JP5332277B2 - Method for producing NADH and method for producing formate dehydrogenase - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide useful applications of a formic dehydrogenase by utilizing the formic dehydrogenase which exhibits high specific activity unpredictable from conventional knowledge. <P>SOLUTION: It is elucidated that the formic dehydrogenase derived from Gibberella zeae exhibits preeminently high specific activity in the conventionally known formic dehydrogenases. As the formic dehydrogenase derived from Gibberella zeae, for example, proteins including specific amino acid sequence are included by utilization of the formic dehydrogenase derived from the Gibberella zeae can produce NADH (reduced type nicotinamide adenine dinucleotide). <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&amp;INPIT

Description

本発明は、ギ酸脱水素酵素を用いたNADHの製造方法、及びギ酸脱水素酵素の製造方法に関する。   The present invention relates to a method for producing NADH using formate dehydrogenase and a method for producing formate dehydrogenase.

酸化型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド(NAD+)は、ギ酸と水の存在下でギ酸脱水素酵素(EC.1.2.1.2)の触媒反応によって還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド(NADH)に還元される。このように、ギ酸脱水素酵素は、NAD+からNADHを再生する系に利用されている。従来、ギ酸脱水素酵素としては、例えば特許文献1に記載されるようなカンジダボイジニイ(Candida boidinii)(ATCC32195)由来のギ酸脱水素酵素、特許文献2に開示されるようなバチルス属細菌由来のNAD+依存性ギ酸脱水素酵素、特許文献3に開示されるようなマイコバクテリウム・バッカエ(Mycobacterium vaccae)由来のギ酸脱水素酵素が知られていた。 Oxidized nicotinamide adenine dinucleotide (NAD + ) is reduced to reduced nicotinamide adenine dinucleotide (NADH) by the catalytic reaction of formate dehydrogenase (EC.1.2.1.2) in the presence of formic acid and water. Thus, formate dehydrogenase is used in a system for regenerating NADH from NAD + . Conventionally, as formate dehydrogenase, formate dehydrogenase derived from Candida boidinii (ATCC32195) as described in Patent Document 1, for example, derived from Bacillus bacteria as disclosed in Patent Document 2 NAD + -dependent formate dehydrogenase, a formate dehydrogenase derived from Mycobacterium vaccae as disclosed in Patent Document 3, has been known.

また、非特許文献1には、これら以外にも種々の微生物や植物由来のギ酸脱水素酵素が開示されている。しかしながら、非特許文献1に記述されているように、ギ酸脱水素酵素は、様々な酵素のなかでも比活性の低いほうである。換言すると、ギ酸脱水素酵素によるNADHへの還元反応を利用したNADHの生産方法は、ギ酸脱水素酵素の比活性の低さに起因して生産性が悪いといえる。   In addition, Non-Patent Document 1 discloses formic acid dehydrogenases derived from various microorganisms and plants in addition to these. However, as described in Non-Patent Document 1, formate dehydrogenase has a lower specific activity among various enzymes. In other words, it can be said that the NADH production method using the reduction reaction to NADH by formate dehydrogenase has poor productivity due to the low specific activity of formate dehydrogenase.

特開2003−180383号公報JP 2003-180383 A 特開2002−233395号公報JP 2002-233395 A 特願平10−023896号公報Japanese Patent Application No. 10-023896 BIOCHEMISTRY (Moscow) Vol. 69 No. 11 2004 pp. 1252-1267.(Biokhimiya, Vol. 69, No. 11, 2004, pp. 1537-1554.の英訳)BIOCHEMISTRY (Moscow) Vol. 69 No. 11 2004 pp. 1252-1267. (English translation of Biokhimiya, Vol. 69, No. 11, 2004, pp. 1537-1554.)

