JP4916709B2 - Improved nitrile hydratase - Google Patents

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Description

本発明は、改良型(変異型)のニトリルヒドラターゼ、及びその製造方法に関する。さらには、当該酵素をコードする遺伝子DNA、当該遺伝子DNAを含む組換えベクター、及び当該組換えベクターを有する形質転換体、並びにアミド化合物の製造方法に関する。   The present invention relates to an improved (mutant) nitrile hydratase and a method for producing the same. Furthermore, the present invention relates to a gene DNA encoding the enzyme, a recombinant vector containing the gene DNA, a transformant having the recombinant vector, and a method for producing an amide compound.

近年、ニトリル基を水和しアミド基に変換するニトリル水和活性を有する酵素であるニトリルヒドラターゼが発見され、当該酵素又は当該酵素を含有する微生物菌体等を用いてニトリル化合物より対応するアミド化合物を製造する方法が開示されている。この製造方法は、従来の化学合成法と比較し、ニトリル化合物から対応するアミド化合物への転化率及び選択率が高いことで知られている。
ニトリルヒドラターゼを生産する微生物としては、例えば、コリネバクテリウム(Corynebacterium)属、シュードモナス(Pseudomonas)属、ロドコッカス(Rhodococcus)属、リゾビウム(Rhizobium)属、クレビシエラ(Klebsiella)属、シュードノカルディア(Pseudonocardia)属等に属する微生物を挙げることができる。中でもロドコッカス・ロドクロウス(Rhodococcus rhodochrous)J1株はアクリルアミドの工業的生産に使用されており、有用性が実証されている。また、その菌株が産生するニトリルヒドラターゼをコードする遺伝子も明らかとなっている(特許文献1参照)。さらに耐熱性の向上した酵素の取得は、反応時の酵素量の削減及びコスト削減等の観点から開発が望まれていた。
一方、自然界に存在する微生物から単離したニトリルヒドラターゼやその遺伝子を利用するのみならず、ニトリルヒドラターゼに対して、活性、基質特異性、Vmax、Km、熱安定性、基質に対する安定性、生成物に対する安定性等を変化させる目的でニトリルヒドラターゼに変異を導入することが試みられている(特許文献2及び3参照)。
しかしながら、野生型ニトリルヒドラターゼのアミノ酸配列中の特定のアミノ酸残基に変異を導入することで、耐熱性又はアミド化合物耐性を向上させた具体的な例は少なく、さらには、耐熱性及びアミド化合物耐性を共に向上させた例は知られていない。これら、耐熱性及び/又はアミド化合物耐性の向上したニトリルヒドラターゼを開発し、アミド化合物の製造に用いることは、触媒コスト等の生産コストの観点などから非常に有用である。
In recent years, nitrile hydratase, an enzyme having nitrile hydration activity that hydrates nitrile groups and converts them into amide groups, was discovered, and corresponding amides from nitrile compounds using the enzyme or microbial cells containing the enzyme. A method for producing the compound is disclosed. This production method is known to have a higher conversion rate and selectivity from a nitrile compound to a corresponding amide compound than conventional chemical synthesis methods.
Examples of microorganisms that produce nitrile hydratase include, for example, the genus Corynebacterium, the genus Pseudomonas, the genus Rhodococcus, the genus Rhizobium, the genus Klebsiella, and the pseudonocardia. Examples include microorganisms belonging to genera and the like. Among them, Rhodococcus rhodochrous J1 strain has been used for industrial production of acrylamide and has proved its usefulness. Moreover, the gene which codes the nitrile hydratase which the strain produces is also clear (refer patent document 1). Furthermore, the acquisition of an enzyme with improved heat resistance has been desired to be developed from the viewpoint of reducing the amount of enzyme during the reaction and reducing the cost.
On the other hand, not only using nitrile hydratase and its gene isolated from microorganisms that exist in nature, but also against nitrile hydratase, activity, substrate specificity, Vmax, Km, thermal stability, substrate stability, Attempts have been made to introduce mutations into nitrile hydratase for the purpose of changing the stability of the product (see Patent Documents 2 and 3).
However, there are few specific examples in which heat resistance or amide compound resistance is improved by introducing a mutation into a specific amino acid residue in the amino acid sequence of wild-type nitrile hydratase. There is no known example of improving both tolerances. Developing these nitrile hydratases with improved heat resistance and / or amide compound resistance and using them in the production of amide compounds is very useful from the viewpoint of production costs such as catalyst costs.

特許第3162091号公報Japanese Patent No. 3162091 特願2004−156593号公報Japanese Patent Application No. 2004-156593 国際公開第2004/056990号パンフレットInternational Publication No. 2004/056990 Pamphlet

そこで、本発明の目的は、野生型ニトリルヒドラターゼの改良により、耐熱性及び/又はアミド化合物耐性が向上したニトリルヒドラターゼ活性を有するタンパク質を提供すること、さらには当該タンパク質をコードする遺伝子DNA、当該遺伝子DNAを含む組換えベクター、当該組換えベクターを含む形質転換体、当該形質転換体の培養物から採取されるニトリルヒドラターゼ及びその製造方法、並びに当該培養物又は当該培養物の処理物を用いたアミド化合物の製造方法を提供することにある。   Accordingly, an object of the present invention is to provide a protein having nitrile hydratase activity with improved heat resistance and / or amide compound resistance by improving wild-type nitrile hydratase, and further, gene DNA encoding the protein, A recombinant vector containing the gene DNA, a transformant containing the recombinant vector, a nitrile hydratase collected from a culture of the transformant, a production method thereof, and the culture or a processed product of the culture It is in providing the manufacturing method of the used amide compound.

すなわち、本発明は以下の通りである。
(1) 以下の(A)又は(B)のタンパク質。
(A) 野生型ニトリルヒドラターゼのアミノ酸配列において下記(a)〜(i)からなる群より選ばれる少なくとも1つのアミノ酸残基が他のアミノ酸残基に置換されたアミノ酸配列を含み、かつ、ニトリルヒドラターゼ活性を有することを特徴とするタンパク質
(a)αサブユニットのアミノ酸配列のうち補欠分子結合領域を構成するアミノ酸配列C(S/T)LCSCの最も上流側のC残基より44残基上流のアミノ酸残基
(b)上記アミノ酸配列C(S/T)LCSCの最も上流側のC残基より42残基上流のアミノ酸残基
(c)上記アミノ酸配列C(S/T)LCSCの最も上流側のC残基より26残基上流のアミノ酸残基
(d)上記アミノ酸配列C(S/T)LCSCの最も上流側のC残基より10残基上流のアミノ酸残基
(e)上記アミノ酸配列C(S/T)LCSCの最も下流側のC残基より41残基下流のアミノ酸残基
(f)上記アミノ酸配列C(S/T)LCSCの最も下流側のC残基より43残基下流のアミノ酸残基
(g)βサブユニットのアミノ酸配列のうちC末端のアミノ酸残基から数えて3残基上流のアミノ酸残基
(h)上記C末端のアミノ酸残基から数えて118残基上流のアミノ酸残基
(i)上記C末端のアミノ酸残基から数えて173残基上流のアミノ酸残基
(B) (A)のタンパク質のアミノ酸配列において、前記置換後のアミノ酸残基を除き、1若しくは数個のアミノ酸残基が欠失、置換及び/又は付加されたアミノ酸配列を含み、かつ、ニトリルヒドラターゼ活性を有することを特徴とするタンパク質
That is, the present invention is as follows.
(1) The following protein (A) or (B).
(A) an amino acid sequence in which at least one amino acid residue selected from the group consisting of the following (a) to (i) in the amino acid sequence of wild-type nitrile hydratase is substituted with another amino acid residue; A protein characterized by having hydratase activity (a) 44 residues from the most upstream C residue of the amino acid sequence C (S / T) LCSC constituting the prosthetic molecule binding region in the amino acid sequence of the α subunit Upstream amino acid residue (b) 42 amino acid residues upstream of the most upstream C residue of the amino acid sequence C (S / T) LCSC (c) Most of the amino acid sequence C (S / T) LCSC Amino acid residue 26 residues upstream from the upstream C residue (d) An amino acid residue 10 residues upstream from the most upstream C residue of the amino acid sequence C (S / T) LCSC ( ) Amino acid residue 41 residues downstream from the most downstream C residue of the amino acid sequence C (S / T) LCSC. (F) From the C residue most downstream of the amino acid sequence C (S / T) LCSC. 43 amino acid residues downstream (g) 3 amino acid residues upstream from the C-terminal amino acid residue in the amino acid sequence of the β subunit (h) 118 amino acid residues counted from the C-terminal amino acid residue Amino acid residue upstream (i) Amino acid residue 173 residues upstream from the C-terminal amino acid residue (B) In the protein amino acid sequence of (A), the amino acid residue after the substitution is excluded A protein comprising an amino acid sequence in which one or several amino acid residues are deleted, substituted and / or added, and having nitrile hydratase activity

(2) 以下の(A)又は(B)のタンパク質。
(A) 野生型ニトリルヒドラターゼのアミノ酸配列において下記(a)及び(b)のアミノ酸残基と下記(c)〜(e)からなる群より選ばれる少なくとも1つのアミノ酸残基とが他のアミノ酸残基に置換されたアミノ酸配列を含み、かつ、ニトリルヒドラターゼ活性を有することを特徴とするタンパク質
(a)βサブユニットのアミノ酸配列のうちC末端のアミノ酸残基から数えて63残基上流のアミノ酸残基
(b)上記C末端のアミノ酸残基から数えて11残基上流のアミノ酸残基
(c)上記C末端のアミノ酸残基から数えて3残基上流のアミノ酸残基
(d)αサブユニットのアミノ酸配列のうち補欠分子結合領域を構成するアミノ酸配列C(S/T)LCSCの最も上流側のC残基より10残基上流のアミノ酸残基
(e)上記アミノ酸配列C(S/T)LCSCの最も下流側のC残基より41残基下流のアミノ酸残基
(B) (A)のタンパク質のアミノ酸配列において、前記置換後のアミノ酸残基を除き、1若しくは数個のアミノ酸残基が欠失、置換及び/又は付加されたアミノ酸配列を含み、かつ、ニトリルヒドラターゼ活性を有することを特徴とするタンパク質
(2) The following protein (A) or (B).
(A) In the amino acid sequence of wild-type nitrile hydratase, the following amino acid residues (a) and (b) and at least one amino acid residue selected from the group consisting of the following (c) to (e) are other amino acids: A protein comprising an amino acid sequence substituted with a residue and having nitrile hydratase activity (a) 63 amino acids upstream from the amino acid residue at the C-terminal in the amino acid sequence of β subunit Amino acid residue (b) 11 residues upstream from the C-terminal amino acid residue (c) 3 amino acid residues upstream from the C-terminal amino acid residue (d) α-sub An amino acid residue 10 residues upstream of the most upstream C residue of the amino acid sequence C (S / T) LCSC that constitutes the prosthetic molecule binding region in the amino acid sequence of the unit; In the amino acid sequence of the amino acid residue (B) (A) 41 residues downstream of the most downstream C residue of the acid sequence C (S / T) LCSC, the amino acid residue after the substitution is Alternatively, a protein comprising an amino acid sequence in which several amino acid residues are deleted, substituted and / or added, and having a nitrile hydratase activity

(3) 以下の(A)又は(B)のタンパク質。
(A) 野生型ニトリルヒドラターゼのアミノ酸配列において下記(a)及び(b)のアミノ酸残基と下記(c)〜(e)からなる群より選ばれる少なくとも1つのアミノ酸残基とが他のアミノ酸残基に置換されたアミノ酸配列を含み、かつ、ニトリルヒドラターゼ活性を有することを特徴とするタンパク質
(a)βサブユニットのアミノ酸配列のうちC末端のアミノ酸残基から数えて63残基上流のアミノ酸残基
(b)上記C末端のアミノ酸残基から数えて11残基上流のアミノ酸残基
(c)上記C末端のアミノ酸残基から数えて118残基上流のアミノ酸残基
(d)αサブユニットのアミノ酸配列のうち補欠分子結合領域を構成するアミノ酸配列C(S/T)LCSCの最も上流側のC残基より44残基上流のアミノ酸残基
(e)上記アミノ酸配列C(S/T)LCSCの最も上流側のC残基より42残基上流のアミノ酸残基
(B) (A)のタンパク質のアミノ酸配列において、前記置換後のアミノ酸残基を除き、1若しくは数個のアミノ酸残基が欠失、置換及び/又は付加されたアミノ酸配列を含み、かつ、ニトリルヒドラターゼ活性を有することを特徴とするタンパク質
(3) The following protein (A) or (B).
(A) In the amino acid sequence of wild-type nitrile hydratase, the following amino acid residues (a) and (b) and at least one amino acid residue selected from the group consisting of the following (c) to (e) are other amino acids: A protein comprising an amino acid sequence substituted with a residue and having nitrile hydratase activity (a) 63 amino acids upstream from the amino acid residue at the C-terminal in the amino acid sequence of β subunit Amino acid residue (b) An amino acid residue that is 11 residues upstream from the C-terminal amino acid residue (c) An amino acid residue that is 118 residues upstream from the C-terminal amino acid residue (d) α-sub Among the amino acid sequences of the unit, amino acid residues 44 residues upstream of the most upstream C residues of the amino acid sequence C (S / T) LCSC constituting the prosthetic molecule binding region (e) In the amino acid sequence of the amino acid residue (B) (A) 42 residues upstream from the most upstream C residue of the amino acid sequence C (S / T) LCSC, the amino acid residue after the substitution is excluded, A protein comprising an amino acid sequence in which one or several amino acid residues are deleted, substituted and / or added, and having a nitrile hydratase activity

(4) 以下の(A)又は(B)のタンパク質。
(A) 野生型ニトリルヒドラターゼのアミノ酸配列において下記(a)及び(b)のアミノ酸残基と下記(c)及び/又は(d)のアミノ酸残基とが他のアミノ酸残基に置換されたアミノ酸配列を含み、かつ、ニトリルヒドラターゼ活性を有することを特徴とするタンパク質
(a)βサブユニットのアミノ酸配列のうちC末端のアミノ酸残基から数えて63残基上流のアミノ酸残基
(b)上記C末端のアミノ酸残基から数えて11残基上流のアミノ酸残基
(c)αサブユニットのアミノ酸配列のうち補欠分子結合領域を構成するアミノ酸配列C(S/T)LCSCの最も上流側のC残基より26残基上流のアミノ酸残基
(d)上記アミノ酸配列C(S/T)LCSCの最も下流側のC残基より43残基下流のアミノ酸残基
(B) (A)のタンパク質のアミノ酸配列において、前記置換後のアミノ酸残基を除き、1若しくは数個のアミノ酸残基が欠失、置換及び/又は付加されたアミノ酸配列を含み、かつ、ニトリルヒドラターゼ活性を有することを特徴とするタンパク質
(4) The following protein (A) or (B).
(A) In the amino acid sequence of wild-type nitrile hydratase, the following amino acid residues (a) and (b) and the following amino acid residues (c) and / or (d) were substituted with other amino acid residues: A protein comprising an amino acid sequence and having nitrile hydratase activity (a) an amino acid residue upstream of 63 residues counted from the C-terminal amino acid residue in the amino acid sequence of the β subunit (b) 11 amino acid residues upstream from the C-terminal amino acid residue (c) Among the amino acid sequences of the α subunit, the most upstream amino acid sequence C (S / T) LCSC constituting the prosthetic molecule binding region Amino acid residue 26 residues upstream of C residue (d) Amino acid residue (B) 43 amino acid residues downstream of C amino acid sequence C (S / T) LCSC on the most downstream side (A) The protein amino acid sequence includes an amino acid sequence in which one or several amino acid residues are deleted, substituted and / or added, excluding the amino acid residue after substitution, and has nitrile hydratase activity. Protein characterized by

(5) 以下の(A)又は(B)のタンパク質。
(A) 野生型ニトリルヒドラターゼのアミノ酸配列において下記(a)、(b)及び(c)のアミノ酸残基が他のアミノ酸残基に置換されたアミノ酸配列を含み、かつ、ニトリルヒドラターゼ活性を有することを特徴とするタンパク質
(a)βサブユニットのアミノ酸配列のうちC末端のアミノ酸残基から数えて63残基上流のアミノ酸残基
(b)上記C末端のアミノ酸残基から数えて11残基上流のアミノ酸残基
(c)上記C末端のアミノ酸残基から数えて173残基上流のアミノ酸残基
(B) (A)のタンパク質のアミノ酸配列において、前記置換後のアミノ酸残基を除き、1若しくは数個のアミノ酸残基が欠失、置換及び/又は付加されたアミノ酸配列を含み、かつ、ニトリルヒドラターゼ活性を有することを特徴とするタンパク質
(5) The following protein (A) or (B).
(A) The amino acid sequence of the wild-type nitrile hydratase includes an amino acid sequence in which the following amino acid residues (a), (b) and (c) are substituted with other amino acid residues, and has nitrile hydratase activity. (A) amino acid residues upstream of 63 residues counted from the C-terminal amino acid residue in the amino acid sequence of the β subunit (b) 11 residues counted from the C-terminal amino acid residue (C) 173 residues upstream of the amino acid residue counted from the C-terminal amino acid residue (B) In the amino acid sequence of the protein of (A), excluding the amino acid residue after substitution, A protein comprising an amino acid sequence in which one or several amino acid residues are deleted, substituted and / or added, and having a nitrile hydratase activity

(6) 上記(1)〜(5)のいずれかに記載のタンパク質をコードする遺伝子DNA。
(7) 上記(6)に記載の遺伝子DNAを含む組換えベクター。
(8) 上記(7)に記載の組換えベクターを含む形質転換体。
(9) 上記(8)に記載の形質転換体を培養して得られる培養物から採取されるニトリルヒドラターゼ。
(10) 上記(8)に記載の形質転換体を培養し、得られる培養物からニトリルヒドラターゼを採取することを特徴とする、ニトリルヒドラターゼの製造方法。
(11) 上記(8)に記載の形質転換体を培養して得られる培養物又は当該培養物の処理物をニトリル化合物に接触させ、当該接触により生成されるアミド化合物を採取することを特徴とする、アミド化合物の製造方法。
(6) A gene DNA encoding the protein according to any one of (1) to (5) above.
(7) A recombinant vector comprising the gene DNA of (6) above.
(8) A transformant comprising the recombinant vector according to (7) above.
(9) A nitrile hydratase collected from a culture obtained by culturing the transformant according to (8).
(10) A method for producing nitrile hydratase, comprising culturing the transformant according to (8) above and collecting nitrile hydratase from the resulting culture.
(11) A culture obtained by culturing the transformant according to (8) above or a treated product of the culture is brought into contact with a nitrile compound, and an amide compound produced by the contact is collected. A method for producing an amide compound.

なお本明細書においては、特記した場合を除き、「上流」及び「上流側」とは、アミノ酸配列に関しては「N末端側」を意味し、塩基配列に関しては「5'末端側」を意味する。また、「下流」及び「下流側」とは、アミノ酸配列に関しては「C末端側」を意味し、塩基配列に関しては「3'末端側」を意味する。
(6) 上記(1)〜(5)のいずれかに記載のタンパク質をコードする遺伝子DNA。
(7) 上記(6)に記載の遺伝子DNAを含む組換えベクター。
(8) 上記(7)に記載の組換えベクターを含む形質転換体。
(9) 上記(8)に記載の形質転換体を培養して得られる培養物から採取されるニトリルヒドラターゼ。
(10) 上記(8)に記載の形質転換体を培養し、得られる培養物からニトリルヒドラターゼを採取することを特徴とする、ニトリルヒドラターゼの製造方法。
(11) 上記(8)に記載の形質転換体を培養して得られる培養物又は当該培養物の処理物をニトリル化合物に接触させ、当該接触により生成されるアミド化合物を採取することを特徴とする、アミド化合物の製造方法。
In the present specification, unless otherwise specified, “upstream” and “upstream” mean “N-terminal” with respect to the amino acid sequence and “5′-terminal” with respect to the base sequence. . Further, “downstream” and “downstream” mean “C-terminal side” with respect to the amino acid sequence, and “3′-terminal side” with respect to the base sequence.
(6) A gene DNA encoding the protein according to any one of (1) to (5) above.
(7) A recombinant vector comprising the gene DNA of (6) above.
(8) A transformant comprising the recombinant vector according to (7) above.
(9) A nitrile hydratase collected from a culture obtained by culturing the transformant according to (8).
(10) A method for producing nitrile hydratase, comprising culturing the transformant according to (8) above and collecting nitrile hydratase from the resulting culture.
(11) A culture obtained by culturing the transformant according to (8) above or a treated product of the culture is brought into contact with a nitrile compound, and an amide compound produced by the contact is collected. A method for producing an amide compound.

本発明によれば、耐熱性及び/又はアミド化合物耐性が向上した新規な改良型(変異型)ニトリルヒドラターゼを提供することができる。中でも、耐熱性及びアミド化合物耐性がいずれも向上した改良型ニトリルヒドラターゼはアミド化合物の製造上非常に有用である。
本発明によれば、さらに、上記改良型ニトリルヒドラターゼをコードする遺伝子DNA、当該遺伝子DNAを含む組換えベクター、当該組換えベクターを含む形質転換体、当該形質転換体の培養物から採取されるニトリルヒドラターゼ及びその製造、並びに当該培養物又は当該培養物の処理物を用いたアミド化合物の製造方法を提供することができる。
According to the present invention, a novel improved (mutant) nitrile hydratase having improved heat resistance and / or amide compound resistance can be provided. Among them, the improved nitrile hydratase with improved heat resistance and amide compound resistance is very useful in the production of amide compounds.
According to the present invention, the gene DNA encoding the improved nitrile hydratase, the recombinant vector containing the gene DNA, the transformant containing the recombinant vector, and the culture of the transformant are further collected. Nitrile hydratase and production thereof, and a method for producing an amide compound using the culture or a treated product of the culture can be provided.

