Candida utilis) などにおいて宿主ベクター系が開発されている。キャンディダ・マルトーサにおいてはキャンディダ・マルトーサ由来ARSがクローニングされ(Agri.Biol.Chem.51,51,1587(1987))、これを利用したベクターが開発されている。また、キャンディダ・ウチルスにおいては、染色体インテグレートタイプのベクターは強力なプロモーターが開発されている(特開平 08-173170)。
【0042】
アスペルギルス(Aspergillus)属においては、アスペルギルス・ニガー(Aspergillus niger)、アスペルギルス・オリジー(Aspergillus oryzae)などがカビの中で最もよく研究されており、プラスミドや染色体へのインテグレーションが利用可能であり、菌体外プロテアーゼやアミラーゼ、アミダーゼ由来のプロモーターが利用可能である(Trends in Biotechnology 7, 283-287 (1989))。
【0043】
トリコデルマ(Trichoderma)属においては、トリコデルマ・リーゼイ(Trichoderma reesei)を利用した宿主ベクター系が開発され、菌体外セルラーゼ遺伝子由来プロモーターなどが利用できる(Biotechnology 7, 596-603 (1989))。
【0044】
また、微生物以外でも、植物、動物において様々な宿主・ベクター系が開発されており、特に蚕を用いた昆虫(Nature 315, 592-594 (1985))や菜種、トウモロコシ、ジャガイモなどの植物中に大量に異種蛋白質を発現させる系が開発されており、好適に利用できる。
【0045】
また本発明は、前記4-ハロアセト酢酸エステル還元酵素のケトンの還元によるアルコールの製造方法に関する。アルコールとしては、たとえば(S)−4−ハロ−3−ヒドロキシ酪酸エステル誘導体を挙げることができる。酵素分子、その処理物、酵素分子を含む培養物、あるいは酵素を生成する微生物等の形質転換体が生きた状態で反応溶液と接触させることにより、本発明の酵素反応を行わせることができる。なお、酵素と反応溶液の接触形態はこれらの具体例に限定されるものではない。
【0046】
本発明において、反応溶液は、酵素反応に必要な基質や補酵素を酵素活性の発現に望ましい環境を与える適当な溶媒に溶解、もしくは混合・懸濁したものである。補酵素には、反応を触媒する4-ハロアセト酢酸エステル還元酵素が利用しうる補酵素を用いる。たとえば配列番号:2のアミノ酸配列からなる酵素は、補酵素として還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドリン酸(以下、NADPHと略す)を要求する。一方基質には、酵素反応によって目的とする化合物に変換される基質化合物を利用する。生成物であるアルコールと基質化合物の関係については、後で具体的に述べる。
【0047】
本発明における4-ハロアセト酢酸エステル還元酵素を含む微生物の処理物には、具体的には界面活性剤やトルエンなどの有機溶媒処理によって細胞膜の透過性を変化させた微生物、あるいはガラスビーズや酵素処理によって菌体を破砕した無細胞抽出液やそれを部分精製したものなどが含まれる。
【0048】
本発明によるアルコールの製造方法におけるケトンとしては、4−ハロアセト酢酸エステル誘導体が好適に用いられる。ハロゲンとしては、塩素、臭素、ヨウ素原子等が挙げられ、特に塩素原子が好ましい。また、エステルとしては、メチルエステル、エチルエステル、プロピルエステル、イソプロピルエステル、ブチルエステル等の低級アルキルエステルが挙げられ、特にエチルエステルが望ましい。また、4−ハロゲン化アセト酢酸エステル誘導体としては、β位にハロゲン置換を含んでも良い低級アルキル基、ハロゲン等の置換を持つ誘導体も含まれる。
【0049】
上記還元反応に付随して生成する酸化型の補酵素は、酵素反応によって再び還元型として再生することができる。たとえばNADPHから生成する酸化型のニコチンアミドアデニンジヌクレオチドリン酸(以下、NADPと略す)は、酵素的にNADPHへ再生することができる。NADPHへの再生は、微生物の持つNADP還元能(解糖系、メチロトローフのC1化合物資化経路など)を用いて行うことができる。これらNADP還元能は、反応系にグルコースやエタノール、ギ酸などを添加することにより増強することが可能である。また、NADPからNADPHを生成する能力を有する微生物やその処理物、酵素を反応系に添加することによっても行うことができる。
【0050】
たとえば、グルコース脱水素酵素、ギ酸脱水素酵素、アルコール脱水素酵素、アミノ酸脱水素酵素、有機酸脱水素酵素(リンゴ酸脱水素酵素など)、ヒドロゲナーゼ(アルカリゲネス(Alcaligenes)属、クロストリジウム属(Clostridium)などが生産する水素を電子供与体としてNADP還元反応を行う酵素(Biotechnol.Bioeng. 27, 1277-1281 (1985), Biocatal.Bioteransform. 15, 281-296 (1997))などを含む微生物、その処理物、ならびに部分精製もしくは精製酵素を用いて補酵素を再生することができる。このような再生に必要な反応を構成する成分は、本発明によるアルコールの製造のための反応系に添加する、固定化したものを添加する、あるいは補酵素の交換が可能な膜を介して接触させることができる。
【0051】
また、本発明のポリヌクレオチドを含む組換えベクターで形質転換した微生物を宿主として生菌体の状態で前記アルコールの製造方法に利用する場合には、補酵素再生のための付加的な反応系を不要とできる場合がある。すなわち、補酵素再生活性の高い微生物を用いることにより、形質転換体を用いた還元反応において、補酵素再生用の酵素を添加することなく効率的な反応が行える。
さらに、補酵素再生に利用可能な酵素をコードするDNAと、本発明のNADPH依存性4-ハロアセト酢酸エステル還元酵素をコードするDNAとを、同時に宿主に導入することによって、より効率的に還元反応を行うことも可能である。補酵素の再生に利用できる酵素としては、たとえばグルコース脱水素酵素、ギ酸脱水素酵素、アルコール脱水素酵素、アミノ酸脱水素酵素、あるいは有機酸脱水素酵素(リンゴ酸脱水素酵素など)等を示すことができる。
これらの2つもしくはそれ以上の遺伝子の宿主への導入には、不和合性をさけるために複製起源のことなる複数のベクターに別々に遺伝子を導入した組換えベクターにより宿主を形質転換する方法が用いられる。この他、単一のベクターに両遺伝子を導入する方法や、片方もしくは両方の遺伝子を染色体中に導入する方法などを利用することもできる。
【0052】
単一のベクター中に複数の遺伝子を導入する場合には、プロモーター、ターミネーターなど発現制御に関わる領域をそれぞれの遺伝子に連結する方法やラクトースオペロンのような複数のシストロンを含むオペロンとして発現させることも可能である。
【0053】
本発明の酵素を用いた還元反応は、水中、水と相溶性を有する有機溶媒との混合系で行うことができる。水と相溶性を有する溶媒としては、メタノール、エタノール、イソプロパノール、アセトン、あるいはアセトニトリルなどを示すことができる。また、水に溶解しにくい有機溶媒中や、水に溶解しにくい有機溶媒と水性媒体との2相系において、本発明のための酵素反応を行うことができる。水に溶解しにくい有機溶媒としては、たとえば酢酸エチル、酢酸ブチル、トルエン、クロロホルム、n−ヘキサン、シクロヘキサン、オクタン、あるいは1−オクタノール等を用いることができる。
【0054】
本発明の酵素反応を構成する酵素は、固定化して用いることもできる。酵素を固定化する方法は、特に限定されない。たとえば、グルタルアルデヒド、アクリルアミド、κ−カラギーナン、アルギン酸カルシウム、イオン交換樹脂、セライトなどを用いて酵素を固定化する方法が公知である。本発明の反応は、膜リアクターなどを利用して行うことも可能である。膜リアクターを構成することができる膜としては、限外濾過膜、疎水性膜、カチオン膜、ナノフィルトレーション膜(J.Ferment.Bioeng. 83, 54-58 (1997))等を示すことができる。
【0055】
本発明の反応は、反応温度4−70℃、好ましくは15−50℃、pH3−11、好ましくはpH6−8、基質濃度0.01−90%、好ましくは0.1−30%で行うことができる。反応系には必要に応じて補酵素NADPもしくはNADPHが0.001mM−100mM、好ましくは、0.01−10mM添加できる。また、基質は反応開始時に一括して添加することも可能であるが、反応液中の基質濃度が高くなりすぎないように連続的、もしくは非連続的に添加することが望ましい。
【0056】
NADPH再生のために反応系に添加される化合物は、基質ケトンに対してモル比で0.1−20、好ましくは1−5倍過剰に添加することができる。NADPH再生のための化合物としては、たとえばグルコース脱水素酵素を利用する場合のグルコース、ギ酸脱水素酵素を利用する場合のギ酸、アルコール脱水素酵素を利用する場合のエタノールもしくはイソプロパノール等が添加される。一方NADPH再生用の反応を構成する前記酵素は、本発明のNADPH依存性4-ハロアセト酢酸エステル還元酵素に比較して酵素活性で0.1−100倍、好ましくは0.5−20倍程度添加することができる。
【0057】
本発明のケトンの還元により生成するアルコールは、菌体、蛋白質の遠心分離、膜処理などによる分離、溶媒抽出、蒸留などを適当に組み合わせることにより精製することができる。
たとえば、(S)−4−クロロ−3−ヒドロキシ酪酸エチルでは、微生物菌体を含む反応液を遠心分離し、微生物菌体をのぞいた後、その上清に酢酸エチル、メチルイソブチルケトンなどの溶媒を添加して(S)-4-クロロ-3-ヒドロキシ酪酸エチルを溶媒層に抽出する。これを相分離後、蒸留することにより純度の高い (S)-4-クロロ-3-ヒドロキシ酪酸エチルを精製することができる。精製された(S)-4-クロロ-3-ヒドロキシ酪酸エチルは、医薬品原料などに有用である。本発明によれば、光学活性アルコールを高純度で、効率良く得ることができる。光学異性体には、しばしば、生理活性が低いものや、副作用の原因となる化合物がある。したがって、医薬品原料においては、光学的な純度は、原材料の品質を大きく左右する。
【0058】
【実施例】
以下、実施例により本発明を更に詳しく説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
[実施例1](バチルス・ステアロサーモフィラスからの染色体DNAの調製)
バチルス・ステアロサーモフィラス IFO 12550株をM-64培地(ポリペプトン 10g, 酵母エキス 2.5g, 肉エキス 2g, グリセロール 2g, 塩化ナトリウム 2g, K2HPO4 2g, KH2PO4 2g, MgSO4・7H2O 0.1g, biotin 0.4μg/L, pH 7.2)中55℃で培養し、遠心分離により湿菌体を得た。
得られた湿菌体より、Qiagen Genome-Tipを用いて染色体DNAを精製した。
【0059】
[実施例2](4-ハロアセト酢酸エステル還元酵素遺伝子のコア領域のPCRによる増幅)
プライマーfabG-N (配列番号:3) 及びプライマーfabG-C (配列番号:4)を用い、実施例1により調製した染色体DNAを鋳型としてPCRを行った。PCRは、0.2mM dNTP, プライマーをそれぞれ50pmol, Taq DNA polymeraseを1U, 鋳型DNAを50ngもしくは125ng含む50μLの反応液中で行った。
【0060】
PCRの条件は、以下のステップ1のサイクルを5サイクル、さらにステップ2のサイクルを25サイクル行った。
(ステップ1)
変性 94℃ 30秒
アニール 37℃ 30秒
1分間に10℃の率で昇温
伸長 60℃ 2分
(ステップ2)
変性 94℃ 30秒
アニール 45℃ 30秒
伸長 70℃ 1分
【0061】
PCR終了後、一部をアガロースゲル電気泳動により解析した結果、鋳型DNA量に関わらず550 bp付近に特異的なバンドが検出された。

Figure 0004603171
【0062】
[実施例3](4-ハロアセト酢酸エステル還元酵素遺伝子のコア領域のクローニング)
実施例2により増幅されたDNA断片を、フェノール−クロロホルム抽出後、エタノール沈殿によりDNAを回収した。得られたDNAをEcoRI, HindIIIにより2重消化し、アガロースゲル電気泳動により精製した。得られたDNA断片を、同じ制限酵素EcoRI, HindIIIにより制限酵素消化したpUC18とライゲーションし、目的とする550bp の挿入断片を有するプラスミドpBstKR-1を得た。