そこで、本発明は、上述した実情に鑑み、従来の知見からは予測できないほどに高い比活性を示すギ酸脱水素酵素を利用したNADHの製造方法を提供するとともに、高い比活性を示すギ酸脱水素酵素の製造方法及び当該ギ酸脱水素酵素の有用な利用用途を提供することを目的としている。   Therefore, in view of the above-described circumstances, the present invention provides a method for producing NADH using formate dehydrogenase having a high specific activity that cannot be predicted from conventional knowledge, and also provides a high specific activity formate dehydrogenation. It aims at providing the useful manufacturing use of the manufacturing method of the enzyme, and the said formate dehydrogenase.

上述した目的を達成するため本発明者らが鋭意検討した結果、アカカビ由来のギ酸脱水素酵素は従来公知のギ酸脱水素酵素のなかでも抜群に高い比活性を示すことを明らかにした。なお、このアカカビ由来のギ酸脱水素酵素については、そのアミノ酸配列がデータベースにエントリーされているものの、このデータは塩基配列情報からの推定アミノ酸配列であって、実際に単離されておらず遺伝子もクローニングされていなかった。また、本発明者らが、鋭意検討したところ、アカカビ由来のギ酸脱水素酵素を定法に従って発現させても全くと言っていいほど活性型として取得することはできず、所定の条件で発現させることで初めて高い比活性を示す酵素として単離することに成功した。   As a result of intensive studies by the present inventors in order to achieve the above-described object, it has been clarified that the formic acid dehydrogenase derived from red mold exhibits a particularly high specific activity among the conventionally known formate dehydrogenases. Although the amino acid sequence of this red mold derived formate dehydrogenase has been entered in the database, this data is a deduced amino acid sequence from the base sequence information and is not actually isolated and the gene It was not cloned. In addition, the inventors of the present invention have intensively studied, and it is not possible to obtain a formic acid dehydrogenase derived from red mold according to a standard method, so that it can be obtained as an active form at all. Was successfully isolated for the first time as an enzyme exhibiting high specific activity.

以上の知見に基づく本発明は以下を包含する。
(1)ギ酸及びNAD+を含む反応系にアカカビ由来のギ酸脱水素酵素を作用させる、NADHの製造方法。
本発明に係るNADHの製造方法において、上記アカカビ由来のギ酸脱水素酵素は、以下の(a)〜(c)のいずれかのタンパク質であることが好ましい。
(a)配列番号2に示すアミノ酸配列を含むタンパク質
(b)配列番号2に示すアミノ酸配列において1又は複数個のアミノ酸が欠失、置換、付加又は挿入されたアミノ酸配列を含み、ギ酸及びNAD+を基質として二酸化炭素及びNADHを生産物とする反応における触媒活性を有するタンパク質
(c)配列番号1に示す塩基配列の相補的な塩基配列からなるポリヌクレオチドに対してストリンジェントな条件下においてハイブリダイズするポリヌクレオチドによってコードされ、ギ酸及びNAD+を基質として二酸化炭素及びNADHを生産物とする反応における触媒活性を有するタンパク質
また、本発明に係るNADHの製造方法において、上記アカカビ由来のギ酸脱水素酵素は、配列番号2に示すアミノ酸配列に対して85%以上の相同性を有するアミノ酸配列を含むタンパク質であることが好ましい。
The present invention based on the above findings includes the following.
(1) A method for producing NADH, wherein a formic acid dehydrogenase derived from red mold is allowed to act on a reaction system containing formic acid and NAD + .
In the method for producing NADH according to the present invention, the formic acid dehydrogenase derived from red mold is preferably a protein of any one of the following (a) to (c).
(A) a protein comprising the amino acid sequence shown in SEQ ID NO: 2 (b) comprising an amino acid sequence in which one or more amino acids have been deleted, substituted, added or inserted in the amino acid sequence shown in SEQ ID NO: 2, and formic acid and NAD + A protein having catalytic activity in a reaction in which carbon dioxide and NADH are produced using CO2 as a substrate (c) hybridizing under stringent conditions to a polynucleotide comprising a base sequence complementary to the base sequence shown in SEQ ID NO: 1 A protein having catalytic activity in a reaction using formic acid and NAD + as substrates and carbon dioxide and NADH as products, and in the method for producing NADH according to the present invention, the above-mentioned red mold derived formate dehydrogenase Is an amino acid sequence having 85% or more homology to the amino acid sequence shown in SEQ ID NO: 2. It is preferable that a protein-free.