以下に、本発明を詳細に説明する。
1.改良型ニトリルヒドラターゼ
(a)野生型ニトリルヒドラターゼ
本発明の改良型ニトリルヒドラターゼは、野生型ニトリルヒドラターゼの改良型(変異型)であり、その由来は特に限定されるものではない。ここで、「野生型ニトリルヒドラターゼ」とは、自然界の生物(例えば、土壌細菌等の微生物)より分離され得るニトリルヒドラターゼを指し、当該酵素を構成するアミノ酸配列、及び当該酵素をコードする遺伝子の塩基配列が、人為的に欠失、挿入若しくは他のアミノ酸あるいは塩基で置換されておらず、天然由来の特性を保持したままのニトリルヒドラターゼを意味する。既知の微生物由来のニトリルヒドラターゼのみならず、未知の生物由来のニトリルヒドラターゼをも含む。
The present invention is described in detail below.
1. Improved nitrile hydratase (a) Wild type nitrile hydratase The improved nitrile hydratase of the present invention is an improved type (mutant) of wild type nitrile hydratase, and its origin is not particularly limited. Here, “wild-type nitrile hydratase” refers to nitrile hydratase that can be isolated from organisms in the natural world (for example, microorganisms such as soil bacteria), an amino acid sequence constituting the enzyme, and a gene encoding the enzyme Is a nitrile hydratase that has not been artificially deleted, inserted, or substituted with other amino acids or bases, and retains its natural properties. It includes not only nitrile hydratase derived from known microorganisms but also nitrile hydratase derived from unknown organisms.

「野生型ニトリルヒドラターゼ」の構造は、αサブユニット及びβサブユニットのドメインが集合してなる高次構造をとり、補欠分子として非ヘム鉄原子、又は非コリン核コバルト原子を有している。これらのニトリルヒドラターゼは、それぞれ鉄型ニトリルヒドラターゼ及びコバルト型ニトリルヒドラターゼという呼称で区別されている。
鉄型ニトリルヒドラターゼとしては、ロドコッカス属N-771株由来のものをその代表例として挙げることができる。この鉄型ニトリルヒドラターゼは、X線結晶構造解析がなされ、その立体構造が明らかになっている。その結果、当該酵素は、活性中心を形成するαサブユニットのシステインクラスター(Cys-Ser-Leu-Cys-Ser-Cys(配列番号32))中の4つのアミノ酸残基を介して非へム鉄と結合している。
コバルト型ニトリルヒドラターゼとしては、ロドコッカス・ロドクロウスJ1株(以下「J1菌」と称する場合がある)由来のもの、又はシュードノカルディア・サーモフィラ(Pseudonocardia thermophila)由来のものを代表例として挙げることができる。J1菌由来のコバルト型ニトリルヒドラターゼは、活性中心を形成するαサブユニットのシステインクラスター(Cys-Thr-Leu-Cys-Ser-Cys(配列番号33))で示される領域を介してコバルト原子と結合している。なお、シュードノカルディア・サーモフィラ由来のコバルト型ニトリルヒドラターゼのシステインクラスターは、上記J1菌由来のシステインクラスターにおける上流側(N末端側)から第4番目のシステイン(Cys)がシステインスルフィン酸(Csi)であり、最も下流側(C末端側)の第6番目のシステイン(Cys)がシステインスルフェン酸(Cse)である。
The structure of “wild-type nitrile hydratase” has a higher-order structure in which domains of α subunit and β subunit are assembled, and has a non-heme iron atom or a non-choline nuclear cobalt atom as a prosthetic molecule. . These nitrile hydratases are distinguished by the names of iron-type nitrile hydratase and cobalt-type nitrile hydratase, respectively.
Representative examples of iron-type nitrile hydratase include those derived from Rhodococcus genus N-771. This iron-type nitrile hydratase has been subjected to X-ray crystal structure analysis, and its three-dimensional structure has been clarified. As a result, the enzyme is non-heme iron via four amino acid residues in the cysteine cluster (Cys-Ser-Leu-Cys-Ser-Cys (SEQ ID NO: 32)) of the α subunit that forms the active center. Is combined with.
Typical examples of the cobalt-type nitrile hydratase include those derived from Rhodococcus rhodochrous J1 strain (hereinafter sometimes referred to as “J1 bacteria”) or those derived from Pseudonocardia thermophila. it can. Cobalt-type nitrile hydratase derived from J1 bacteria has a cobalt atom via a region represented by a cysteine cluster (Cys-Thr-Leu-Cys-Ser-Cys (SEQ ID NO: 33)) of the α subunit that forms the active center. Are connected. The cysteine cluster of Pseudonocardia thermophila-derived cobalt-type nitrile hydratase has a cysteine sulfinic acid (Csi) as the fourth cysteine (Cys) from the upstream side (N-terminal side) of the cysteine cluster derived from the aforementioned J1 bacteria. The 6th cysteine (Cys) on the most downstream side (C-terminal side) is cysteine sulfenic acid (Cse).

上述の通り、補欠分子は、αサブユニット中のシステインクラスター「C(S/T)LCSC(配列番号32又は33(以下同様))」で表される領域と結合している。このような補欠分子結合領域を含むニトリルヒドラターゼとしては、例えば、ロドコッカス・ロドクロウスJ1(FERM BP-1478)、ロドコッカス・ロドクロウスM8(SU1731814)、ロドコッカス・ロドクロウスM33(VKM Ac-1515D)、ロドコッカス・ロドクロウスATCC39484(特開平2001-292772)、バチルス・スミシ(Bacillus smithii)(特開平9-248188)、シュードノカルディア・サーモフィラ(特開平9-275978) 又はジオバチルス・サーモグルコシダシアス(Geobacillus thermoglucosidasius)由来のアミノ酸配列を有するニトリルヒドラターゼ及び遺伝子配列でコードされるニトリルヒドラターゼが挙げられる。補欠分子結合領域「C(S/T)LCSC」を含む、各種微生物由来の野生型ニトリルヒドラターゼのαサブユニットのアミノ酸(一文字表記)の配列を、図5-1、5-2及び5-3に示した。なお、各アミノ酸配列は、図5-1、5-2及び5-3に示す順に繋がっているものとする(図5-1〜5-3のそれぞれにおいて、上のアミノ酸配列から順に、配列番号34〜56)。   As described above, the prosthetic molecule is bound to the region represented by the cysteine cluster “C (S / T) LCSC (SEQ ID NO: 32 or 33 (hereinafter the same))” in the α subunit. Examples of the nitrile hydratase containing such a prosthetic molecule binding region include Rhodococcus rhodochrous J1 (FERM BP-1478), Rhodococcus rhodochrous M8 (SU1731814), Rhodococcus rhodochrous M33 (VKM Ac-1515D), Rhodococcus rhodochrous. ATCC 39484 (Japanese Patent Laid-Open No. 2001-292772), Bacillus smithii (Japanese Patent Laid-Open No. 9-248188), Pseudocardia thermophila (Japanese Patent Laid-Open No. 9-275978) or Geobacillus thermoglucosidasius Examples include nitrile hydratase having an amino acid sequence and nitrile hydratase encoded by a gene sequence. The amino acid sequence (single letter code) of the α subunit of wild-type nitrile hydratase derived from various microorganisms including the prosthetic molecule binding region “C (S / T) LCSC” is shown in FIGS. 5-1, 5-2 and 5- Shown in 3. Each amino acid sequence is connected in the order shown in FIGS. 5-1, 5-2 and 5-3 (in each of FIGS. 34-56).

(b)改良型ニトリルヒドラターゼ
本発明は、野生型ニトリルヒドラターゼにアミノ酸置換を施した改良型(変異型)ニトリルヒドラターゼである。置換を施す対象となる野生型ニトリルヒドラターゼのアミノ酸配列はGenBank(http://www.ncbi.nlm.nih.gov/)等のNCBIのデータベースに公表されている。
例えば、ロドコッカス・ロドクロウスJ1(FERM BP-1478)由来のαサブユニット(配列番号2、4)のアクセッション番号(Accession No.)は「P21219」であり、βサブユニット(配列番号1、3)のアクセッション番号は「P21220」である。また、ロドコッカス・ロドクロウスM8(SU1731814) 由来のαサブユニットのアクセッション番号は「ATT79340」であり、βサブユニットのアクセッション番号は「AAT79339」である。さらに、シュードモナス・サーモフィラ(Pseudomonas thermophila)JCM3095由来のαサブユニットのアクセッション番号は「1IRE A」であり、βサブユニットのアクセッション番号は「1IREB」である。
また、特定のアミノ酸残基が置換されたアミノ酸配列において、1個又は数個(例えば1個〜10個程度、好ましくは1個〜5個程度)のアミノ酸残基(但し、上記置換後のアミノ酸残基を除く。)が欠失、置換及び/又は付加されたアミノ酸配列からなり、かつ、ニトリルヒドラターゼ活性を有する改良型ニトリルヒドラターゼも本発明の範囲である。
(B) Improved nitrile hydratase The present invention is an improved (mutant) nitrile hydratase obtained by subjecting a wild type nitrile hydratase to amino acid substitution. The amino acid sequence of wild-type nitrile hydratase to be substituted is published in NCBI databases such as GenBank (http://www.ncbi.nlm.nih.gov/).
For example, the accession number (Accession No.) of the α subunit (SEQ ID NO: 2, 4) derived from Rhodococcus rhodochrous J1 (FERM BP-1478) is “P21219”, and the β subunit (SEQ ID NO: 1, 3). The accession number is “P21220”. The accession number of the α subunit derived from Rhodococcus rhodochrous M8 (SU1731814) is “ATT79340”, and the accession number of the β subunit is “AAT79339”. Furthermore, the accession number of the α subunit derived from Pseudomonas thermophila JCM3095 is “1IRE A ”and the accession number of the β subunit is“ 1IREB ”.
In addition, in the amino acid sequence in which a specific amino acid residue is substituted, one or several (for example, about 1 to 10, preferably about 1 to 5) amino acid residues (however, the amino acid after the above substitution) An improved nitrile hydratase having a nitrile hydratase activity consisting of an amino acid sequence deleted, substituted and / or added, and having nitrile hydratase activity is also within the scope of the present invention.

本発明における「改良型ニトリルヒドラターゼ」としては、野生型ニトリルヒドラターゼのアミノ酸配列において下記(a)〜(k)からなる群より選ばれる少なくとも1つのアミノ酸残基が他のアミノ酸残基に置換されたアミノ酸配列を含み、かつ、ニトリルヒドラターゼ活性を有することを特徴とするタンパク質が挙げられる。なお、下記(g)、(h)、(i)、(j)及び(k)のアミノ酸残基は、それぞれ、各種野生型ニトリルヒドラターゼの中でもロドコッカス・ロドクロウス種に属する細菌由来の野生型ニトリルヒドラターゼのアミノ酸配列中のアミノ酸残基であることが好ましい。
(a)αサブユニットのアミノ酸配列のうち補欠分子結合領域を構成するアミノ酸配列C(S/T)LCSCの最も上流側(N末端側)のC残基より(当該C残基を含めずに数えて)44残基上流(N末端側)のアミノ酸残基
(b)上記アミノ酸配列C(S/T)LCSCの最も上流側のC残基より42残基上流のアミノ酸残基
(c)上記アミノ酸配列C(S/T)LCSCの最も上流側のC残基より26残基上流のアミノ酸残基
(d)上記アミノ酸配列C(S/T)LCSCの最も上流側のC残基より10残基上流のアミノ酸残基
(e)上記アミノ酸配列C(S/T)LCSCの最も下流側(C末端側)のC残基より(当該C残基を含めずに数えて)41残基下流(C末端側)のアミノ酸残基
(f)上記アミノ酸配列C(S/T)LCSCの最も下流側のC残基より43残基下流のアミノ酸残基
(g)βサブユニットのアミノ酸配列のうちC末端のアミノ酸残基から数えて(当該C末端のアミノ酸残基を含めて数えて)3残基上流(N末端側)のアミノ酸残基
(h)上記C末端のアミノ酸残基から数えて118残基上流のアミノ酸残基
(i)上記C末端のアミノ酸残基から数えて173残基上流のアミノ酸残基
(j)上記C末端のアミノ酸残基から数えて63残基上流のアミノ酸残基
(k)上記C末端のアミノ酸残基から数えて11残基上流のアミノ酸残基
As the “improved nitrile hydratase” in the present invention, at least one amino acid residue selected from the group consisting of the following (a) to (k) in the amino acid sequence of wild-type nitrile hydratase is substituted with another amino acid residue. And a protein characterized by having a nitrile hydratase activity. The amino acid residues (g), (h), (i), (j) and (k) below are wild-type nitriles derived from bacteria belonging to the species Rhodococcus rhodochrous among various wild-type nitrile hydratases. It is preferably an amino acid residue in the amino acid sequence of hydratase.
(A) From the amino acid sequence C (S / T) LCSC that constitutes the prosthetic molecule-binding region in the α subunit amino acid sequence, from the most upstream (N-terminal) C residue (without including the C residue) (Count) 44 amino acid residues upstream (N-terminal side) (b) 42 amino acid residues upstream of the most upstream C residue of the amino acid sequence C (S / T) LCSC (c) Amino acid residue 26 residues upstream from the most upstream C residue of amino acid sequence C (S / T) LCSC (d) 10 residues from the most upstream C residue of amino acid sequence C (S / T) LCSC (E) 41 residues downstream from the C residue at the most downstream side (C-terminal side) of the amino acid sequence C (S / T) LCSC (counting without including the C residue) (e) C-terminal) amino acid residue (f) Amino acid sequence C (S / T) LCS Amino acid residues 43 residues downstream from the most downstream C residue of C. (g) Counting from the amino acid residue at the C terminal in the amino acid sequence of the β subunit (including the amino acid residue at the C terminal) (3) Upstream (N-terminal side) amino acid residues (h) 118 residues upstream of amino acid residues counted from the C-terminal amino acid residues (i) 173 counted from the C-terminal amino acid residues Amino acid residues upstream of residues (j) Amino acid residues upstream of 63 residues counted from the C-terminal amino acid residue (k) Amino acid residues upstream of 11 residues counted from the C-terminal amino acid residue

また、本発明の改良型ニトリルヒドラターゼとしては、上記タンパク質の中でも、置換されるアミノ酸残基が以下に列挙するアミノ酸残基であるものが好ましく挙げられる。
・上記(a)〜(i)からなる群より選ばれる少なくとも1つのアミノ酸残基
・上記(j)及び(k)のアミノ酸残基と、上記(g)、(d)及び(e)からなる群より選ばれる少なくとも1つのアミノ酸残基
・上記(j)及び(k)のアミノ酸残基と、上記(h)、(a)及び(b)からなる群より選ばれる少なくとも1つのアミノ酸残基
・上記(j)及び(k)のアミノ酸残基と、上記(c)及び(f)からなる群より選ばれる少なくとも1つのアミノ酸残基
・上記(j)、(k)及び(i)のアミノ酸残基
Further, as the improved nitrile hydratase of the present invention, among the above proteins, those in which the substituted amino acid residues are those listed below are preferably mentioned.
-At least one amino acid residue selected from the group consisting of (a) to (i) above-consisting of the amino acid residues (j) and (k) above and (g), (d) and (e) above At least one amino acid residue selected from the group; the amino acid residues of (j) and (k) above; and at least one amino acid residue selected from the group consisting of (h), (a) and (b) above; The amino acid residues (j) and (k) above and at least one amino acid residue selected from the group consisting of (c) and (f) above; the amino acid residues of (j), (k) and (i) above Base

さらに、本発明の改良型ニトリルヒドラターゼとしては、上記タンパク質の中でも、置換されるアミノ酸残基が以下に列挙するアミノ酸残基であるものがより好ましく挙げられる。
・上記(a)のアミノ酸残基
・上記(b)のアミノ酸残基
・上記(c)のアミノ酸残基
・上記(d)のアミノ酸残基
・上記(e)のアミノ酸残基
・上記(f)のアミノ酸残基
・上記(g)のアミノ酸残基
・上記(h)のアミノ酸残基
・上記(i)のアミノ酸残基
・上記(f)及び(h)のアミノ酸残基
・上記(f)及び(i)のアミノ酸残基
・上記(h)及び(i)のアミノ酸残基
・上記(f)、(h)及び(i)のアミノ酸残基
・上記(j)、(k)及び(d)のアミノ酸残基
・上記(j)、(k)及び(e)のアミノ酸残基
・上記(j)、(k)及び(g)のアミノ酸残基
・上記(j)、(k)、(d)及び(e)のアミノ酸残基
・上記(j)、(k)、(e)及び(g)のアミノ酸残基
・上記(j)、(k)、(d)及び(g)のアミノ酸残基
・上記(j)、(k)、(d)、(e)及び(g)のアミノ酸残基
・上記(j)、(k)及び(a)のアミノ酸残基
・上記(j)、(k)及び(b)のアミノ酸残基
・上記(j)、(k)及び(h)のアミノ酸残基
・上記(j)、(k)、(a)及び(b)のアミノ酸残基
・上記(j)、(k)、(b)及び(h)のアミノ酸残基
・上記(j)、(k)、(a)及び(h)のアミノ酸残基
・上記(j)、(k)、(a)、(b)及び(h)のアミノ酸残基
・上記(j)、(k)及び(c)のアミノ酸残基
・上記(j)、(k)及び(f)のアミノ酸残基
・上記(j)、(k)、(c)及び(f)のアミノ酸残基
・上記(j)、(k)及び(i)のアミノ酸残基
Furthermore, as the improved nitrile hydratase of the present invention, among the above proteins, those in which the amino acid residues to be substituted are those listed below are more preferable.
-Amino acid residue in (a)-Amino acid residue in (b)-Amino acid residue in (c)-Amino acid residue in (d)-Amino acid residue in (e)-(f) The amino acid residue of (g) The amino acid residue of (h) The amino acid residue of (i) The amino acid residue of (f) and (h) The above (f) and (I) amino acid residues-(h) and (i) amino acid residues-(f), (h) and (i) amino acid residues-(j), (k) and (d) The amino acid residues of (j), (k), and (e) The amino acid residues of (j), (k), and (g) The above (j), (k), (d ) And (e) amino acid residues-(j), (k), (e) and (g) amino acid residues-(j), (k), (d) and g) Amino acid residues-(j), (k), (d), (e) and (g) amino acid residues-(j), (k) and (a) amino acid residues- (J), (k) and (b) amino acid residues-(j), (k) and (h) amino acid residues-(j), (k), (a) and (b) Amino acid residues-Amino acid residues (j), (k), (b) and (h)-Amino acid residues (j), (k), (a) and (h)-(j) , (K), (a), (b) and (h) amino acid residues (j), (k) and (c) amino acid residues (j), (k) and (f) The amino acid residues of (j), (k), (c) and (f) The amino acid residues of (j), (k) and (i)

本発明の改良型ニトリルヒドラターゼの一例としては、J1菌由来の野生型ニトリルヒドラターゼにおいて、
当該ニトリルヒドラターゼのβサブユニットのアミノ酸配列におけるC末端のアミノ酸残基から数えて63残基上流のアミノ酸残基(アスパラギン)、及び上記C末端のアミノ酸残基から数えて11残基上流のアミノ酸残基(バリン)が他のアミノ酸(例えばセリンなど)に置換されるとともに、
当該ニトリルヒドラターゼのαサブユニットのアミノ酸配列における補欠分子結合領域を構成するアミノ酸配列C(S/T)LCSCの最も上流側のC残基より26残基上流のアミノ酸残基(セリン)、及び/又は上記アミノ酸配列C(S/T)LCSCの最も下流側のC残基より43残基下流のアミノ酸残基(グルタミン酸)が他のアミノ酸(例えばリジンやアラニン等)に置換された
アミノ酸配列を含み、かつ、ニトリルヒドラターゼ活性を有する酵素タンパク質が好ましく挙げられる。このようなアミノ酸置換の態様の表記例としては、「Nβ←63S,Vβ←11A,Sα↑26A、Eα43↓K」等が挙げられる。また、上記一例としての改良型ニトリルヒドラターゼは、J1菌由来の野生型ニトリルヒドラターゼのβサブユニットのアミノ酸配列においてN末端側から第167番目のアミノ酸残基(アスパラギン)、及びβサブユニットのアミノ酸配列においてN末端側から第219番目のアミノ酸(バリン)が他のアミノ酸に置換されるとともに、αサブユニットのアミノ酸配列においてN末端側から第76番目のアミノ酸残基(セリン)、及び/又はαサブユニットのアミノ酸配列においてN末端側から第150番目のアミノ酸残基(グルタミン酸)が他のアミノ酸に置換され、かつ、ニトリルヒドラターゼ活性を有する酵素タンパク質である、と言うこともできる。
なお、アミノ酸のアルファベット表記は通常の1文字で表すことができ、置換箇所までのアミノ酸残基数を表す数字(例えば「26」)の左側に表示したアルファベットは、置換前のアミノ酸の1文字表記を示し、右側に表示したアルファベットは置換後のアミノ酸の1文字表記を示している。
As an example of the improved nitrile hydratase of the present invention, in wild-type nitrile hydratase derived from J1 bacteria,
63 amino acid residues (asparagine) upstream from the C-terminal amino acid residue in the amino acid sequence of the β subunit of the nitrile hydratase, and 11 amino acids upstream from the C-terminal amino acid residue The residue (valine) is replaced with another amino acid (such as serine),
An amino acid residue (serine) 26 residues upstream from the most upstream C residue of the amino acid sequence C (S / T) LCSC constituting the prosthetic molecule binding region in the amino acid sequence of the α subunit of the nitrile hydratase, and / Or an amino acid sequence in which the amino acid residue (glutamic acid) 43 residues downstream from the most downstream C residue of the amino acid sequence C (S / T) LCSC is substituted with another amino acid (for example, lysine or alanine) The enzyme protein which contains and has nitrile hydratase activity is mentioned preferably. Examples of such amino acid substitutions include “Nβ ← 63S, Vβ ← 11A, Sα ↑ 26A, Eα43 ↓ K” and the like. In addition, the improved nitrile hydratase as an example is an amino acid sequence of the 167th amino acid residue (asparagine) from the N-terminal side in the amino acid sequence of the β subunit of wild-type nitrile hydratase derived from J1 bacterium, and the β subunit In the amino acid sequence, the 219th amino acid (valine) from the N-terminal side is substituted with another amino acid, and the 76th amino acid residue (serine) from the N-terminal side in the amino acid sequence of the α subunit, and / or It can also be said that the 150th amino acid residue (glutamic acid) from the N-terminal side in the amino acid sequence of the α subunit is substituted with another amino acid and has an nitrile hydratase activity.
In addition, the alphabetical representation of amino acids can be represented by one ordinary letter, and the alphabet displayed on the left side of the number (for example, “26”) indicating the number of amino acid residues up to the substitution site is the one-letter representation of the amino acid before substitution. The alphabet displayed on the right side indicates the one-letter code of the amino acid after substitution.