【0063】
[実施例4](4-ハロアセト酢酸エステル還元酵素遺伝子のコア領域の塩基配列の解析)
実施例3により得られたプラスミドpBstKR-1の挿入断片の塩基配列を解析した。DNA塩基配列の解析には、BigDye Terminator Cycle Sequencing ready Reaction Kit(アプライドバイオシステムズ製)を用いてPCRを行い、PRISM 310 Genetic Analyzer(アプライドバイオシステムズ製)により行った。決定されたコア領域の塩基配列を配列番号:5として示した。
【0064】
[実施例5](4-ハロアセト酢酸エステル還元酵素遺伝子のコア領域周辺のInverse PCR)
実施例1で調製した染色体DNAをHindIIIで消化し、自己環化反応後、SalI 消化して鋳型として用いた。まず、1st PCRとして、BST-N1NE(配列番号:6)、BST-C1NE(配列番号:8)をプライマーとしてPCRを行い、得られたPCR産物を精製後更に、BST-N2NE(配列番号:7)、BST-C2NE(配列番号:9)をプライマーとして2nd PCRを行った。PCRは、熱変性94℃, 1分、アニール55℃1分、伸長72℃3分のサイクルを30サイクル行った。
【0065】
PCR終了後、反応液の一部をアガロース電気泳動した結果、特異的な約5kbの増幅断片が確認できた。
Figure 0004603171
【0066】
[実施例6](4-ハロアセト酢酸エステル還元酵素遺伝子のコア周辺領域の塩基配列の解析)
Inverse PCRで得られたDNA断片の塩基配列を直接解析した。その結果、β-ケトアシルACP還元酵素 (fabG遺伝子) の全域が含まれており、同時に、fabG遺伝子の上流にアシルCoA脱水素酵素(fabD遺伝子)及び下流にアシルキャリアープロテイン(ACP)遺伝子の一部が見いだされた。
得られた4-ハロアセト酢酸エステル還元酵素遺伝子は、762bpからなり、254アミノ酸をコードしていた。ORF部分の配列を配列番号:1に示した。
【0067】
[実施例7](4-ハロアセト酢酸エステル還元酵素遺伝子発現プラスミドの構築)
実施例6で得られた4-ハロアセト酢酸エステル還元酵素のORFの塩基配列を元に、大腸菌における発現プラスミド構築のためのプライマーFABG-E(配列番号:10)、FABG-H(配列番号:11)を合成した。0.2mM dNTP、5%ジメチルスルホキシド(DMSO)、プライマーを各10pmol、染色体DNA 50ng、ExTaq用緩衝液、ExTaq 2.5Uを含む50μLの反応液を用い、変性(94℃1分)、アニール(55℃1分)、伸長(72℃3分)を1サイクルとして30サイクル行った。反応には、GeneAmp PCR System 2400 (パーキンエルマー製)を用いた。
Figure 0004603171
得られたPCR産物をEcoRI, HindIIIで2重消化し、pTrc99A (ファルマシア製) のEcoRI, HindIII間にサブクローニングした。得られたプラスミドをpTrc-Bstとした。
pTrc-Bstのプラスミドマップを図2に示した。
【0068】
[実施例8](組換え4-ハロアセト酢酸エステル還元酵素の大腸菌による生産)
pTrc-Bstで形質転換した大腸菌JM109株を50mg/Lアンピシリンを含むLB培地(バクトトリプトン10g、バクト酵母エキス5g、塩化ナトリウム10g/1L、pH7.2)に植菌し、37℃で終夜培養した。約1日後に50mg/Lのアンピシリン及び119 mg/LのIPTG(イソプロピルチオガラクトピラノシド)を含む100mLのLB液体培地に植菌し、37℃で16〜20時間培養した。
【0069】
培養した菌体を遠心分離により回収し、0.01% 2-メルカプトエタノールを含む100mMリン酸カリウム緩衝液(pH7.4) 3mLに懸濁して、超音波(30sec破砕、30sec
intervalを20回繰り返す)により菌体破砕した。
遠心分離により上清を得た後、0.01% 2-メルカプトエタノールを含む10mMリン酸カリウム緩衝液(pH7.4)に透析し、無細胞抽出液として利用した。
【0070】
[実施例9](組換え4-ハロアセト酢酸エステル還元酵素の熱処理と電気泳動)
実施例8で調製した無細胞抽出液を(lane 3), 無細胞抽出液30℃で10分熱処理したもの(lane 4)、30℃で20分処理したもの(lane 5)、30℃で40分処理したもの(lane 6)、60℃で10分処理したもの(lane 7)、60℃で20分処理したもの(lane 8)、60℃で40分処理したもの(lane 9)並びにベクターpTrc99Aのみで形質転換したJM109株より抽出した無細胞抽出液(lane 2)と分子量マーカー(lane 1)をドデシル硫酸ナトリウム−ポリアクリルアミドゲル電気泳動(SDS-PAGE)した。
【0071】
図3に示したように、ベクターpTrc99Aで形質転換した菌由来の無細胞抽出液には見られない27kDaのバンド(図3中ではBstKR1として示した)がpTrc-Bstで形質転換した大腸菌に由来する無細胞抽出液には見られた。この分子量は、DNA配列から予想されるアミノ酸配列からの計算値27kDaとよく一致した。
また、中等度好熱菌由来の4-ハロアセト酢酸エステル還元酵素のもつ耐熱性を利用して、熱処理のみで極めて効率的に酵素の精製が行えることが示された。
【0072】
[実施例10](組換え4-ハロアセト酢酸エステル還元酵素の基質特異性)
実施例8で調製した組換え4-ハロアセト酢酸エステル還元酵素を用いて種々の基質に対する活性を測定した。補酵素としては、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)のみを電子供与体として利用し、還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド(NADH)は利用できなかった。還元反応の基質としては、4−クロロアセト酢酸エチルを効率的に還元したが、大腸菌や枯草菌のβ−ケトアシルACP還元酵素の還元基質となるアセトアセチル-CoAを全く還元しなかった。また、酸化型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドリン酸(NADP)を電子受容体とした(R)もしくは(S)−4−クロロ−3−ヒドロキシ酪酸エチルエステル酸化活性は全く有しなかった。
【0073】
[実施例11](組換え4-ハロアセト酢酸エステル還元酵素の至適温度)
実施例8で調製した4-ハロアセト酢酸エステル還元酵素を用いて4−クロロアセト酢酸エチル還元反応の至適温度を測定した。
反応の至適温度は45℃であった。また、40℃から55℃の広い範囲で最大活性の80%以上の相対活性を図4に示した。なお反応の基質として用いた4−クロロアセト酢酸エチルは、高温では不安定な物質である。したがって、組換え4-ハロアセト酢酸エステル還元酵素を、高温で安定な他の基質化合物に対して作用させた場合には、酵素反応の至適温度が更に高くなる可能性がある。
【0074】
[実施例12](組換え4-ハロアセト酢酸エステル還元酵素による(S)−4−クロロ−3−ヒドロキシ酪酸エチル生産)
実施例8で調製した4-ハロアセト酢酸エステル還元酵素を用いて4−クロロアセト酢酸エチルからの (S) -4-クロロ-3-ヒドロキシ酪酸エチル合成を行った。
200mMリン酸カリウム緩衝液(pH6.5)、2% 4-クロロアセト酢酸エチル、基質に対して2等量のグルコース、1mM NADP、38.4mUの4-ハロアセト酢酸エステル還元酵素、4-ハロアセト酢酸エステル還元酵素の2倍量のグルコース脱水素酵素(和光純薬)を含む反応液中で1晩反応させた。
【0075】
反応終了液を用いて (S) -4-クロロ-3-ヒドロキシ酪酸エチルの光学純度の測定を以下の方法により行った。反応液から4-クロロ-3-ヒドロキシ酪酸エチルを酢酸エチルで抽出し、脱溶媒した後、光学分割カラムを用いた液体クロマトグラフィーにより分析した。光学分割カラムは、ダイセル化学工業株式会社製キラルセルOD(CHIRALCEL OD. 4.6mm × 25cm)を用い、n-ヘキサン:2-プロパノール=93:7の溶離液、流速1mL/min、RI検出により行った。その結果、本発明によって生成した4-クロロ-3-ヒドロキシ酪酸エチルは、97.8%eeの(S)体であった。
【0076】
また、生成された4−クロロ−3−ヒドロキシ酪酸エチルをガスクロマトグラフィーで定量し、出発原料である4−クロロアセト酢酸エチルに対する収率を求めた。ガスクロマトグラフィーの条件は以下のとおりである。すなわち、サーモン−3000 5%クロモソルブW 60−80(AW−DMCS)(Thermon-3000 5% Chromosorb W 60〜80 (AW-DMCS)、 信和化工株式会社)、3.2mm ×210cmを用い、カラム温度150℃とし、水素炎イオン化検出器(FID)を利用して分析した。その結果、反応の収率は約48%であった。
【0077】
【発明の効果】
本発明は、(S)−4−ハロ−3−ヒドロキシ酪酸エステル誘導体などの光学活性アルコールの生産に有用な新規なβ−ケトアシルACP還元酵素及びそのホモログの取得方法を提供する。更に子の方法に基づいて、バチルス・ステアロサーモフィラス由来のβ-ケトアシルACP還元酵素遺伝子、これによりコードされる蛋白質が提供された。本酵素を利用することにより、光学純度の高い (S) -4-クロロ-3-ヒドロキシ酪酸エチルの効率的な生産方法が提供された。
【0078】
【配列表】
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【図面の簡単な説明】
【図1】fabGアミノ酸配列のアラインメントを示す図である。
【図2】pTrc-Bstのプラスミドマップ。
【図3】組換え4-ハロアセト酢酸エステル還元酵素及びその熱処理物のSDS-PAGEの結果を表す写真である。
【図4】組換え4-ハロアセト酢酸エステル還元酵素の至適温度を示すグラフである。縦軸は相対活性、横軸は反応温度を表す。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a novel 4-haloacetoacetate reductase useful for the production of optically active alcohols, in particular, (S) -4-halo-3-hydroxybutyrate, DNA encoding the enzyme protein, and production of the enzyme The present invention relates to a method, and a method for producing an alcohol, particularly a (S) -4-chloro-3-hydroxybutyric acid ester derivative, using the enzyme.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, the following methods are known as a manufacturing method of optically active (S) -4-halo-3-hydroxybutyric acid ester.
Asymmetric reduction using microorganisms such as baker's yeast
J. Am. Chem. Soc., 105, 5925-5926 (1983)
JP-A-61-146191 etc.
Asymmetric reduction method using enzymes such as 3α-hydroxysteroid dehydrogenase
Japanese Unexamined Patent Publication No. 1-277494
By cloning a gene of an enzyme that reduces 4-haloacetoacetate derived from a microorganism to produce (S) -4-halo-3-hydroxybutyrate, and recombinant E. coli that expresses the gene in E. coli, A method for producing (S) -4-halo-3-hydroxybutyrate by reducing 4-haloacetoacetate
WO 9835025