(2)アカカビ由来のギ酸脱水素酵素遺伝子を誘導型プロモーターの制御下に配置したベクターを導入した宿主を培養し、対数増殖期を過ぎた時に上記ギ酸脱水素酵素遺伝子の発現を誘導し、上記宿主の生育至適温度よりも低く且つ上記宿主が生存可能な温度で培養し、上記ギ酸脱水素酵素を取得することを特徴とする、ギ酸脱水素酵素の製造方法。   (2) culturing a host introduced with a vector in which a red mold-derived formate dehydrogenase gene is placed under the control of an inducible promoter, and inducing expression of the formate dehydrogenase gene when the logarithmic growth phase has passed, A method for producing formate dehydrogenase, comprising culturing at a temperature lower than the optimum growth temperature of the host and allowing the host to survive to obtain the formate dehydrogenase.

本発明に係るギ酸脱水素酵素の製造方法において上記アカカビ由来のギ酸脱水素酵素は、上記(a)〜(c)のいずれかのタンパク質であることが好ましい。また、上記アカカビ由来のギ酸脱水素酵素は、配列番号2に示すアミノ酸配列に対して85%以上の相同性を有するアミノ酸配列を含むタンパク質であることが好ましい。
さらに、本発明に係るギ酸脱水素酵素の製造方法において上記対数増殖を過ぎた時は定常期であることが好ましい。また、本発明に係るギ酸脱水素酵素の製造方法において、上記宿主の生育至適温度よりも低く且つ上記宿主が生存可能な温度は15〜37℃とすることができる。
In the method for producing formate dehydrogenase according to the present invention, it is preferable that the formic acid dehydrogenase derived from red mold is a protein of any one of the above (a) to (c). Moreover, it is preferable that the above-mentioned red mold formate dehydrogenase is a protein comprising an amino acid sequence having 85% or more homology with the amino acid sequence shown in SEQ ID NO: 2.
Furthermore, in the method for producing formate dehydrogenase according to the present invention, when the logarithmic growth is exceeded, it is preferably a stationary phase. In the method for producing formate dehydrogenase according to the present invention, the temperature at which the host is able to survive and lower than the optimum growth temperature of the host can be 15 to 37 ° C.

本発明に係るNADHの製造方法によれば、非常に高い比活性を示すギ酸脱水素酵素を利用するため、非常に高価な物質として知られるNADHを優れた生産性で製造することができる。本発明に係るNADHの製造方法を適用することによって、NADHの工業的製造が可能となる。   According to the method for producing NADH according to the present invention, NADH known as a very expensive substance can be produced with excellent productivity because a formate dehydrogenase having a very high specific activity is used. By applying the NADH production method according to the present invention, industrial production of NADH becomes possible.

また、本発明に係るギ酸脱水素酵素の製造方法によれば、アカカビ由来のギ酸脱水素酵素を非常に高い比活性を示す状態で製造することができる。このアカカビ由来のギ酸脱水素酵素は、従来公知のギ酸脱水素酵素と比較して抜群に高い比活性を示すため、NADHの製造方法等に広く利用することができる。   Moreover, according to the method for producing formate dehydrogenase according to the present invention, formic acid dehydrogenase derived from red mold can be produced in a state of showing very high specific activity. This red mold-derived formate dehydrogenase exhibits an exceptionally high specific activity as compared with conventionally known formate dehydrogenases, and thus can be widely used in NADH production methods and the like.