具体的には、例えば「Sα↑26A」と表記した場合は、「αサブユニット(配列番号2)の塩基配列のうち、CTLCSC領域の最も上流側のC残基より26残基上流のセリン(S)がアラニン(A)に置換された改良型ニトリルヒドラターゼにおけるアミノ酸置換の態様」を意味する。ここで、「α↑」という表記は、置換位置がCTLCSCの最も上流側のC残基よりも上流にある(当該C残基を含めずに数えてN末端側にある)ことを意味し、反対に「α↓」という表記であれば、置換位置がCTLCSC領域の最も下流側のC残基よりも下流にある(当該C残基を含めずに数えてC末端側にある)ことを意味する。   Specifically, for example, when expressed as “Sα ↑ 26A”, in the base sequence of “α subunit (SEQ ID NO: 2), serine 26 residues upstream from the C residue on the most upstream side of the CTLCSC region ( Meaning of amino acid substitution in improved nitrile hydratase in which S) is substituted with alanine (A). Here, the notation “α ↑” means that the substitution position is upstream of the most upstream C residue of CTLCSC (on the N-terminal side without counting the C residue), On the other hand, the notation “α ↓” means that the substitution position is located downstream of the CLCSC region on the most downstream side of the CTLCSC region (the C-terminal side is counted without including the C residue). To do.

加えて、例えば「Nβ←63S」と表記した場合は、「βサブユニット(配列番号1)の塩基配列のうちC末端のアミノ酸残基から数えて(当該C末端のアミノ酸残基を含めて数えて)63番目のアスパラギン(N)がセリン(S)に置換された改良型ニトリルヒドラターゼにおけるアミノ酸置換の態様」を意味する。ここで、「β←」という表記は、置換位置が上記C末端のアミノ酸残基からみて上流にある(当該C末端のアミノ酸残基を含めて数えてN末端側にある)ことを意味する。   In addition, for example, when expressed as “Nβ ← 63S”, “counting from the C-terminal amino acid residue in the base sequence of the β subunit (SEQ ID NO: 1) (including the C-terminal amino acid residue). The aspect of amino acid substitution in the improved nitrile hydratase in which the 63rd asparagine (N) is substituted with serine (S). Here, the notation “β ←” means that the substitution position is upstream from the C-terminal amino acid residue (the N-terminal side is counted including the C-terminal amino acid residue).

前述した本発明のより好ましい改良型ニトリルヒドラターゼにおけるアミノ酸置換の態様は、以下の1〜31の表記で表すことができる。
1.Vα↑44A
2.Pα↑42L
3.Sα↑26A
4.Nα↑10H
5.Eα↓41G
6.Eα↓43K
7.β←3T
8.β←118T
9.Sβ←173K
10.β←118T,Eα↓43K
11.β←118T,Sβ←173K
12.Eα↓43K,Sβ←173K
13.β←118T,Eα↓43K,Sβ←173K
14.Nβ←63S,Vβ←11A,Nα↑10H
15.Nβ←63S,Vβ←11A,Eα↓41G
16.Nβ←63S,Vβ←11A,β←3T
17.Nβ←63S,Vβ←11A,Nα↑10H,Eα↓41G
18.Nβ←63S,Vβ←11A,Eα↓41G,β←3T
19.Nβ←63S,Vβ←11A,Nα↑10H,β←3T
20.Nβ←63S,Vβ←11A,Nα↑10H,Eα↓41G,β←3T
21.Nβ←63S,Vβ←11A,Vα↑44A
22.Nβ←63S,Vβ←11A,Pα↑42L
23.Nβ←63S,Vβ←11A,β←118T
24.Nβ←63S,Vβ←11A,Vα↑44A,Pα↑42L
25.Nβ←63S,Vβ←11A,Pα↑42L,β←118T
26.Nβ←63S,Vβ←11A,Pα↑42L,β←118T
27.Nβ←63S,Vβ←11A,Vα↑44A,Pα↑42L,β←118T
28.Nβ←63S,Vβ←11A,Sα↑26A
29.Nβ←63S,Vβ←11A,Eα↓43K
30.Nβ←63S,Vβ←11A,Sα↑26A,Eα↓43K
31.Nβ←63S,Vβ←11A,Sβ←173K
これらの中でも、上記19、23、27、28、30、及び31の態様でアミノ酸置換が施された改良型ニトリルヒドラターゼがさらに好ましく、上記27、30、及び31の態様でアミノ酸置換が施された改良型ニトリルヒドラターゼが特に好ましい。
The aspect of amino acid substitution in the more preferable improved nitrile hydratase of the present invention described above can be represented by the following notations 1 to 31.
1. Vα ↑ 44A
2. Pα ↑ 42L
3. Sα ↑ 26A
4). Nα ↑ 10H
5. Eα ↓ 41G
6). Eα ↓ 43K
7). I β ← 3T
8). S β ← 118T
9. Sβ ← 173K
Ten. S β ← 118T, Eα ↓ 43K
11. S β ← 118T, Sβ ← 173K
12. Eα ↓ 43K, Sβ ← 173K
13. S β ← 118T, Eα ↓ 43K, Sβ ← 173K
14. Nβ ← 63S, Vβ ← 11A, Nα ↑ 10H
15. Nβ ← 63S, Vβ ← 11A, Eα ↓ 41G
16. Nβ ← 63S, Vβ ← 11A, I β ← 3T
17. Nβ ← 63S, Vβ ← 11A, Nα ↑ 10H, Eα ↓ 41G
18. Nβ ← 63S, Vβ ← 11A, Eα ↓ 41G, I β ← 3T
19. Nβ ← 63S, Vβ ← 11A, Nα ↑ 10H, I β ← 3T
20. Nβ ← 63S, Vβ ← 11A, Nα ↑ 10H, Eα ↓ 41G, I β ← 3T
twenty one. Nβ ← 63S, Vβ ← 11A, Vα ↑ 44A
twenty two. Nβ ← 63S, Vβ ← 11A, Pα ↑ 42L
twenty three. Nβ ← 63S, Vβ ← 11A, S β ← 118T
twenty four. Nβ ← 63S, Vβ ← 11A, Vα ↑ 44A, Pα ↑ 42L
twenty five. Nβ ← 63S, Vβ ← 11A, Pα ↑ 42L, S β ← 118T
26. Nβ ← 63S, Vβ ← 11A, Pα ↑ 42L, S β ← 118T
27. Nβ ← 63S, Vβ ← 11A, Vα ↑ 44A, Pα ↑ 42L, S β ← 118T
28. Nβ ← 63S, Vβ ← 11A, Sα ↑ 26A
29. Nβ ← 63S, Vβ ← 11A, Eα ↓ 43K
30. Nβ ← 63S, Vβ ← 11A, Sα ↑ 26A, Eα ↓ 43K
31. Nβ ← 63S, Vβ ← 11A, Sβ ← 173K
Among these, the improved nitrile hydratase subjected to amino acid substitution in the above aspects 19, 23, 27, 28, 30, and 31 is more preferable, and amino acid substitution is performed in the aspects 27, 30, and 31 above. Particularly preferred are improved nitrile hydratases.

上記アミノ酸置換を生じさせるための塩基置換としては、以下の態様が好ましく挙げられる。
Vα↑44A:塩基配列TGCACTCTGTGTTCGTGC(配列番号4における304〜321番目)の先頭のTより、130〜132塩基上流(5'末端側)に位置するコドン「GTG」をGCA、GCC、GCG又はGCTに置換させる。特に、131塩基上流に位置するTをCに置換させること(GTG→GCG)が好ましい。
Pα↑42L:塩基配列TGCACTCTGTGTTCGTGC(配列番号4における304〜321番目)の先頭のTより、124〜126塩基上流に位置するコドン「CCT」をCTA、CTC、CTG,CTT、TTA又はTTGに置換させる。特に、125塩基上流に位置するCをTに置換させること(CCT→CTT)が好ましい。
Sα↑26A:塩基配列TGCACTCTGTGTTCGTGC(配列番号4における304〜321番目)の先頭のTより、76〜78塩基上流に位置するコドン「TCA」をGCA、GCC、GCG又はGCTに置換させる。特に、78塩基上流に位置するTをGに置換させること(TCA→GCA)が好ましい。
Preferred examples of the base substitution for causing the amino acid substitution include the following embodiments.
Vα ↑ 44A: Codon “GTG” located 130 to 132 bases upstream (5 ′ end side) from the first T of the base sequence TGCACTCTGTGTTCGTGC (304 to 321 in SEQ ID NO: 4) is set to GCA, GCC, GCG or GCT Replace. In particular, it is preferable to substitute T located at 131 bases upstream with C (GTG → GCG).
Pα ↑ 42L: Replace the codon “CCT” located 124 to 126 bases upstream of the first T of the base sequence TGCACTCTGTGTTCGTGC (304 to 321 in SEQ ID NO: 4) with CTA, CTC, CTG, CTT, TTA or TTG . In particular, it is preferable to replace C located 125 bases upstream with T (CCT → CTT).
Sα ↑ 26A: The codon “TCA” located 76 to 78 bases upstream from the first T of the base sequence TGCACTCTGTGTTCGTGC (304 to 321 in SEQ ID NO: 4) is replaced with GCA, GCC, GCG or GCT. In particular, it is preferable to replace T located at 78 bases upstream with G (TCA → GCA).

Nα↑10H:塩基配列TGCACTCTGTGTTCGTGC(配列番号4における304〜321番目)の先頭のTより、28〜30塩基上流に位置するコドン「AAC」をCAC又はCATに置換させる。特に、30塩基上流に位置するAをCに置換させること(AAC→CAC)が好ましい。
Eα↓41G:塩基配列TGCACTCTGTGTTCGTGC(配列番号4における304〜321番目)の最後のCより、121〜123塩基下流(3'末端側)に位置するコドン「GAG」を、GGA、GGC、GGG又はGGTに置換させる。特に、122塩基下流に位置するAをGに置換させること(GAG→GGG)が好ましい。
Eα↓43K:塩基配列TGCACTCTGTGTTCGTGC(配列番号4における304〜321番目)の最後のCより、127〜129塩基下流に位置するコドン「GAG」を、AAA又はAAGに置換させる。特に、127塩基下流に位置するGをAに置換させること(GAG→AAG)が好ましい。
Nα ↑ 10H: Codon “AAC” located 28 to 30 bases upstream from the first T of base sequence TGCACTCTGTGTTCGTGC (positions 304 to 321 in SEQ ID NO: 4) is replaced with CAC or CAT. In particular, it is preferable to replace A located 30 bases upstream with C (AAC → CAC).
Eα ↓ 41G: Codon “GAG” located 121 to 123 bases downstream (3 ′ end side) from the last C of the base sequence TGCACTCTGTGTTCGTGC (304 to 321 in SEQ ID NO: 4) is GGA, GGC, GGG or GGT Replace with. In particular, it is preferable to replace A located downstream of 122 bases with G (GAG → GGG).
Eα ↓ 43K: Codon “GAG” located 127 to 129 bases downstream from the last C of the base sequence TGCACTCTGTGTTCGTGC (positions 304 to 321 in SEQ ID NO: 4) is substituted with AAA or AAG. In particular, it is preferable to replace G located 127 bases downstream with A (GAG → AAG).

β←3T:塩基配列GCG(配列番号3における685〜687番目(配列番号1のアミノ酸配列のC末端アミノ酸残基のコドン))の先頭のGより、4〜6塩基上流(5'末端側)に位置するコドン「ATC」をACA、ACC、ACG又はACTに置換させる。特に、5塩基上流に位置するTをCに置換させること(ATC→ACC)が好ましい。
β←118T:塩基配列GCG(配列番号3における685〜687番目(配列番号1のアミノ酸配列のC末端アミノ酸残基のコドン))の先頭のGより、349〜351塩基上流に位置するコドン「TCG」をACA、ACC、ACG又はACTに置換させる。特に、351塩基上流に位置するTをAに置換させること(TCG→ACG)が好ましい。
Sβ←173K:塩基配列GCG(配列番号3における685〜687番目(配列番号1のアミノ酸配列のC末端アミノ酸残基のコドン))の先頭のGより、514〜516塩基上流に位置するコドン「TCG」をAAA又はAAGに置換させる。特に、516塩基上流に位置するTをAに置換させ、515塩基上流に位置するCをAに置換させること(TCG→AAG)が好ましい。
I β ← 3T: 4 to 6 bases upstream (5 ′ end side) from the first G of the base sequence GCG (the 685th to 687th positions in SEQ ID NO: 3 (codon of the C-terminal amino acid residue of the amino acid sequence of SEQ ID NO: 1)) ) Is replaced with ACA, ACC, ACG or ACT. In particular, it is preferable to substitute T located at 5 bases upstream with C (ATC → ACC).
S β ← 118T: Codon “positioned 349 to 351 bases upstream from the first G of the base sequence GCG (the 685th to 687th positions in SEQ ID NO: 3 (codon of the C-terminal amino acid residue of the amino acid sequence of SEQ ID NO: 1)) “TCG” is replaced with ACA, ACC, ACG or ACT. In particular, it is preferable to replace T located upstream of 351 bases with A (TCG → ACG).
Sβ ← 173K: Codon “TCG located 514 to 516 bases upstream from the first G of the base sequence GCG (the 685th to 687th positions in SEQ ID NO: 3 (codon of the C-terminal amino acid residue of the amino acid sequence of SEQ ID NO: 1)) Is replaced with AAA or AAG. In particular, it is preferable that T located 516 bases upstream is replaced with A and C located 515 bases upstream is replaced with A (TCG → AAG).

Nβ←63S:塩基配列GCG(配列番号3における685〜687番目(配列番号1のアミノ酸配列のC末端アミノ酸残基のコドン))の先頭のGより、184〜186塩基上流に位置するコドン「AAC」をAGC、AGT、TCA、TCC、TCG、又はTCTに置換させる。特に、185塩基上流に位置するAをGに置換させること(AAC→AGC)が好ましい。
Vβ←11A:塩基配列GCG(配列番号3における685〜687番目(配列番号1のアミノ酸配列のC末端アミノ酸残基のコドン))の先頭のGより、28〜30塩基上流に位置するコドン「GTC」をGCA、GCC、GCG又はGCTに置換させる。特に、29塩基上流に位置するTをCに置換させること(GTC→GCC)が好ましい。
Nβ ← 63S: Codon “AAC located 184 to 186 bases upstream from the first G of the base sequence GCG (the 6th to 687th positions in SEQ ID NO: 3 (codon of the C-terminal amino acid residue of the amino acid sequence of SEQ ID NO: 1)) Is replaced by AGC, AGT, TCA, TCC, TCG, or TCT. In particular, it is preferable to replace A located 185 bases upstream with G (AAC → AGC).
Vβ ← 11A: Codon “GTC” located 28 to 30 bases upstream from the first G of the base sequence GCG (the 685th to 687th positions in SEQ ID NO: 3 (codon of the C-terminal amino acid residue of the amino acid sequence of SEQ ID NO: 1)) Is replaced by GCA, GCC, GCG or GCT. In particular, it is preferable to substitute T located at the 29 base upstream with C (GTC → GCC).

例えば、野生型ニトリルヒドラターゼのα↑44、α↑42、α↑26、α↑10、α↓41及びα↓43の置換部位は、それぞれ順に、J1菌のαサブユニット(配列番号2)における、58番目、60番目、76番目、92番目、148番目及び150番目のアミノ酸残基に相当する。また、β←3、β←118、β←173、β←63及びβ←11の変異部位は、それぞれ、J1菌のβサブユニット(配列番号1)においては、227番目、112番目、57番目、167番目及び219番目のアミノ酸残基に相当する。   For example, the substitution sites of wild-type nitrile hydratase α ↑ 44, α ↑ 42, α ↑ 26, α ↑ 10, α ↓ 41, and α ↓ 43 are sequentially the α subunit of J1 bacteria (SEQ ID NO: 2). Corresponds to the 58th, 60th, 76th, 92nd, 148th and 150th amino acid residues. In addition, the mutation sites of β ← 3, β ← 118, β ← 173, β ← 63, and β ← 11 are the 227th, 112th, and 57th in the β subunit of J1 bacteria (SEQ ID NO: 1), respectively. , Corresponding to the 167th and 219th amino acid residues.

本発明の改良型ニトリルヒドラターゼの活性は、天然由来の特性を保持したままの野生型ニトリルヒドラターゼの活性に対して耐熱性及び/又はアミド化合物耐性が向上している。
ここで、「ニトリルヒドラターゼ活性」とは、ニトリル化合物を、対応するアミド化合物に変換する水和反応(RCN+HO→RCONH)を触媒する酵素である。活性測定は、基質であるニトリル化合物をニトリルヒドラターゼと接触させ、対応するアミド化合物に変換した後、当該アミド化合物を定量することにより算出することができる。基質としては、ニトリルヒドラターゼが反応すればいかなるニトリル化合物でも使用できるが、アクリロニトリルが好ましい。反応条件としては、基質濃度は2.5%、反応温度は10℃から30℃、反応時間は10分から30分の範囲で行う。酵素反応はリン酸を添加して停止させる。その後、HPLCにより、生成したアクリルアミドを分析することでアミド化合物の定量を行うことができる。
The activity of the improved nitrile hydratase of the present invention is improved in heat resistance and / or amide compound resistance with respect to the activity of wild-type nitrile hydratase while retaining the properties derived from nature.
Here, “nitrile hydratase activity” is an enzyme that catalyzes a hydration reaction (RCN + H 2 O → RCONH 2 ) that converts a nitrile compound into a corresponding amide compound. The activity measurement can be calculated by bringing a nitrile compound as a substrate into contact with nitrile hydratase and converting it to the corresponding amide compound, and then quantifying the amide compound. As the substrate, any nitrile compound can be used as long as it reacts with nitrile hydratase, but acrylonitrile is preferred. As reaction conditions, the substrate concentration is 2.5%, the reaction temperature is 10 ° C to 30 ° C, and the reaction time is 10 minutes to 30 minutes. The enzymatic reaction is stopped by adding phosphoric acid. Thereafter, the amide compound can be quantified by analyzing the produced acrylamide by HPLC.

「耐熱性の向上」とは、加熱処理した変異株の残存活性が、同じ処理を行った親株(野生型)の残存活性より10%以上高いことを意味する。加熱処理の方法としては、培養液、又は集菌・洗浄した培養菌体を容器に入れた後、当該容器をウォーターバスやインキュベーター等の加熱装置に入れ一定時間保温すればよい。この時、酵素の安定性を高める為のニトリル化合物やアミド化合物を添加して加熱処理を実施してもよい。加熱処理の条件としては処理温度と処理時間を適宜検討し、親株の活性が加熱処理前に対して50%以下に低下する条件を設定するのが好ましい。具体的には50℃から70℃の範囲で、5分から30分加熱処理を行う。残存活性とは、加熱処理した菌体を用いて活性測定したアミド化合物の生成量と、同量の無処理の菌体を用いて活性測定したアミド化合物の生成量との比を示す。無処理の菌体は、培養液、又は集菌・洗浄した培養菌体を4℃で保冷しておいたものを用いる。   “Improving heat resistance” means that the residual activity of the heat-treated mutant strain is 10% or more higher than the residual activity of the parent strain (wild type) subjected to the same treatment. As a method for the heat treatment, after the culture solution or the collected and washed cultured microbial cells are placed in a container, the container is placed in a heating device such as a water bath or an incubator and kept warm for a certain period of time. At this time, a heat treatment may be performed by adding a nitrile compound or an amide compound for enhancing the stability of the enzyme. As the conditions for the heat treatment, it is preferable to appropriately examine the treatment temperature and the treatment time, and to set conditions under which the activity of the parent strain is reduced to 50% or less with respect to that before the heat treatment. Specifically, heat treatment is performed in the range of 50 to 70 ° C. for 5 to 30 minutes. Residual activity refers to the ratio between the amount of amide compound produced by activity measurement using heat-treated cells and the amount of amide compound produced by activity measurement using the same amount of untreated cells. As the untreated microbial cells, a culture solution or a cultivated microbial cell that has been collected and washed is kept cold at 4 ° C.