JP2000-236883
[0003]
Moreover, the present inventors reduced β-haloacetoacetate by β-ketoacyl-ACP reductase derived from Escherichia coli and Bacillus subtilis (hereinafter sometimes abbreviated as KR), It has been confirmed that (S) -4-halo-3-hydroxybutyrate is synthesized. And the (S) -4-halo-3-hydroxybutyric acid synthesis method using this enzyme was established. Among the fatty acid synthases, KR that constitutes type II fatty acid synthase (Neochemistry Laboratory 4 Lipid I, p34-37) has a subunit molecular weight of about 20,000-40,000 and a small molecular weight. Moreover, these KR has the characteristic that it is hard to be inhibited by SH reagent.
[0004]
Furthermore, the inventors of the present invention have reported that acetoacetyl-CoA reductase produced by Alkaligenes eutrophas or Zoogloea ramigera reduces 4-haloacetoacetate, and (S) -4-halo-3-hydroxy. It has been confirmed that it has an activity to synthesize butyrate esters (Japanese Patent Laid-Open No. 2000-189170). A gene encoding acetoacetyl-CoA reductase (hereinafter sometimes abbreviated as AR) is generally abbreviated as phbB or phaB. In general, the gene encoding KR is abbreviated as fabG. phbB or phaB was found by obtaining a polyβ-hydroxy acid synthase (PHS) gene having high homology to fabG. Alkaline Genes Eutrophas is now called Ralstonia eutropha.
However, all the methods using known enzymes have problems such as low enzyme stability, low product productivity, and low product accumulation concentration. In order to industrially carry out the enzymatic synthesis of (S) -4-halo-3-hydroxybutyric acid ester, improvement of these problems is desired.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
The present invention relates to a method for obtaining a DNA encoding a novel 4-haloacetoacetate reductase useful for the production of (S) -4-halo-3-hydroxybutyrate, and a novel 4-haloacetoacetate reductase It is an object to provide a method for producing (S) -4-halo-3-hydroxybutyric acid ester using the enzyme.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
The present inventor has noted that KR constituting the type II fatty acid synthase is likely to be widely distributed in microorganisms, viruses, plants, and the like. Therefore, if β-ketoacyl-ACP reductase derived from various organisms, including microorganisms that do not grow with normal culture methods, can be obtained, it will be possible to find an enzyme with advantageous properties. It was. More specifically, it was thought that an enzyme excellent in organic solvent resistance, stability, stereoselectivity, or productivity by a recombinant microorganism could be obtained.
[0007]
Based on such predictions, the present inventors analyzed a known gene encoding KR (fabG) to find a relatively conserved region. A PCR primer corresponding to this part was synthesized, and PCR was performed using a microbial genomic DNA for which no fabG gene was reported as a template, and a part of the fabG gene could be obtained. Furthermore, the entire region of the fabG gene was cloned using the base sequence of the obtained gene and expressed using a host such as Escherichia coli. As a result, it was confirmed that the expressed enzyme reduced 4-haloacetoacetate to produce (S) -4-halo-3-hydroxybutyrate, thereby completing the present invention.
[0008]
That is, the present invention relates to a method for obtaining a 4-haloacetoacetate reductase gene useful for the production of (S) -4-halo-3-hydroxybutyrate, the obtained gene, and the 4-haloacetate encoded by the gene. The present invention relates to an acetate reductase and a method for producing an optically active alcohol using the same.
[1] A 4-haloacetoacetate ester comprising a combination of oligonucleotides comprising at least 15 consecutive base sequences complementary to the base sequences set forth in SEQ ID NO: 3 and SEQ ID NO: 4 or their complementary sequences A primer set for synthesizing a gene that encodes a protein having an enzyme activity that acts on the enzyme and produces (S) -4-halo-3-hydroxybutyric acid ester.
[2] A method for obtaining a gene encoding a protein having an enzymatic activity that acts on 4-haloacetoacetate and produces (S) -4-halo-3-hydroxybutyrate, including the following steps.
(A) a step of performing PCR using the primer set according to [1], using a polynucleotide derived from an organism as a template,
(B) collecting the amplification product of step (a),
(C) obtaining a gene encoding a protein comprising the base sequence of the amplification product and having a target enzyme activity;
[3] The method according to [2], wherein the organism is a thermophilic microorganism.
[4] A protein having an enzyme activity that acts on 4-haloacetoacetate and produces (S) -4-halo-3-hydroxybutyrate, according to any one of (a) to (e) below: Polynucleotide.
(A) a polynucleotide comprising the base sequence set forth in SEQ ID NO: 1,
(B) a polynucleotide encoding a protein comprising the amino acid sequence set forth in SEQ ID NO: 2;
(C) a polynucleotide encoding a protein consisting of amino acids in which one or more amino acids are substituted, deleted, inserted and / or added in the amino acid sequence of SEQ ID NO: 2;
(D) a polynucleotide that hybridizes with the polynucleotide comprising the base sequence set forth in SEQ ID NO: 1 under stringent conditions;
(E) a polynucleotide encoding an amino acid sequence having 80% or more homology with the amino acid sequence set forth in SEQ ID NO: 2;
[5] A protein encoded by the polynucleotide according to [4].