以下、本発明を図面を参照して詳細に説明する。   Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

本発明においては、アカカビ由来のギ酸脱水素酵素が従来公知のギ酸脱水素酵素と比較して抜群に優れ比活性を示すといった知見に基づいている。先ず、アカカビ由来のギ酸脱水素酵素について説明する。   In the present invention, it is based on the knowledge that red mold derived formate dehydrogenase is excellent in specific activity compared with conventionally known formate dehydrogenase. First, formic acid dehydrogenase derived from red mold is described.

アカカビ由来のギ酸脱水素酵素
本発明において使用可能なギ酸脱水素酵素は、アカカビ由来、すなわちアカカビが本来有しているギ酸脱水素酵素である。ここで、アカカビ由来のギ酸脱水素酵素を取得するためには、アカカビ(学名:Gibberella zeae)として保存されている、従来公知の種々の菌株を使用することができる。例えば、American Type Culture Collection (ATCC)には、ATCC番号10910、20271、20272、20274、24689、28106又は48063として保存されているアカカビを使用することができる。また、ATCCには、登録名がFusarium graminearumとして保存されている場合もあるが、別名としてGibberella zeaeが登録されている場合にはこれらも使用することができる。なお、Gibberella zeaeは、Fusarium graminearumの完全世代(テレオモルフ)のことを示している。また、独立行政法人製品評価技術基盤機構の生物遺伝資源部門(NBRC)には、NBRC番号4474、5269、6608、7160、7520、7772、8850又は9462として保存されているアカカビを使用することができる。
Formic acid dehydrogenase derived from red mold The formate dehydrogenase that can be used in the present invention is formic acid dehydrogenase that is derived from red mold, that is, native to red mold. Here, in order to obtain red mold formate dehydrogenase, various conventionally known strains stored as red mold (scientific name: Gibberella zeae) can be used. For example, red mold stored as ATCC numbers 10910, 20271, 20272, 20274, 24689, 28106, or 48063 can be used for the American Type Culture Collection (ATCC). The ATCC may store the registered name as Fusarium graminearum, but if Gibberella zeae is registered as an alias, these can also be used. Gibberella zeae indicates a complete generation (Teleomorph) of Fusarium graminearum. In addition, red mold stored as NBRC Nos. 4474, 5269, 6608, 7160, 7520, 7772, 8850 or 9462 can be used in the Biological Genetic Resources Department (NBRC) of the National Institute for Product Evaluation and Technology (NBRC). .

また、上述したようなアカカビを野生型として、ランダムに突然変異を導入した変異株を使用して、アカカビ由来のギ酸脱水素酵素を取得してもよい。さらに、ATCCやNBRCといった機関に保存された菌株ではなく、自然界から独自に単離したアカカビを使用してアカカビ由来のギ酸脱水素酵素を取得しても良い。   Moreover, you may acquire the formic acid dehydrogenase derived from a red mold using the mutant which introduce | transduced the mutation | mutation at random using the red mold as mentioned above as a wild type. Furthermore, formic acid dehydrogenase derived from red mold may be obtained using a red mold originally isolated from nature, not a strain stored in an organization such as ATCC or NBRC.

一例として、NBRC番号4474で保存されたアカカビから単離したギ酸脱水素酵素遺伝子の塩基配列及びギ酸脱水素酵素のアミノ酸配列をそれぞれ配列番号1及び2に示す。なお、この塩基配列及びアミノ酸配列は、Genbankのデータベースに登録番号NW_059922として登録されているものと100%一致している。しかし、登録番号NW_059922として登録された塩基配列及びアミノ酸配列は、コンピュータ解析による予測によりギ酸脱水素酵素遺伝子のコーディング領域とされたに過ぎず、実験的にギ酸脱水素酵素遺伝子が単離された結果として同定されたものではない。   As an example, the base sequence of the formate dehydrogenase gene and the amino acid sequence of formate dehydrogenase isolated from red mold conserved under NBRC No. 4474 are shown in SEQ ID NOs: 1 and 2, respectively. This base sequence and amino acid sequence are 100% identical with those registered as the registration number NW_059922 in the Genbank database. However, the base sequence and amino acid sequence registered under the registration number NW_059922 were only the coding region of the formate dehydrogenase gene as predicted by computer analysis, and the results of the experimental isolation of the formate dehydrogenase gene It was not identified as.