また、「アミド化合物耐性」とは、アミド化合物存在下でもニトリルヒドラターゼ活性を維持することができることを意味する。改良型ニトリルヒドラターゼを有する形質転換体の培養物又は当該形質転換体から単離した改良型ニトリルヒドラターゼを、アクリルアミド等のアミド化合物(例えば、30〜50%の高濃度)の存在下で、基質であるアクリロニトリル等のニトリル化合物の消費量又は消費速度を分析することによって、親株(野生型)由来のニトリルヒドラターゼと比較して、消費量又は消費速度が1.1倍を超えたニトリルヒドラターゼをアミド化合物耐性であると評価することができる。   Further, “amide compound resistance” means that nitrile hydratase activity can be maintained even in the presence of an amide compound. A culture of a transformant having an improved nitrile hydratase or an improved nitrile hydratase isolated from the transformant in the presence of an amide compound such as acrylamide (for example, a high concentration of 30 to 50%) By analyzing the consumption or consumption rate of nitrile compounds such as acrylonitrile as a substrate, nitrile hydratase whose consumption or consumption rate exceeded 1.1 times compared to the nitrile hydratase derived from the parent strain (wild type) It can be evaluated that the compound is resistant to amide compounds.

アミド化合物としては、例えば、下記一般式(1):
R−CONH (1)
(ここで、Rは、置換されていてもよい炭素数1〜10の直鎖状若しくは分枝状のアルキル基又はアルケニル基、置換されていてもよい炭素数3〜18のシクロアルキル基又はアリール基、あるいは、置換されていてもよい飽和又は不飽和複素環基である。)
で表されるアミド化合物が挙げられる。特に、式中、Rが「CH=CH−」であるアクリルアミドが好ましい。
Examples of the amide compound include the following general formula (1):
R-CONH 2 (1)
(Here, R is an optionally substituted linear or branched alkyl or alkenyl group having 1 to 10 carbon atoms, an optionally substituted cycloalkyl group having 3 to 18 carbon atoms, or aryl. Or a saturated or unsaturated heterocyclic group which may be substituted.)
The amide compound represented by these is mentioned. In particular, acrylamide wherein R is “CH 2 ═CH—” is preferred.

上記の改良型ニトリルヒドラターゼは、野生型ニトリルヒドラターゼをアミノ酸置換することで得られるものであり、例えば、ロドコッカス・ロドクロウスJ1株由来のニトリルヒドラターゼのアミノ酸配列(配列番号1、2)を改変し、耐熱性及び/又はアミド化合物耐性の向上したニトリルヒドラターゼを選択することにより得られる。なお、ロドコッカス・ロドクロウスJ1株は、FERM BP-1478として独立行政法人産業技術総合研究所 特許生物寄託センター(茨城県つくば市東1丁目1番地1 中央第6)に昭和62(1987)年9月18日付けで国際寄託されている。   The above-mentioned improved nitrile hydratase is obtained by amino acid substitution of wild-type nitrile hydratase. For example, the amino acid sequence of nitrile hydratase derived from Rhodococcus rhodochrous strain J1 (SEQ ID NOs: 1 and 2) is modified. It can be obtained by selecting a nitrile hydratase with improved heat resistance and / or amide compound resistance. In addition, Rhodococcus rhodochrous J1 strain was established as FERM BP-1478 in the National Institute of Advanced Industrial Science and Technology Patent Biological Deposit Center (1st, 1st East, 1st Street, Tsukuba City, Ibaraki Prefecture, September 6th, 1987). Deposited internationally by date.

J1菌以外のニトリルヒドラターゼにおいても上述の変異の位置、変異するアミノ酸種、DNA配列によって耐熱性及び/又はアミド化合物耐性が向上すると考えられる。その様な菌としては、好ましくは、ロドコッカス・ロドクロウスM8(SU1731814)、ロドコッカス・ロドクロウスM33(VKM Ac-1515D)又はロドコッカス・ロドクロウスATCC39484(特開平2001-292772)、バチルス・スミシ(Bacillus smithii)(特開平09-248188)、シュードノカルディア・サーモフィラ(特開平09-275978)、ジオバチルス・サーモグルコシダシアス等が挙げられる。なお、ロドコッカス・ロドクロウスM33(VKM Ac-1515D)は、上記M8菌(SU1731814)から自然突然変異によって構成的にニトリルヒドラターゼを発現する株として選抜された菌株である。そのニトリルヒドラターゼ自体のアミノ酸配列及び遺伝子配列に変異はない(米国特許第5,827,699号)。   Also in nitrile hydratases other than J1 bacteria, it is considered that the heat resistance and / or amide compound resistance is improved depending on the position of the mutation, the amino acid species to be mutated, and the DNA sequence. As such bacteria, Rhodococcus rhodochrous M8 (SU1731814), Rhodococcus rhodochrous M33 (VKM Ac-1515D) or Rhodococcus rhodochrous ATCC39484 (Japanese Patent Laid-Open No. 2001-292772), Bacillus smithii (specialty) Kaihei 09-248188), Pseudocardia thermophila (JP 09-275978), Geobacillus thermoglucosidasias, and the like. Rhodococcus rhodochrous M33 (VKM Ac-1515D) is a strain selected as a strain that constitutively expresses nitrile hydratase by spontaneous mutation from the M8 strain (SU1731814). There is no mutation in the amino acid sequence and gene sequence of the nitrile hydratase itself (US Pat. No. 5,827,699).

野生型ニトリルヒドラターゼをアミノ酸置換する方法としては、ニトリルヒドラターゼ活性を有する微生物にハイドロキシルアミンや亜硝酸等の変異源となる薬剤を接触・作用させる方法、紫外線照射により変異を誘発する方法、ニトリルヒドラターゼをコードする遺伝子にPCRを用いてランダムに変異を導入するError prone PCR方法等を採用することができる。   Wild-type nitrile hydratase can be substituted with amino acids by contacting and acting on a microorganism having nitrile hydratase activity with a drug that acts as a mutation source such as hydroxylamine or nitrous acid, by inducing mutation by ultraviolet irradiation, or nitrile An error prone PCR method or the like in which mutations are randomly introduced into a gene encoding hydratase using PCR can be employed.

(b-1)Error prone PCR
変異体を用いたタンパク質の機能、性質を研究する方法の一つに、ランダム変異導入法がある。ランダム変異導入法とは、特定のタンパク質をコードする遺伝子に対してランダムな変異を導入し、変異体を作製する方法である。PCRによるランダム変異導入法では、DNA増幅時に厳密度の低い条件を設定して、塩基の変異を導入する(Error prone PCR)ことができる。このError prone PCRでは、増幅されるDNAの全域に対して任意の部位に変異が導入される。そうすると、得られた任意の部位に変異が導入された変異体の機能を検討することによって、タンパク質固有の機能に重要なアミノ酸やドメインの情報を得ることができる。
(B-1) Error prone PCR
One method for studying the function and properties of proteins using mutants is random mutagenesis. The random mutagenesis method is a method for producing a mutant by introducing a random mutation into a gene encoding a specific protein. In random mutagenesis by PCR, base mutation can be introduced (Error prone PCR) by setting conditions with low stringency during DNA amplification. In this error prone PCR, mutations are introduced at arbitrary sites over the entire DNA to be amplified. Then, information on amino acids and domains important for protein-specific functions can be obtained by examining the functions of mutants in which mutations have been introduced at arbitrary sites.

本発明において、例えば、βサブユニットのアミノ酸配列においてC末端のアミノ酸残基から数えて63残基上流のアミノ酸残基、及び上記C末端のアミノ酸残基から数えて11残基上流のアミノ酸残基を置換するとともに、αサブユニットの補欠分子結合領域を構成するC(S/T)LCSCの最も上流側のC残基より26残基上流のアミノ酸残基、及び/又は上記C(S/T)LCSCの最も下流側のC残基より43残基下流のアミノ酸残基を置換した改良型ニトリルヒドラターゼは、野生型ニトリルヒドラターゼよりも耐熱性及び/又はアミド化合物耐性が向上しており、高い活性を示す。
当該変異は、野生型ニトリルヒドラターゼ遺伝子へのError prone PCRによるランダム変異の導入によって得ることができる。本発明は、Error prone PCR法により得られる改良型ニトリルヒドラターゼであって、宿主において野生型ニトリルヒドラターゼよりも耐熱性及び/又はアミド化合物耐性が向上しており、ニトリルヒドラターゼ活性の高いものをも含む。
Error prone PCRの鋳型となるニトリルヒドラターゼは、野生株由来のニトリルヒドラターゼ遺伝子、Error prone PCRによる増幅産物であるDNAを用いることができる。
Error prone PCRの反応条件としては、例えば、反応液中のdNTP(dGTP、dCTP、dATP又はdTTP)のいずれか1種、2種又は3種の配合割合を他のdNTPに比べて減らした組成とする条件が挙げられる。これにより、DNA合成の際、配合割合を減らしたdNTPが必要な箇所においては、誤って他のdNTPが用いられる可能性が高くなり、変異が導入される。また、他の反応条件としては、反応液中のMgCl2及び/又はMnCl2量を増やした組成とする条件も好ましく挙げられる。
In the present invention, for example, in the amino acid sequence of the β subunit, an amino acid residue that is 63 residues upstream from the C-terminal amino acid residue, and an amino acid residue that is 11 residues upstream from the C-terminal amino acid residue. And an amino acid residue 26 residues upstream of the most upstream C residue of C (S / T) LCSC constituting the prosthetic molecule binding region of the α subunit, and / or the above C (S / T ) The improved nitrile hydratase substituted 43 amino acid residues downstream of the most downstream C residue of LCSC has improved heat resistance and / or amide compound resistance compared to wild-type nitrile hydratase, Shows high activity.
The mutation can be obtained by introducing a random mutation into the wild type nitrile hydratase gene by Error prone PCR. The present invention is an improved nitrile hydratase obtained by the error prone PCR method, wherein the host has higher heat resistance and / or amide compound resistance than wild-type nitrile hydratase and has high nitrile hydratase activity. Is also included.
As a nitrile hydratase used as a template for Error prone PCR, a nitrile hydratase gene derived from a wild strain, or a DNA amplified by Error prone PCR can be used.
The reaction conditions for Error prone PCR include, for example, a composition in which the mixing ratio of any one, two, or three of dNTP (dGTP, dCTP, dATP, or dTTP) in the reaction solution is reduced compared to other dNTPs. The conditions to do are mentioned. This increases the possibility that other dNTPs will be mistakenly used at sites where dNTPs with a reduced blending ratio are required during DNA synthesis, and mutations are introduced. As other reaction conditions, conditions may be mentioned preferably a composition with an increased MgCl 2 and / or MnCl 2 content in the reaction solution.

(b-2)ロドコッカス・ロドクロウスJ1株由来改良型ニトリルヒドラターゼ及びその遺伝子
本発明の改良型ニトリルヒドラターゼには、例えば、配列番号3及び4の塩基配列で表される野生型であるロドコッカス・ロドクロウスJ1株由来の遺伝子に、βサブユニットのアミノ酸配列においてC末端のアミノ酸残基から数えて63残基上流のアミノ酸置換、及び上記C末端のアミノ酸残基から数えて11残基上流のアミノ酸置換に相当する変異を導入するとともに、αサブユニットの補欠分子結合領域を構成するC(S/T)LCSCの最も上流側のC残基より26残基上流のアミノ酸置換、及び/又は上記C(S/T)LCSCの最も下流側のC残基より43残基下流のアミノ酸置換に相当する変異を導入した遺伝子によりコードされるものも含まれる。
このような改良型ニトリルヒドラターゼをコードするDNAは、野生型ニトリルヒドラターゼ遺伝子を基に、Molecular Cloning, A Laboratory Manual 2nd ed., Cold Spring Harbor Laboratory Press (1989)、Current Protocols in Molecular Biology, John Wiley & Sons (1987-1997)等に記載の部位特異的変位誘発法に従って調製することができる。DNAに変異を導入するには、Kunkel法や Gapped duplex法等の公知手法により、部位特異的突然変異誘発法を利用した変異導入用キット、例えばQuickChangeTM Site-Directed Mutagenesis Kit(ストラタジーン社製)、GeneTailorTM Site-Directed Mutagenesis System(インビトロジェン社製)、TaKaRa Site-Directed Mutagenesis System(Mutan-K、Mutan-Super Express Km等:タカラバイオ社製)等を用いて行うことができる。
(B-2) Improved nitrile hydratase derived from Rhodococcus rhodochrous J1 strain and its gene Examples of the improved nitrile hydratase of the present invention include, for example, Rhodococcus An amino acid substitution 63 residues upstream from the C-terminal amino acid residue in the β subunit amino acid sequence, and an amino acid substitution 11 residues upstream from the C-terminal amino acid residue in the gene derived from Rhodochrous J1 strain And an amino acid substitution 26 residues upstream of the most upstream C residue of the C (S / T) LCSC constituting the prosthetic molecule binding region of the α subunit, and / or the C ( S / T) encoded by a gene into which a mutation corresponding to an amino acid substitution 43 residues downstream of the most downstream C residue of LCSC has been introduced It is also included.
DNA encoding such an improved nitrile hydratase is based on the wild-type nitrile hydratase gene, Molecular Cloning, A Laboratory Manual 2nd ed., Cold Spring Harbor Laboratory Press (1989), Current Protocols in Molecular Biology, John It can be prepared according to the site-specific displacement induction method described in Wiley & Sons (1987-1997) and the like. In order to introduce mutations into DNA, mutation introduction kits using site-directed mutagenesis, such as QuickChange TM Site-Directed Mutagenesis Kit (manufactured by Stratagene) using known techniques such as Kunkel method and Gapped duplex method. GeneTailor Site-Directed Mutagenesis System (manufactured by Invitrogen), TaKaRa Site-Directed Mutagenesis System (Mutan-K, Mutan-Super Express Km, etc .: manufactured by Takara Bio Inc.) and the like.

また、本発明の遺伝子としては、当該遺伝子の塩基配列と相補的な塩基配列からなるDNAとストリンジェントな条件下でハイブリダイズし、かつ、ニトリルヒドラターゼ活性を有するタンパク質をコードするDNAも含まれる。
このような改良型ニトリルヒドラターゼ遺伝子は、当該遺伝子配列若しくはその相補配列、又はこれらの断片をプローブとして、コロニーハイブリダイゼーション、プラークハイブリダイゼーション、サザンブロット等の公知のハイブリダイゼーション法により、cDNAライブラリー及びゲノムライブラリーから得ることができる。ライブラリーは、公知の方法で作製されたものを利用することが可能であり、市販のcDNAライブラリー及びゲノムライブラリーを利用することも可能である。
「ストリンジェントな条件」とは、ハイブリダイゼーション後の洗浄時の条件であって塩濃度が300〜2000mM、温度が40〜75℃、好ましくは塩濃度が600〜900mM、温度が65℃の条件を意味する。例えば、2×SSCで50℃等の条件を挙げることができる。当業者であれば、このようなバッファーの塩濃度、温度等の条件に加えて、その他のプローブ濃度、プローブの長さ、反応時間等の諸条件を加味し、本発明のニトリルヒドラターゼをコードするDNAを得るための条件を適宜設定することができる。
ハイブリダイゼーション法の詳細な手順については、Molecular Cloning, A Laboratory Manual 2nd ed. (Cold Spring Harbor Laboratory Press (1989))等を参照することができる。ハイブリダイズするDNAとしては、本発明の遺伝子DNAに対して少なくとも40%以上、好ましくは60%、さらに好ましくは90%以上の同一性を有する塩基配列を含むDNA又はその部分断片が挙げられる。
野性型ニトリルヒドラターゼのアミノ酸配列のうちの特定のアミノ酸残基を置換するアミノ酸(置換後のアミノ酸)の種類は、いずれも、置換後のアミノ酸を含むポリペプチド(タンパク質)がニトリルヒドラターゼ活性を有する範囲で適宜選択することができ、限定はされない。
The gene of the present invention also includes a DNA that hybridizes with a DNA comprising a base sequence complementary to the base sequence of the gene under stringent conditions and encodes a protein having nitrile hydratase activity. .
Such an improved nitrile hydratase gene is obtained by a known hybridization method such as colony hybridization, plaque hybridization, Southern blotting, and the like using a cDNA library and a complementary sequence thereof or a fragment thereof as a probe. It can be obtained from a genomic library. A library prepared by a known method can be used, and a commercially available cDNA library and genomic library can also be used.
“Stringent conditions” are the conditions at the time of washing after hybridization, wherein the salt concentration is 300 to 2000 mM, the temperature is 40 to 75 ° C., preferably the salt concentration is 600 to 900 mM, and the temperature is 65 ° C. means. For example, 2 × SSC and conditions such as 50 ° C. can be mentioned. Those skilled in the art can code the nitrile hydratase of the present invention in consideration of other conditions such as the concentration of the probe, the length of the probe, and the reaction time in addition to the conditions such as the salt concentration and temperature of the buffer. Conditions for obtaining the DNA to be obtained can be appropriately set.
For detailed procedures of the hybridization method, Molecular Cloning, A Laboratory Manual 2nd ed. (Cold Spring Harbor Laboratory Press (1989)) can be referred to. Examples of the DNA that hybridizes include DNA containing a base sequence having at least 40%, preferably 60%, more preferably 90% or more identity to the gene DNA of the present invention, or a partial fragment thereof.
In the amino acid sequence of wild type nitrile hydratase, any type of amino acid that replaces a specific amino acid residue (substitute amino acid) is a polypeptide (protein) containing the substituted amino acid that exhibits nitrile hydratase activity. It can select suitably in the range which has, and is not limited.

(c)組換えベクター、形質転換体
ニトリルヒドラターゼ遺伝子は、形質転換される宿主生物において発現可能なように、ベクターに組み込むことが必要である。例えば、ベクターとしてはプラスミドDNA、バクテリオファージDNA、レトロトランスポゾンDNA、人工染色体DNAなどが挙げられる。
また、本発明において使用し得る宿主は、上記組換えベクターが導入された後、目的のニトリルヒドラターゼを発現することができる限り特に限定されるものではない。例えば、大腸菌及び枯草菌等の細菌、酵母、動物細胞、昆虫細胞、植物細胞等を用いることができる。大腸菌を宿主とする場合、発現効率の高い発現ベクター、例えばtrcプロモーターを有する発現ベクターpkk233-2(アマシャムバイオサイエンス社製)又はpTrc99A(アマシャムバイオサイエンス社製)などを用いることが好ましい。
ベクターには、ニトリルヒドラターゼ遺伝子のほか、プロモーター、ターミネーター、エンハンサー、スプライシングシグナル、ポリA付加シグナル、選択マーカー、リボソーム結合配列(SD配列)等を連結することができる。なお、選択マーカーとしては、例えばカナマイシン耐性遺伝子、ジヒドロ葉酸還元酵素遺伝子、アンピシリン耐性遺伝子、ネオマイシン耐性遺伝子等が挙げられる。
(C) Recombinant vector, transformant The nitrile hydratase gene must be incorporated into a vector so that it can be expressed in the host organism to be transformed. Examples of the vector include plasmid DNA, bacteriophage DNA, retrotransposon DNA, artificial chromosome DNA, and the like.
The host that can be used in the present invention is not particularly limited as long as the target nitrile hydratase can be expressed after the introduction of the recombinant vector. For example, bacteria such as Escherichia coli and Bacillus subtilis, yeast, animal cells, insect cells, plant cells and the like can be used. When Escherichia coli is used as a host, it is preferable to use an expression vector having high expression efficiency, for example, an expression vector pkk233-2 (manufactured by Amersham Biosciences) having a trc promoter or pTrc99A (manufactured by Amersham Biosciences).
In addition to the nitrile hydratase gene, a promoter, terminator, enhancer, splicing signal, poly A addition signal, selection marker, ribosome binding sequence (SD sequence) and the like can be linked to the vector. Examples of the selection marker include kanamycin resistance gene, dihydrofolate reductase gene, ampicillin resistance gene, neomycin resistance gene and the like.

細菌を宿主とする場合、例えば、エシェリヒア・コリ(Escherichia coli)が挙げられ、ロドコッカス菌としては、例えばロドコッカス・ロドクロウスATCC12674、ロドコッカス・ロドクロウスATCC17895、ロドコッカス・ロドクロウスATCC19140等が挙げられる。これらのATCC株はアメリカンタイプカルチャーコレクションから入手できる。
細菌への組換えベクターの導入方法としては、細菌にDNAを導入する方法であれば特に限定されるものではない。例えばカルシウムイオンを用いる方法、エレクトロポレーション法等が挙げられる。
酵母を宿主とする場合は、例えばサッカロミセス・セレビシエ(Saccharomyces cerevisiae)、シゾサッカロミセス・ポンベ(Schizosaccharomyces pombe)、ピヒア・パストリス(Pichia pastoris)等が用いられる。酵母への組換えベクターの導入方法としては、酵母にDNAを導入する方法であれば特に限定されず、例えばエレクトロポレーション法、スフェロプラスト法、酢酸リチウム法等が挙げられる。
動物細胞を宿主とする場合は、サル細胞COS-7、Vero、CHO細胞、マウスL細胞、ラットGH3、ヒトFL細胞等が用いられる。動物細胞への組換えベクターの導入方法としては、例えばエレクトロポレーション法、リン酸カルシウム法、リポフェクション法等が挙げられる。
昆虫細胞を宿主とする場合は、Sf9細胞、Sf21細胞等が用いられる。昆虫細胞への組換えベクターの導入方法としては、例えばリン酸カルシウム法、リポフェクション法、エレクトロポレーション法等が用いられる。
植物細胞を宿主とする場合は、タバコBY-2細胞等が挙げられるが、これらに限定されるものではない。植物細胞への組換えベクターの導入方法としては、例えばアグロバクテリウム法、パーティクルガン法、PEG法、エレクトロポレーション法等が用いられる。
In the case of using a bacterium as a host, for example, Escherichia coli can be mentioned, and examples of Rhodococcus bacteria include Rhodococcus rhodochrous ATCC12674, Rhodococcus rhodochrous ATCC17895, Rhodococcus rhodochrous ATCC19140 and the like. These ATCC strains are available from the American Type Culture Collection.
The method for introducing a recombinant vector into bacteria is not particularly limited as long as it is a method for introducing DNA into bacteria. Examples thereof include a method using calcium ions and an electroporation method.
When yeast is used as a host, for example, Saccharomyces cerevisiae, Schizosaccharomyces pombe, Pichia pastoris and the like are used. The method for introducing a recombinant vector into yeast is not particularly limited as long as it is a method for introducing DNA into yeast, and examples thereof include an electroporation method, a spheroplast method, and a lithium acetate method.
When animal cells are used as hosts, monkey cells COS-7, Vero, CHO cells, mouse L cells, rat GH3, human FL cells and the like are used. Examples of methods for introducing a recombinant vector into animal cells include an electroporation method, a calcium phosphate method, and a lipofection method.
When insect cells are used as hosts, Sf9 cells, Sf21 cells and the like are used. As a method for introducing a recombinant vector into insect cells, for example, calcium phosphate method, lipofection method, electroporation method and the like are used.
When plant cells are used as hosts, tobacco BY-2 cells and the like can be mentioned, but are not limited thereto. As a method for introducing a recombinant vector into a plant cell, for example, an Agrobacterium method, a particle gun method, a PEG method, an electroporation method, or the like is used.

