JP5279061B2 - Ethanol production method - Google Patents

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本発明は、微生物発酵を用いてエタノールを製造する方法に関する。   The present invention relates to a method for producing ethanol using microbial fermentation.

近年、バガスおよびコーンファイバーのようなソフトバイオマスから、微生物による発酵を利用してエタノールを生産することが求められている。ソフトバイオマスの繊維には、セルロースおよびヘミセルロースが含まれている。セルロースは、六炭糖のグルコースがβ−1,4グルコシド結合した多糖である。ヘミセルロースは、種々の糖が結合した多糖であり、構成糖として五炭糖(例えば、キシロース)が含まれる。グルコースが強固にβ−1,4グルコシド結合しているセルロースに比べて、ヘミセルロースは構成糖の結合が弱い。そのため、加熱などにより比較的に容易に加水分解するので、バイオマス中にキシロースが生じやすい。   In recent years, it has been required to produce ethanol from soft biomass such as bagasse and corn fiber using fermentation by microorganisms. Soft biomass fibers contain cellulose and hemicellulose. Cellulose is a polysaccharide in which hexose glucose is linked by β-1,4 glucoside. Hemicellulose is a polysaccharide to which various sugars are bonded, and pentose sugar (for example, xylose) is included as a constituent sugar. Compared to cellulose in which glucose is strongly β-1,4-glucoside-bonded, hemicellulose has a weak binding of constituent sugars. Therefore, since it hydrolyzes comparatively easily by heating etc., it is easy to produce xylose in biomass.

エタノールの生産性が最も優れているとされている酵母サッカロマイセス・セレビシエ(Saccharomyces cerevisiae)は、六炭糖のグルコースを資化できるが、五炭糖のキシロースは資化できない。サッカロマイセス・セレビシエがグルコースのみならずキシロースも資化できれば、エタノールの収率はさらに増大すると考えられる。   The yeast Saccharomyces cerevisiae, which is considered to have the highest ethanol productivity, can assimilate hexose glucose but not pentose xylose. If Saccharomyces cerevisiae can assimilate not only glucose but also xylose, the yield of ethanol would be further increased.

キシロースを資化するサッカロマイセス・セレビシエを作製する試みがこれまでになされている(非特許文献1)。キシロースレダクターゼ(XR)遺伝子およびキシリトールデヒドロゲナーゼ(XDH)遺伝子(ともにピチア・スチピチス(Pichia stipitis)由来)ならびにキシルロキナーゼ(XK)遺伝子(サッカロマイセス・セレビシエ由来)を発現するサッカロマイセス・セレビシエが作製され、キシロースを資化してエタノールを生成できることが確認されている(非特許文献2〜7)。   Attempts have been made to produce Saccharomyces cerevisiae that assimilate xylose (Non-Patent Document 1). Saccharomyces cerevisiae expressing xylose reductase (XR) gene and xylitol dehydrogenase (XDH) gene (both from Pichia stipitis) and xylulokinase (XK) gene (derived from Saccharomyces cerevisiae) was prepared, It has been confirmed that ethanol can be produced by assimilation (Non-Patent Documents 2 to 7).

しかし、このような酵母を用いたエタノールの生産方法にはいずれも、キシロースの利用性、副産物の生成、酵母の生育性などに関して、未だ改良の余地がある。   However, any ethanol production method using such yeast still has room for improvement in terms of xylose availability, by-product generation, yeast growth, and the like.

また、キシラン分解酵素であるトリコデルマ・リーセイ(Trichoderma reesei)由来キシラナーゼII(XYNII)およびアスペルギルス・オリゼ(Aspergillus oryzae)由来β−キシロシダーゼ(XylA)を表層提示し、かつXR遺伝子、XDH遺伝子およびXK遺伝子を発現するサッカロマイセス・セレビシエが作製され、この酵母を用いて樺材のキシランからエタノールを生産する試みもなされている(非特許文献8)。しかし、非特許文献8では、ヘミセルロースとデンプンまたはセルロースとの共存に関しては全く検討していない。
国際特許出願公開第02/42483号公報 国際特許出願公開第03/016525号公報 国際特許出願公開第01/79483号公報 M. Sondereggerら, Biotechnology and bioengineering, 2004年, 87巻, 90-8頁 N. W. Y. Hoら, Applied and Environmental Microbiology, 1998年, 64巻, 1852-1859頁 A. Eliassonら, Applied and Environmental Microbiology, 2000年, 66巻, 3381-3386頁 M. H. Toivariら, Metabolic Engineering, 2001年, 3巻, 236-249頁 M. Sedlakら, Appl. Biochem. Biotechnol., 2004年, 113-116巻, 403-16頁 B. Johanssonら, Applied and Environmental Microbiology, 2001年, 67巻, 4249-4255頁 Y. S. Jinら, Applied and Environmental Microbiology, 2003年, 69巻, 495-503頁 S. Katahiraら, Applied and Environmental Microbiology, 2004年, 70巻, 5407-5414頁 Appl. Microbiol. Biotech., 2002年, 60巻, 469-474頁 Applied and Environmental Microbiology, 2002年, 68巻, 4517-4522頁 T. Kanaiら, Appl. Microbiol. Biotechnol., 1996年, 44巻, 759-765頁 H. Sawai-Hatanakaら, Biosci. Biotechnol. Biochem., 1995年, 59巻, 1221-1228頁 S. Takahashiら, Appl. Microbiol. Biotechnol., 2001年, 55巻, 454-462頁 P. N. Lipkeら, Mol. Cell. Biol., 1989年8月, 9(8), 3155-65頁 Y. Fujitaら, Applied and Environmental Microbiology, 2002年, 68巻, 5136-41頁
Also, xylanase xylanase II (XYNII) derived from Trichoderma reesei and β-xylosidase (XylA) derived from Aspergillus oryzae, which are xylan-degrading enzymes, are surface-displayed, and XR gene, XDH gene and XK gene are displayed. An expressed Saccharomyces cerevisiae has been produced, and attempts have been made to produce ethanol from xylan as a raw material using this yeast (Non-patent Document 8). However, in Non-Patent Document 8, no consideration is given to the coexistence of hemicellulose and starch or cellulose.
International Patent Application Publication No. 02/42483 International Patent Application Publication No. 03/016525 International Patent Application Publication No. 01/79483 M. Sonderegger et al., Biotechnology and bioengineering, 2004, 87, 90-8 NWY Ho et al., Applied and Environmental Microbiology, 1998, 64, 1852-1859 A. Eliasson et al., Applied and Environmental Microbiology, 2000, 66, 3381-3386 MH Toivari et al., Metabolic Engineering, 2001, 3, 236-249 M. Sedlak et al., Appl. Biochem. Biotechnol., 2004, 113-116, 403-16 B. Johansson et al., Applied and Environmental Microbiology, 2001, 67, 4249-4255 YS Jin et al., Applied and Environmental Microbiology, 2003, 69, 495-503 S. Katahira et al., Applied and Environmental Microbiology, 2004, 70, 5407-5414 Appl. Microbiol. Biotech., 2002, 60, 469-474 Applied and Environmental Microbiology, 2002, 68, 4517-4522 T. Kanai et al., Appl. Microbiol. Biotechnol., 1996, 44, 759-765 H. Sawai-Hatanaka et al., Biosci. Biotechnol. Biochem., 1995, 59, 1221-1228 S. Takahashi et al., Appl. Microbiol. Biotechnol., 2001, 55, 454-462 PN Lipke et al., Mol. Cell. Biol., August 1989, 9 (8), 3155-65 Y. Fujita et al., Applied and Environmental Microbiology, 2002, 68, 5136-41

本発明は、微生物によってキシロースを効率的に資化してエタノールを製造する方法を提供することを目的とする。   An object of the present invention is to provide a method for producing ethanol by efficiently assimilating xylose by a microorganism.

本発明は、エタノールを製造する方法を提供する。この方法は、2個以上のグルコースからなる糖およびキシロースを含む培地において、該糖を分解する酵素の存在下で、グルコースおよびキシロースを資化できる微生物により発酵させる工程を含む。   The present invention provides a method for producing ethanol. This method includes a step of fermenting in a medium containing sugar and xylose composed of two or more glucoses by a microorganism capable of assimilating glucose and xylose in the presence of an enzyme that degrades the sugars.

1つの実施態様では、上記微生物は、酵母である。   In one embodiment, the microorganism is a yeast.

さらなる実施態様では、上記グルコースおよびキシロースを資化できる酵母は、キシロース資化性遺伝子を有するサッカロマイセス・セレビシエである。   In a further embodiment, the yeast capable of assimilating glucose and xylose is Saccharomyces cerevisiae having a xylose-assimilating gene.

別の実施態様では、上記酵素は、上記微生物の細胞表層に提示されている。   In another embodiment, the enzyme is displayed on the cell surface of the microorganism.

さらに別の実施態様では、上記培地は、キシロース量(重量基準)に対してグルコースを40%未満の量で含む。   In yet another embodiment, the medium comprises less than 40% glucose relative to the xylose amount (by weight).