本発明において使用可能なギ酸脱水素酵素は、配列番号2に示したアミノ酸配列からなるものに限定されず、例えば、配列番号2に示すアミノ酸配列において1又は複数個のアミノ酸が欠失、置換、付加又は挿入されたアミノ酸配列を含み、ギ酸及びNAD+を基質として二酸化炭素及びNADHを生産物とする反応における触媒活性を有するものであっても良い。ここで、複数個のアミノ酸としては、例えば、1から30個、好ましくは1から20個、より好ましくは1から10個、さらに好ましくは1個から5個、特に好ましくは1個から3個を意味する。なお、アミノ酸の欠失、置換若しくは付加は、上記遺伝子をコードする塩基配列を、当該技術分野で公知の手法によって改変することによって行うことができる。塩基配列に変異を導入するには、Kunkel法またはGapped duplex法等の公知手法又はこれに準ずる方法により行うことができ、例えば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Mutant-KやMutant-G(何れも商品名、TAKARA社製))等を用いて、あるいはLA PCR in vitro Mutagenesisシリーズキット(商品名、TAKARA社製)を用いて変異が導入される。 The formate dehydrogenase that can be used in the present invention is not limited to the amino acid sequence shown in SEQ ID NO: 2, for example, one or more amino acids in the amino acid sequence shown in SEQ ID NO: 2 are deleted, substituted, It may contain an added or inserted amino acid sequence and have catalytic activity in a reaction using formic acid and NAD + as substrates and carbon dioxide and NADH as products. Here, as the plurality of amino acids, for example, 1 to 30, preferably 1 to 20, more preferably 1 to 10, still more preferably 1 to 5, particularly preferably 1 to 3 means. In addition, amino acid deletion, substitution, or addition can be performed by modifying the base sequence encoding the gene by a technique known in the art. Mutation can be introduced into a base sequence by a known method such as Kunkel method or Gapped duplex method or a method according thereto, for example, a mutation introduction kit (for example, Mutant-) using site-directed mutagenesis. Mutations are introduced using K, Mutant-G (both trade names, manufactured by TAKARA) or the like, or LA PCR in vitro Mutagenesis series kit (trade name, manufactured by TAKARA).

また、本発明においては、配列番号2に示すアミノ酸配列に対して、例えば85%以上、好ましくは90%以上、より好ましくは95%以上、最も好ましくは98%以上の相同性を有するアミノ酸配列を含み、ギ酸及びNAD+を基質として二酸化炭素及びNADHを生産物とする反応における触媒活性を有するギ酸脱水素酵素を使用することもできる。ここで、相同性の値は、blastアルゴリズムを実装したコンピュータプログラム及び遺伝子配列情報を格納したデータベースを用いてデフォルトの設定で求められる値を意味する。 Further, in the present invention, an amino acid sequence having homology of, for example, 85% or more, preferably 90% or more, more preferably 95% or more, and most preferably 98% or more with respect to the amino acid sequence shown in SEQ ID NO: 2. It is also possible to use a formate dehydrogenase having catalytic activity in a reaction containing carbon dioxide and NADH using formic acid and NAD + as substrates. Here, the homology value means a value obtained by default setting using a computer program in which the blast algorithm is implemented and a database storing gene sequence information.