[6] A recombinant vector into which the polynucleotide according to [4] is inserted.
[7] The recombinant vector according to [6], into which a polynucleotide encoding a dehydrogenase capable of catalyzing a redox reaction using β-nicotinamide adenine dinucleotide as a coenzyme is inserted.
[8] A transformant capable of expressing the polynucleotide according to [4] or the vector according to [6].
[9] A protein having enzymatic activity for culturing the transformant according to [8] and acting on 4-haloacetoacetate to produce (S) -4-halo-3-hydroxybutyrate, or The method for producing a protein according to [5], which comprises a step of collecting the fraction containing the protein.
[10] Production of alcohol, characterized in that the protein according to [5], the microorganism producing the protein, or the processed product of the microorganism is allowed to act on the ketone, and the ketone is reduced to produce alcohol. Method.
[11] The method for producing an alcohol according to [10], wherein the microorganism is the transformant according to [8].
[12] The method for producing an alcohol according to [10], wherein the ketone is a 4-haloacetoacetic acid ester derivative and the alcohol is a (S) -4-halo-3-hydroxybutyric acid ester derivative.
[13] The method for producing an alcohol according to [12], wherein the 4-haloacetoacetic acid ester derivative is 4-chloroacetoacetic acid ethyl ester and the alcohol is (S) -4-chloro-3-hydroxybutyric acid ethyl ester.
[14] The method for producing an alcohol according to [10], further comprising a step of additionally converting oxidized β-nicotinamide adenine dinucleotide to a reduced form.
[0009]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
In the present invention, an enzyme having an enzymatic activity that acts on 4-haloacetoacetate and produces (S) -4-halo-3-hydroxybutyrate is referred to as 4-haloacetoacetate reductase. The 4-haloacetoacetate reductase according to the present invention is characterized by reducing the 3-position carbonyl group of 4-haloacetoacetate to produce a hydroxyl group in the (S) configuration. In the present invention, 4-haloacetoacetate reductase activity is represented by a reduction activity with respect to ethyl 4-chloroacetoacetate, and can be confirmed as follows.
[0010]
Method for measuring reduction activity against ethyl 4-chloroacetoacetate:
100 mM potassium phosphate buffer (pH 6.5), 0.2 mM reduced nicotinamide adenine dinucleotide phosphate (hereinafter abbreviated as NADPH), 20 mM 4-chloroacetoacetate and the enzyme are reacted at 30 ° C. Measure the decrease in absorbance at 340 nm with decreasing NADPH. 1 U is the amount of enzyme that catalyzes the decrease of 1 μmol of NADPH per minute. Proteins are quantified by a dye binding method using a Bio-Rad protein assay kit.
[0011]
The present invention relates to a primer set for obtaining a gene encoding 4-haloacetoacetate reductase. The primer set in the present invention consists of a combination of oligonucleotides comprising a base sequence set forth in SEQ ID NO: 3 and SEQ ID NO: 4, or a continuous base sequence of at least 15 bases complementary to their complementary sequences. In the present invention, “complementary sequence” refers to a base sequence constituting the other strand of one strand of double-stranded DNA comprising A: T and G: C base pairs. Further, the term “complementary” is not limited to the case where the sequence is completely complementary in at least 15 consecutive nucleotide regions, and is at least 70%, preferably at least 80%, more preferably 90%, and even more preferably 95%. What is necessary is just to have the homology on the above base sequences. A known algorithm such as BLASTN may be used as an algorithm for determining homology.
[0012]
The present inventors performed alignment of β-ketoacyl ACP reductase gene (fabG) described in a known database (such as SWISS-PROT), and exceeded the species in the region surrounded by □ in FIG. And found that the amino acid sequence is conserved. The base sequences shown in SEQ ID NO: 3 and SEQ ID NO: 4 are degenerative sequences that encode this conserved amino acid sequence. The present inventors are able to synthesize genes encoding 4-haloacetoacetate reductase derived from a wide range of species by using degenerative primers set for this region. I found it.
[0013]
In the present invention, examples of 4-haloacetoacetate reductase include β-ketoacyl ACP reductase and acetoacetyl-CoA reductase. On the other hand, the biological species for obtaining the genes encoding these enzymes are not particularly limited. In particular, bacteria, viruses, plants, or the like for which the β-ketoacyl ACP reductase gene is not known are useful for obtaining a novel 4-haloacetoacetate reductase. Among them, an enzyme derived from a thermophilic microorganism is generally suitable as an enzyme supply source because it can be expected to have high stability. Enzyme proteins that are stable against heat are also advantageous in enzyme purification. That is, by heating the crudely purified enzyme, components contaminating the enzyme protein are denatured such as decomposition and formation of aggregates. At this time, the enzyme protein having heat stability is not denatured. As a result, the target enzyme protein can be easily purified.
[0014]
The present invention also relates to a method for obtaining a gene encoding 4-haloacetoacetate reductase using the primer set. In the method of the present invention, a part of the fabG gene (core region) can be obtained by performing PCR using a gene derived from an appropriate organism as a template. The gene used as a template is not particularly limited. For example, the above-mentioned genes such as bacteria, viruses or plants can be used. As the gene, genomic DNA, genomic RNA, mRNA, or cDNA can be used. When a gene is interrupted by an intron, such as a plant genome, it is advantageous to use cDNA as a template. For PCR, Taq DNA polymerase (Takara Shuzo), KOD DNA polymerase (Toyobo), Pfu DNA polymerase (Strategene), etc. can be used, and the reaction is performed under the standard conditions described in the instructions attached to the product. Just do it.
[0015]
If a specific product could not be obtained by PCR, the annealing temperature was lowered to 37 ° C, the temperature was gradually raised from the annealing temperature to the extension temperature of 60 ° C by 10 ° C per minute, and the extension reaction was performed at 60 ° C. After that, 5 cycles of heat treatment are performed. After that, the annealing temperature is raised to 45 ° C., the elongation reaction is performed at 70 ° C., and then the heat treatment is performed for 25 cycles to amplify specific bands. be able to. When a non-specific PCR product is obtained, a specific PCR product can be obtained by a method such as Nested PCR (BioTechniques 18, 609-610 (1995)).
[0016]
The gene synthesized in this way is usually a fragment (core) that lacks the 5′-side and 3′-side end sequences of genes encoding 4-haloacetoacetate reductase. A method for obtaining the full length of a target gene based on the nucleotide sequence information of a fragment of a gene is known.
For example, based on inverse PCR (Genetics 120, 621-623 (1988)), a region having an unknown base sequence adjacent to both sides of a fragment can be obtained. In inverse PCR, DNA that has been self-circulated after digestion of chromosomal DNA with an appropriate restriction enzyme is used as a template. If PCR is performed using the circularized DNA as a template and PCR primers for extending outside the known DNA, a region with an unknown base sequence can be amplified. It is also possible to obtain the full length of the gene by the RACE method (Rapid Amplification of cDNA End, “PCR Experiment Manual” p25-33, HBJ Publishing Bureau).
In addition, clones containing the target gene can also be selected by hybrid screening of genomic libraries and cDNA libraries using PCR amplification products using the primers as probes.
[0017]
The present invention relates to a protein having an enzymatic activity that acts on 4-haloacetoacetate and produces (S) -4-halo-3-hydroxybutyrate as described in any of (a) to (e) below. It relates to the encoding polynucleotide.
(A) a polynucleotide comprising the base sequence set forth in SEQ ID NO: 1,
(B) a polynucleotide encoding a protein comprising the amino acid sequence set forth in SEQ ID NO: 2;
(C) a polynucleotide encoding a protein consisting of amino acids in which one or more amino acids are substituted, deleted, inserted and / or added in the amino acid sequence of SEQ ID NO: 2;
(D) a polynucleotide that hybridizes with the polynucleotide comprising the base sequence set forth in SEQ ID NO: 1 under stringent conditions;
(E) a polynucleotide encoding an amino acid sequence having 80% or more homology with the amino acid sequence set forth in SEQ ID NO: 2;
In contrast to the polynucleotides described in (a) and (b), the polynucleotides described in (c) to (e) are particularly referred to as homologs in the present invention.
The polynucleotide of the present invention can include DNA, RNA, a chimera of both, or an artificial nucleotide derivative. The polynucleotide having the base sequence set forth in SEQ ID NO: 1 is the base sequence of the 4-haloacetoacetate reductase gene obtained from Bacillus stearothermophilus IFO 12550 strain, which is a thermophilic bacterium. A polynucleotide containing the base sequence described in SEQ ID NO: 1 can be obtained from the same strain by PCR or hybridization based on the base sequence information described in SEQ ID NO: 1. Alternatively, it can be synthesized completely artificially. The base sequence described in SEQ ID NO: 1 encodes the amino acid sequence described in SEQ ID NO: 2. The polynucleotide of the present invention includes any polynucleotide that can encode the amino acid sequence set forth in SEQ ID NO: 2.
Furthermore, the present invention relates to a homologue of the polynucleotide of the present invention. Those skilled in the art will be able to introduce site-directed mutagenesis into the DNA described in SEQ ID NO: 1 (Nucleic Acid Res. 10, pp. 6487 (1982), Methods in Enzymol. 100, pp. 448 (1983), Molecular Cloning 2ndEdt. , Cold Spring Harbor Laboratory Press (1989), PCR A Practical Approach IRL Press pp.200 (1991)), etc., to obtain homologs by appropriately introducing substitutions, deletions, insertions, and / or addition mutations It is possible.