本発明はまた、キシロース資化性遺伝子を有し、かつデンプン分解酵素および/またはセルロース分解酵素が細胞表層に提示されている、サッカロマイセス・セレビシエ酵母を提供する。   The present invention also provides a Saccharomyces cerevisiae yeast having a xylose-assimilating gene and having a amylolytic enzyme and / or a cellulolytic enzyme displayed on the cell surface.

本発明の方法によれば、これまで有効利用されなかったキシロース(例えば、ヘミセルロースに由来するキシロース)を効率的に用いてエタノールを製造し得る。そのような製造方法に好適に用いられる酵母もまた提供される。   According to the method of the present invention, ethanol can be produced by efficiently using xylose that has not been effectively used so far (for example, xylose derived from hemicellulose). Yeast suitably used for such a production method is also provided.

本発明において、「2個以上のグルコースからなる糖およびキシロースを含む培地」は、微生物に発酵を開始させる際に発酵培地中にキシロースと2個以上のグルコースからなる糖とが共存している任意の状態をいう。本発明において、「2個以上のグルコースからなる糖」とは、2個以上のグルコースが結合されてなる任意の糖をいう。少数(例えば、2〜5個)の糖でなるオリゴ糖が好ましく、より好ましくは二糖である。結合は、α−1,4グルコシド結合またはβ−1,4グルコシド結合のいずれでもあり得る。このような糖としては、グルコースがα−1,4グルコシド結合されてなるデンプンおよびその分解産物、ならびにグルコースがβ−1,4グルコシド結合されてなるセルロースおよびその分解産物が挙げられる。   In the present invention, “a medium containing two or more glucose sugars and xylose” is an arbitrary medium in which xylose and two or more glucose sugars coexist in a fermentation medium when a microorganism starts fermentation. The state of. In the present invention, “a sugar comprising two or more glucoses” refers to any sugar obtained by combining two or more glucoses. Oligosaccharides composed of a small number (for example, 2 to 5) of sugars are preferable, and more preferably disaccharides. The linkage can be either an α-1,4 glucoside linkage or a β-1,4 glucoside linkage. Examples of such sugars include starch and glucose degradation products in which glucose is α-1,4-glucoside-bonded, and cellulose and glucose degradation products in which glucose is β-1,4-glucoside-bonded.

セルロースは、エンド−β1,4−グルカナーゼ(分子内部から切断する)、セロビオヒドロラーゼ(還元末端または非還元末端のいずれかから分解してセロビオースを遊離する)などによって分解され、セロオリゴ糖を生成し得る。セロオリゴ糖は、セルロースの非還元末端からグルコース単位を切り離していくエキソ型の加水分解酵素であるβ−グルコシダーゼによって、グルコースにまで分解され得る。   Cellulose is decomposed by endo-β1,4-glucanase (cleaved from the inside of the molecule), cellobiohydrolase (decomposed from either the reducing end or the non-reducing end to release cellobiose), etc. to produce cellooligosaccharides. obtain. Cellooligosaccharides can be broken down to glucose by β-glucosidase, an exo-type hydrolase that cleaves glucose units from the non-reducing end of cellulose.

デンプンは、α−アミラーゼ(分子内部から切断する)、β−アミラーゼ(非還元末端から分解してマルトースを遊離する)、エキソイソマルトトリオヒドロラーゼなどによって分解され、マルトオリゴ糖を生成し得る。さらに、マルトオリゴ糖は、デンプンの非還元末端からグルコース単位を切り離していくエキソ型の加水分解酵素であるグルコアミラーゼによって、グルコースにまで分解され得る。   Starch can be degraded by α-amylase (cleaved from the inside of the molecule), β-amylase (degraded from the non-reducing end to release maltose), exo-isomaltotriohydrolase, etc. to produce maltooligosaccharides. Furthermore, maltooligosaccharides can be broken down to glucose by glucoamylase, an exo-type hydrolase that cleaves glucose units from the non-reducing end of starch.

キシロースは、ヘミセルロースから、β−キシロシダーゼ、キシラナーゼなどのキシラン分解酵素を用いて得られ得る。必要に応じて、アラビノースを含む側鎖を切断および除去するために、アラビノフラノシダーゼがさらに用いられ得る。   Xylose can be obtained from hemicellulose using xylan degrading enzymes such as β-xylosidase and xylanase. If desired, arabinofuranosidase can further be used to cleave and remove side chains containing arabinose.

本発明の方法における培地は、セルロースおよび/またはデンプン、ならびにヘミセルロースの分解によって生じる産物を含み得る。この分解は、加熱、酸もしくはアルカリによる加水分解、酵素分解などのいずれでもあり得る。セルロースおよび/またはデンプンの分解またはヘミセルロースの分解工程と、微生物による発酵基質からのエタノール生産工程とは、前後に独立しても、同時に並行して行われてもよい。   The medium in the method of the present invention may contain cellulose and / or starch and products resulting from degradation of hemicellulose. This decomposition can be any of heating, hydrolysis with acid or alkali, enzymatic decomposition, and the like. The step of degrading cellulose and / or starch or decomposing hemicellulose and the step of producing ethanol from a fermentation substrate by a microorganism may be performed independently or in parallel.

上記の微生物の発酵基質は、例えば、アルコール発酵に従来から用いられている、デンプンを多く含む植物材料(トウモロコシ、米など)にも由来し得る。このような植物材料に含まれ得るデンプンおよびヘミセルロースをエタノール生産に利用し得る。例えば、蒸煮することにより、デンプンおよびヘミセルロースを分解した後、発酵を行い得る。   The above microorganism fermentation substrate can also be derived from, for example, plant materials (corn, rice, etc.) rich in starch, which are conventionally used for alcohol fermentation. Starch and hemicellulose that can be included in such plant material can be utilized for ethanol production. For example, fermentation can be performed after decomposing starch and hemicellulose by cooking.

本発明の方法において、微生物の発酵基質は、バイオマスに含まれるリグノセルロースに由来し得る。リグノセルロースは、セルロースおよびヘミセルロース、ならびにリグニンを含む。よって、リグノセルロースからリグニンのような非糖化部を除去した後のセルロースおよびヘミセルロースも、本発明の方法において利用され得る。例えば、セルロースとヘミセルロースとの分解を比較した場合、比較的結合が弱いヘミセルロースの方が、セルロースよりも容易に分解され得る。セルロースは、グルコースのみがβ−1,4グルコシド結合した直鎖状の分子であり、各々の鎖が水素結合で固く結びついており、強固である。このことを利用して、リグノセルロース由来の基質においてキシロースを優先的に得て、キシロース多、グルコース少という状態が作られ得る。   In the method of the present invention, the microbial fermentation substrate can be derived from lignocellulose contained in biomass. Lignocellulose includes cellulose and hemicellulose, and lignin. Therefore, cellulose and hemicellulose after removing a non-glycated portion such as lignin from lignocellulose can also be used in the method of the present invention. For example, when the decomposition of cellulose and hemicellulose is compared, hemicellulose having a relatively weak bond can be more easily decomposed than cellulose. Cellulose is a linear molecule in which only glucose is linked by β-1,4 glucoside, and each chain is firmly bound by hydrogen bonds and is strong. By utilizing this fact, xylose can be obtained preferentially in a lignocellulose-derived substrate, and a state of high xylose and low glucose can be created.

本発明の方法では、微生物が発酵を開始する際に、発酵の基質としてキシロースを利用できることが重要である。発酵の進行とともに、培地中のキシロースは発酵基質として消費され、そして2個以上のグルコースからなる糖は、該糖を分解する酵素によってグルコースに分解された後、発酵基質として利用され得る。「2個以上のグルコースからなる糖およびキシロースを含む培地」には、酵母がキシロースを資化することを妨害されない程度であれば、グルコースが含まれていてもよい。発酵培地中、グルコースは、キシロース量(質量基準)に対して40%未満の量であることが好ましい。より好ましくは20%未満の量、なおより好ましくは、10%未満の量、さらにより好ましくは、4%未満の量である。例えば、以下の実施例に記載されるように、発酵培地中にキシロースが50g/lの場合、グルコースは、同培地中に20〜50g/lで含まれ得る。したがって、エタノール生産に通常用いられる上記デンプンを多く含む材料由来の基質の場合、予めデンプンを消費し尽した後の残渣を、本発明の基質として用いてもよい。この残渣中にキシロースが存在していれば、このキシロースからエタノールを生産できる。   In the method of the present invention, it is important that xylose can be used as a fermentation substrate when a microorganism starts fermentation. As the fermentation progresses, xylose in the medium is consumed as a fermentation substrate, and a sugar composed of two or more glucoses can be used as a fermentation substrate after being decomposed into glucose by an enzyme that degrades the sugar. The “medium containing two or more glucoses containing sugar and xylose” may contain glucose as long as the yeast is not prevented from assimilating xylose. In the fermentation medium, the amount of glucose is preferably less than 40% with respect to the amount of xylose (mass basis). More preferably less than 20%, even more preferably less than 10%, even more preferably less than 4%. For example, as described in the Examples below, when xylose is 50 g / l in the fermentation medium, glucose can be included in the medium at 20-50 g / l. Therefore, in the case of a substrate derived from a material containing a large amount of starch that is usually used for ethanol production, the residue after consumption of starch may be used as the substrate of the present invention. If xylose is present in this residue, ethanol can be produced from this xylose.