(d)培養物及び改良型ニトリルヒドラターゼの製造方法
本発明において、改良型ニトリルヒドラターゼは、上記形質転換体を培養し、得られる培養物から採取することにより製造することができる。
本発明は当該培養物から改良型ニトリルヒドラターゼを採取することを特徴とする、改良型ニトリルヒドラターゼの製造方法をも含む。
本発明において、「培養物」とは、培養上清、培養細胞、培養菌体、又は細胞若しくは菌体の破砕物のいずれをも意味するものである。本発明の形質転換体を培養する方法は、宿主の培養に用いられる通常の方法に従って行われる。目的の改良型ニトリルヒドラターゼは、上記培養物中に蓄積される。
本発明の形質転換体を培養する培地は、宿主菌が資化し得る炭素源、窒素源、無機塩類等を含有し、形質転換体の培養を効率的に行うことができる培地であれば、天然培地、合成培地のいずれを用いてもよい。炭素源としては、グルコース、ガラクトース、フラクトース、スクロース、ラフィノース及びデンプン等の炭水化物、酢酸及びプロピオン酸等の有機酸、エタノール及びプロパノール等のアルコール類が挙げられる。窒素源としては、アンモニア、塩化アンモニウム、硫酸アンモニウム、酢酸アンモニウム及びリン酸アンモニウム等の無機酸、若しくは有機酸のアンモニウム塩、又はその他の含窒素化合物が挙げられる。その他、ペプトン、酵母エキス、肉エキス、コーンスティープリカー、各種アミノ酸等を用いてもよい。無機物としては、リン酸第一カリウム、リン酸第二カリウム、リン酸マグネシウム、硫酸マグネシウム、塩化ナトリウム、硫酸第一鉄、硫酸マンガン、硫酸亜鉛、硫酸銅、炭酸カルシウム等が挙げられる。また、必要に応じ、培養中の発泡を防ぐために消泡剤を添加してもよい。さらに、培地にはニトリルヒドラターゼの補欠分子であるコバルトイオンや鉄イオンを添加し、酵素の誘導剤となるニトリル類やアミド類を添加してもよい。
(D) Production method of culture and improved nitrile hydratase In the present invention, the improved nitrile hydratase can be produced by culturing the transformant and collecting it from the resulting culture.
The present invention also includes a method for producing an improved nitrile hydratase, wherein the improved nitrile hydratase is collected from the culture.
In the present invention, the “culture” means any of culture supernatant, cultured cells, cultured cells, or disrupted cells or cells. The method for culturing the transformant of the present invention is carried out according to a usual method used for culturing a host. The desired improved nitrile hydratase accumulates in the culture.
The medium for culturing the transformant of the present invention contains a carbon source, a nitrogen source, inorganic salts, and the like that can be assimilated by the host fungus, and any natural medium can be used as long as the transformant can be cultured efficiently. Either a medium or a synthetic medium may be used. Examples of the carbon source include carbohydrates such as glucose, galactose, fructose, sucrose, raffinose and starch, organic acids such as acetic acid and propionic acid, and alcohols such as ethanol and propanol. Examples of the nitrogen source include inorganic acids such as ammonia, ammonium chloride, ammonium sulfate, ammonium acetate, and ammonium phosphate, or ammonium salts of organic acids, and other nitrogen-containing compounds. In addition, peptone, yeast extract, meat extract, corn steep liquor, various amino acids, and the like may be used. Examples of inorganic substances include monopotassium phosphate, dipotassium phosphate, magnesium phosphate, magnesium sulfate, sodium chloride, ferrous sulfate, manganese sulfate, zinc sulfate, copper sulfate, and calcium carbonate. Moreover, you may add an antifoamer in order to prevent foaming during culture | cultivation as needed. Further, cobalt ions and iron ions, which are nitrile hydratase prosthetic molecules, may be added to the medium, and nitriles and amides serving as enzyme inducers may be added.

培養中、ベクター及び目的遺伝子の脱落を防ぐために選択圧を掛けた状態で培養してもよい。すなわち、選択マーカーが薬剤耐性遺伝子である場合に相当する薬剤を培地に添加したり、選択マーカーが栄養要求性相補遺伝子である場合に相当する栄養因子を培地から除いたりしてもよい。また、選択マーカーが資化性付与遺伝子である場合は、相当する資化因子を必要に応じて唯一因子として添加することができる。例えば、アンピシリン耐性遺伝子を含むベクターで形質転換した大腸菌を培養する場合、培養中、必要に応じてアンピシリンを添加してもよい。
プロモーターとして誘導性のプロモーターを用いた発現ベクターで形質転換した形質転換体を培養する場合は、必要に応じてインデューサーを培地に添加してもよい。例えば、イソプロピル−β−D−チオガラクトシド(IPTG)で誘導可能なプロモーターを有する発現ベクターで形質転換した形質転換体を培養するときには、IPTG等を培地に添加することができる。また、インドール酢酸(IAA)で誘導可能なtrpプロモーターを用いた発現ベクターで形質転換した形質転換体を培養するときには、IAA等を培地に添加することができる。
During the culture, the vector and the target gene may be cultured under selective pressure in order to prevent the loss of the vector and the target gene. That is, a drug corresponding to the case where the selection marker is a drug resistance gene may be added to the medium, or a nutrient factor corresponding to the case where the selection marker is an auxotrophic complementary gene may be removed from the medium. When the selectable marker is an assimilation gene, a corresponding assimilation factor can be added as a sole factor as necessary. For example, when culturing Escherichia coli transformed with a vector containing an ampicillin resistance gene, ampicillin may be added as needed during the culture.
When cultivating a transformant transformed with an expression vector using an inducible promoter as a promoter, an inducer may be added to the medium as necessary. For example, when cultivating a transformant transformed with an expression vector having a promoter inducible with isopropyl-β-D-thiogalactoside (IPTG), IPTG or the like can be added to the medium. In addition, when cultivating a transformant transformed with an expression vector using a trp promoter inducible with indoleacetic acid (IAA), IAA or the like can be added to the medium.

形質転換体の培養条件は、目的の改良型ニトリルヒドラターゼの生産性及び宿主の生育が妨げられない条件であれば特段限定されるものではないが、通常、10℃〜40℃、好ましくは20℃〜37℃で5〜100時間行う。pHの調整は、無機又は有機酸、アルカリ溶液等を用いて行い、例えば大腸菌であれば6〜9に調整する。培養方法としては、固体培養、静置培養、振盪培養、通気攪拌培養などが挙げられるが、特に大腸菌形質転換体を培養する場合には、振盪培養又は通気攪拌培養(ジャーファーメンター)により好気的条件下で培養することが好ましい。
上記培養条件で培養すると、高収率で本発明の改良型ニトリルヒドラターゼを上記培養物中、すなわち、培養上清、培養細胞、培養菌体、又は細胞若しくは菌体の破砕物の少なくともいずれかに蓄積することができる。
The culture conditions for the transformant are not particularly limited as long as the productivity of the desired improved nitrile hydratase and the growth of the host are not hindered, but are usually 10 ° C to 40 ° C, preferably 20 ° C. C. to 37.degree. C. for 5 to 100 hours. The pH is adjusted using an inorganic or organic acid, an alkaline solution or the like. For example, in the case of Escherichia coli, the pH is adjusted to 6-9. Examples of the culture method include solid culture, stationary culture, shaking culture, and aeration and agitation culture. In particular, when culturing E. coli transformants, aerobic by shaking culture or aeration and agitation culture (jar fermenter). It is preferable to culture under typical conditions.
When cultured under the above culture conditions, the improved nitrile hydratase of the present invention is produced in a high yield in the above culture, that is, at least one of a culture supernatant, cultured cells, cultured cells, or cells or disrupted cells. Can accumulate.

培養後、改良型ニトリルヒドラターゼが菌体内又は細胞内に生産される場合には、菌体又は細胞を破砕することにより、目的の改良型ニトリルヒドラターゼを採取することができる。菌体又は細胞の破砕方法としては、フレンチプレス又はホモジナイザーによる高圧処理、超音波処理、ガラスビーズ等による磨砕処理、リゾチーム、セルラーゼ又はペクチナーゼ等を用いる酵素処理、凍結融解処理、低張液処理、ファージによる溶菌誘導処理等を利用することができる。破砕後、必要に応じて菌体又は細胞の破砕残渣(細胞抽出液不溶性画分を含む)を除くことができる。残渣を除去する方法としては、例えば、遠心分離やろ過などが挙げられ、必要に応じて、凝集剤やろ過助剤等を使用して残渣除去効率を上げることもできる。残渣を除去した後に得られた上清は、細胞抽出液可溶性画分であり、粗精製した改良型ニトリルヒドラターゼ溶液とすることができる。
また、改良型ニトリルヒドラターゼが菌体内又は細胞内に生産される場合、菌体や細胞そのものを遠心分離、膜分離等で回収して、未破砕のまま使用することも可能である。
改良型ニトリルヒドラターゼが菌体外又は細胞外に生産される場合には、培養液をそのまま使用するか、遠心分離やろ過等により菌体又は細胞を除去する。その後、必要に応じて硫安沈澱による抽出等により前記培養物中から改良型ニトリルヒドラターゼを採取し、さらに必要に応じて透析、各種クロマトグラフィー(ゲルろ過、イオン交換クロマトグラフィー、アフィニティクロマトグラフィー等)を用いて単離精製することもできる。
When improved nitrile hydratase is produced in cells or cells after culturing, the desired improved nitrile hydratase can be collected by disrupting the cells or cells. As a method for disrupting cells or cells, high-pressure treatment using a French press or homogenizer, ultrasonic treatment, grinding treatment using glass beads, enzyme treatment using lysozyme, cellulase, pectinase, etc., freeze-thawing treatment, hypotonic solution treatment, It is possible to use a lysis inducing treatment with phage or the like. After crushing, the cells or cell crushing residues (including the cell extract insoluble fraction) can be removed as necessary. Examples of the method for removing the residue include centrifugation and filtration. If necessary, the residue removal efficiency can be increased by using a flocculant or a filter aid. The supernatant obtained after removing the residue is a soluble fraction of the cell extract and can be a crude purified modified nitrile hydratase solution.
In addition, when improved nitrile hydratase is produced in cells or cells, the cells or cells themselves can be recovered by centrifugation, membrane separation, etc., and used without being crushed.
When the improved nitrile hydratase is produced outside the cells or cells, the culture solution is used as it is, or the cells or cells are removed by centrifugation or filtration. Then, if necessary, the improved nitrile hydratase is collected from the culture by extraction with ammonium sulfate precipitation, and further, if necessary, dialysis, various chromatography (gel filtration, ion exchange chromatography, affinity chromatography, etc.) Can also be isolated and purified.

形質転換体を培養して得られたニトリルヒドラターゼの生産収率は、例えば、培養液あたり、菌体湿重量又は乾燥重量あたり、粗酵素液タンパク質あたりなどの単位で、SDS-PAGE(ポリアクリルアミドゲル電気泳動)やニトリルヒドラターゼ活性測定などにより確認することができるが、特段限定されるものではない。SDS-PAGEは当業者であれば公知の方法を用いて行うことができる。また、ニトリルヒドラターゼ活性は、上述した活性の値を適用することができる。
また、本発明においては、生細胞を全く使用することなく、無細胞タンパク質合成系を採用して改良型ニトリルヒドラターゼを産生することが可能である。
無細胞タンパク質合成系とは、細胞抽出液を用いて試験管等の人工容器内でタンパク質を合成する系である。なお、本発明において使用される無細胞タンパク質合成系には、DNAを鋳型としてRNAを合成する無細胞転写系も含まれる。
この場合、上記の宿主に対応する生物は、下記の細胞抽出液の由来する生物に相当する。ここで、上記細胞抽出液は、真核細胞由来又は原核細胞由来の抽出液、例えば、小麦胚芽、大腸菌などの抽出液を使用することができる。なお、これらの細胞抽出液は濃縮されたものであっても濃縮されていないものであってもよい。
細胞抽出液は、例えば限外濾過、透析、ポリエチレングリコール(PEG)沈殿等によって得ることができる。さらに本発明において、無細胞タンパク質合成は、市販のキットを用いて行うこともできる。そのようなキットとしては、例えば試薬キットPROTEIOSTM(東洋紡)、TNTTMSystem(プロメガ)、合成装置のPG-MateTM(東洋紡)、RTS(ロシュ・ダイアグノスティクス)などが挙げられる。
上記のように無細胞タンパク質合成によって得られる改良型ニトリルヒドラターゼは、前述のように適宜クロマトグラフィーを選択して、精製することができる。
The production yield of nitrile hydratase obtained by culturing the transformant is, for example, SDS-PAGE (polyacrylamide) in units such as per culture broth, per microbial wet weight or dry weight per crude enzyme solution protein, etc. It can be confirmed by gel electrophoresis) or nitrile hydratase activity measurement, but is not particularly limited. SDS-PAGE can be performed by those skilled in the art using a known method. Moreover, the value of the activity mentioned above can be applied to the nitrile hydratase activity.
In the present invention, an improved nitrile hydratase can be produced by employing a cell-free protein synthesis system without using any living cells.
The cell-free protein synthesis system is a system that synthesizes a protein in an artificial container such as a test tube using a cell extract. The cell-free protein synthesis system used in the present invention includes a cell-free transcription system that synthesizes RNA using DNA as a template.
In this case, the organism corresponding to the host corresponds to the organism from which the following cell extract is derived. Here, eukaryotic cell-derived or prokaryotic cell-derived extracts such as wheat germ, Escherichia coli and the like can be used as the cell extract. Note that these cell extracts may be concentrated or not concentrated.
The cell extract can be obtained, for example, by ultrafiltration, dialysis, polyethylene glycol (PEG) precipitation or the like. Furthermore, in the present invention, cell-free protein synthesis can also be performed using a commercially available kit. Examples of such kits include reagent kits PROTEIOS (Toyobo), TNT System (Promega), synthesizer PG-Mate (Toyobo), RTS (Roche Diagnostics) and the like.
The improved nitrile hydratase obtained by cell-free protein synthesis as described above can be purified by appropriately selecting chromatography as described above.

2.アミド化合物の製造方法
上述のように製造された改良型ニトリルヒドラターゼは、酵素触媒として物質生産に利用することができる。例えば、ニトリル化合物に、上記改良型ニトリルヒドラターゼを接触させることにより、アミド化合物を製造することができる。
酵素触媒としては、前述のように適当な宿主内で改良型ニトリルヒドラターゼ遺伝子が発現するように遺伝子導入を行い、宿主を培養した後の培養物、又は当該培養物の処理物を利用することができる。処理物としては、例えば、培養後の細胞をアクリルアミド等のゲルで包含したもの、グルタルアルデヒドで処理したもの、アルミナ、シリカ、ゼオライト及び珪藻土等の無機担体に担持したもの等が挙げられる。
2. Method for Producing Amide Compound The improved nitrile hydratase produced as described above can be used for substance production as an enzyme catalyst. For example, an amide compound can be produced by bringing the improved nitrile hydratase into contact with a nitrile compound.
As the enzyme catalyst, as described above, a gene is introduced so that the improved nitrile hydratase gene is expressed in an appropriate host, and a culture after culturing the host or a treated product of the culture is used. Can do. Examples of the treated product include those in which the cultured cells are included in a gel such as acrylamide, those treated with glutaraldehyde, and those supported on an inorganic carrier such as alumina, silica, zeolite, and diatomaceous earth.

基質として使用されるニトリル化合物は、酵素の基質特異性、酵素の基質に対する安定性等を考慮して選択される。ニトリル化合物としては、アクリロニトリルが好ましい。
反応方法、及び反応終了後のアミド化合物の採取方法は、基質及び酵素触媒の特性により適宜選択される。酵素触媒は、その活性が失活しない限り、リサイクル使用することが好ましい。失活の防止やリサイクルを容易にすることに鑑み、酵素触媒は処理物の形態で使用されることが好ましい。

以下に、実施例を挙げて本発明をさらに具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
The nitrile compound used as the substrate is selected in consideration of the substrate specificity of the enzyme, the stability of the enzyme to the substrate, and the like. As the nitrile compound, acrylonitrile is preferable.
The reaction method and the method for collecting the amide compound after completion of the reaction are appropriately selected depending on the characteristics of the substrate and the enzyme catalyst. The enzyme catalyst is preferably recycled as long as its activity is not deactivated. In view of preventing deactivation and facilitating recycling, the enzyme catalyst is preferably used in the form of a treated product.

Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to examples, but the present invention is not limited thereto.

改良型ニトリルヒドラターゼ遺伝子の取得
(1) 変異遺伝子ライブラリーの構築
鋳型となるプラスミドとしては、βサブユニットのアミノ酸配列(配列番号3)のC末端のアミノ酸残基から数えて63残基上流のアミノ酸残基がアスパラギン(N)からセリン(S)に変異し、かつ、上記C末端のアミノ酸残基から数えて11残基上流のアミノ酸残基がバリン(V)からアラニン(A)に変異したプラスミドpAB002(図1)を用いた。
ここで、プラスミドpAB002の作製方法は、部位特異的変異導入法を用い、市販のキット:QuikChange XL Site-Directed Mutagenesis Kit(Stratagene社)を使用した。変異を導入する鋳型として、プラスミドpJH601(図2)を使用した。
プラスミドpJH601は野生型ニトリルヒドラターゼの発現プラスミドであり、受託番号FERM BP-10314として独立行政法人産業技術総合研究所 特許生物寄託センター(茨城県つくば市東1丁目1番地1 中央第6)に平成14(2002)年12月26日付けで国際寄託されている。
Acquisition of improved nitrile hydratase gene (1) Construction of mutant gene library As a template plasmid, 63 residues upstream from the amino acid residue at the C-terminal of the amino acid sequence of the β subunit (SEQ ID NO: 3) The amino acid residue was mutated from asparagine (N) to serine (S), and the amino acid residue 11 residues upstream from the C-terminal amino acid residue was mutated from valine (V) to alanine (A). Plasmid pAB002 (FIG. 1) was used.
Here, as a method for preparing plasmid pAB002, a site-directed mutagenesis method was used, and a commercially available kit: QuikChange XL Site-Directed Mutagenesis Kit (Stratagene) was used. Plasmid pJH601 (FIG. 2) was used as a template for introducing mutations.
The plasmid pJH601 is an expression plasmid for wild-type nitrile hydratase. It was registered with the Patent Organism Depositary at the National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (Chemistry 6-1, 1-chome, Tsukuba-shi, Ibaraki) as accession number FERM BP-10314. Deposited internationally on December 26, 2002.

変異を導入するための2種のプライマーを合成した。下線部は変異導入部位を示す。
β←63−F: ccgaaatatgtgcggAGCaagatcggggaaatc (配列番号5)
β←63−R: gatttccccgatcttGCTccgcacatatttcgg (配列番号6)
変異を導入するためのPCRは、GeneAmp9700(PEバイオサイエンス社)を用いて以下の条件で行った。
Two kinds of primers for introducing mutations were synthesized. The underlined portion indicates the mutation introduction site.
β ← 63-F: ccgaaatatgtgcgg AGC aagatcggggaaatc (SEQ ID NO: 5)
β ← 63-R: gatttccccgatctt GCT ccgcacatatttcgg (SEQ ID NO: 6)
PCR for introducing the mutation was performed under the following conditions using GeneAmp9700 (PE Bioscience).