[0018]
The homologue of the present invention is a polynucleotide capable of hybridizing under stringent conditions with a DNA comprising the nucleotide sequence represented by SEQ ID NO: 1, and reducing 4-haloacetoacetate, (S)- Also included are polynucleotides that encode proteins having activity to produce 4-halo-3-hydroxybutyric acid esters.
The polynucleotide capable of hybridizing under stringent conditions is one or more selected from any at least 20, preferably at least 30, for example 40, 60 or 100 consecutive sequences in SEQ ID NO: 1. The probe DNA is used as a probe DNA, for example, using ECL direct nucleic acid labeling and detection system (Amersham Pharmaica Biotech) under the conditions described in the manual (wash: 42 ° C, primary wash buffer containing 0.5x SSC). It refers to a polynucleotide that soys.
[0019]
Furthermore, the homologue of the present invention comprises a polynucleotide encoding a protein having at least 80%, preferably at least 90%, more preferably 95% or more homology with the amino acid sequence shown in SEQ ID NO: 2. Protein homology searches include databases related to amino acid sequences of proteins such as SWISS-PROT and PIR, databases related to DNA sequences such as DDBJ, EMBL, and Gene-Bank, and databases related to predicted amino acid sequences based on DNA sequences. , BLAST, FASTA, etc. can be used, for example, via the Internet.
[0020]
As a result of homology search using BLAST program for SWISS-PROT, PIR and other protein databases using the amino acid sequence shown in SEQ ID NO: 2, the highest homology among the known proteins was shown. , A putative short chain oxidoreductase derived from Streptomyces coelicolor A3 (2), a predicted ORF derived from genomic analysis of unknown function, with an identity of 58% and a positive of 72%. The homology of 80% or more of the present invention represents, for example, the value of Positive homology using the BLAST program.
The polynucleotide of the present invention is useful for producing a protein having 4-haloacetoacetate reductase activity. Alternatively, the polynucleotide of the present invention is useful for producing an optically active alcohol using a protein having 4-haloacetoacetate reductase activity.
[0021]
The present invention relates to a protein encoded by the polynucleotide. The protein comprising the amino acid sequence shown in SEQ ID NO: 2 of the present invention constitutes a preferred embodiment of the protein of the present invention. The amino acid sequence shown in SEQ ID NO: 2 is encoded by the base sequence described in SEQ ID NO: 1. On the other hand, in the present invention, the protein encoded by the polynucleotide described in (c) to (e) above is referred to as a homolog of the protein of the present invention.
[0022]
The protein of the present invention can be obtained by introducing and expressing the polynucleotide described in (a) to (e) above in a host. Furthermore, the homologue of the protein of the present invention includes a protein having at least 80%, preferably at least 90%, more preferably 95% or more homology with the amino acid sequence shown in SEQ ID NO: 2. Protein homology searches include databases related to amino acid sequences of proteins such as SWISS-PROT and PIR, databases related to DNA sequences such as DDBJ, EMBL, and Gene-Bank, and databases related to predicted amino acid sequences based on DNA sequences. , BLAST, FASTA, etc. can be used, for example, via the Internet.
[0023]
A homology search using the BLAST program for databases that have accumulated amino acid sequences such as SWISS-PROT and PIR using the amino acid sequence set forth in SEQ ID NO: 2 shows the highest homology among known proteins. It was putative short chain oxidoreductase derived from Streptomyces coelicolor A3 (2). This amino acid sequence was a predicted ORF derived from genomic analysis of unknown function, with an identity of 58% and a positive of 72%. The homology of 80% or more of the present invention represents, for example, the value of Positive homology using the BLAST program.
[0024]
By inserting the polynucleotide of the present invention into a known expression vector, a 4-haloacetoacetate reductase expression vector is provided. Further, the 4-haloacetoacetate reductase of the present invention can be obtained as a recombinant by culturing a transformant transformed with this expression vector.
[0025]
In order to express 4-haloacetoacetate reductase in the present invention, a microorganism to be transformed is transformed with a recombinant vector containing a polynucleotide encoding a polypeptide having 4-haloacetoacetate reductase activity. Any organism that can express 4-haloacetoacetate reductase activity is not particularly limited. Examples of the microorganisms that can be used include the following microorganisms.
Escherichia
Genus Bacillus
Pseudomonas genus
Serratia genus
Brevibacterium genus
Corynebacterium genus
Streptococcus genus
Bacteria for which host vector systems such as Lactobacillus are developed
Rhodococcus genus
Streptomyces genus Streptomyces and other host vector systems being developed
The genus Saccharomyces
Kluyveromyces genus
The genus Schizosaccharomyces
Genus Zygosaccharomyces
The genus Yarrowia
Genus Trichosporon
Rhodosporidium genus
Pichia genus
Yeasts for which host vector systems such as Candida are being developed
Genus Neurospora
Aspergillus genus
Cephalosporium genus
Molds for which host vector systems such as Trichoderma are developed
[0026]
A procedure for producing a transformant and construction of a recombinant vector suitable for the host can be performed according to techniques commonly used in the fields of molecular biology, biotechnology, and genetic engineering (for example, Sambrook et al. Molecular cloning, Cold Spring Harbor Laboratories). In order to express the 4-haloacetoacetate reductase gene of the present invention in a microorganism or the like, first, the DNA is introduced into a plasmid vector or a phage vector stably existing in the microorganism, and the genetic information is transcribed and transferred. Need to translate. For that purpose, a promoter corresponding to a unit controlling transcription / translation may be incorporated upstream of the 5′-side of the DNA strand of the present invention, more preferably a terminator downstream of the 3′-side. As the promoter and terminator, it is necessary to use a promoter and terminator known to function in a microorganism used as a host. “Microbiology Basic Course 8 Genetic Engineering / Kyoritsu Publishing” regarding vectors, promoters, terminators, and the like that can be used in these various microorganisms, especially regarding yeast, Adv. Biochem. Eng. 43, 75-102 (1990), Yeast 8 , 423-488 (1992), and the like.
[0027]
For example, in the genus Escherichia, particularly Escherichia coli, pBR and pUC plasmids can be used as plasmid vectors, and lac (β-galactosidase), trp (tryptophan operon), tac, trc (lac, trp Fusion), promoters derived from λ phage PL, PR, etc. can be used. In addition, as a terminator, a terminator derived from trpA, phage, or rrnB ribosomal RNA can be used. Among these, the vector pSE420D (described in JP-A-2000-189170) obtained by partially modifying the multicloning site of commercially available pSE420 (manufactured by Invitrogen) can be suitably used.
[0028]
In the genus Bacillus, pUB110 series plasmids, pC194 series plasmids and the like can be used as vectors, and can be integrated into chromosomes. Further, apr (alkaline protease), npr (neutral protease), amy (α-amylase) and the like can be used as promoters and terminators.
[0029]
In the genus Pseudomonas, host vector systems have been developed for Pseudomonas putida, Pseudomonas cepacia, and the like. A broad host range vector (including genes necessary for autonomous replication derived from RSF1010) pKT240 based on the plasmid TOL plasmid, which is involved in the degradation of toluene compounds, can be used, and a lipase (specialized as a promoter and terminator) can be used. Kaihei 5-284973) Genes can be used.
[0030]
In the genus Brevibacterium, particularly in Brevibacterium lactofermentum, plasmid vectors such as pAJ43 (Gene 39, 281 (1985)) can be used. As the promoter and terminator, promoters and terminators used in Escherichia coli can be used as they are.
[0031]
In the genus Corynebacterium, especially Corynebacterium glutamicum, plasmid vectors such as pCS11 (JP 57-183799) and pCB101 (Mol.Gen.Genet.196, 175 (1984) are available. is there.
[0032]
In the genus Streptococcus, pHV1301 (FEMS Microbiol. Lett. 26, 239 (1985), pGK1 (Appl. Environ. Microbiol. 50, 94 (1985)), etc. can be used as a plasmid vector.
[0033]
In the genus Lactobacillus, pAMβ1 (J. Bacteriol. 137, 614 (1979)) developed for Streptococcus can be used, and those used in Escherichia coli as promoters can be used. .
[0034]
In the genus Rhodococcus, a plasmid vector isolated from Rhodococcus rhodochrous can be used (J. Gen. Microbiol. 138, 1003 (1992)).
[0035]
In the genus Streptomyces, a plasmid can be constructed according to the method described in Hopwood et al., Genetic Manipulation of Streptomyces: A Laboratory Manual Cold Spring Harbor Laboratories (1985). In particular, in Streptomyces lividans, pIJ486 (Mol.Gen.Genet. 203, 468-478, 1986), pKC1064 (Gene 103,97-99 (1991)), pUWL-KS (Gene 165,149 -150 (1995)) can be used. A similar plasmid can also be used in Streptomyces virginiae (Actinomycetol. 11, 46-53 (1997)).
[0036]
In the genus Saccharomyces (especially Saccharomyces cerevisiae), YRp, YEp, YCp, and YIp plasmids can be used, and homologous recombination with ribosomal DNA present in multiple copies in the chromosome is possible. The integration vector used (EP 537456, etc.) is extremely useful because it can introduce a gene in multiple copies and can stably hold the gene. ADH (alcohol dehydrogenase), GAPDH (glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase), PHO (acid phosphatase), GAL (β-galactosidase), PGK (phosphoglycerate kinase), ENO (enolase) Promoters and terminators such as are available.