本発明において「糖を分解する酵素」としては、デンプン分解酵素およびセルロース分解酵素が挙げられる。   Examples of the “enzyme that degrades sugar” in the present invention include starch degrading enzymes and cellulose degrading enzymes.

デンプン分解酵素としては、マルトオリゴ糖まで分解し得るα−アミラーゼ、β−アミラーゼ、エキソイソマルトトリオヒドロラーゼなど、およびグルコース単位まで分解するグルコアミラーゼが挙げられる。本発明においては、グルコースを生産するために、グルコアミラーゼが存在することが好ましい。   Starch-degrading enzymes include α-amylase, β-amylase, exo-isomaltotriohydrolase, and the like that can degrade to maltooligosaccharide, and glucoamylase that degrades to glucose units. In the present invention, glucoamylase is preferably present in order to produce glucose.

セルロース分解酵素としては、セロオリゴ糖まで分解し得るエンド−β1,4−グルカナーゼ、セロビオヒドロラーゼなど、およびセルロース単位まで分解するβ−グルコシダーゼが挙げられる。本発明においては、グルコースを生産するために、β−グルコシダーゼが存在することが好ましい。   Cellulose-degrading enzymes include endo-β1,4-glucanase, cellobiohydrolase, etc. that can degrade to cellooligosaccharides, and β-glucosidase that degrades to cellulose units. In the present invention, β-glucosidase is preferably present in order to produce glucose.

本発明の方法では、酵素自体を発酵培地に添加してもよく、または酵素を産生する微生物を利用してもよい。このような微生物は、酵素を天然に産生し得る微生物を利用しても、または遺伝子組換えによって作製されてもよい。微生物を利用する場合、産生された酵素は、細胞外に分泌され得るか、または細胞表層に提示され得る。好ましくは、以下に説明するような、酵素が細胞表層に提示された発酵微生物が用いられ得る。   In the method of the present invention, the enzyme itself may be added to the fermentation medium, or a microorganism that produces the enzyme may be used. Such microorganisms may use microorganisms that can naturally produce enzymes, or may be produced by genetic recombination. When utilizing microorganisms, the produced enzyme can be secreted extracellularly or presented to the cell surface. Preferably, a fermenting microorganism in which an enzyme is displayed on the cell surface as described below can be used.

本発明の方法で用いられる微生物は、グルコースおよびキシロースの両方を資化できる微生物である限り特に制限はなく、酵母が好ましく用いられる。エタノールの生産性の点で、サッカロマイセス・セレビシエが好ましい。この酵母は、通常は六炭糖のグルコースを資化できるが、五炭糖のキシロースは資化できない。選抜スクリーニング、変異誘発、遺伝子組換えなどによって、キシロースを資化できるように改変されたサッカロマイセス・セレビシエが用いられる。サッカロマイセス・セレビシエは、キシロース資化性遺伝子を有するように形質転換され得る。キシロース資化性遺伝子としては、キシロース代謝系酵素の遺伝子、例えば、キシロースレダクターゼ(XR)遺伝子(例えば、ピチア・スチピチス由来:INSDアクセッション番号X59465またはA16164)、およびキシリトールデヒドロゲナーゼ(XDH)遺伝子(例えば、ピチア・スチピチス由来:INSDアクセッション番号X55392またはA16166)、およびキシルロキナーゼ(XK)遺伝子(例えば、サッカロマイセス・セレビシエ由来:INSDアクセッション番号X82408)が挙げられる。これらの3つの遺伝子を発現するように遺伝子組換えされたサッカロマイセス・セレビシエが、好ましく用いられ得る。   The microorganism used in the method of the present invention is not particularly limited as long as it is a microorganism that can assimilate both glucose and xylose, and yeast is preferably used. From the viewpoint of ethanol productivity, Saccharomyces cerevisiae is preferred. This yeast can normally assimilate hexose glucose but not pentose xylose. Saccharomyces cerevisiae modified so that xylose can be assimilated by selection screening, mutagenesis, gene recombination, or the like is used. Saccharomyces cerevisiae can be transformed to have a xylose-utilizing gene. Examples of xylose-utilizing genes include xylose metabolic enzyme genes, such as xylose reductase (XR) gene (eg, derived from Pichia stipitis: INSD accession number X59465 or A16164), and xylitol dehydrogenase (XDH) gene (eg, Pichia stipitis derived: INSD accession number X55392 or A16166), and xylulokinase (XK) gene (for example, Saccharomyces cerevisiae derived: INSD accession number X82408). Saccharomyces cerevisiae genetically modified so as to express these three genes can be preferably used.

酵素が細胞表層に提示された微生物を作出する方法としては、(a)細胞表層局在タンパク質のGPIアンカーを介して細胞表層に提示する方法、(b)細胞表層局在タンパク質の糖鎖結合タンパク質ドメインを介して細胞表層に提示する方法、および(c)ペリプラズム遊離型タンパク質(他のレセプター分子または標的レセプター分子)を介して細胞表層に提示する方法がある。   As a method for producing a microorganism in which an enzyme is displayed on the cell surface, (a) a method in which the enzyme is displayed on the cell surface via a GPI anchor of the cell surface localized protein, (b) a sugar chain binding protein of the cell surface localized protein There are a method of presenting to the cell surface via a domain and a method of (c) presenting to the cell surface via a periplasm free protein (other receptor molecule or target receptor molecule).

用いられ得る細胞表層局在タンパク質としては、酵母の性凝集タンパク質であるα−またはa−アグルチニン(GPIアンカーとして使用)、Flo1タンパク質(Flo1タンパク質は、N末端側のアミノ酸長を種々改変して、GPIアンカーとして使用し得る:例えば、Flo42、Flo102、Flo146、Flo318、Flo428など;非特許文献9:なお、Flo1326とは、全長Flo1タンパク質を表す)、Floタンパク質(GPIアンカー機能を有さず凝集性を利用する、FloshortまたはFlolong;非特許文献10)、ペリプラズム局在タンパク質であるインベルターゼ(GPIアンカーを利用しない)などが挙げられる。   Examples of cell surface localized proteins that can be used include α- or a-agglutinin (used as a GPI anchor) which is a sex aggregation protein of yeast, Flo1 protein (Flo1 protein has various amino acid lengths on the N-terminal side, Can be used as a GPI anchor: for example, Flo42, Flo102, Flo146, Flo318, Flo428, etc .; Non-Patent Document 9: Flo1326 represents a full-length Flo1 protein, Flo protein (having no GPI anchor function and aggregation Floshort or Flolong using non-patent document 10), invertase (not using GPI anchor), which is a periplasmic localized protein, and the like.

まず、(a)GPIアンカーを利用する方法について説明する。GPIアンカーにより細胞表層に局在するタンパク質をコードする遺伝子は、N末端側から順に、分泌シグナル配列、細胞表層局在タンパク質(糖鎖結合タンパク質ドメイン)、およびGPIアンカー付着認識シグナル配列をそれぞれコードする遺伝子を有している。細胞内でこの遺伝子から発現された細胞表層局在タンパク質(糖鎖結合タンパク質)は、分泌シグナルにより細胞膜外へ導かれ、その際、GPIアンカー付着認識シグナル配列は、選択的に切断されたC末端部分を介して細胞膜のGPIアンカーと結合して細胞膜に固定される。その後、PI−PLCにより、GPIアンカーの根元付近で切断され、細胞壁に組み込まれて細胞表層に固定され、細胞表層に提示される。   First, (a) a method using a GPI anchor will be described. A gene encoding a protein localized on the cell surface by a GPI anchor encodes a secretory signal sequence, a cell surface localized protein (sugar chain binding protein domain), and a GPI anchor attachment recognition signal sequence in this order from the N-terminal side. Have a gene. A cell surface localized protein (glycan binding protein) expressed from this gene in the cell is guided to the outside of the cell membrane by a secretion signal, and the GPI anchor attachment recognition signal sequence is selectively cleaved at the C-terminal. It binds to the GPI anchor of the cell membrane via the portion and is fixed to the cell membrane. Then, it is cut by the PI-PLC near the root of the GPI anchor, incorporated into the cell wall, fixed to the cell surface, and presented on the cell surface.

ここで、GPIアンカーとは、グリコシルホスファチジルイノシトール(GPI)と呼ばれるエタノールアミンリン酸−6マンノースα1−2マンノースα1−6マンノースα1−4グルコサミンα1−6イノシトールリン脂質を基本構造とする糖脂質をいい、PI−PLCとは、ホスファチジルイノシトール依存性ホスホリパーゼCをいう。   Here, the GPI anchor refers to a glycolipid having a basic structure of ethanolamine phosphate-6 mannose α1-2 mannose α1-6 mannose α1-4 glucosamine α1-6 inositol phospholipid called glycosylphosphatidylinositol (GPI). , PI-PLC refers to phosphatidylinositol-dependent phospholipase C.