さらに、本発明においては、配列番号1に示す塩基配列の一部又は全部に対して相補的なポリヌクレオチドに対してストリンジェントな条件下でハイブリダイズするポリヌクレオチドにコードされたタンパク質であってギ酸及びNAD+を基質として二酸化炭素及びNADHを生産物とする反応における触媒活性を有するタンパク質をギ酸脱水素酵素として使用することができる。ここで、ストリンジェントな条件下でハイブリダイズするとは、60℃で2×SSC洗浄条件下で結合を維持することを意味する。ハイブリダイゼーションは、J. Sambrook et al. Molecular Cloning, A Laboratory Manual,2nd Ed., Cold Spring Harbor Laboratory(1989)に記載されている方法等、従来公知の方法で行うことができる。 Furthermore, in the present invention, a protein encoded by a polynucleotide that hybridizes under stringent conditions to a polynucleotide complementary to a part or all of the base sequence shown in SEQ ID NO: 1, comprising formic acid A protein having catalytic activity in a reaction using carbon dioxide and NADH as products with NAD + as a substrate can be used as formate dehydrogenase. Here, hybridizing under stringent conditions means maintaining binding at 60 ° C. under 2 × SSC washing conditions. Hybridization can be performed by a conventionally known method such as the method described in J. Sambrook et al. Molecular Cloning, A Laboratory Manual, 2nd Ed., Cold Spring Harbor Laboratory (1989).

以上で説明したアカカビ由来のギ酸脱水素酵素は、従来公知のギ酸脱水素酵素と比較して抜群に優れた比活性を有している。ここで比較対象となる従来公知のギ酸脱水素酵素としてはNeurospora crassa由来、Saccharomyces cerevisiae由来、Emericella nidulans由来又はCandida boidinii由来のギ酸脱水素酵素を挙げることができる。また、BIOCHEMISTRY (Moscow) Vol. 69 No. 11 2004 pp. 1252-1267.(Biokhimiya, Vol. 69, No. 11, 2004, pp. 1537-1554.の英訳)には、従来公知のギ酸脱水素酵素の比活性が掲載されており、これら掲載されたギ酸脱水素酵素の比活性と比較することもできる。いずれの従来公知のギ酸脱水素酵素と比較しても、アカカビ由来のギ酸脱水素酵素の比活性は、2〜10倍以上の値を示している。なお、従来公知のギ酸脱水素酵素のなかでは、Paracoccus sp.12-A由来のギ酸脱水素酵素の比活性が最も高い値を示している。Paracoccus sp.12-A由来のギ酸脱水素酵素の比活性と比較すると、アカカビ由来のギ酸脱水素酵素の比活性は約2倍となっている。   The formic acid-derived formate dehydrogenase described above has an excellent specific activity as compared with a conventionally known formate dehydrogenase. Examples of conventionally known formate dehydrogenase to be compared here include formate dehydrogenase derived from Neurospora crassa, derived from Saccharomyces cerevisiae, derived from Emericella nidulans, or derived from Candida boidinii. BIOCHEMISTRY (Moscow) Vol. 69 No. 11 2004 pp. 1252-1267. (English translation of Biokhimiya, Vol. 69, No. 11, 2004, pp. 1537-1554.) The specific activities of the enzymes are listed, and can be compared with the specific activities of these listed formate dehydrogenases. Compared to any conventionally known formate dehydrogenase, the specific activity of red mold formate dehydrogenase shows a value of 2 to 10 times or more. Among the conventionally known formate dehydrogenases, the specific activity of formate dehydrogenase derived from Paracoccus sp. 12-A is the highest. Compared with the specific activity of formate dehydrogenase derived from Paracoccus sp. 12-A, the specific activity of formate dehydrogenase derived from red mold is approximately doubled.