[0037]
In the genus Klayveromyces, especially Kluyveromyces lactis, 2 μm-type plasmid derived from Saccharomyces cerevisiae, pKD1-type plasmid (J. Bacteriol. 145, 382-390 (1981)), involved in killer activity A plasmid derived from pGKl1, an autonomously proliferating gene KARS system plasmid in the genus Kleberomyces, a vector plasmid (EP 537456, etc.) that can be integrated into the chromosome by homologous recombination with ribosomal DNA, and the like can be used. In addition, promoters and terminators derived from ADH, PGK and the like can be used.
[0038]
In the genus Schizosaccharomyces, plasmid vectors containing ARS (genes involved in autonomous replication) derived from Schizosaccharomyces pombe and selectable markers that complement the auxotrophy derived from Saccharomyces cerevisiae are available ( Mol. Cell. Biol. 6, 80 (1986)). Moreover, the ADH promoter derived from Schizosaccharomyces pombe can be used (EMBO J. 6, 729 (1987)). In particular, pAUR224 is commercially available from Takara Shuzo and can be easily used.
[0039]
In the genus Zygosaccharomyces, plasmid vectors derived from pSB3 (Nucleic Acids Res. 13, 4267 (1985)) derived from Zygosaccharomyces rouxii are available, and the PHO5 promoter derived from Saccharomyces cerevisiae Alternatively, the promoter of GAP-Zr (glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase) derived from Tigosaccharomyces rouxi (Agri. Biol. Chem. 54, 2521 (1990)) can be used.
[0040]
In the genus Pichia, a host vector system has been developed in Pichia Angusta (formerly Hansenula polymorpha). As vectors, genes involved in autonomous replication derived from Pichia Angusta (HARS1, HARS2) can be used, but they are relatively unstable, so multicopy integration into the chromosome is effective (Yeast 7, 431- 443 (1991)). In addition, AOX (alcohol oxidase) and FDH (formate dehydrogenase) promoters induced by methanol and the like can be used. In addition, Pichia pastoris and other host vector systems using genes involved in autonomous replication from Pichia (PARS1, PARS2) and multi-copy integration vectors to chromosomes (commercially available as Pichia Expression Kit from Invitrogen) Has been developed (Mol. Cell. Biol. 5, 3376 (1985)), and strong promoters such as AOX that can be induced with high-concentration culture and methanol can be used (Nucleic Acids Res. 15,3859 (1987)) .
[0041]
In the genus Candida, the host vector system in Candida maltosa, Candida albicans, Candida tropicalis, Candida utilis, etc. Has been developed. In Candida maltosa, ARS derived from Candida maltosa has been cloned (Agri. Biol. Chem. 51, 51, 1587 (1987)), and vectors using this have been developed. In Candida utilis, a strong promoter has been developed for the chromosome integration type vector (Japanese Patent Laid-Open No. 08-173170).
[0042]
In the genus Aspergillus, Aspergillus niger, Aspergillus oryzae, etc. are the most studied among molds, and integration into plasmids and chromosomes is available. Promoters derived from external proteases, amylases and amidases are available (Trends in Biotechnology 7, 283-287 (1989)).
[0043]
In the genus Trichoderma, a host vector system using Trichoderma reesei has been developed, and an extracellular cellulase gene-derived promoter or the like can be used (Biotechnology 7, 596-603 (1989)).
[0044]
In addition to microorganisms, various host and vector systems have been developed for plants and animals, especially in insects using moths (Nature 315, 592-594 (1985)), rapeseed, corn, potatoes and other plants. A system for expressing a large amount of heterologous protein has been developed and can be suitably used.
[0045]
The present invention also relates to a method for producing an alcohol by reducing a ketone of the 4-haloacetoacetate reductase. Examples of the alcohol include (S) -4-halo-3-hydroxybutyric acid ester derivatives. The enzyme reaction of the present invention can be performed by bringing a transformant such as an enzyme molecule, a processed product thereof, a culture containing the enzyme molecule, or a microorganism producing the enzyme into contact with the reaction solution in a living state. The contact form between the enzyme and the reaction solution is not limited to these specific examples.
[0046]
In the present invention, the reaction solution is obtained by dissolving or mixing and suspending a substrate and a coenzyme necessary for an enzyme reaction in an appropriate solvent that provides a desirable environment for the expression of enzyme activity. As the coenzyme, a coenzyme that can be used by 4-haloacetoacetate reductase that catalyzes the reaction is used. For example, the enzyme consisting of the amino acid sequence of SEQ ID NO: 2 requires reduced nicotinamide adenine dinucleotide phosphate (hereinafter abbreviated as NADPH) as a coenzyme. On the other hand, a substrate compound that is converted into a target compound by an enzymatic reaction is used as the substrate. The relationship between the product alcohol and the substrate compound will be specifically described later.
[0047]
The microorganism treated product containing 4-haloacetoacetate reductase in the present invention is specifically a microorganism whose cell membrane permeability has been changed by treatment with an organic solvent such as a surfactant or toluene, or a glass bead or enzyme treatment. Cell-free extract obtained by crushing bacterial cells by the above, or a partially purified product thereof.
[0048]
As the ketone in the method for producing an alcohol according to the present invention, a 4-haloacetoacetic acid ester derivative is preferably used. Examples of the halogen include chlorine, bromine, iodine atom and the like, and chlorine atom is particularly preferable. Examples of the ester include lower alkyl esters such as methyl ester, ethyl ester, propyl ester, isopropyl ester, and butyl ester, and ethyl ester is particularly desirable. Further, the 4-halogenated acetoacetate derivative includes a derivative having a lower alkyl group which may contain a halogen substitution at the β-position, a halogen or the like.
[0049]
The oxidized coenzyme produced accompanying the reduction reaction can be regenerated again as a reduced form by the enzymatic reaction. For example, oxidized nicotinamide adenine dinucleotide phosphate (hereinafter referred to as NADP) produced from NADPH. + Can be regenerated enzymatically to NADPH. Regeneration to NADPH is the NADP of microorganisms + It can be carried out using the reducing ability (glycolytic system, methylotrophic C1 compound utilization pathway, etc.). These NADP + The reducing ability can be enhanced by adding glucose, ethanol, formic acid or the like to the reaction system. NADP + It can also be carried out by adding to the reaction system a microorganism having the ability to produce NADPH, a processed product thereof, or an enzyme.
[0050]
For example, glucose dehydrogenase, formate dehydrogenase, alcohol dehydrogenase, amino acid dehydrogenase, organic acid dehydrogenase (malate dehydrogenase etc.), hydrogenase (Alcaligenes genus, Clostridium genus etc.) Produces hydrogen as an electron donor NADP + Using microorganisms including enzymes (Biotechnol.Bioeng. 27, 1277-1281 (1985), Biocatal.Bioteransform. 15, 281-296 (1997)), etc. that perform the reduction reaction, treated products, and partially purified or purified enzymes The coenzyme can be regenerated. The components constituting the reaction necessary for such regeneration are added to the reaction system for producing the alcohol according to the present invention, added in an immobilized state, or contacted through a membrane capable of exchanging coenzymes. Can be made.
[0051]
In addition, when a microorganism transformed with a recombinant vector containing the polynucleotide of the present invention is used as a host in the alcohol production method in the state of living cells, an additional reaction system for coenzyme regeneration is used. It may be unnecessary. That is, by using a microorganism having a high coenzyme regeneration activity, an efficient reaction can be performed in the reduction reaction using the transformant without adding an enzyme for coenzyme regeneration.
Furthermore, a reduction reaction can be carried out more efficiently by simultaneously introducing DNA encoding an enzyme that can be used for coenzyme regeneration and DNA encoding the NADPH-dependent 4-haloacetoacetate reductase of the present invention into a host. It is also possible to perform. Examples of enzymes that can be used for coenzyme regeneration include glucose dehydrogenase, formate dehydrogenase, alcohol dehydrogenase, amino acid dehydrogenase, or organic acid dehydrogenase (malate dehydrogenase, etc.) Can do.
To introduce these two or more genes into the host, there is a method in which the host is transformed with a recombinant vector in which the genes are separately introduced into a plurality of vectors different from the origin of replication in order to avoid incompatibility. Used. In addition, a method of introducing both genes into a single vector, a method of introducing one or both genes into a chromosome, and the like can also be used.
[0052]
When introducing multiple genes into a single vector, methods such as linking promoter- and terminator-related regions related to expression control to each gene, or expressing as an operon containing multiple cistrons such as the lactose operon. Is possible.
[0053]
The reduction reaction using the enzyme of the present invention can be performed in a mixed system of water and an organic solvent having compatibility with water. Examples of the solvent having compatibility with water include methanol, ethanol, isopropanol, acetone, and acetonitrile. In addition, the enzyme reaction for the present invention can be carried out in an organic solvent that is hardly soluble in water or in a two-phase system of an organic solvent that is hardly soluble in water and an aqueous medium. As an organic solvent that is difficult to dissolve in water, for example, ethyl acetate, butyl acetate, toluene, chloroform, n-hexane, cyclohexane, octane, or 1-octanol can be used.
[0054]
The enzyme constituting the enzyme reaction of the present invention can be immobilized and used. The method for immobilizing the enzyme is not particularly limited. For example, a method for immobilizing an enzyme using glutaraldehyde, acrylamide, κ-carrageenan, calcium alginate, ion exchange resin, celite, or the like is known. The reaction of the present invention can also be performed using a membrane reactor or the like. Examples of membranes that can constitute a membrane reactor include ultrafiltration membranes, hydrophobic membranes, cationic membranes, and nanofiltration membranes (J. Ferment. Bioeng. 83, 54-58 (1997)). it can.