GPIアンカー付着認識シグナル配列とは、GPIアンカーが細胞表層局在タンパク質と結合する際に認識される配列であり、通常、細胞表層局在タンパク質のC末端あるいはその近傍に位置する。GPIアンカー付着シグナル配列としては、例えば酵母のα−アグルチニンのC末端部分の配列が好適に用いられる。上記α−アグルチニンのC末端から320アミノ酸の配列のC末端側には、GPIアンカー付着認識シグナル配列が含まれるので、上記方法に使用する遺伝子としては、このC末端から320アミノ酸の配列をコードするDNA配列が特に有用である。   The GPI anchor attachment recognition signal sequence is a sequence recognized when the GPI anchor binds to the cell surface localized protein, and is usually located at or near the C-terminal of the cell surface localized protein. As the GPI anchor attachment signal sequence, for example, the sequence of the C-terminal part of yeast α-agglutinin is preferably used. Since the GPI anchor adhesion recognition signal sequence is included in the C-terminal side of the sequence of 320 amino acids from the C-terminal of α-agglutinin, the gene used in the above method encodes a sequence of 320 amino acids from the C-terminal. DNA sequences are particularly useful.

したがって、例えば、分泌シグナル配列をコードするDNA−細胞表層局在タンパク質をコードする構造遺伝子−GPIアンカー付着認識シグナルをコードするDNA配列を有する配列において、この細胞表層局在タンパク質をコードする構造遺伝子の全部または一部の配列を、目的とする酵素をコードするDNA配列に置換することにより、GPIアンカーを介して目的の酵素を細胞表層に提示するための組換えDNAが得られる。細胞表層局在タンパク質がα−アグルチニンである場合、上記α−アグルチニンのC末端から320アミノ酸の配列をコードする配列を残すように、目的の酵素をコードするDNAを導入することが好ましい。このようなDNAを酵母に導入して発現させることによって細胞表層に提示された酵素は、そのC末端側が表層に固定されている。   Therefore, for example, a DNA encoding a secretory signal sequence-a structural gene encoding a cell surface localized protein-a sequence having a DNA sequence encoding a GPI anchor adhesion recognition signal, and a structural gene encoding this cell surface localized protein By substituting all or part of the sequence with a DNA sequence encoding the target enzyme, recombinant DNA for presenting the target enzyme on the cell surface via the GPI anchor can be obtained. When the cell surface localized protein is α-agglutinin, it is preferable to introduce DNA encoding the target enzyme so as to leave a sequence encoding a 320 amino acid sequence from the C-terminus of α-agglutinin. The enzyme presented on the cell surface by introducing such DNA into yeast and expressing it has its C-terminal side immobilized on the surface.

次に、(b)糖鎖結合タンパク質ドメインを利用する方法について説明する。細胞表層局在タンパク質が糖鎖結合タンパク質である場合、その糖鎖結合タンパク質ドメインは、複数の糖鎖を有し、この糖鎖が細胞壁中の糖鎖と相互作用または絡み合うことによって、細胞表層に留まることが可能である。例えば、レクチン、レクチン様タンパク質などの糖鎖結合部位などが挙げられる。代表的には、GPIアンカータンパク質の凝集機能ドメイン、FLOタンパク質の凝集機能ドメインが挙げられる。GPIアンカータンパク質の凝集機能ドメインとは、GPIアンカリングドメインよりもN末端側にあり、複数の糖鎖を有し、凝集に関与していると考えられているドメインをいう。   Next, (b) a method using a sugar chain binding protein domain will be described. When the cell surface localized protein is a sugar chain binding protein, the sugar chain binding protein domain has a plurality of sugar chains, and this sugar chain interacts with or entangles with sugar chains in the cell wall. It is possible to stay. Examples thereof include sugar chain binding sites such as lectins and lectin-like proteins. Typically, an aggregation functional domain of GPI anchor protein and an aggregation functional domain of FLO protein can be mentioned. The aggregation functional domain of the GPI anchor protein is a domain that is located on the N-terminal side of the GPI anchoring domain, has a plurality of sugar chains, and is considered to be involved in aggregation.

この細胞表層局在タンパク質(凝集機能ドメイン)と目的の酵素とを結合することにより、細胞表層に酵素が提示される。目的の酵素の種類により、細胞表層局在タンパク質(凝集機能ドメイン)の(1)N末端側に酵素を結合させる、(2)C末端側に酵素を結合させる、および(3)N末端側およびC末端側の両方に、同一または異なる酵素を結合させることができる。本発明においては、(1)分泌シグナル配列をコードするDNA−目的とする酵素をコードする遺伝子−細胞表層局在タンパク質(凝集機能ドメイン)をコードする構造遺伝子;あるいは(2)分泌シグナル配列をコードするDNA−細胞表層局在タンパク質(凝集機能ドメイン)をコードする構造遺伝子−目的とする酵素をコードする遺伝子、を作成することにより、細胞表層に目的の酵素を提示するための組換えDNAが得られる。凝集機能ドメインを利用する場合、GPIアンカーは細胞表層の提示には関与しないので、組換えDNA中に、GPIアンカー付着認識シグナル配列をコードするDNA配列は、一部のみ存在してもよいが、存在しなくてもよい。また、凝集機能ドメインを用いる場合は、ドメインの長さを調節しやすいため(例えば、FloshortまたはFlolongのいずれかを選択できる)、より適切な長さで酵素を細胞表層に提示できる点で、ならびに酵素のN末端またはC末端のどちらの側でも結合させることが可能な点で、非常に有用である。   By binding the cell surface localized protein (aggregation functional domain) and the target enzyme, the enzyme is presented on the cell surface. Depending on the type of the target enzyme, (1) the enzyme is bound to the N-terminal side of the cell surface localized protein (aggregation functional domain), (2) the enzyme is bound to the C-terminal side, and (3) the N-terminal side and The same or different enzymes can be bound to both the C-terminal side. In the present invention, (1) DNA encoding secretory signal sequence-gene encoding target enzyme-structural gene encoding cell surface localized protein (aggregation functional domain); or (2) encoding secretory signal sequence DNA-a structural gene encoding a cell surface localized protein (aggregation functional domain)-a gene encoding a target enzyme, thereby producing a recombinant DNA for presenting the target enzyme on the cell surface It is done. When the aggregation functional domain is used, since the GPI anchor is not involved in the cell surface presentation, only a part of the DNA sequence encoding the GPI anchor attachment recognition signal sequence may be present in the recombinant DNA. It does not have to exist. In addition, when the aggregation functional domain is used, since the length of the domain can be easily adjusted (for example, either Floshort or Flolong can be selected), the enzyme can be displayed on the cell surface with a more appropriate length, and This is very useful in that it can be bound on either the N-terminus or C-terminus of the enzyme.

次に、(c)ペリプラズム遊離型タンパク質(他のレセプター分子または標的レセプター分子)を利用する方法について説明する。この場合は、目的とする酵素を、ペリプラズム遊離型タンパク質との融合タンパク質として細胞表層に発現させ得ることに基づく。ペリプラズム遊離型タンパク質としては、例えば、インベルターゼ(Suc2タンパク質)が挙げられる。目的の酵素は、これらのペリプラズム遊離型タンパク質に応じて、適宜N末端またはC末端側に融合され得る。   Next, (c) a method using a periplasm free protein (another receptor molecule or a target receptor molecule) will be described. In this case, the target enzyme can be expressed on the cell surface as a fusion protein with a periplasm free protein. Examples of the periplasmic free protein include invertase (Suc2 protein). The target enzyme can be appropriately fused to the N-terminal or C-terminal depending on these periplasmic free proteins.

上記のようなキシロース資化性遺伝子も細胞内で発現されるように遺伝子構築物が導入される。   A gene construct is introduced so that the xylose-utilizing gene as described above is also expressed in cells.