<PCR反応液組成>
鋳型プラスミドpHJ601(10ng) 2μl
10× 反応Buffer 5μl
プライマーβ←63-F(100ng/μl) 1μl
プライマーβ←63-R(100ng/μl) 1μl
2.5mM dNTPmix 1μl
滅菌水 36μl
QuickSolution 3μl
Pfu Turbo DNA Polymerase 1μl
<反応条件>
95℃で1分
(95℃で50秒、60℃で50秒、68℃で14分)×18サイクル
68℃で7分
<Composition of PCR reaction solution>
Template plasmid pHJ601 (10ng) 2μl
10 × Reaction Buffer 5 μl
Primer β ← 63-F (100ng / μl) 1μl
Primer β ← 63-R (100ng / μl) 1μl
2.5 mM dNTPmix 1 μl
Sterile water 36μl
QuickSolution 3μl
Pfu Turbo DNA Polymerase 1μl
<Reaction conditions>
1 minute at 95 ° C
(50 seconds at 95 ° C, 50 seconds at 60 ° C, 14 minutes at 68 ° C) x 18 cycles
7 minutes at 68 ° C

PCR終了後、反応液10μlを0.7%アガロースゲル電気泳動に供し、約11kbの増幅断片の検出を行った。増幅断片を確認した後、1μl のDpn I(キットに付属)をPCR反応液に添加して37℃で1時間反応させ、鋳型プラスミドの除去を行った。次に、XL10-GOLD ultracompetent cell(キットに付属)を用いて形質転換を行った。DpnI処理済みのPCR反応液2μlと45μlのコンピテントセルを混ぜ4℃で30分保温した。次いで、42℃で30秒ヒートショックを行い、これに0.5mlのNZY培地(1% NZアミン、0.5% 酵母エキス、0.5% NaCl、12.5mM MgCl2、12.5mM MgSO4、0.4% グルコース、pH7.5)を添加した。添加後、37℃で1時間これを培養した。この培養液250μlをLBプレート(1% NaCl、1% トリプトン、0.5% 酵母エキス、2% 寒天、50mg/L アンピシリン)にプレーティングし、37℃で1日間培養した。 After completion of PCR, 10 μl of the reaction solution was subjected to 0.7% agarose gel electrophoresis, and an amplified fragment of about 11 kb was detected. After confirming the amplified fragment, 1 μl of Dpn I (supplied with the kit) was added to the PCR reaction solution and reacted at 37 ° C. for 1 hour to remove the template plasmid. Next, transformation was performed using XL10-GOLD ultracompetent cells (included in the kit). 2 μl of DpnI-treated PCR reaction solution and 45 μl of competent cells were mixed and incubated at 4 ° C. for 30 minutes. Then, heat shock was performed at 42 ° C. for 30 seconds, and 0.5 ml of NZY + medium (1% NZ amine, 0.5% yeast extract, 0.5% NaCl, 12.5 mM MgCl 2 , 12.5 mM MgSO 4 , 0.4% glucose, pH 7 .5) was added. After the addition, it was cultured at 37 ° C. for 1 hour. 250 μl of this culture solution was plated on an LB plate (1% NaCl, 1% tryptone, 0.5% yeast extract, 2% agar, 50 mg / L ampicillin) and cultured at 37 ° C. for 1 day.

培養後、プレート上に生育した数個のコロニーをLB培地(50mg/L アンピシリン)1.5mlで各々培養してからFlexiPrep Kit(アマシャムバイオサイエンス社)を使用してプラスミドを抽出した。抽出後、得られたプラスミドの塩基配列の決定を行い、目的の変異が導入されていることを確認した。このようにして、Nβ←63Sのアミノ酸置換を生じさせる塩基置換が導入された変異導入プラスミド:p52を得た。
続いて、さらに変異を導入するための2種のプライマーを合成した。下線部は変異導入部位を示す。
β←11−F: gaaagacgtagtgtgcGCCgatctctgggaaccg (配列番号7)
β←11−R: cggttcccagagatcGGCgcacactacgtctttc (配列番号8)
上記と同様の方法で変異を導入するPCRおよびプラスミドの抽出を行い、得られたプラスミドの塩基配列の決定を行い、目的の変異が導入されていることを確認した。このようにして、Nβ←63S及びVβ←11Aのアミノ酸置換を生じさせる塩基置換が導入された変異導入プラスミド:pAB002を得た。
次に、ニトリルヒドラターゼ遺伝子へのランダム変異導入を行った。
ランダム変異導入は、PCRにおけるヌクレオチドの誤取り込みによる塩基置換(Error prone PCR)を利用した。
ニトリルヒドラターゼ遺伝子へのError prone PCRは、GeneAmp9700(PEバイオサイエンス社)を用いて以下の条件で行った。
After culturing, several colonies grown on the plate were each cultured in 1.5 ml of LB medium (50 mg / L ampicillin), and then the plasmid was extracted using FlexiPrep Kit (Amersham Bioscience). After extraction, the base sequence of the obtained plasmid was determined, and it was confirmed that the target mutation was introduced. In this manner, a mutation-introduced plasmid: p52 into which a base substitution that causes an amino acid substitution of Nβ ← 63S was introduced was obtained.
Subsequently, two kinds of primers for further introducing mutations were synthesized. The underlined portion indicates the mutation introduction site.
β ← 11-F: gaaagacgtagtgtgc GCC gatctctgggaaccg (SEQ ID NO: 7)
β ← 11-R: cggttcccagagatc GGC gcacactacgtctttc (SEQ ID NO: 8)
PCR and plasmid extraction for introducing mutations were performed in the same manner as described above, and the nucleotide sequence of the obtained plasmid was determined to confirm that the target mutation was introduced. In this way, a mutation-introduced plasmid: pAB002 into which a base substitution for causing amino acid substitution of Nβ ← 63S and Vβ ← 11A was introduced was obtained.
Next, random mutation was introduced into the nitrile hydratase gene.
Random mutagenesis utilized base substitution by error incorporation of nucleotides in PCR (Error prone PCR).
Error prone PCR for the nitrile hydratase gene was performed using GeneAmp9700 (PE Bioscience) under the following conditions.

<PCR反応液組成>
鋳型プラスミド(pAB002)(10ng) 1μl
10× PCR Buffer(GIBCO社製) 10μl
50mM MgCl2(GIBCO社製) 3μl
プライマーTrc-02(100ng/μl) 1μl
プライマーTrc-03(100ng/μl) 1μl
2.5mM dNTPmix 8μl
10mM dITP 2μl
10mM dBraUTP 2μl
滅菌水 71μl
Taq DNAポリメラーゼ(GIBCO社製) 1μl
<プライマー>
TRC-02: ggaattcgtataatgtgtggaattgtgagc (配列番号9)
TRC-03: ggctgaaaatcttctctcatccgcc (配列番号10)
<反応条件>
(94℃で30秒、65℃で30秒、72℃で3分)×30サイクル
<Composition of PCR reaction solution>
Template plasmid (pAB002) (10ng) 1μl
10 × PCR Buffer (GIBCO) 10 μl
50 mM MgCl 2 (GIBCO) 3 μl
Primer Trc-02 (100ng / μl) 1μl
Primer Trc-03 (100ng / μl) 1μl
2.5mM dNTPmix 8μl
10 mM dITP 2 μl
10 mM dBraUTP 2 μl
Sterile water 71 μl
Taq DNA polymerase (GIBCO) 1μl
<Primer>
TRC-02: ggaattcgtataatgtgtggaattgtgagc (SEQ ID NO: 9)
TRC-03: ggctgaaaatcttctctcatccgcc (SEQ ID NO: 10)
<Reaction conditions>
(30 seconds at 94 ° C, 30 seconds at 65 ° C, 3 minutes at 72 ° C) x 30 cycles

PCR終了後、反応液5μlを0.7%アガロースゲル電気泳動に供し、3kbのPCR増幅産物の検出を行った。PCR産物を含む反応終了液をGFX column(アマシャムバイオサイエンス)で精製し、制限酵素NcoIとHindIIIで切断を行った。制限酵素処理済みのPCR産物を0.7%アガロースゲル電気泳動に供し、3 Kb付近のバンドを回収した。回収したPCR産物は、Ligation Kit(宝酒造)を用いてベクターpTrc99A(NcoI-HindIII部位)と結合した。この結合生成物を用いて大腸菌JM109を形質転換した。結合生成物と100μlの大腸菌JM109コンピテントセルを混ぜ4℃で30分保温し、42℃で40秒ヒートショックを行った。その後、これに0.5mlのSOC培地(2% トリプトン、0.5% 酵母エキス、10mM NaCl、2.5mM KCl、20mM MgCl2、20mM MgSO4、0.2% グルコース、pH7.0)を添加し、37℃で1時間培養した。この培養液250μlをLBプレート(1% NaCl、1% トリプトン、0.5% 酵母エキス、2% 寒天、50mg/L アンピシリン)にプレーティングし、37℃で1日培養した。ニトリルヒドラターゼ遺伝子を含む大腸菌JM109形質転換体が得られた。 After completion of PCR, 5 μl of the reaction solution was subjected to 0.7% agarose gel electrophoresis to detect a 3 kb PCR amplification product. The reaction solution containing the PCR product was purified with GFX column (Amersham Bioscience) and cleaved with restriction enzymes NcoI and HindIII. The restriction enzyme-treated PCR product was subjected to 0.7% agarose gel electrophoresis, and a band around 3 Kb was recovered. The collected PCR product was ligated with the vector pTrc99A (NcoI-HindIII site) using Ligation Kit (Takara Shuzo). This ligation product was used to transform E. coli JM109. The bound product and 100 μl of E. coli JM109 competent cell were mixed and incubated at 4 ° C. for 30 minutes, and heat shock was performed at 42 ° C. for 40 seconds. Thereafter, 0.5 ml of SOC medium (2% tryptone, 0.5% yeast extract, 10 mM NaCl, 2.5 mM KCl, 20 mM MgCl 2 , 20 mM MgSO 4 , 0.2% glucose, pH 7.0) was added thereto, and the mixture was added at 37 ° C. for 1 Incubate for hours. 250 μl of this culture solution was plated on an LB plate (1% NaCl, 1% tryptone, 0.5% yeast extract, 2% agar, 50 mg / L ampicillin) and cultured at 37 ° C. for 1 day. An E. coli JM109 transformant containing the nitrile hydratase gene was obtained.

(2)改良型ニトリルヒドラターゼのスクリーニング及び置換箇所の同定
スクリーニングには、上記(1)で得られたニトリルヒドラターゼ遺伝子を含む大腸菌JM109形質転換体、及び野生型ニトリルヒドラターゼを産生する大腸菌JM 109/ pJH601を使用した。LB-Amp培地(1mM IPTG、5μg/ml CoCl2含有)を1mlずつ入れた96穴ディープウェルプレートに上記菌株を各々接種し、37℃で12時間液体培養した。次いで、培養液を60℃の温度下、20分間の熱処理に供した後、残存ニトリルヒドラターゼ活性の測定を下記の方法で行った。ランダムに変異導入したニトリルヒドラターゼ遺伝子を有する数万個の形質転換体についてスクリーニングを行った。
(2) Screening of improved nitrile hydratase and identification of substitution site For screening, E. coli JM109 transformant containing the nitrile hydratase gene obtained in (1) above and E. coli JM producing wild type nitrile hydratase were used. 109 / pJH601 was used. Each of the above strains was inoculated into a 96-well deep well plate containing 1 ml of LB-Amp medium (1 mM IPTG, containing 5 μg / ml CoCl 2 ), followed by liquid culture at 37 ° C. for 12 hours. Subsequently, the culture solution was subjected to a heat treatment for 20 minutes at a temperature of 60 ° C., and then the residual nitrile hydratase activity was measured by the following method. Screening was performed on tens of thousands of transformants having nitrile hydratase genes mutated randomly.

活性測定は、5% アクリロニトリル/50mMリン酸緩衝液pH 7.7を菌液に対して等量加え、30℃で30分反応させた。反応終了後、0.1Mリン酸を反応液と等量加え遠心分離した。遠心分離後の上清を適宜希釈してHPLCに供し、生成したアクリルアミド濃度を分析した(WAKOSIL 5C8(和光純薬社)250mm、5mMリン酸を含んだ10%アセトニトリル、移動相の流速1ml/min及び紫外吸収検出器波長260nm)。比較対照として、熱処理を行わずに4℃で保冷した各々の無処理菌を用いて活性測定を行い、得られた活性値を基準として、熱処理後の残存活性(%)を求めた。   For the activity measurement, an equal amount of 5% acrylonitrile / 50 mM phosphate buffer pH 7.7 was added to the bacterial solution and reacted at 30 ° C. for 30 minutes. After completion of the reaction, 0.1M phosphoric acid was added in an amount equivalent to the reaction solution and centrifuged. The supernatant after centrifugation was appropriately diluted and subjected to HPLC, and the resulting acrylamide concentration was analyzed (WAKOSIL 5C8 (Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) 250 mm, 10% acetonitrile containing 5 mM phosphoric acid, mobile phase flow rate 1 ml / min And ultraviolet absorption detector wavelength 260 nm). As a comparative control, the activity was measured using each of the untreated bacteria kept at 4 ° C. without heat treatment, and the residual activity (%) after the heat treatment was determined based on the obtained activity value.

野生型(wt)ニトリルヒドラターゼ(pJH601)を産生する菌体と比較して残存活性が高かった改良型ニトリルヒドラターゼを産生する形質転換体を培養してプラスミドを回収した。回収されたプラスミドは、pE113、pE132、pE154及びpE205と命名した。残存活性の結果を表1に示した。各プラスミドの塩基配列は、BeckmanCEQ-2000XLによって決定した。   A transformant producing an improved nitrile hydratase having a higher residual activity compared to a cell producing wild type (wt) nitrile hydratase (pJH601) was cultured and the plasmid was recovered. The recovered plasmids were named pE113, pE132, pE154 and pE205. The results of residual activity are shown in Table 1. The base sequence of each plasmid was determined by BeckmanCEQ-2000XL.

各プラスミドの変異遺伝子配列によってコードされるアミノ酸配列中のアミノ酸残基の置換態様を以下に示す。
pE113: Nβ←63S,Vβ←11A,Nα↑10H,Eα↓41G,β←3T
pE132: Nβ←63S,Vβ←11A,Vα↑44A,Pα↑42L,β←118T
pE154: Nβ←63S,Vβ←11A,Sα↑26A,Eα↓43K
pE205: Nβ←63S,Vβ←11A,Sβ←173K
The substitution mode of amino acid residues in the amino acid sequence encoded by the mutated gene sequence of each plasmid is shown below.
pE113: Nβ ← 63S, Vβ ← 11A, Nα ↑ 10H, Eα ↓ 41G, I β ← 3T
pE132: Nβ ← 63S, Vβ ← 11A, Vα ↑ 44A, Pα ↑ 42L, S β ← 118T
pE154: Nβ ← 63S, Vβ ← 11A, Sα ↑ 26A, Eα ↓ 43K
pE205: Nβ ← 63S, Vβ ← 11A, Sβ ← 173K

ロドコッカス菌形質転換体の作製と評価
(1)プラスミドの構築
以下の方法でαサブユニットのアミノ酸配列において、補欠分子結合領域を構成するCTLCSC領域の最も上流側のC残基より、60残基上流の残基に変異(Nα↑60D)を有するロドコッカス菌用プラスミドを作製した。変異の導入は部位特異的変異導入法を用い、市販キット:QuikChange XL Site-Directed Mutagenesis Kit(Stratagene社)を使用した。実験は操作マニュアルに従った。変異を導入する鋳型プラスミドとしてpSJ034を使用した。pSJ034はロドコッカス菌においてニトリルヒドラターゼを発現するプラスミドである。pSJ034は、pSJ023より特開平10-337185号公報に示す方法で作製した。
なお、pSJ023は形質転換体「R. rhodochrous ATCC12674/pSJ023」であり、受託番号FERM BP-6232として独立行政法人産業技術総合研究所 特許生物寄託センター(茨城県つくば市東1丁目1番地1 中央第6)に平成9(1997)年3月4日付けで国際寄託されている。
変異を導入するための2種のプライマーを合成した。下線部は変異導入部位を示す。
β←63−F: ccgaaatatgtgcggAGCaagatcggggaaatc (配列番号5)
β←63−R: gatttccccgatcttGCTccgcacatatttcgg (配列番号6)
位置特異的変異導入PCRは、GeneAmp9700(PEバイオサイエンス社)を用いて以下の条件で行った。
Preparation and Evaluation of Rhodococcus Transformant (1) Plasmid Construction In the amino acid sequence of the α subunit by the following method, 60 residues upstream of the C residue at the most upstream of the CTLCSC region constituting the prosthetic molecule binding region A plasmid for Rhodococcus having a mutation (Nα ↑ 60D) in the residue was prepared. The mutation was introduced by site-directed mutagenesis using a commercially available kit: QuikChange XL Site-Directed Mutagenesis Kit (Stratagene). The experiment followed the operation manual. PSJ034 was used as a template plasmid for introducing the mutation. pSJ034 is a plasmid that expresses nitrile hydratase in Rhodococcus. pSJ034 was produced from pSJ023 by the method described in JP-A-10-337185.
PSJ023 is the transformant “R. rhodochrous ATCC12674 / pSJ023”, and has the accession number FERM BP-6232, National Institute of Advanced Industrial Science and Technology, Patent Biological Deposit Center (1st, 1st East, 1st Street, Tsukuba City, Ibaraki Prefecture, 6th Central ) Was deposited internationally on March 4, 1997.
Two kinds of primers for introducing mutations were synthesized. The underlined portion indicates the mutation introduction site.
β ← 63-F: ccgaaatatgtgcgg AGC aagatcggggaaatc (SEQ ID NO: 5)
β ← 63-R: gatttccccgatctt GCT ccgcacatatttcgg (SEQ ID NO: 6)
Position-directed mutagenesis PCR was performed using GeneAmp9700 (PE Bioscience) under the following conditions.

<PCR反応液組成>
鋳型プラスミドpSJ034(10ng) 2μl
10× 反応Buffer 5μl
プライマーβ←63−F(100ng/μl) 1μl
プライマーβ←63−R(100ng/μl) 1μl
2.5mM dNTPmix 1μl
滅菌水 36μl
QuickSolution 3μl
Pfu Turbo DNA Polymerase 1μl
<反応条件>
95℃で1分
(95℃で50秒、60℃で50秒、68℃で14分)×18サイクル
68℃で7分
<Composition of PCR reaction solution>
Template plasmid pSJ034 (10ng) 2μl
10 × Reaction Buffer 5 μl
Primer β ← 63-F (100ng / μl) 1μl
Primer β ← 63-R (100ng / μl) 1μl
2.5 mM dNTPmix 1 μl
Sterile water 36μl
QuickSolution 3μl
Pfu Turbo DNA Polymerase 1μl
<Reaction conditions>
1 minute at 95 ° C
(50 seconds at 95 ° C, 50 seconds at 60 ° C, 14 minutes at 68 ° C) x 18 cycles
7 minutes at 68 ° C

PCR終了後、反応液10μlを0.7%アガロースゲル電気泳動に供し、約11 kbの増幅断片の検出を行った。増幅断片を確認した後、1μl のDpn I(キットに付属)をPCR反応液に添加して37℃で1時間反応させ、鋳型プラスミドの除去を行った。
次に、XL10-GOLD ultracompetent cell(キットに付属)を用いて形質転換を行った。2μlのDpnI処理済みのPCR反応液と45μlのコンピテントセルを混ぜ4℃で30分保温し、42℃で30秒ヒートショックを行った。その後、当該菌液に0.5mlのNZY培地(1% NZアミン、0.5% 酵母エキス、0.5% NaCl、12.5mM MgCl2、12.5mM MgSO4、0.4% グルコース、pH7.5)を添加し、37℃で1時間培養した。この培養液250μlをLBプレート(1% NaCl、1% トリプトン、0.5% 酵母エキス、2% 寒天、50mg/Lアンピシリン)にプレーティングし、37℃で1日培養した。
After completion of PCR, 10 μl of the reaction solution was subjected to 0.7% agarose gel electrophoresis, and an amplified fragment of about 11 kb was detected. After confirming the amplified fragment, 1 μl of Dpn I (supplied with the kit) was added to the PCR reaction solution and reacted at 37 ° C. for 1 hour to remove the template plasmid.
Next, transformation was performed using XL10-GOLD ultracompetent cells (included in the kit). 2 μl of DpnI-treated PCR reaction solution and 45 μl of competent cells were mixed and incubated at 4 ° C. for 30 minutes, followed by heat shock at 42 ° C. for 30 seconds. Thereafter, 0.5 ml of NZY + medium (1% NZ amine, 0.5% yeast extract, 0.5% NaCl, 12.5 mM MgCl 2 , 12.5 mM MgSO 4 , 0.4% glucose, pH 7.5) was added to the bacterial solution, and 37 Incubation was performed at 0 ° C. for 1 hour. 250 μl of this culture solution was plated on an LB plate (1% NaCl, 1% tryptone, 0.5% yeast extract, 2% agar, 50 mg / L ampicillin) and cultured at 37 ° C. for 1 day.

得られたコロニー数個をLB培地(50mg/Lアンピシリン)1.5mlで培養し、FlexiPrep Kit(アマシャムバイオサイエンス)を使用しプラスミドを調製した。最後に、得られたプラスミドの塩基配列の決定を行い、目的の変異が導入されていることを確認した。このようにして、Nβ←63Sのアミノ酸置換を生じさせる塩基置換が導入された変異導入プラスミド:p52Rを得た。
次に、p52Rを鋳型プラスミドとして上記と同様に以下の2種類のプライマーを用いて位置特異的に変異導入を行った。
β←11−F: gaaagacgtagtgtgcGCCgatctctgggaaccg (配列番号7)
β←11−R: cggttcccagagatcGGCgcacactacgtctttc (配列番号8)
このようにして、Nβ←63S及びVβ←11Aのアミノ酸置換を生じさせる塩基置換が導入された変異導入プラスミド:pAR002(図3)を得た。
続いて、pAR002を鋳型プラスミドとして上記と同様に以下の2種類のプライマーを用いて位置特異的に変異導入を行った。具体的には、さらにVα↑44A、Pα↑42L、Sα↑26A、Nα↑10H、Eα↓41G、Eα↓43K、β←3T、β←118T、及びSβ←173Kのうちのいずれか又は複数のアミノ酸置換を生じさせる塩基置換が導入されたプラスミドを作製した。
Several colonies obtained were cultured in 1.5 ml of LB medium (50 mg / L ampicillin), and a plasmid was prepared using FlexiPrep Kit (Amersham Bioscience). Finally, the nucleotide sequence of the obtained plasmid was determined, and it was confirmed that the target mutation was introduced. In this way, a mutation-introduced plasmid: p52R into which a base substitution causing an amino acid substitution of Nβ ← 63S was introduced was obtained.
Next, mutation was introduced in a position-specific manner using the following two kinds of primers as described above using p52R as a template plasmid.
β ← 11-F: gaaagacgtagtgtgcGCCgatctctgggaaccg (SEQ ID NO: 7)
β ← 11-R: cggttcccagagatcGGCgcacactacgtctttc (SEQ ID NO: 8)
In this way, a mutation-introduced plasmid: pAR002 (FIG. 3) into which a base substitution that causes amino acid substitution of Nβ ← 63S and Vβ ← 11A was introduced was obtained.
Subsequently, mutation was introduced site-specifically using the following two kinds of primers in the same manner as described above using pAR002 as a template plasmid. Specifically, further Vα ↑ 44A, Pα ↑ 42L, Sα ↑ 26A, Nα ↑ 10H, Eα ↓ 41G, Eα ↓ 43K, I β ← 3T, S β ← 118T, and S [beta ← any of 173K or A plasmid into which a base substitution that causes a plurality of amino acid substitutions was introduced was prepared.