[0055]
The reaction of the present invention can be carried out at a reaction temperature of 4-70 ° C., preferably 15-50 ° C., pH 3-11, preferably pH 6-8, and a substrate concentration of 0.01-90%, preferably 0.1-30%. In the reaction system, if necessary, coenzyme NADP + Alternatively, NADPH can be added in an amount of 0.001 mM to 100 mM, preferably 0.01 to 10 mM. The substrate can be added all at once at the start of the reaction, but it is desirable to add it continuously or discontinuously so that the substrate concentration in the reaction solution does not become too high.
[0056]
The compound added to the reaction system for NADPH regeneration can be added in a molar ratio of 0.1-20, preferably 1-5 times with respect to the substrate ketone. As a compound for NADPH regeneration, for example, glucose when using glucose dehydrogenase, formic acid when using formate dehydrogenase, ethanol or isopropanol when using alcohol dehydrogenase, and the like are added. On the other hand, the enzyme constituting the reaction for NADPH regeneration can be added in an amount of 0.1 to 100 times, preferably about 0.5 to 20 times in terms of enzyme activity, compared to the NADPH-dependent 4-haloacetoacetate reductase of the present invention. .
[0057]
The alcohol produced by the reduction of the ketone of the present invention can be purified by appropriately combining microbial cells, protein centrifugation, separation by membrane treatment, solvent extraction, distillation and the like.
For example, in ethyl (S) -4-chloro-3-hydroxybutyrate, a reaction solution containing microbial cells is centrifuged, and after removing the microbial cells, a solvent such as ethyl acetate or methyl isobutyl ketone is added to the supernatant. To extract ethyl (S) -4-chloro-3-hydroxybutyrate into the solvent layer. By purifying this after phase separation, high purity ethyl (S) -4-chloro-3-hydroxybutyrate can be purified. Purified ethyl (S) -4-chloro-3-hydroxybutyrate is useful as a raw material for pharmaceuticals. According to the present invention, an optically active alcohol can be obtained with high purity and efficiency. Optical isomers often have low physiological activity and compounds that cause side effects. Therefore, in pharmaceutical raw materials, optical purity greatly affects the quality of raw materials.
[0058]
【Example】
EXAMPLES Hereinafter, although an Example demonstrates this invention in more detail, this invention is not limited to this.
[Example 1] (Preparation of chromosomal DNA from Bacillus stearothermophilus)
Bacillus stearothermophilus IFO 12550 strain in M-64 medium (polypeptone 10g, yeast extract 2.5g, meat extract 2g, glycerol 2g, sodium chloride 2g, K 2 HPO Four 2g, KH 2 PO Four 2g, MgSO Four ・ 7H 2 O 0.1 g, biotin 0.4 μg / L, pH 7.2) and cultured at 55 ° C., and wet cells were obtained by centrifugation.
Chromosomal DNA was purified from the obtained wet cells using Qiagen Genome-Tip.
[0059]
[Example 2] (Amplification by PCR of core region of 4-haloacetoacetate reductase gene)
PCR was carried out using the primer fabG-N (SEQ ID NO: 3) and primer fabG-C (SEQ ID NO: 4) as a template and the chromosomal DNA prepared in Example 1. PCR was performed in 50 μL of a reaction solution containing 0.2 mM dNTP, 50 pmol of primer, 1 U of Taq DNA polymerase, and 50 ng or 125 ng of template DNA.
[0060]
The PCR conditions were as follows: 5 cycles of the following step 1 and 25 cycles of step 2.
(Step 1)
Denaturation 94 ℃ 30 seconds
Annealing 37 ℃ 30 seconds
Temperature rise at a rate of 10 ° C per minute
Elongation 60 2 minutes
(Step 2)
Denaturation 94 ℃ 30 seconds
Annealing 45 ℃ 30 seconds
Elongation 70 1 minute
[0061]
After completion of PCR, a part was analyzed by agarose gel electrophoresis. As a result, a specific band was detected around 550 bp regardless of the amount of template DNA.
Figure 0004603171
[0062]
[Example 3] (Cloning of core region of 4-haloacetoacetate reductase gene)
The DNA fragment amplified in Example 2 was extracted with phenol-chloroform, and then DNA was collected by ethanol precipitation. The obtained DNA was double-digested with EcoRI and HindIII and purified by agarose gel electrophoresis. The obtained DNA fragment was ligated with pUC18 digested with the same restriction enzymes EcoRI and HindIII to obtain a plasmid pBstKR-1 having a target 550 bp insert fragment.
[0063]
[Example 4] (Analysis of base sequence of core region of 4-haloacetoacetate reductase gene)
The nucleotide sequence of the inserted fragment of plasmid pBstKR-1 obtained in Example 3 was analyzed. The DNA base sequence was analyzed by PCR using BigDye Terminator Cycle Sequencing ready Reaction Kit (Applied Biosystems) and PRISM 310 Genetic Analyzer (Applied Biosystems). The determined nucleotide sequence of the core region is shown as SEQ ID NO: 5.
[0064]
[Example 5] (Inverse PCR around the core region of the 4-haloacetoacetate reductase gene)
The chromosomal DNA prepared in Example 1 was digested with HindIII, and after self-cyclization reaction, it was digested with SalI and used as a template. First, as 1st PCR, PCR was performed using BST-N1NE (SEQ ID NO: 6) and BST-C1NE (SEQ ID NO: 8) as primers, and the resulting PCR product was purified and further BST-N2NE (SEQ ID NO: 7). 2nd PCR was performed using BST-C2NE (SEQ ID NO: 9) as a primer. PCR was performed by heat denaturation at 94 ° C for 1 minute, annealing at 55 ° C for 1 minute, and extension at 72 ° C for 3 minutes for 30 cycles.
[0065]
After the completion of PCR, a part of the reaction solution was subjected to agarose electrophoresis, and a specific amplified fragment of about 5 kb was confirmed.
Figure 0004603171
[0066]
[Example 6] (Analysis of base sequence of core peripheral region of 4-haloacetoacetate reductase gene)
The base sequence of the DNA fragment obtained by Inverse PCR was directly analyzed. As a result, the entire region of β-ketoacyl ACP reductase (fabG gene) is included, and at the same time, acyl CoA dehydrogenase (fabD gene) is upstream of fabG gene and part of acyl carrier protein (ACP) gene is downstream. Was found.
The resulting 4-haloacetoacetate reductase gene consisted of 762 bp and encoded 254 amino acids. The sequence of the ORF part is shown in SEQ ID NO: 1.
[0067]
[Example 7] (Construction of 4-haloacetoacetate reductase gene expression plasmid)
Based on the ORF base sequence of 4-haloacetoacetate reductase obtained in Example 6, primers FABG-E (SEQ ID NO: 10) and FABG-H (SEQ ID NO: 11) for constructing an expression plasmid in Escherichia coli. ) Was synthesized. Using a reaction solution of 0.2 mM dNTP, 5% dimethyl sulfoxide (DMSO), 10 pmol of each primer, 50 ng of chromosomal DNA, ExTaq buffer solution, ExTaq 2.5U, denaturation (94 ° C for 1 minute), annealing (55 ° C 1 minute) and elongation (72 ° C. for 3 minutes) was performed for 30 cycles. For the reaction, GeneAmp PCR System 2400 (manufactured by PerkinElmer) was used.
Figure 0004603171
The obtained PCR product was double-digested with EcoRI and HindIII, and subcloned between EcoRI and HindIII of pTrc99A (Pharmacia). The obtained plasmid was designated as pTrc-Bst.
The plasmid map of pTrc-Bst is shown in FIG.
[0068]
[Example 8] (Production of recombinant 4-haloacetoacetate reductase by E. coli)
Escherichia coli JM109 transformed with pTrc-Bst is inoculated into LB medium (10g bactotryptone, 5g bacto yeast extract, 10g / 1L sodium chloride, pH7.2) containing 50mg / L ampicillin and cultured at 37 ° C overnight. did. About 1 day later, 100 mL of LB liquid medium containing 50 mg / L ampicillin and 119 mg / L IPTG (isopropylthiogalactopyranoside) was inoculated and cultured at 37 ° C. for 16 to 20 hours.
[0069]
The cultured cells are collected by centrifugation, suspended in 3 mL of 100 mM potassium phosphate buffer (pH 7.4) containing 0.01% 2-mercaptoethanol, and ultrasonicated (30 sec disruption, 30 sec
The cells were disrupted by repeating the interval 20 times.
After the supernatant was obtained by centrifugation, it was dialyzed against 10 mM potassium phosphate buffer (pH 7.4) containing 0.01% 2-mercaptoethanol and used as a cell-free extract.
[0070]
[Example 9] (Heat treatment and electrophoresis of recombinant 4-haloacetoacetate reductase)
Cell-free extract prepared in Example 8 (lane 3), cell-free extract heat treated at 30 ° C. for 10 minutes (lane 4), treated at 30 ° C. for 20 minutes (lane 5), 40 at 30 ° C. Fraction treated (lane 6), treated at 60 ° C for 10 minutes (lane 7), treated at 60 ° C for 20 minutes (lane 8), treated at 60 ° C for 40 minutes (lane 9), and vector pTrc99A The cell-free extract (lane 2) and molecular weight marker (lane 1) extracted from JM109 strain transformed only with sodium dodecyl sulfate-polyacrylamide gel electrophoresis (SDS-PAGE).
[0071]
As shown in FIG. 3, a 27 kDa band (shown as BstKR1 in FIG. 3) not found in the cell-free extract derived from the bacteria transformed with the vector pTrc99A is derived from E. coli transformed with pTrc-Bst. Found in cell-free extracts. This molecular weight agreed well with the calculated value of 27 kDa from the amino acid sequence predicted from the DNA sequence.