遺伝子構築物は、微生物に適切なクローニングベクターおよび発現ベクター中に組込まれる。このような適切なベクターは当該技術分野で公知であり、微生物での発現に必要なエレメントが適宜含まれている。微生物への遺伝子構築物の導入とは、細胞の中に遺伝子構築物を導入し、発現させることを意味する。遺伝子構築物の導入の方法としては、形質転換、形質導入、トランスフェクション、コトランスフェクション、エレクトロポレーションなど、当業者に公知の種々の方法があり、具体的には、酢酸リチウムを用いる方法、プロトプラスト法などがある。導入される遺伝子構築物は、プラスミドの形態で、あるいは宿主の遺伝子に挿入して、または宿主の遺伝子と相同組換えを起こして染色体に取り込まれてもよい。遺伝子構築物が導入された細胞は、選択マーカー(例えばTRP)で選択され、発現されたタンパク質の活性を測定することにより選択される。タンパク質が細胞表層に固定されていることは、例えば、抗タンパク質抗体とFITC標識抗IgG抗体とを用いる免疫抗体法によって確認し得る。   The gene construct is incorporated into a cloning vector and expression vector appropriate for the microorganism. Such appropriate vectors are known in the art and appropriately contain elements necessary for expression in microorganisms. Introduction of a gene construct into a microorganism means that the gene construct is introduced into a cell and expressed. Methods for introducing a gene construct include various methods known to those skilled in the art, such as transformation, transduction, transfection, co-transfection, and electroporation. Specifically, methods using lithium acetate, protoplasts, etc. There are laws. The introduced gene construct may be incorporated into the chromosome in the form of a plasmid, inserted into a host gene, or subjected to homologous recombination with the host gene. Cells into which the gene construct has been introduced are selected by a selectable marker (eg, TRP) and selected by measuring the activity of the expressed protein. Whether the protein is immobilized on the cell surface layer can be confirmed, for example, by an immunoantibody method using an anti-protein antibody and a FITC-labeled anti-IgG antibody.

表層提示されるデンプン分解酵素としては、例えば、グルコアミラーゼ1種のみ、およびグルコアミラーゼとα−アミラーゼとの組合せが挙げられる。グルコアミラーゼ1種のみを細胞表層に提示する場合、その宿主微生物は、好ましくは、α−アミラーゼを分泌するようにさらに形質転換され得る。上記デンプン分解酵素の細胞表層提示は、例えば、特許文献1または2の記載に従って実施され得る。   Examples of the amylolytic enzyme displayed on the surface include a single glucoamylase and a combination of glucoamylase and α-amylase. When only one glucoamylase is presented on the cell surface, the host microorganism can preferably be further transformed to secrete α-amylase. The cell surface display of the amylolytic enzyme can be performed according to the description of Patent Document 1 or 2, for example.

表層提示されるセルロース分解酵素としては、例えば、β-グルコシダーゼ1種のみ、エンドβ1,4-グルカナーゼとβ-グルコシダーゼとの組合せ、セロビオヒドロラーゼとβ-グルコシダーゼとの組合せ、およびエンドβ1,4-グルカナーゼとセロビオヒドロラーゼとβ-グルコシダーゼとの組合せが挙げられる。上記セルロース分解酵素の細胞表層提示は、例えば、特許文献3の記載に従って実施され得る。   Cellulose-degrading enzymes displayed on the surface include, for example, only one β-glucosidase, a combination of endo β1,4-glucanase and β-glucosidase, a combination of cellobiohydrolase and β-glucosidase, and endo β1,4- A combination of glucanase, cellobiohydrolase and β-glucosidase can be mentioned. The cell surface display of the cellulolytic enzyme can be performed, for example, according to the description in Patent Document 3.

さらに、β−キシロシダーゼ、キシラナーゼなどのキシラン分解酵素もまた細胞表層に提示させ得る。このような酵素としては、トリコデルマ・リーセイ(Trichoderma reesei)由来キシラナーゼII(XYNII)およびアスペルギルス・オリゼ(Aspergillus oryzae)由来β−キシロシダーゼ(XylA)が挙げられる。キシラン分解酵素の細胞表層提示は、例えば、非特許文献8の記載に従って実施され得る。   Furthermore, xylan-degrading enzymes such as β-xylosidase and xylanase can also be displayed on the cell surface. Such enzymes include Trichoderma reesei xylanase II (XYNII) and Aspergillus oryzae β-xylosidase (XylA). The cell surface display of the xylan-degrading enzyme can be performed according to the description of Non-Patent Document 8, for example.

細胞表層提示を意図する酵素が複数ある場合、各酵素を細胞表層に提示する微生物を組み合わせて用いても、あるいはそれらの酵素の組合せを細胞表層に提示するように組換えられた微生物を用いてもよい。   When there are multiple enzymes that are intended for cell surface presentation, use a combination of microorganisms that present each enzyme on the cell surface, or a microorganism that has been recombined to present the combination of those enzymes on the cell surface. Also good.

キシロース資化性遺伝子を有し、かつデンプン分解酵素および/またはセルロース分解酵素が細胞表層に提示されたサッカロマイセス・セレビシエ酵母は、上述したようにして得られ得る。   A Saccharomyces cerevisiae yeast having a xylose-assimilating gene and having a amylolytic enzyme and / or a cellulolytic enzyme displayed on the cell surface can be obtained as described above.

本発明の方法で使用される微生物および必要な場合、酵素は、好ましくは、担体に固定される。そのことにより、再使用が可能となる。   The microorganism used in the method of the invention and, if necessary, the enzyme are preferably immobilized on a carrier. As a result, reuse becomes possible.

酵素を固定する担体および方法は、当業者が通常用いる担体および方法が用いられ、例えば、担体結合法、包括法、架橋法などが挙げられる。   As the carrier and method for immobilizing the enzyme, those commonly used by those skilled in the art are used, and examples thereof include a carrier binding method, a comprehensive method, and a crosslinking method.

微生物を固定する担体としては、多孔質体が好ましく用いられる。例えば、ポリビニルアルコール、ポリウレタンフォーム、ポリスチレンフォーム、ポリアクリルアミド、ポリビニルフォルマール樹脂多孔質体、シリコンフォームなどの発泡体あるいは樹脂が好ましい。多孔質体の開口部の大きさは、用いる微生物およびその大きさを考慮して決定すればよい。酵母の場合、50〜1000μmが好ましい。   A porous body is preferably used as a carrier for immobilizing microorganisms. For example, foams or resins such as polyvinyl alcohol, polyurethane foam, polystyrene foam, polyacrylamide, polyvinyl formal resin porous body, and silicon foam are preferable. The size of the opening of the porous body may be determined in consideration of the microorganism to be used and its size. In the case of yeast, 50-1000 micrometers is preferable.

また、担体の形状は問わない。担体の強度、培養効率などを考慮すると、球状あるいは立方体が好ましい。大きさは、用いる微生物により決定すればよいが、一般には、球状の場合、直径が2〜50mm、立方体状の場合、2〜50mm角が好ましい。   Moreover, the shape of a support | carrier is not ask | required. Considering the strength of the carrier, the culture efficiency, etc., a spherical shape or a cubic shape is preferable. The size may be determined depending on the microorganism to be used. In general, the diameter is preferably 2 to 50 mm in the case of a sphere, and 2 to 50 mm in the case of a cube.

本発明の方法に使用されるグルコースおよびキシロースを資化できる微生物は、発酵に供する前に好気的条件下で培養することにより、その数を増加させ得る。培地は、選択培地であっても非選択培地であってもよい。培養時の培地のpHは、好ましくは約4.0〜約6.0、最も好ましくは約5.0である。好気的培養時の培地中の溶存酸素濃度は、好ましくは約0.5〜約6ppm、より好ましくは約1〜約4ppm、最も好ましくは約2.0ppmである。また、培養時の温度は、約20〜約45℃、好ましくは約25〜約35℃、最も好ましくは約30℃である。培養時間は、菌体濃度が10g/l以上になるまで培養することが好ましく、約20〜約50時間程度である。   Microorganisms capable of assimilating glucose and xylose used in the method of the present invention can be increased in number by culturing under aerobic conditions before being subjected to fermentation. The medium may be a selective medium or a non-selective medium. The pH of the medium during culture is preferably about 4.0 to about 6.0, and most preferably about 5.0. The dissolved oxygen concentration in the medium during aerobic culture is preferably about 0.5 to about 6 ppm, more preferably about 1 to about 4 ppm, and most preferably about 2.0 ppm. Moreover, the temperature at the time of culture is about 20 to about 45 ° C, preferably about 25 to about 35 ° C, and most preferably about 30 ° C. The culture time is preferably cultured until the bacterial cell concentration is 10 g / l or more, and is about 20 to about 50 hours.

本発明の方法では、グルコースおよびキシロースを資化できる微生物を、嫌気的条件下で発酵させて、エタノールを生産させる。この発酵工程の形式としては、回分(バッチ)工程、流加回分工程、繰り返し回分工程、連続工程などが挙げられるが、これらのいずれであってもよい。   In the method of the present invention, a microorganism capable of assimilating glucose and xylose is fermented under anaerobic conditions to produce ethanol. Examples of the fermentation process include a batch process, a fed-batch process, a repeated batch process, and a continuous process, and any of these may be used.

嫌気的発酵時の培地中の溶存酸素濃度は、好ましくは約1.0ppm以下、より好ましくは約0.1ppm以下、最も好ましくは約0.05ppm以下である。また、発酵時の温度は、約20〜約45℃、好ましくは約25〜約35℃、最も好ましくは約30℃である。   The dissolved oxygen concentration in the medium during anaerobic fermentation is preferably about 1.0 ppm or less, more preferably about 0.1 ppm or less, and most preferably about 0.05 ppm or less. The temperature during fermentation is about 20 to about 45 ° C, preferably about 25 to about 35 ° C, and most preferably about 30 ° C.