各塩基置換を導入するためのプライマーの配列は以下の通りである。
α↑44−F: gtggccaagtcctggGCGgaccctgagtaccgc (配列番号11)
α↑44−R: gcggtactcagggtcCGCccaggacttggccac (配列番号12)
Primer sequences for introducing each base substitution are as follows.
α ↑ 44-F: gtggccaagtcctgg GCG gaccctgagtaccgc (SEQ ID NO: 11)
α ↑ 44-R: gcggtactcagggtc CGC ccaggacttggccac (SEQ ID NO: 12)

α↑42−F: caagtcctgggtggacCTTgagtaccgcaagtgg (配列番号13)
α↑42−R: ccacttgcggtactcAAGgtccacccaggacttg (配列番号14)
α ↑ 42-F: caagtcctgggtggac CTT gagtaccgcaagtgg (SEQ ID NO: 13)
α ↑ 42-R: ccacttgcggtactc AAG gtccacccaggacttg (SEQ ID NO: 14)

α↑26−F: acggccgcgatggcgGCAttgggctatgccggtg (配列番号15)
α↑26−R: caccggcatagcccaaTGCcgccatcgcggccgt (配列番号16)
α ↑ 26-F: acggccgcgatggcg GCA ttgggctatgccggtg (SEQ ID NO: 15)
α ↑ 26-R: caccggcatagcccaa TGC cgccatcgcggccgt (SEQ ID NO: 16)

α↑10−F: atttcggcggtcttcCACgactcccaaacgcatc (配列番号17)
α↑10−R: gatgcgtttgggagtcGTGgaagaccgccgaaat (配列番号18)
α ↑ 10-F: atttcggcggtcttc CAC gactcccaaacgcatc (SEQ ID NO: 17)
α ↑ 10-R: gatgcgtttgggagtc GTG gaagaccgccgaaat (SEQ ID NO: 18)

α↓41−F: ttcgacatccccgatgaggtgGGGgtcagggtttg (配列番号19)
α↓41−R: caaaccctgacCCCcacctcatcggggatgtcgaa (配列番号20)
α ↓ 41-F: ttcgacatccccgatgaggtg GGG gtcagggtttg (SEQ ID NO: 19)
α ↓ 41-R: caaaccctgac CCC cacctcatcggggatgtcgaa (SEQ ID NO: 20)

α↓43−F: catccccgatgaggtgAAGgtcagggtttgggac (配列番号21)
α↓43−R: gtcccaaaccctgacCTTcacctcatcggggatg (配列番号22)
α ↓ 43-F: catccccgatgaggtg AAG gtcagggtttgggac (SEQ ID NO: 21)
α ↓ 43-R: gtcccaaaccctgac CTT cacctcatcggggatg (SEQ ID NO: 22)

β←3−F: ctgggaaccgtacctgACCtctgcgtga (配列番号23)
β←3−R: tcacgcagaGGTcaggtacggttcccag (配列番号24)
β ← 3-F: ctgggaaccgtacctg ACC tctgcgtga (SEQ ID NO: 23)
β ← 3-R: tcacgcaga GGT caggtacggttcccag (SEQ ID NO: 24)

β←118−F: cacggacaggaagccgACGcggaagttcgatccg (配列番号25)
β←118−R: cggatcgaacttccgCGTcggcttcctgtccgtg (配列番号26)
β ← 118-F: cacggacaggaagccg ACG cggaagttcgatccg (SEQ ID NO: 25)
β ← 118-R: cggatcgaacttccg CGT cggcttcctgtccgtg (SEQ ID NO: 26)

β←173−F: cggttcttccgggagAAGatggggaacgaaaac (配列番号27)
β←173−R: gttttcgttccccatCTTctcccggaagaaccg (配列番号28)
β ← 173-F: cggttcttccgggag AAG atggggaacgaaaac (SEQ ID NO: 27)
β ← 173-R: gttttcgttccccat CTT ctcccggaagaaccg (SEQ ID NO: 28)

得られたプラスミドは、それぞれ、pER113、pER132、pER154及びpER205と命名した。
各プラスミドの変異遺伝子配列によってコードされるアミノ酸配列中のアミノ酸残基の置換態様を以下に示す。
pER113: Nβ←63S,Vβ←11A,Nα↑10H,Eα↓41G,β←3T
pER132: Nβ←63S,Vβ←11A,Vα↑44A,Pα↑42L,β←118T
pER154: Nβ←63S,Vβ←11A,Sα↑26A,Eα↓43K
pER205: Nβ←63S,Vβ←11A,Sβ←173K
The obtained plasmids were named pER113, pER132, pER154 and pER205, respectively.
The substitution mode of amino acid residues in the amino acid sequence encoded by the mutated gene sequence of each plasmid is shown below.
pER113: Nβ ← 63S, Vβ ← 11A, Nα ↑ 10H, Eα ↓ 41G, I β ← 3T
pER132: Nβ ← 63S, Vβ ← 11A, Vα ↑ 44A, Pα ↑ 42L, S β ← 118T
pER154: Nβ ← 63S, Vβ ← 11A, Sα ↑ 26A, Eα ↓ 43K
pER205: Nβ ← 63S, Vβ ← 11A, Sβ ← 173K

(2)ロドコッカス菌形質転換体の作製
ロドコッカス・ロドクロウス ATCC 12674 株の対数増殖期の細胞を遠心分離器により集菌し、氷冷した滅菌水にて3回洗浄し、滅菌水に懸濁した。上記(1)で調製したプラスミド 1μlと菌体懸濁液10μlを混合し、氷冷した。キュベットにDNAと菌体の懸濁液を入れ、遺伝子導入装置 Gene Pulser (BIO RAD)により2.0KV、200 OHMSで電気パルス処理を行った。電気パルス処理液の入ったキュベットを氷冷下10分間静置し、37℃で10分間ヒートショクを行った。その後、キュベットにMYK培地(0.5%ポリペプトン、0.3%バクトイーストエキス、0.3%バクトモルトエキス、0.2% K2HPO4 、0.2% KH2PO4 )500μl を加え、30℃、5時間静置した後、50μg/mlカナマイシン入りMYK寒天培地に塗布した。30℃、3日間培養後のコロニーを形質転換体とした。
(2) Production of Rhodococcus transformants Cells in the logarithmic growth phase of Rhodococcus rhodochrous ATCC 12674 were collected using a centrifuge, washed three times with ice-cold sterile water, and suspended in sterile water. 1 μl of the plasmid prepared in (1) above and 10 μl of the cell suspension were mixed and ice-cooled. A suspension of DNA and bacterial cells was placed in a cuvette and subjected to electric pulse treatment at 2.0 KV and 200 OHMS using a gene introduction device Gene Pulser (BIO RAD). The cuvette containing the electric pulse treatment solution was allowed to stand for 10 minutes under ice-cooling, and heat shocked at 37 ° C. for 10 minutes. Then, add 500μl of MYK medium (0.5% polypeptone, 0.3% bacto yeast extract, 0.3% bacto malt extract, 0.2% K 2 HPO 4 , 0.2% KH 2 PO 4 ) to the cuvette and let stand at 30 ° C for 5 hours. And 50 μg / ml kanamycin-containing MYK agar medium. Colonies after 3 days of culture at 30 ° C. were used as transformants.

(3)ロドコッカス菌形質転換体の耐熱性評価
得られたロドコッカス菌形質転換体を用いて、熱処理後の残存ニトリルヒドラターゼ活性を調べた。比較対照として、野生型ニトリルヒドラターゼを有するロドコッカス・ロドクロウスATCC12674/pSJ034(以下、ATCC12674/pSJ034という)を使用した。
菌体懸濁液のニトリルヒドラターゼ活性の測定は、下記の方法で行った。
菌体液0.2mlと50mMリン酸緩衝液(pH7.7)4.8mlとを混合し、さらに5.0%(w/v)のアクリロニトリルを含む50mMリン酸緩衝液(pH7.7)5mlを混合液に加えて、10℃で10分間振盪しながら反応させた。
次いで、菌体を濾別して、ガスクロマトグラフィーを用いて生成したアクリルアミドの量を定量した。
(3) Evaluation of heat resistance of transformants of Rhodococcus The residual nitrile hydratase activity after heat treatment was examined using the obtained transformants of Rhodococcus. As a comparative control, Rhodococcus rhodochrous ATCC12674 / pSJ034 (hereinafter referred to as ATCC12674 / pSJ034) having wild type nitrile hydratase was used.
The nitrile hydratase activity of the cell suspension was measured by the following method.
Mix 0.2 ml of bacterial cell solution and 4.8 ml of 50 mM phosphate buffer (pH 7.7), and add 5 ml of 50 mM phosphate buffer (pH 7.7) containing 5.0% (w / v) acrylonitrile to the mixture. And allowed to react at 10 ° C. with shaking for 10 minutes.
Subsequently, the cells were separated by filtration, and the amount of acrylamide produced was quantified using gas chromatography.

<分析条件>
分析機器: ガスクロマトグラフGC-14B(島津製作所製)
検出器: FID(検出200℃)
カラム: ポラパックPS(ウォーターズ社製カラム充填剤)を充填した1mガラスカラム
カラム温度: 190℃
<Analysis conditions>
Analytical instrument: Gas chromatograph GC-14B (manufactured by Shimadzu Corporation)
Detector: FID (detection 200 ° C)
Column: 1m glass column packed with Polapack PS (Waters column filler) Column temperature: 190 ° C

アクリルアミドの量からニトリルヒドラターゼ活性を換算した。ここで、ニトリルヒドラターゼ活性は、1分間に1μmolのアクリルアミドを生成する酵素量を1Uと定義する。   Nitrile hydratase activity was converted from the amount of acrylamide. Here, the nitrile hydratase activity is defined as 1 U for the amount of enzyme that produces 1 μmol of acrylamide per minute.

ATCC12674/pSJ034と、上記(2)の工程で得られた各形質転換体をMYK培地(50μg/mlカナマイシン)にそれぞれ接種し、30℃にて2日間振盪培養し、GGPK培地(1.5% グルコース、1% グルタミン酸ナトリウム、0.1% 酵母エキス、0.05% K2HPO4 、0.05% KH2PO4、0.05% MgSO4・7H2O、1% CoCl2、0.1% 尿素、50μg/mlカナマイシン、pH7.2)に1%植菌を行った。30℃で3日間振盪培養し、遠心分離により集菌した。その後、100mMリン酸緩衝液(pH8.0)で菌体を洗浄し、最後に少量の同緩衝液に懸濁した。
加熱処理は、適宜希釈した菌体懸濁液0.5mlを試験管に入れ、65℃の温度下の水浴中で30分間保温し、その後氷中で冷却した。比較対照として、熱処理を行わずに4℃で保冷した各々の無処理菌を用いて活性測定を行い、得られた活性値を基準として、熱処理後の残存活性(%)を求めた。残存活性の結果を表2に示した。
ATCC12674 / pSJ034 and each transformant obtained in the step (2) above were inoculated into MYK medium (50 μg / ml kanamycin), shake-cultured at 30 ° C. for 2 days, and GGPK medium (1.5% glucose, 1% sodium glutamate, 0.1% yeast extract, 0.05% K 2 HPO 4 , 0.05% KH 2 PO 4 , 0.05% MgSO 4 · 7H 2 O, 1% CoCl 2 , 0.1% urea, 50 μg / ml kanamycin, pH 7.2) % Inoculation. The cells were cultured with shaking at 30 ° C. for 3 days and collected by centrifugation. Thereafter, the cells were washed with 100 mM phosphate buffer (pH 8.0) and finally suspended in a small amount of the same buffer.
In the heat treatment, 0.5 ml of an appropriately diluted cell suspension was placed in a test tube, kept in a water bath at a temperature of 65 ° C. for 30 minutes, and then cooled in ice. As a comparative control, the activity was measured using each of the untreated bacteria kept at 4 ° C. without heat treatment, and the residual activity (%) after the heat treatment was determined based on the obtained activity value. The results of residual activity are shown in Table 2.

野生型ニトリルヒドラターゼを含むATCC12674/pSJ034は、65℃、30分間の熱処理による残存活性が23%であった。これに対して、改良型ニトリルヒドラターゼを含むロドコッカス・ロドクロウスATCC 12674/pER113、ATCC 12674/pER132、ATCC 12674/pER154、及びATCC 12674/pER205は、すべて40%以上の残存活性を保持していた。よって、改良型ニトリルヒドラターゼは、耐熱性が向上していた。   ATCC12674 / pSJ034 containing wild-type nitrile hydratase had a residual activity of 23% after heat treatment at 65 ° C. for 30 minutes. In contrast, Rhodococcus rhodochrous ATCC 12674 / pER113, ATCC 12674 / pER132, ATCC 12674 / pER154, and ATCC 12674 / pER205 containing improved nitrile hydratase all retained 40% or more of residual activity. Therefore, the improved nitrile hydratase has improved heat resistance.

アミド化合物耐性の評価
実施例2で得られた形質転換体を用いて、アミド化合物耐性を評価した。当該評価は、下記反応液組成及び反応条件で行った。なお、反応に用いる各菌体懸濁液の菌量は、実施例2の(3)の方法で測定した活性の測定結果に従い、同一の酵素活性単位(U)量となるように100mMリン酸緩衝液(pH8.0)で調製した。比較対照として、野生型ニトリルヒドラターゼを有するATCC12674/pSJ034を使用した。
Evaluation of Amide Compound Resistance Using the transformant obtained in Example 2, amide compound resistance was evaluated. The said evaluation was performed with the following reaction liquid composition and reaction conditions. In addition, according to the measurement result of the activity measured by the method of Example 2 (3), the bacterial amount of each cell suspension used for the reaction is 100 mM phosphoric acid so that the same enzyme activity unit (U) amount is obtained. Prepared with buffer (pH 8.0). As a control, ATCC12674 / pSJ034 with wild type nitrile hydratase was used.

<反応液組成>
50%アクリルアミド溶液 95g
アクリロニトリル 3g
1Mリン酸緩衝液 1g
菌液(同一の酵素活性単位(U)量) 1g
<反応条件>
攪拌しながら20時間反応(30℃)
<Reaction solution composition>
95% 50% acrylamide solution
Acrylonitrile 3g
1M phosphate buffer 1g
Bacterial fluid (same enzyme activity unit (U) amount) 1g
<Reaction conditions>
Reaction for 20 hours with stirring (30 ℃)

反応開始前(0時間)、0.5時間後及び20時間後にそれぞれ反応液1mlをサンプリングし、0.22μmのフィルターを用いて濾過を行った。得られた濾液を、ガスクロマトグラフィーに供した。分析条件は、実施例2の(4)に示すアクリルアミド定量の分析条件と同様に行った。
残存するアクリロニトリルの割合(%)の分析結果を表3に示した。
Before starting the reaction (0 hour), 0.5 hour and 20 hours later, 1 ml of the reaction solution was sampled and filtered using a 0.22 μm filter. The obtained filtrate was subjected to gas chromatography. The analysis conditions were the same as the analysis conditions for acrylamide determination shown in (2) of Example 2.
Table 3 shows the analysis results of the ratio (%) of the remaining acrylonitrile.

改良型ニトリルヒドラターゼは、野生型ニトリルヒドラターゼ(pSJ034)よりも、残存するアクリロニトリルが少なかった。よって、改良型ニトリルヒドラターゼは、高濃度のアクリルアミド存在下でもニトリルヒドラターゼ活性が維持され、アクリルアミドに対して耐性が向上していた。実施例2の結果を合わせると、上記改良型ニトリルヒドラターゼは、耐熱性及びアミド化合物耐性がいずれも向上したものであると言える。   The improved nitrile hydratase contained less acrylonitrile than the wild-type nitrile hydratase (pSJ034). Therefore, the improved nitrile hydratase maintained nitrile hydratase activity even in the presence of a high concentration of acrylamide, and improved resistance to acrylamide. Combining the results of Example 2, it can be said that the improved nitrile hydratase has improved both heat resistance and amide compound resistance.

ロドコッカス・ロドクロウスM8株由来ニトリルヒドラターゼへの変異導入、及び形質転換体の作製と評価
(1)ロドコッカス・ロドクロウスM8株(以下、M8株という。)由来ニトリルヒドラターゼ遺伝子を含むプラスミドの構築
M8株はロシア菌株センターIBFM(VKPM S-926)から入手することができる。
M8株を100mlのMYK(0.5%ポリペプトン、0.3% バクトイーストエキス、0.3%バクトモルトエキス、1% グルコース、0.2% K2HPO4、0.2% KH2PO4)培地(pH7.0)中、30℃にて72時間振盪培養した。培養液を遠心分離し、集菌した菌体をSaline-EDTA溶液(0.1M EDTA、0.15M NaCl(pH8.0))4mlに懸濁した。懸濁液にリゾチーム8mgを加えて37℃で1〜2時間振盪した後、−20℃で凍結した。
Introduction of mutation into nitrile hydratase derived from Rhodococcus rhodochrous M8 strain and production and evaluation of transformant (1) Construction of plasmid containing nitrile hydratase gene derived from Rhodococcus rhodochrous M8 strain (hereinafter referred to as M8 strain) M8 strain Is available from the Russian Strain Center IBFM (VKPM S-926).
Strain M8 in 100 ml MYK (0.5% polypeptone, 0.3% bacto yeast extract, 0.3% bacto malt extract, 1% glucose, 0.2% K 2 HPO 4 , 0.2% KH 2 PO 4 ) medium (pH 7.0), 30 The culture was shaken at 72 ° C. for 72 hours. The culture solution was centrifuged, and the collected cells were suspended in 4 ml of Saline-EDTA solution (0.1 M EDTA, 0.15 M NaCl (pH 8.0)). 8 mg of lysozyme was added to the suspension, shaken at 37 ° C. for 1-2 hours, and then frozen at −20 ° C.

次に、当該懸濁液に10mlのTris-SDS液(1%SDS、0.1M NaCl、0.1M Tris-HCl(pH9.0))を穏やかに振盪しながら加えた。さらに、当該懸濁液にプロテイナーゼK(メルク社)(終濃度0.1mg)を加え37℃で1時間振盪した。次に、等量のTE飽和フェノールを加え攪拌後(TE:10mM Tris-HCl、1mM EDTA(pH8.0))遠心した。上層を採取し、2倍量のエタノールを加えて、ガラス棒でDNAを巻きとった。その後、これを順次90%、80%、70%のエタノールで遠心分離しフェノールを取り除いた。
次に、DNAを3mlのTE緩衝液に溶解させ、リボヌクレアーゼA溶液(100℃、15分間の加熱処理済)を10μg/mlになるよう加え37℃で30分間振盪した。さらに、プロテイナーゼK(メルク社)を加え37℃で30分間振盪した。これに等量のTE飽和フェノールを加えて遠心分離後、上層と下層に分離した。
Next, 10 ml of Tris-SDS solution (1% SDS, 0.1 M NaCl, 0.1 M Tris-HCl (pH 9.0)) was added to the suspension with gentle shaking. Furthermore, proteinase K (Merck) (final concentration 0.1 mg) was added to the suspension and shaken at 37 ° C. for 1 hour. Next, an equal amount of TE saturated phenol was added and stirred (TE: 10 mM Tris-HCl, 1 mM EDTA (pH 8.0)) and centrifuged. The upper layer was collected, twice the amount of ethanol was added, and the DNA was wound with a glass rod. Thereafter, this was centrifuged sequentially with 90%, 80%, and 70% ethanol to remove phenol.
Next, DNA was dissolved in 3 ml of TE buffer, ribonuclease A solution (100 ° C., heat-treated for 15 minutes) was added to 10 μg / ml, and the mixture was shaken at 37 ° C. for 30 minutes. Further, proteinase K (Merck) was added and shaken at 37 ° C. for 30 minutes. An equal amount of TE-saturated phenol was added thereto, and after centrifugation, the mixture was separated into an upper layer and a lower layer.

上層をさらに等量のTE飽和フェノールを加えて遠心分離後、上層と下層に分離した。この操作を再度繰り返した。その後、上層に同量のクロロホルム(4%イソアミルアルコール含有)を加えて遠心分離し、上層を回収した。次いで、上層に2倍量のエタノールを加えガラス棒でDNAを巻きとって回収し、染色体DNAを得た。
PCRは、Thermalcycler personal(宝酒造)を用いて以下の条件で行った。
The upper layer was further centrifuged with an equal amount of TE saturated phenol, and then separated into an upper layer and a lower layer. This operation was repeated again. Thereafter, the same amount of chloroform (containing 4% isoamyl alcohol) was added to the upper layer and centrifuged to recover the upper layer. Next, twice the amount of ethanol was added to the upper layer, and the DNA was wound with a glass rod and collected to obtain chromosomal DNA.
PCR was performed using Thermalcycler personal (Takara Shuzo) under the following conditions.