Moreover, it was shown that the enzyme can be purified very efficiently only by heat treatment, utilizing the heat resistance of 4-haloacetoacetate reductase derived from moderately thermophilic bacteria.
[0072]
[Example 10] (Substrate specificity of recombinant 4-haloacetoacetate reductase)
The activity against various substrates was measured using the recombinant 4-haloacetoacetate reductase prepared in Example 8. As a coenzyme, only reduced nicotinamide adenine dinucleotide phosphate (NADPH) was used as an electron donor, and reduced nicotinamide adenine dinucleotide (NADH) could not be used. As a substrate for the reduction reaction, ethyl 4-chloroacetoacetate was efficiently reduced, but acetoacetyl-CoA, which is a reducing substrate for β-ketoacyl ACP reductase of Escherichia coli and Bacillus subtilis, was not reduced at all. In addition, oxidized nicotinamide adenine dinucleotide phosphate (NADP + (R) or (S) -4-chloro-3-hydroxybutyric acid ethyl ester oxidation activity using) as an electron acceptor.
[0073]
[Example 11] (Optimum temperature of recombinant 4-haloacetoacetate reductase)
Using the 4-haloacetoacetate reductase prepared in Example 8, the optimal temperature for the ethyl 4-chloroacetoacetate reduction reaction was measured.
The optimum temperature for the reaction was 45 ° C. Moreover, the relative activity of 80% or more of the maximum activity in a wide range from 40 ° C. to 55 ° C. is shown in FIG. Note that ethyl 4-chloroacetoacetate used as a reaction substrate is an unstable substance at high temperatures. Therefore, when the recombinant 4-haloacetoacetate reductase is allowed to act on other substrate compounds that are stable at high temperatures, the optimum temperature for the enzyme reaction may be further increased.
[0074]
[Example 12] (Production of (S) -4-chloro-3-hydroxybutyrate by recombinant 4-haloacetoacetate reductase)
Using the 4-haloacetoacetate reductase prepared in Example 8, ethyl (S) -4-chloro-3-hydroxybutyrate was synthesized from ethyl 4-chloroacetoacetate.
200 mM potassium phosphate buffer (pH 6.5), 2% ethyl 4-chloroacetoacetate, 2 equivalents of glucose to substrate, 1 mM NADP + The reaction was carried out overnight in a reaction solution containing 38.4 mU of 4-haloacetoacetate reductase and glucose dehydrogenase (Wako Pure Chemical Industries) twice as much as 4-haloacetoacetate reductase.
[0075]
Using the reaction completed solution, the optical purity of ethyl (S) -4-chloro-3-hydroxybutyrate was measured by the following method. From the reaction solution, ethyl 4-chloro-3-hydroxybutyrate was extracted with ethyl acetate, desolvated, and analyzed by liquid chromatography using an optical resolution column. The optical resolution column was Chiral Cell OD (CHIRALCEL OD. 4.6 mm × 25 cm) manufactured by Daicel Chemical Industries, Ltd., and the eluent was n-hexane: 2-propanol = 93: 7, flow rate was 1 mL / min, and RI detection was performed. . As a result, ethyl 4-chloro-3-hydroxybutyrate produced according to the present invention was a 97.8% ee (S) isomer.
[0076]
The produced ethyl 4-chloro-3-hydroxybutyrate was quantified by gas chromatography, and the yield relative to the starting material, ethyl 4-chloroacetoacetate, was determined. The conditions for gas chromatography are as follows. That is, using Salmon-3000 5% Chromosorb W 60-80 (AW-DMCS) (Thermon-3000 5% Chromosorb W 60-80 (AW-DMCS), Shinwa Chemical Co., Ltd.), 3.2 mm × 210 cm, column temperature 150 The analysis was carried out using a flame ionization detector (FID). As a result, the yield of the reaction was about 48%.
[0077]
【The invention's effect】
The present invention provides a novel β-ketoacyl ACP reductase useful for production of optically active alcohols such as (S) -4-halo-3-hydroxybutyric acid ester derivatives and a method for obtaining homologues thereof. Furthermore, a β-ketoacyl ACP reductase gene derived from Bacillus stearothermophilus and a protein encoded thereby were provided based on the method of the child. By using this enzyme, an efficient method for producing ethyl (S) -4-chloro-3-hydroxybutyrate having high optical purity was provided.
[0078]
[Sequence Listing]
Figure 0004603171
Figure 0004603171
Figure 0004603171
Figure 0004603171
Figure 0004603171
Figure 0004603171
Figure 0004603171
Figure 0004603171
Figure 0004603171

[Brief description of the drawings]
FIG. 1 shows an alignment of fabG amino acid sequences.
FIG. 2: Plasmid map of pTrc-Bst.
FIG. 3 is a photograph showing the results of SDS-PAGE of recombinant 4-haloacetoacetate reductase and its heat-treated product.
FIG. 4 is a graph showing the optimum temperature of recombinant 4-haloacetoacetate reductase. The vertical axis represents relative activity, and the horizontal axis represents the reaction temperature.

Claims (10)

下記(a)から(e)のいずれかに記載の、4−ハロアセト酢酸エステルに作用し、(S)−4−ハロ−3−ヒドロキシ酪酸エステルを生成する酵素活性を有する蛋白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蛋白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/または付加したアミノ酸からなる蛋白質をコードするポリヌクレオチド、
(d)配列番号:1に記載の塩基配列からなるポリヌクレオチドとストリンジェントな条件下でハイブリダイズするポリヌクレオチド、
(e)配列番号:2に記載のアミノ酸配列と80%以上の同一性を有するアミノ酸配列をコードするポリヌクレオチド、
The polynucleotide encoding a protein having an enzymatic activity that acts on 4-haloacetoacetate and produces (S) -4-halo-3-hydroxybutyrate, according to any one of (a) to (e) below: .
(A) a polynucleotide comprising the base sequence set forth in SEQ ID NO: 1,
(B) a polynucleotide encoding a protein comprising the amino acid sequence set forth in SEQ ID NO: 2;
(C) a polynucleotide encoding a protein consisting of amino acids in which one or more amino acids are substituted, deleted, inserted and / or added in the amino acid sequence of SEQ ID NO: 2;
(D) a polynucleotide that hybridizes with the polynucleotide comprising the base sequence set forth in SEQ ID NO: 1 under stringent conditions;
(E) a polynucleotide encoding an amino acid sequence having 80% or more identity with the amino acid sequence set forth in SEQ ID NO: 2;
請求項に記載のポリヌクレオチドによってコードされる蛋白質。A protein encoded by the polynucleotide of claim 1 . 請求項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。A recombinant vector into which the polynucleotide according to claim 1 is inserted. 更にβ-ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドを補酵素とする酸化還元反応を触媒することができる脱水素酵素をコードするポリヌクレオチドが挿入された、請求項に記載の組換えベクター。The recombinant vector according to claim 3 , further comprising a polynucleotide encoding a dehydrogenase capable of catalyzing a redox reaction using β-nicotinamide adenine dinucleotide as a coenzyme. 請求項に記載のポリヌクレオチド、または請求項に記載のベクターを発現可能に保持した形質転換体。Transformants expressible hold the vectors described polynucleotide or claim 3, according to claim 1. 請求項に記載の形質転換体を培養し、4−ハロアセト酢酸エステルに作用し、(S)−4−ハロ−3−ヒドロキシ酪酸エステルを生成する酵素活性を有する蛋白質、またはそれを含む画分を回収する工程を含む請求項に記載の蛋白質の製造方法。A protein having an enzymatic activity for culturing the transformant according to claim 5 and acting on 4-haloacetoacetate to produce (S) -4-halo-3-hydroxybutyrate, or a fraction containing the same The manufacturing method of the protein of Claim 2 including the process of collect | recovering. 請求項に記載の蛋白質、又は、請求項5に記載の形質転換体を破砕することによって得た無細胞抽出液をケトンに作用させ、該ケトンを還元してアルコールを製造することを特徴とする、アルコールの製造方法。 A cell-free extract obtained by crushing the protein according to claim 2 or the transformant according to claim 5 is allowed to act on a ketone, and the ketone is reduced to produce an alcohol. A method for producing alcohol. ケトンが、4-ハロアセト酢酸エステル誘導体であり、アルコールが(S)-4-ハロ-3-ヒドロキシ酪酸エステル誘導体である請求項に記載のアルコールの製造方法。The method for producing an alcohol according to claim 7 , wherein the ketone is a 4-haloacetoacetic acid ester derivative and the alcohol is a (S) -4-halo-3-hydroxybutyric acid ester derivative. 4-ハロアセト酢酸エステル誘導体が4-クロロアセト酢酸エチルエステルであり、アルコールが(S)-4-クロロ-3-ヒドロキシ酪酸エチルエステルである請求項に記載のアルコールの製造方法。The method for producing an alcohol according to claim 8 , wherein the 4-haloacetoacetic acid ester derivative is 4-chloroacetoacetic acid ethyl ester, and the alcohol is (S) -4-chloro-3-hydroxybutyric acid ethyl ester. 更に付加的に酸化型β-ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドを還元型に変換する工程を含むことを特徴とする請求項に記載のアルコールの製造方法。The method for producing an alcohol according to claim 7 , further comprising a step of additionally converting oxidized β-nicotinamide adenine dinucleotide to a reduced form.
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JP2000189170A (en) * 1998-05-08 2000-07-11 Daicel Chem Ind Ltd Production of optically active 4-halo-3-hydroxybutyric acid ester

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