アカカビ由来のギ酸脱水素酵素の製造
上述したアカカビ由来のギ酸脱水素酵素は、従来公知のタンパク質の製造方法では取得することができない。本発明に係るギ酸脱水素酵素の製造方法は、上述したアカカビ由来のギ酸脱水素酵素遺伝子を誘導型プロモーターの制御下に配置したベクターを導入した宿主を準備する。そして当該宿主を培養し、対数増殖期を過ぎた時に上記ギ酸脱水素酵素遺伝子の発現を誘導する。次に、上記宿主の生育至適温度よりも低く且つ上記宿主が生存可能な温度で培養することでギ酸脱水素酵素を宿主内に発現させる。
Production of red mold-derived formate dehydrogenase The aforementioned red mold-derived formate dehydrogenase cannot be obtained by a conventionally known protein production method. The method for producing formate dehydrogenase according to the present invention prepares a host into which a vector in which the above-described red mold derived formate dehydrogenase gene is placed under the control of an inducible promoter. Then, the host is cultured, and the expression of the formate dehydrogenase gene is induced when the logarithmic growth phase has passed. Next, formate dehydrogenase is expressed in the host by culturing at a temperature lower than the optimum growth temperature of the host and at which the host can survive.

本発明に係るギ酸脱水素酵素の製造方法において、誘導型プロモーターとしては、特に限定されず、従来公知のものを使用することができる。例えば、上記の宿主として大腸菌を使用する場合には、イソプロピル-β-チオガラクトピラノシド(IPTG)の存在下に転写活性を示す誘導型プロモーターを使用することができる。このようなプロモーターの例としては、Trpプロモーター、Lacプロモーター、Trcプロモーター及びTacプロモーターを挙げることができる。また、IPTG以外の誘導物質の存在下に転写活性を示す他のプロモーターや、培地成分及び温度等の培養条件に応じて転写活性を示す他のプロモーターも、誘導型プロモーターとして使用することができる。   In the method for producing formate dehydrogenase according to the present invention, the inducible promoter is not particularly limited, and a conventionally known promoter can be used. For example, when E. coli is used as the above host, an inducible promoter exhibiting transcriptional activity in the presence of isopropyl-β-thiogalactopyranoside (IPTG) can be used. Examples of such promoters include Trp promoter, Lac promoter, Trc promoter, and Tac promoter. In addition, other promoters that exhibit transcriptional activity in the presence of inducers other than IPTG, and other promoters that exhibit transcriptional activity according to culture conditions such as medium components and temperature can also be used as inducible promoters.

また、本発明に係るギ酸脱水素酵素の製造方法において、ベクターとしては、上記の宿主内で複製可能なものであれば特に限定されず、如何なるベクターをも使用することができる。例えば、上記宿主として大腸菌を使用する場合には、ベクターとしてはプラスミドベクター、ファージベクターのいずれであっても良い。具体的なベクターとしては、pCDFシリーズ、pRSFシリーズ、pETシリーズ等を例示列挙することができる。   Moreover, in the method for producing formate dehydrogenase according to the present invention, the vector is not particularly limited as long as it can be replicated in the above-mentioned host, and any vector can be used. For example, when E. coli is used as the host, the vector may be a plasmid vector or a phage vector. Specific examples of the vector include pCDF series, pRSF series, and pET series.

さらに宿主としては、発現ベクターに組み込まれたプロモーターから転写可能な宿主であれば特に限定されないが、例えば、発現ベクターがpET(T7プロモーター)系の場合には大腸菌BL21(DE3)を使用することができる。上述したベクターを宿主に導入する手法としては、一般的に形質転換法として知られる各種の手法を適用することができる。具体的な手法としては、例えば、リン酸カルシウム法、エレクトロポレーション法、リポフェクション法等を適用することができる。   Further, the host is not particularly limited as long as it can be transcribed from a promoter incorporated in an expression vector. For example, when the expression vector is a pET (T7 promoter) system, E. coli BL21 (DE3) may be used. it can. As a technique for introducing the above-described vector into a host, various techniques generally known as transformation methods can be applied. As a specific method, for example, a calcium phosphate method, an electroporation method, a lipofection method, or the like can be applied.