発酵の進行とともに上記の発酵条件が変化するので、これらを一定の範囲に調節することが好ましい。発酵の経時変化は、例えば、ガスクロマトグラフ、HPLCなどの当業者が通常用いる手段でモニターすればよい。   As the fermentation conditions change as the fermentation progresses, it is preferable to adjust these to a certain range. What is necessary is just to monitor the time-dependent change of fermentation with the means normally used by those skilled in the art, such as a gas chromatograph and HPLC.

発酵工程終了後、エタノールを含む培地を発酵槽から抜き取り、例えば、遠心分離機による分離操作および蒸留操作などの当業者が通常用いる分離工程によって、エタノールが単離される。   After completion of the fermentation process, the ethanol-containing medium is withdrawn from the fermenter, and ethanol is isolated by a separation process commonly used by those skilled in the art, such as a separation operation using a centrifuge and a distillation operation.

以下、実施例を挙げて本発明を説明するが、本発明はこの実施例によって限定されるものではない。   EXAMPLES Hereinafter, although an Example is given and this invention is demonstrated, this invention is not limited by this Example.

(実施例1:キシロース資化性遺伝子を有し、かつβ−グルコシダーゼが細胞表層に提示されたサッカロマイセス・セレビシエの作製)
ともにピチア・スチピチス由来のキシロースレダクターゼ(XR)遺伝子およびキシリトールデヒドロゲナーゼ(XDH)遺伝子であるXYL1(INSDアクセッション番号X59465)およびXYL2(INSDアクセッション番号X55392)、ならびにサッカロマイセス・セレビシエ由来キシルロキナーゼ(XK)遺伝子であるXKS1(INSDアクセッション番号X82408)遺伝子の細胞内発現のためのプラスミドpIUX1X2XK(図1a)を、非特許文献8に記載の手順に基づいて構築した。
(Example 1: Production of Saccharomyces cerevisiae having a xylose-utilizing gene and β-glucosidase displayed on the cell surface)
Both XYL1 (INSD accession number X59465) and XYL2 (INSD accession number X55392), and xylulokinase (XK) from Saccharomyces cerevisiae, which are xylose reductase (XR) gene and xylitol dehydrogenase (XDH) gene derived from Pichia stipitis A plasmid pIUX1X2XK (FIG. 1a) for intracellular expression of the gene XKS1 (INSD accession number X82408) gene was constructed based on the procedure described in Non-Patent Document 8.

マルチコピープラスミドpRS405+2を、プラスミドpRS405(Stratagene)のAatII部位に2μm DNAの部分を含むプラスミドpWI3(非特許文献11)の末端を平滑化した2.24kbのEcoRI-EcoRI DNAフラグメントを導入することにより構築した。プラスミドpYE22m(非特許文献12)由来のグリセルアルデヒド-3-リン酸デヒドロゲナーゼ(GAPDH)プロモーターおよびGAPDHターミネーターを含む末端を平滑化した1.3kbのHindIII-HindIII DNAフラグメントを、プラスミドpRS405+2のPvuII部位に導入し、得られたプラスミドをpLGP3と命名した。   The multicopy plasmid pRS405 + 2 was constructed by introducing a 2.24 kb EcoRI-EcoRI DNA fragment blunted at the end of plasmid pWI3 (Non-patent Document 11) containing a 2 μm DNA portion at the AatII site of plasmid pRS405 (Stratagene). . A 1.3 kb HindIII-HindIII DNA fragment blunted with the glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase (GAPDH) promoter and GAPDH terminator derived from plasmid pYE22m (Non-patent Document 12) was introduced into the PvuII site of plasmid pRS405 + 2. The resulting plasmid was named pLGP3.

ピチア・スチピチス由来XYL1遺伝子を含む0.95kbのSacI-BamHI DNAフラグメント、ピチア・スチピチス由来XYL2遺伝子を含む1.09kbのSacI-BamHI DNAフラグメント、およびサッカロマイセス・セレビシエ由来XKS1遺伝子を含む1.8kbのBamHI-SalI DNAフラグメントを、ピチア・スチピチスおよびサッカロマイセス・セレビシエのゲノムDNAを鋳型として、それぞれXYL1F (SacI)(配列番号1)およびXYL1R (BamHI)(配列番号2);XYL2F (SacI)(配列番号3)およびXYL2R (BamHI)(配列番号4);ならびにXKS1F (BamHI)(配列番号5)およびXKS1R (SalI)(配列番号6)のプライマー対を用いてポリメラーゼ連鎖反応(PCR)によって調製した。なお、本実施例のPCRは、KOD-Plus-DNAポリメラーゼ(東洋紡)を用いて実施した。これらのDNAフラグメントをそれぞれ、プラスミドpWGP3およびpUGP3(ともに非特許文献13)のSacI-BamHIセクション、およびプラスミドpLGP3のBamHI-SalIセクションに導入し、pWPXYL1、pUPXYL2、およびpLXKS1と命名した。   A 0.95 kb SacI-BamHI DNA fragment containing the XYL1 gene derived from Pichia stipitis, a 1.09 kb SacI-BamHI DNA fragment containing the XYL2 gene derived from Pichia stipitis, and a 1.8 kb BamHI-SalI DNA containing the XKS1 gene derived from Saccharomyces cerevisiae Using the genomic DNA of Pichia stipitis and Saccharomyces cerevisiae as templates, XYL1F (SacI) (SEQ ID NO: 1) and XYL1R (BamHI) (SEQ ID NO: 2); XYL2F (SacI) (SEQ ID NO: 3) and XYL2R ( BamHI) (SEQ ID NO: 4); and XKS1F (BamHI) (SEQ ID NO: 5) and XKS1R (SalI) (SEQ ID NO: 6) primer pairs were used to prepare by polymerase chain reaction (PCR). In addition, PCR of the present Example was performed using KOD-Plus-DNA polymerase (Toyobo). These DNA fragments were introduced into the SacI-BamHI section of plasmids pWGP3 and pUGP3 (both non-patent document 13) and the BamHI-SalI section of plasmid pLGP3, respectively, and were designated as pWPXYL1, pUPXYL2, and pLXKS1.

GAPDHプロモーター、XYL1遺伝子、およびGAPDHターミネーターで構成される2.2kbp KpnI-XhoI DNAフラグメントを、pWPXYL1を鋳型として、XYL1cF (KpnI)(配列番号7)およびXYL1cR (XhoI)(配列番号8)のプライマー対を用いてPCRによって調製した。GAPDHプロモーター、XYL2遺伝子、およびGAPDHターミネーターで構成される2.3kbp XhoI-NotI DNAフラグメントを、pUPXYL2を鋳型として、XYL2cF (XhoI)(配列番号9)およびXYL2cR (NotI)(配列番号10)のプライマー対を用いてPCRによって調製した。GAPDHプロモーター、XKS1遺伝子、およびGAPDHターミネーターで構成される3.04kbp NotI-SacII DNAフラグメントを、pLXKS1を鋳型として、XKS1cF (NotI)(配列番号11)およびXKS1cR (SacII)(配列番号12)のプライマー対を用いてPCRによって調製した。これらのDNAフラグメントをプラスミドpRS406(Stratagene)のKpnI-XhoIセクション、XhoI-NotIセクション、およびNotI-SacIIセクションにそれぞれ挿入し、得られたプラスミドをpIUX1X2XKと命名した。   A 2.2 kbp KpnI-XhoI DNA fragment composed of the GAPDH promoter, XYL1 gene, and GAPDH terminator was used as a template for pWPXYL1 as a template, and a primer pair of XYL1cF (KpnI) (SEQ ID NO: 7) and XYL1cR (XhoI) (SEQ ID NO: 8). And prepared by PCR. A 2.3 kbp XhoI-NotI DNA fragment composed of the GAPDH promoter, XYL2 gene, and GAPDH terminator was used as a template pair of XYL2cF (XhoI) (SEQ ID NO: 9) and XYL2cR (NotI) (SEQ ID NO: 10) using pUPXYL2 as a template. And prepared by PCR. A 3.04 kbp NotI-SacII DNA fragment composed of the GAPDH promoter, XKS1 gene, and GAPDH terminator was used as a template pair of pKSX1 (SEQ ID NO: 11) and XKS1cR (SacII) (SEQ ID NO: 12) using pLXKS1 as a template. And prepared by PCR. These DNA fragments were inserted into the KpnI-XhoI section, XhoI-NotI section, and NotI-SacII section of plasmid pRS406 (Stratagene), respectively, and the resulting plasmid was named pIUX1X2XK.