<PCR反応溶液組成>
鋳型DNA(染色体DNA) 1μl
10×ExTaq Buffer(宝酒造社製) 10μl
プライマーMH-01 1μl
プライマーMH-02 1μl
5mM dNTPmix 8μl
滅菌水 78μl
ExTaqDNAポリメラーゼ(宝酒造社製) 1μl
<プライマー>
MH-01: ccatggatggtatccacgacacaggcggcatgacc (配列番号30)
MH-02: aagcttcacgctggcctcgagcgcctttgtccag (配列番号31)
<反応条件>
(94℃で30秒、65℃で30秒、72℃で3分)×30サイクル
<PCR reaction solution composition>
Template DNA (chromosomal DNA) 1μl
10 × ExTaq Buffer (Takara Shuzo) 10μl
Primer MH-01 1μl
Primer MH-02 1μl
5mM dNTPmix 8μl
Sterile water 78μl
ExTaqDNA polymerase (Takara Shuzo) 1μl
<Primer>
MH-01: ccatggatggtatccacgacacaggcggcatgacc (SEQ ID NO: 30)
MH-02: aagcttcacgctggcctcgagcgcctttgtccag (SEQ ID NO: 31)
<Reaction conditions>
(30 seconds at 94 ° C, 30 seconds at 65 ° C, 3 minutes at 72 ° C) x 30 cycles

PCR終了後、反応液5μlを0.7%アガロースゲル電気泳動に供し、1.5kbの増幅断片の検出を行った。反応終了液をGFX column(アマシャムバイオサイエンス)で精製し、制限酵素NcoIとHindIIIで切断を行った。制限酵素処理を行ったPCR産物は0.7%アガロースゲル電気泳動に供し、1.5kb付近のバンドを回収した。回収したPCR産物はLigation Kit(宝酒造)を用いてベクター(pTrc99AのNcoI-HindIII部位)に結合し、大腸菌JM109へ形質転換を行った。得られた形質転換体コロニーより数クローンをLB-Amp培地1.5mlに接種し、37℃で12時間振盪培養した。培養後、この培養物を遠心分離により集菌した。Flexi Prep(アマシャムバイオサイエンス社製)を用いることにより、集菌した菌体からプラスミドDNAを抽出した。得られたプラスミドDNAを制限酵素NcoIとHindIIIで切断後、0.7%アガロースゲルにより電気泳動を行い、ニトリルヒドラターゼ遺伝子断片(1.5kb)が正しく連結されているクローンを選んでpMH301(図4)と命名した。   After completion of PCR, 5 μl of the reaction solution was subjected to 0.7% agarose gel electrophoresis, and a 1.5 kb amplified fragment was detected. The reaction completed solution was purified with GFX column (Amersham Bioscience) and cleaved with restriction enzymes NcoI and HindIII. The PCR product treated with the restriction enzyme was subjected to 0.7% agarose gel electrophoresis, and a band around 1.5 kb was recovered. The collected PCR product was ligated to a vector (NcoI-HindIII site of pTrc99A) using Ligation Kit (Takara Shuzo), and transformed into E. coli JM109. Several clones from the resulting transformant colonies were inoculated into 1.5 ml of LB-Amp medium and cultured with shaking at 37 ° C. for 12 hours. After culture, the culture was collected by centrifugation. By using Flexi Prep (Amersham Bioscience), plasmid DNA was extracted from the collected cells. The obtained plasmid DNA was cleaved with restriction enzymes NcoI and HindIII, and then electrophoresed on a 0.7% agarose gel, and a clone in which the nitrile hydratase gene fragment (1.5 kb) was correctly ligated was selected and pMH301 (FIG. 4) and Named.

(2)変異導入形質転換体の作製
M8株由来ニトリルヒドラターゼの塩基配列(配列番号29)に変異導入を行った。位置特異的変異導入は、使用したプラスミドがM8株由来ニトリルヒドラターゼ発現プラスミドのpMH301(図3)である以外は、実施例2の(1)と同様の方法で行った。
得られた変異導入プラスミドは、それぞれ、pMH058、pME113、pME132、pME154及びpME205と命名した。
各プラスミドの変異遺伝子配列によってコードされるアミノ酸配列中のアミノ酸残基の置換態様を以下に示す。
pMH058: Nβ←63S
pME113: Nβ←63S,Vβ←11A,Nα↑10H,Eα↓41G,β←3T
pME132: Nβ←63S,Vβ←11A,Vα↑44A,Pα↑42L,β←118T
pME154: Nβ←63S,Vβ←11A,Sα↑26A,Eα↓43K
pME205: Nβ←63S,Vβ←11A,Sβ←173K
当該プラスミドを大腸菌JM109に形質転換し、変異導入した形質転換体を作製した。得られた形質転換体は、LB-Amp培地(1mM IPTG、5μg/ml CoCl2含有)10mlに接種し、37℃で12時間液体培養した。
(2) Production of mutation-introducing transformant Mutation was introduced into the base sequence (SEQ ID NO: 29) of nitrile hydratase derived from M8 strain. The site-directed mutagenesis was carried out in the same manner as in Example 2 (1) except that the plasmid used was pMH301 (FIG. 3), a nitrile hydratase expression plasmid derived from the M8 strain.
The obtained mutation-introduced plasmids were named pMH058, pME113, pME132, pME154 and pME205, respectively.
The substitution mode of amino acid residues in the amino acid sequence encoded by the mutated gene sequence of each plasmid is shown below.
pMH058: Nβ ← 63S
pME113: Nβ ← 63S, Vβ ← 11A, Nα ↑ 10H, Eα ↓ 41G, I β ← 3T
pME132: Nβ ← 63S, Vβ ← 11A, Vα ↑ 44A, Pα ↑ 42L, S β ← 118T
pME154: Nβ ← 63S, Vβ ← 11A, Sα ↑ 26A, Eα ↓ 43K
pME205: Nβ ← 63S, Vβ ← 11A, Sβ ← 173K
The plasmid was transformed into Escherichia coli JM109 to prepare a transformant having a mutation introduced. The obtained transformant was inoculated into 10 ml of LB-Amp medium (containing 1 mM IPTG, 5 μg / ml CoCl 2) and liquid-cultured at 37 ° C. for 12 hours.

(3)耐熱性評価
上記(2)の工程で得られた培養物を60℃の温度下、20分間の熱処理に供した。次いで、ニトリルヒドラターゼの残存活性の測定を行った。活性測定は、実施例1の(2)と同様の方法で行った。比較対照として、熱処理を行わずに4℃で保冷した各々の無処理菌を用いて活性測定を行い、得られた活性値を基準として、熱処理後の残存活性(%)を求めた。残存活性の結果を表4に示した。
(3) Evaluation of heat resistance The culture obtained in the step (2) was subjected to a heat treatment for 20 minutes at a temperature of 60 ° C. Next, the residual activity of nitrile hydratase was measured. The activity measurement was performed by the same method as (2) of Example 1. As a comparative control, the activity was measured using each of the untreated bacteria kept at 4 ° C. without heat treatment, and the residual activity (%) after the heat treatment was determined based on the obtained activity value. The results of residual activity are shown in Table 4.

M8株由来のニトリルヒドラターゼにおいても、改良型ニトリルヒドラターゼは、野生型ニトリルヒドラターゼ(pMH301)より残存活性が高かった。よって、改良型ニトリルヒドラターゼは、耐熱性が向上していた。   Also in the nitrile hydratase derived from the M8 strain, the improved nitrile hydratase had higher residual activity than the wild type nitrile hydratase (pMH301). Therefore, the improved nitrile hydratase has improved heat resistance.

プラスミドpAB002の構成図である。It is a block diagram of plasmid pAB002. プラスミドpJH601の構成図である。It is a block diagram of plasmid pJH601. プラスミドpAR002の構成図である。It is a block diagram of plasmid pAR002. プラスミドpMH301の構成図である。FIG. 6 is a structural diagram of plasmid pMH301. 補欠分子結合領域「C(S/T)LCSC」を含む、各種微生物由来の野生型ニトリルヒドラターゼのαサブユニットのアミノ酸配列(N末端側の一部)を示す図である。It is a figure which shows the amino acid sequence (part of N terminal side) of alpha subunit of wild type nitrile hydratase derived from various microorganisms including prosthetic molecule binding region “C (S / T) LCSC”. 図5-1と同様のアミノ酸配列を示す図であり、図5-1のアミノ酸配列に続く配列を示している。It is a figure which shows the amino acid sequence similar to FIG. 5-1, and has shown the arrangement | sequence following the amino acid sequence of FIG. 図5-1と同様のアミノ酸配列を示す図であり、図5-2のアミノ酸配列に続く配列(C末端側の一部)を示している。It is a figure which shows the same amino acid sequence as FIG. 5-1, and has shown the arrangement | sequence (part by the side of C terminal) following the amino acid sequence of FIG.

配列番号5:合成DNA
配列番号6:合成DNA
配列番号7:合成DNA
配列番号8:合成DNA
配列番号9:合成DNA
配列番号10:合成DNA
配列番号11:合成DNA
配列番号12:合成DNA
配列番号13:合成DNA
配列番号14:合成DNA
配列番号15:合成DNA
配列番号16:合成DNA
配列番号17:合成DNA
配列番号18:合成DNA
配列番号19:合成DNA
配列番号20:合成DNA
配列番号21:合成DNA
配列番号22:合成DNA
配列番号23:合成DNA
配列番号24:合成DNA
配列番号25:合成DNA
配列番号26:合成DNA
配列番号27:合成DNA
配列番号28:合成DNA
配列番号30:合成DNA
配列番号31:合成DNA
Sequence number 5: Synthetic DNA
Sequence number 6: Synthetic DNA
SEQ ID NO: 7: synthetic DNA
Sequence number 8: Synthetic DNA
SEQ ID NO: 9: synthetic DNA
SEQ ID NO: 10: synthetic DNA
SEQ ID NO: 11: synthetic DNA
SEQ ID NO: 12: synthetic DNA
SEQ ID NO: 13: synthetic DNA
SEQ ID NO: 14: synthetic DNA
SEQ ID NO: 15: synthetic DNA
SEQ ID NO: 16: synthetic DNA
SEQ ID NO: 17: synthetic DNA
Sequence number 18: Synthetic DNA
Sequence number 19: Synthetic DNA
SEQ ID NO: 20: synthetic DNA
SEQ ID NO: 21: synthetic DNA
SEQ ID NO: 22: synthetic DNA
SEQ ID NO: 23: synthetic DNA
Sequence number 24: Synthetic DNA
SEQ ID NO: 25: synthetic DNA
SEQ ID NO: 26: synthetic DNA
SEQ ID NO: 27: synthetic DNA
SEQ ID NO: 28: synthetic DNA
SEQ ID NO: 30: synthetic DNA
SEQ ID NO: 31: synthetic DNA

Claims (10)

以下の(A)又は(B)のタンパク質。
(A)ロドコッカス・ロドクロウス由来野生型ニトリルヒドラターゼのアミノ酸配列において下記(a)〜(e)のすべてのアミノ酸残基の変異を含み、かつ、野生型ニトリルヒドラターゼよりも高耐熱性および高アミド化合物耐性ニトリルヒドラターゼ活性を有することを特徴とするタンパク質
(a)βサブユニットのアミノ酸配列のうちC末端のアミノ酸残基から数えて63残基上流のアミノ酸残基アスパラギンをセリンに置換
(b)上記C末端のアミノ酸残基から数えて11残基上流のアミノ酸残基バリンをアラニンに置換
(c)上記C末端のアミノ酸残基から数えて3残基上流のアミノ酸残基イソロイシンをトレオニンに置換
(d)αサブユニットのアミノ酸配列のうち補欠分子結合領域を構成するアミノ酸配列C(S/T)LCSCの最も上流側のC残基より10残基上流のアミノ酸残基アスパラギンをヒスチジンに置換
(e)上記アミノ酸配列C(S/T)LCSCの最も下流側のC残基より41残基下流のアミノ酸残基グルタミン酸をグリシンに置換
(B)(A)のタンパク質のアミノ酸配列において、前記置換後のアミノ酸残基を除き、1個〜10個のアミノ酸残基が欠失、置換及び/又は付加されたアミノ酸配列を含み、かつ、野生型ニトリルヒドラターゼよりも高耐熱性および高アミド化合物耐性ニトリルヒドラターゼ活性を有することを特徴とするタンパク質
The following protein (A) or (B).
(A) The amino acid sequence of Rhodococcus rhodochrous-derived wild-type nitrile hydratase contains all of the following amino acid residue mutations (a) to (e), and has higher heat resistance and higher amide than wild- type nitrile hydratase A protein having compound-resistant nitrile hydratase activity (a) substituting serine for the amino acid residue asparagine 63 residues upstream from the C-terminal amino acid residue in the amino acid sequence of the β subunit (b) The amino acid residue valine 11 residues upstream from the C-terminal amino acid residue is replaced with alanine. (C) The amino acid residue isoleucine 3 residues upstream from the C-terminal amino acid residue is replaced with threonine ( d) Amino acid sequence C (S / T) LC constituting the prosthetic molecule binding region in the amino acid sequence of the α subunit Replacing amino acid residue asparagine 10 residues upstream of the most upstream C residue of C with histidine (e) 41 residues downstream of the most downstream C residue of the amino acid sequence C (S / T) LCSC Substitution of amino acid residue glutamic acid for glycine (B) In the amino acid sequence of the protein of (A), 1-10 amino acid residues are deleted, substituted and / or added except for the amino acid residue after the substitution. A protein having a high heat resistance and a high amide compound resistance nitrile hydratase activity than wild- type nitrile hydratase
以下の(A)又は(B)のタンパク質。
(A)ロドコッカス・ロドクロウス由来野生型ニトリルヒドラターゼのアミノ酸配列において下記(a)〜(e)のすべてのアミノ酸残基の変異を含み、かつ、野生型ニトリルヒドラターゼよりも高耐熱性および高アミド化合物耐性ニトリルヒドラターゼ活性を有することを特徴とするタンパク質
(a)βサブユニットのアミノ酸配列のうちC末端のアミノ酸残基から数えて63残基上流のアミノ酸残基アスパラギンをセリンに置換
(b)上記C末端のアミノ酸残基から数えて11残基上流のアミノ酸残基バリンをアラニンに置換
(c)上記C末端のアミノ酸残基から数えて118残基上流のアミノ酸残基セリンをトレオニンに置換
(d)αサブユニットのアミノ酸配列のうち補欠分子結合領域を構成するアミノ酸配列C(S/T)LCSCの最も上流側のC残基より44残基上流のアミノ酸残基バリンをアラニンに置換
(e)上記アミノ酸配列C(S/T)LCSCの最も上流側のC残基より42残基上流のアミノ酸残基プロリンをロイシンに置換
(B)(A)のタンパク質のアミノ酸配列において、前記置換後のアミノ酸残基を除き、1個〜10個のアミノ酸残基が欠失、置換及び/又は付加されたアミノ酸配列を含み、かつ、野生型ニトリルヒドラターゼよりも高耐熱性および高アミド化合物耐性ニトリルヒドラターゼ活性を有することを特徴とするタンパク質
The following protein (A) or (B).
(A) The amino acid sequence of Rhodococcus rhodochrous-derived wild-type nitrile hydratase contains all of the following amino acid residue mutations (a) to (e), and has higher heat resistance and higher amide than wild- type nitrile hydratase A protein having compound-resistant nitrile hydratase activity (a) substituting serine for the amino acid residue asparagine 63 residues upstream from the C-terminal amino acid residue in the amino acid sequence of the β subunit (b) The amino acid residue valine 11 residues upstream from the C-terminal amino acid residue is replaced with alanine. (C) The amino acid residue serine 118 residues upstream from the C-terminal amino acid residue is replaced with threonine ( d) Amino acid sequence C (S / T) LCS constituting the prosthetic molecule binding region in the amino acid sequence of the α subunit (E) Amino acid 42 residues upstream from the most upstream C residue of the above amino acid sequence C (S / T) LCSC In the amino acid sequence of the protein of (B) and (A), 1-10 amino acid residues were deleted, substituted and / or added in the amino acid sequence of the protein of (B) (A). A protein comprising an amino acid sequence and having higher heat resistance and higher amide compound resistance nitrile hydratase activity than wild- type nitrile hydratase
以下の(A)又は(B)のタンパク質。
(A)ロドコッカス・ロドクロウス由来野生型ニトリルヒドラターゼのアミノ酸配列において下記(a)〜(d)のすべてのアミノ酸残基の変異を含み、かつ、野生型ニトリルヒドラターゼよりも高耐熱性および高アミド化合物耐性ニトリルヒドラターゼ活性を有することを特徴とするタンパク質
(a)βサブユニットのアミノ酸配列のうちC末端のアミノ酸残基から数えて63残基上流のアミノ酸残基アスパラギンをセリンに置換
(b)上記C末端のアミノ酸残基から数えて11残基上流のアミノ酸残基バリンをアラニンに置換
(c)αサブユニットのアミノ酸配列のうち補欠分子結合領域を構成するアミノ酸配列C(S/T)LCSCの最も上流側のC残基より26残基上流のアミノ酸残基セリンをアラニンに置換
(d)上記アミノ酸配列C(S/T)LCSCの最も下流側のC残基より43残基下流のアミノ酸残基グルタミン酸をリジンに置換
(B)(A)のタンパク質のアミノ酸配列において、前記置換後のアミノ酸残基を除き、1個〜10個のアミノ酸残基が欠失、置換及び/又は付加されたアミノ酸配列を含み、かつ、野生型ニトリルヒドラターゼよりも高耐熱性および高アミド化合物耐性ニトリルヒドラターゼ活性を有することを特徴とするタンパク質
The following protein (A) or (B).
(A) The amino acid sequence of Rhodococcus rhodochrous-derived wild-type nitrile hydratase contains all the amino acid residue mutations (a) to (d) below, and has higher heat resistance and higher amide than wild- type nitrile hydratase A protein having compound-resistant nitrile hydratase activity (a) substituting serine for the amino acid residue asparagine 63 residues upstream from the C-terminal amino acid residue in the amino acid sequence of the β subunit (b) (C) Amino acid sequence C (S / T) LCSC constituting the prosthetic molecule binding region in the amino acid sequence of the α subunit The amino acid residue serine 26 residues upstream from the most upstream C residue of (a) is substituted with alanine (d) In the amino acid sequence of the protein of (B) (A), the amino acid residue glutamic acid 43 residues downstream from the C residue on the most downstream side of the column C (S / T) LCSC is replaced with lysine. Including 1 to 10 amino acid residues deleted, substituted and / or added, and having higher heat resistance and higher amide compound resistance nitrile hydratase activity than wild type nitrile hydratase Protein characterized by having
以下の(A)又は(B)のタンパク質。
(A)ロドコッカス・ロドクロウス由来野生型ニトリルヒドラターゼのアミノ酸配列において下記(a)、(b)及び(c)のアミノ酸残基の変異を含み、かつ、野生型ニトリルヒドラターゼよりも高耐熱性および高アミド化合物耐性ニトリルヒドラターゼ活性を有することを特徴とするタンパク質
(a)βサブユニットのアミノ酸配列のうちC末端のアミノ酸残基から数えて63残基上流のアミノ酸残基アスパラギンをセリンに置換
(b)上記C末端のアミノ酸残基から数えて11残基上流のアミノ酸残基バリンをアラニンに置換
(c)上記C末端のアミノ酸残基から数えて173残基上流のアミノ酸残基セリンをリジンに置換
(B)(A)のタンパク質のアミノ酸配列において、前記置換後のアミノ酸残基を除き、1個〜10個のアミノ酸残基が欠失、置換及び/又は付加されたアミノ酸配列を含み、かつ、野生型ニトリルヒドラターゼよりも高耐熱性および高アミド化合物耐性ニトリルヒドラターゼ活性を有することを特徴とするタンパク質
The following protein (A) or (B).
(A) The amino acid sequence of Rhodococcus rhodochrous-derived wild-type nitrile hydratase contains the following amino acid residue mutations (a), (b) and (c), and has higher heat resistance than wild- type nitrile hydratase and A protein characterized by having high amide compound resistance nitrile hydratase activity (a) Substituting serine for the amino acid residue asparagine 63 residues upstream from the C-terminal amino acid residue in the amino acid sequence of the β subunit ( b) Substitution of amino acid residue valine 11 residues upstream from the C-terminal amino acid residue with alanine (c) Amino acid residue serine 173 residues upstream from the C-terminal amino acid residue to lysine in the amino acid sequence of the protein of substitution (B) (a), except for the amino acid residue after the substitution, one to ten Ami Residues are deleted, it includes substituted and / or added in the amino acid sequence and protein characterized by having high heat resistance and high amide compound resistance nitrile hydratase activity than the wild-type nitrile hydratase
請求項1〜4のいずれか1項に記載のタンパク質をコードする遺伝子DNA。   A genetic DNA encoding the protein according to any one of claims 1 to 4. 請求項5記載の遺伝子DNAを含む組換えベクター。   A recombinant vector comprising the gene DNA according to claim 5. 請求項6記載の組換えベクターを含む形質転換体。   A transformant comprising the recombinant vector according to claim 6. 請求項7記載の形質転換体を培養して得られる培養物から採取されるニトリルヒドラターゼ。   A nitrile hydratase collected from a culture obtained by culturing the transformant according to claim 7. 請求項7記載の形質転換体を培養し、得られる培養物からニトリルヒドラターゼを採取することを特徴とする、ニトリルヒドラターゼの製造方法。   A method for producing nitrile hydratase, comprising culturing the transformant according to claim 7 and collecting nitrile hydratase from the resulting culture. 請求項7記載の形質転換体を培養して得られる培養物又は当該培養物の処理物をニトリル化合物に接触させ、当該接触により生成されるアミド化合物を採取することを特徴とする、アミド化合物の製造方法。   A culture obtained by culturing the transformant according to claim 7 or a treated product of the culture is brought into contact with a nitrile compound, and the amide compound produced by the contact is collected. Production method.
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