アスペルギルス・アクレアータス(Aspergillus aculeatus)No. F-50由来β−グルコシダーゼBGL1の細胞表層提示のためのプラスミドpIBG13を以下のようにして構築した。bgl1遺伝子をコードする2.5kbp NcoI-XhoI DNAフラグメントを、プラスミドpBG211(京都大学より贈与)を鋳型として使用し、bgl1プライマー1(配列番号13)およびbgl1プライマー2(配列番号14)のプライマー対を用いてPCRによって調製した。このDNAフラグメントをNcoIおよびXhoIで消化し、リゾプス・オリゼ(Rhizopus oryzae)由来グルコアミラーゼ遺伝子の分泌シグナル配列をコードする遺伝子およびα−アグルチニン遺伝子の3’側半分の領域(非特許文献14)を含有する細胞表層発現プラスミドpIHCS(非特許文献15)のNcoI-XhoI部位に挿入した。得られたプラスミドをpIBG13と命名した(図1b)。   A plasmid pIBG13 for cell surface display of β-glucosidase BGL1 derived from Aspergillus aculeatus No. F-50 was constructed as follows. A 2.5 kbp NcoI-XhoI DNA fragment encoding the bgl1 gene was used using plasmid pBG211 (gift from Kyoto University) as a template and a primer pair of bgl1 primer 1 (SEQ ID NO: 13) and bgl1 primer 2 (SEQ ID NO: 14). And prepared by PCR. This DNA fragment is digested with NcoI and XhoI and contains the gene encoding the secretory signal sequence of the glucoamylase gene derived from Rhizopus oryzae and the 3 ′ half region of the α-agglutinin gene (Non-patent Document 14) The cell surface expression plasmid pIHCS (Non-patent Document 15) was inserted into the NcoI-XhoI site. The resulting plasmid was named pIBG13 (FIG. 1b).

上記プラスミドpIUX1X2XKおよびpIBG13を、サッカロマイセス・セレビシエMT8−1(MATa ura3 trp1 ade leu2 his3)に、Yeast Maker(CLONTEC社製)を用いて酢酸リチウム法により導入した。形質転換株はSD培地(6.7g/l yeast nitrogen base w/o amino acids、20g/l グルコース、0.03g/l ロイシン、0.02g/l トリプトファン、0.02g/l アデニン、0.02g/l ウラシル)で選択した。得られた形質転換体をMT8−1/pIUX1X2XK/pIBG13と命名した。この形質転換体は、BGL1を細胞表層に提示している。   The plasmids pIUX1X2XK and pIBG13 were introduced into Saccharomyces cerevisiae MT8-1 (MATa ura3 trp1 ade leu2 his3) by the lithium acetate method using Yeast Maker (manufactured by CLONTEC). Transformants are in SD medium (6.7 g / l yeast nitrogen base w / o amino acids, 20 g / l glucose, 0.03 g / l leucine, 0.02 g / l tryptophan, 0.02 g / l adenine, 0.02 g / l uracil). Selected. The obtained transformant was named MT8-1 / pIUX1X2XK / pIBG13. This transformant presents BGL1 on the cell surface.

(実施例2:形質転換サッカロマイセス・セレビシエのキシロース資化性の検証ならびにグルコースおよびキシロース含有発酵培地における形質転換サッカロマイセス・セレビシエによるエタノール生産)
本実施例では、実施例1で調製した形質転換サッカロマイセス・セレビシエがキシロース資化性であること、および実施に際してはグルコースおよびキシロースの共存下での使用が考えられるため、グルコースおよびキシロースが混在する培地におけるエタノールの生産について調べた。
(Example 2: Verification of xylose utilization of transformed Saccharomyces cerevisiae and ethanol production by transformed Saccharomyces cerevisiae in a fermentation medium containing glucose and xylose)
In this example, the transformed Saccharomyces cerevisiae prepared in Example 1 is xylose-assimilating and, in practice, it can be used in the presence of glucose and xylose. The production of ethanol in was investigated.

実施例1で調製した酵母形質転換体MT8−1/pIUX1X2XK/pIBG13を、30℃にて48時間、SDC培地(6.7g/l yeast nitrogen base w/o amino acids、20g/l グルコース、20g/l カザミノ酸、0.02g/l ウラシル、0.02g/l ヒスチジン)中で好気的に培養した。それらの細胞を、4℃にて10分間3,000×gで遠心分離することによって回収し、蒸留水で3回洗浄した。   The yeast transformant MT8-1 / pIUX1X2XK / pIBG13 prepared in Example 1 was added to SDC medium (6.7 g / l yeast nitrogen base w / o amino acids, 20 g / l glucose, 20 g / l) at 30 ° C. for 48 hours. The cells were aerobically cultured in casamino acid, 0.02 g / l uracil, 0.02 g / l histidine). The cells were harvested by centrifugation at 3,000 × g for 10 minutes at 4 ° C. and washed 3 times with distilled water.

次いで、細胞を、6.7g/l yeast nitrogen base w/o amino acids、20g/l カザミノ酸、および炭素源としての糖を含有する発酵培地に接種した。用いた糖は以下の通りである:キシロース50g/lのみ(図2A);グルコース2g/lおよびキシロース50g/l(図2B);グルコース5g/lおよびキシロース50g/l(図2C);グルコース10 g/lおよびキシロース50g/l(図2D);グルコース20g/lおよびキシロース50g/l(図2E);ならびにグルコース50g/lおよびキシロース50g/l(図2F)。全ての発酵を、気泡CO2排気口を供えた100ml密封ボトル内で、30℃にて、100rpmで穏やかに攪拌しながら実施した。 The cells were then inoculated into a fermentation medium containing 6.7 g / l yeast nitrogen base w / o amino acids, 20 g / l casamino acids, and sugar as the carbon source. The sugars used were: xylose 50 g / l only (FIG. 2A); glucose 2 g / l and xylose 50 g / l (FIG. 2B); glucose 5 g / l and xylose 50 g / l (FIG. 2C); glucose 10 g / l and xylose 50 g / l (FIG. 2D); glucose 20 g / l and xylose 50 g / l (FIG. 2E); and glucose 50 g / l and xylose 50 g / l (FIG. 2F). All fermentations were performed in a 100 ml sealed bottle with a bubbled CO 2 outlet at 30 ° C. with gentle stirring at 100 rpm.

発酵培地中の初期細胞密度を、OD600が20であるように調整した。発酵の間、細胞の生育を、600nmでの吸光度をモニタリングすることによって観測した。乾燥細胞重量(DW)を以下のように決定した:種々のOD600値に調整した培養ブロス(10ml)を、10分間3,000×gで遠心分離することにより、予め計量しておいた15ml試験管中に沈殿させた。10mlの蒸留水で再懸濁し、そしてさらに遠心分離した後、この沈殿物をFreeZone FZ-1(Labconco, Kansas, MO, USA)で凍結乾燥した。DWを、試験管を再度計量することによって算定した。細胞濃度をOD600とDWとの相関から推定した(0.31g DW/OD600値)。 The initial cell density in the fermentation medium was adjusted so that the OD 600 was 20. During fermentation, cell growth was observed by monitoring absorbance at 600 nm. The dry cell weight (DW) was determined as follows: a culture broth (10 ml) adjusted to various OD 600 values, pre-weighed by centrifuging at 3,000 × g for 10 minutes. Precipitated in. After resuspension with 10 ml of distilled water and further centrifugation, the precipitate was lyophilized with FreeZone FZ-1 (Labconco, Kansas, MO, USA). DW was calculated by reweighing the test tube. The cell concentration was estimated from the correlation between OD 600 and DW (0.31 g DW / OD 600 value).

発酵培地中の糖および糖アルコールを、高速液体クロマトグラフィー(HPLC)(Shimadzu, Kyoto, Japan)によって分析した。Shim-pack SPR-Pbカラム(Shimadzu)を、屈折率検出器(model RID-10A, Shimadzu)と共に使用した。このHPLCシステムを、移動相として水を用いて流速0.4ml/分で操作した。   Sugars and sugar alcohols in the fermentation medium were analyzed by high performance liquid chromatography (HPLC) (Shimadzu, Kyoto, Japan). A Shim-pack SPR-Pb column (Shimadzu) was used with a refractive index detector (model RID-10A, Shimadzu). The HPLC system was operated at a flow rate of 0.4 ml / min with water as the mobile phase.

エタノール濃度はガスクロマトグラフィーによって測定した。フレームイオン化検出器を取り付けたガスクロマトグラフ(model GC-8A; Shimadzu)を、以下の条件下で操作した:ガラスカラム(3.2mm×2.0m、Thermon-3000 (Shimadzu)を充填);カラム、注入器、および検出器温度180℃;および窒素キャリアガス流速25ml/分。   The ethanol concentration was measured by gas chromatography. A gas chromatograph (model GC-8A; Shimadzu) equipped with a flame ionization detector was operated under the following conditions: glass column (3.2 mm x 2.0 m, packed with Thermon-3000 (Shimadzu)); column, injector And a detector temperature of 180 ° C .; and a nitrogen carrier gas flow rate of 25 ml / min.

図2Aから図2Fはそれぞれ、上記各発酵培地における形質転換サッカロマイセス・セレビシエによる発酵の経時変化を示すグラフである。黒丸はグルコース、黒菱形はキシロース、黒四角はエタノール、黒三角はグリセロール、×はキシリトールを表す。左縦軸に発酵培地中のキシロース濃度(g/l)を、右縦軸は生成物の濃度(g/l)を、そして横軸は時間(時間)を示す。   FIG. 2A to FIG. 2F are graphs showing the time course of fermentation by transformed Saccharomyces cerevisiae in each of the above fermentation media. Black circles represent glucose, black diamonds represent xylose, black squares represent ethanol, black triangles represent glycerol, and x represents xylitol. The left vertical axis represents the xylose concentration (g / l) in the fermentation medium, the right vertical axis represents the product concentration (g / l), and the horizontal axis represents time (hours).

図2Aに示されるように、時間の経過とともに、キシロースは消費され、エタノールが生成した。このように、サッカロマイセス・セレビシエにキシロース代謝系酵素(XR、XDH、およびXK)を付与すると、サッカロマイセス・セレビシエが通常資化できないキシロースを、エタノールへと変換できた。   As shown in FIG. 2A, with the passage of time, xylose was consumed and ethanol was produced. As described above, when xylose metabolic enzymes (XR, XDH, and XK) were added to Saccharomyces cerevisiae, xylose that Saccharomyces cerevisiae cannot normally assimilate could be converted into ethanol.

グルコースが培地に含まれる場合、図2Eに示されるように、グルコースが20g/lの場合、キシロースの資化速度に影響が見られ、そして図2Fに示されるように、グルコースが50g/lの場合では、キシロースの資化速度は著しく減少した。グルコースが20g/l以上であると、キシロースは、100時間経過後もなお残存した(図2E、F)。これは、サッカロマイセス・セレビシエが元来資化し得るグルコースを優先的に取り込み、エタノールへと変換することで、キシロースの資化への経路を阻害するようになったと考えられる。一方、図2Bから図2Dに示されるように、グルコースが10g/lまでの発酵培地では、キシロースの資化にあまり影響がないようであった。   When glucose is included in the medium, as shown in FIG. 2E, when glucose is 20 g / l, the rate of xylose utilization is affected, and as shown in FIG. 2F, glucose is 50 g / l. In some cases, the xylose utilization rate was significantly reduced. When glucose was 20 g / l or more, xylose still remained after 100 hours (FIGS. 2E and F). This is presumably because the Saccharomyces cerevisiae preferentially takes in glucose that can be assimilated and converts it into ethanol, thereby inhibiting the route to assimilation of xylose. On the other hand, as shown in FIG. 2B to FIG. 2D, it seemed that the fermentation medium with glucose up to 10 g / l had little influence on the utilization of xylose.

(実施例3:セロビオースおよびキシロースを含有する発酵培地における形質転換サッカロマイセス・セレビシエによるエタノール生産)
実施例1で調製した形質転換サッカロマイセス・セレビシエMT8−1/pIUX1X2XK/pIBG13を、発酵培地に炭素源として50g/l セロビオースおよび50g/l キシロースを含有すること以外は、実施例2と同様にして、エタノール生産について調べた。
(Example 3: Ethanol production by transformed Saccharomyces cerevisiae in a fermentation medium containing cellobiose and xylose)
Except that the transformed Saccharomyces cerevisiae MT8-1 / pIUX1X2XK / pIBG13 prepared in Example 1 contains 50 g / l cellobiose and 50 g / l xylose as carbon sources in the fermentation medium, The ethanol production was investigated.

図3は、セロビオースおよびキシロースを含有する発酵培地における形質転換サッカロマイセス・セレビシエによる発酵の経時変化を示すグラフである。白三角はセロビオース、黒菱形はキシロース、黒四角はエタノール、黒三角はグリセロール、×はキシリトールを表す。左縦軸に発酵培地中の糖の濃度(g/l)を、右縦軸は生成物の濃度(g/l)を、そして横軸は時間(時間)を示す。時間の経過とともに、キシロースおよびセロビオースは消費され、エタノールが生成された。実施例2のグルコースおよびキシロース共発酵で観察された結果とは異なり、セロビオースおよびキシロースを含む発酵培地では、キシロースが、キシロース単独時と大差なく資化され得た(図3)。   FIG. 3 is a graph showing the time course of fermentation by transformed Saccharomyces cerevisiae in a fermentation medium containing cellobiose and xylose. White triangles represent cellobiose, black diamonds represent xylose, black squares represent ethanol, black triangles represent glycerol, and x represents xylitol. The left vertical axis represents the sugar concentration (g / l) in the fermentation medium, the right vertical axis represents the product concentration (g / l), and the horizontal axis represents time (hour). Over time, xylose and cellobiose were consumed and ethanol was produced. Unlike the results observed with glucose and xylose co-fermentation in Example 2, xylose could be assimilated in a fermentation medium containing cellobiose and xylose with no significant difference from that of xylose alone (FIG. 3).

本発明の方法によれば、微生物発酵によるエタノール生産に最も優れているとされているサッカロマイセス・セレビシエにおいて、五炭糖のキシロースを効率的にエタノールに変換できる。本発明の方法は、バガスおよびコーンファイバーのようなソフトバイオマスからの微生物発酵を利用したエタノールの製造に有用であり得る。   According to the method of the present invention, the pentose xylose can be efficiently converted to ethanol in Saccharomyces cerevisiae, which is said to be most excellent in ethanol production by microbial fermentation. The method of the present invention may be useful for the production of ethanol utilizing microbial fermentation from soft biomass such as bagasse and corn fiber.

プラスミドpIUX1X2XK(a)およびpIBG13(b)の模式図である。It is a schematic diagram of plasmid pIUX1X2XK (a) and pIBG13 (b). キシロース50g/l含有発酵培地における形質転換サッカロマイセス・セレビシエによる発酵の経時変化を示すグラフである。It is a graph which shows the time-dependent change of fermentation by the transformed Saccharomyces cerevisiae in a fermentation medium containing xylose 50 g / l. グルコース2g/lおよびキシロース50g/lを含有する発酵培地における形質転換サッカロマイセス・セレビシエによる発酵の経時変化を示すグラフである。It is a graph which shows the time-dependent change of fermentation by transformation Saccharomyces cerevisiae in the fermentation medium containing 2 g / l of glucose and 50 g / l of xylose. グルコース5g/lおよびキシロース50g/lを含有する発酵培地における形質転換サッカロマイセス・セレビシエによる発酵の経時変化を示すグラフである。It is a graph which shows the time-dependent change of fermentation by transformation Saccharomyces cerevisiae in the fermentation medium containing glucose 5g / l and xylose 50g / l. グルコース10g/lおよびキシロース50g/lを含有する発酵培地における形質転換サッカロマイセス・セレビシエによる発酵の経時変化を示すグラフである。It is a graph which shows the time-dependent change of fermentation by transformed Saccharomyces cerevisiae in a fermentation medium containing glucose 10 g / l and xylose 50 g / l. グルコース20g/lおよびキシロース50g/lを含有する発酵培地における形質転換サッカロマイセス・セレビシエによる発酵の経時変化を示すグラフである。It is a graph which shows the time-dependent change of fermentation by transformed Saccharomyces cerevisiae in a fermentation medium containing glucose 20 g / l and xylose 50 g / l. グルコース50g/lおよびキシロース50g/lを含有する発酵培地における形質転換サッカロマイセス・セレビシエによる発酵の経時変化を示すグラフである。It is a graph which shows the time-dependent change of fermentation by transformed Saccharomyces cerevisiae in a fermentation medium containing glucose 50 g / l and xylose 50 g / l. セロビオース50g/lおよびキシロース50g/lを含有する発酵培地における形質転換サッカロマイセス・セレビシエによる発酵の経時変化を示すグラフである。It is a graph which shows the time-dependent change of fermentation by the transformed Saccharomyces cerevisiae in a fermentation medium containing cellobiose 50 g / l and xylose 50 g / l.

Claims (1)

エタノールを製造する方法であって、該方法が、
2個以上のグルコースからなる糖およびキシロースを含む培地において、該2個以上のグルコースからなる糖を分解する酵素の存在下で、グルコースおよびキシロースを資化できる微生物により発酵させる工程を含み、
該微生物が、キシロース資化性遺伝子を有し、かつ2個以上のグルコースからなる糖を分解する酵素を細胞表層に提示するサッカロマイセス・セレビシエであり
該2個以上のグルコースからなる糖を分解する酵素が、該サッカロマイセス・セレビシエの細胞表層に提示される酵素を含み、
該培地が、キシロース量(質量基準)に対してグルコースを40%未満の量で含む、
方法。
A method of producing ethanol, the method comprising:
In a medium containing xylose and sugars composed of two or more glucoses, and in the presence of an enzyme that decomposes the sugars composed of two or more glucoses, fermenting with a microorganism capable of assimilating glucose and xyloses,
The microorganism is a Saccharomyces cerevisiae having a xylose-assimilating gene and presenting an enzyme that degrades a sugar composed of two or more glucoses on a cell surface,
The enzyme that degrades a sugar composed of two or more glucoses includes an enzyme that is presented on the cell surface of the Saccharomyces cerevisiae;
The medium comprises an amount of glucose less than 40% xylose amount (by weight),
Method.
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