特に本発明に係るギ酸脱水素酵素の製造方法においては、ベクターを導入した宿主を培養し、対数増殖期を過ぎた時に上記ギ酸脱水素酵素遺伝子の発現を誘導する。ギ酸脱水素酵素遺伝子の発現を誘導する前において、宿主の培養条件としては、何ら限定されず、例えば当該宿主の生育至適温度や生育至適pHを勘案して適宜、設定すればよい。しかし、培養を継続しながら宿主の増殖を観察し、いわゆる対数増殖期を過ぎた時点で以下の条件を満足するような培養条件に変更する。すなわち、条件1としてギ酸脱水素酵素遺伝子の発現を誘導すし、条件2として宿主の生育至適温度よりも低く且つ宿主が生存可能な温度で培養する。   In particular, in the method for producing formate dehydrogenase according to the present invention, the host into which the vector has been introduced is cultured, and the expression of the formate dehydrogenase gene is induced when the logarithmic growth phase has passed. Before inducing the expression of the formate dehydrogenase gene, the culture conditions of the host are not limited in any way, and may be appropriately set in consideration of, for example, the optimum growth temperature and optimum growth pH of the host. However, the growth of the host is observed while continuing the culture, and the culture conditions are changed to satisfy the following conditions when the so-called logarithmic growth phase has passed. That is, as the condition 1, the expression of the formate dehydrogenase gene is induced, and as the condition 2, the culture is performed at a temperature lower than the optimum growth temperature of the host and at which the host can survive.

ここで、対数増殖期を過ぎた時とは、横軸に培養時間及び縦軸に細胞数の対数をとった増殖曲線において、所定の傾きの略直線で表される部分から、接線の傾きが低下し始める時点を意味する。なお、培養曲線は培地中のOD600nmを測定することによって作製することができる。また、ギ酸脱水素酵素遺伝子の発現を誘導する際には、対数増殖期を過ぎて定常期に入ってからが好ましい。ここで定常期とは、上述した増殖曲線の接線の傾きがほぼ0となる期間である。   Here, when the logarithmic growth phase has passed, the slope of the tangent line from the portion represented by the approximate straight line of the predetermined slope in the growth curve in which the horizontal axis represents the culture time and the vertical axis represents the logarithm of the number of cells. It means the point in time when it begins to decline. The culture curve can be prepared by measuring OD600 nm in the medium. Moreover, when inducing the expression of the formate dehydrogenase gene, it is preferable that the logarithmic growth phase is passed and the stationary phase is entered. Here, the stationary period is a period in which the slope of the tangent of the above-described growth curve is substantially zero.

また、宿主の生育至適温度とは、宿主毎に異なる温度範囲として公知である、例えば、大腸菌B株を宿主とした場合、生育至適温度は37℃である。例えば、大腸菌B株を宿主とした場合、生育可能な温度は15〜37℃である。したがって、大腸菌B株を宿主とした場合、宿主の生育至適温度よりも低く且つ宿主が生存可能な温度としては15〜37℃を意味する。特に、大腸菌B株を宿主とした場合、対数増殖期を過ぎた時に約20℃にして培養を継続することが好ましい。   The optimum growth temperature of the host is known as a temperature range different for each host. For example, when E. coli B strain is used as the host, the optimum growth temperature is 37 ° C. For example, when Escherichia coli B strain is used as a host, the temperature at which growth is possible is 15 to 37 ° C. Therefore, when Escherichia coli B strain is used as a host, it means 15 to 37 ° C. as a temperature lower than the optimum growth temperature of the host and at which the host can survive. In particular, when Escherichia coli B strain is used as a host, it is preferable to continue the culture at about 20 ° C. after the logarithmic growth phase.

宿主の対数増殖期を過ぎたときに上記温度範囲に設定することでギ酸脱水素酵素遺伝子が発現し、宿主内に非常に高い比活性を示すギ酸脱水素酵素が生成することとなる。培養後、目的のギ酸脱水素酵素が宿主内に生産されるため菌体又は細胞を破砕し、粗酵素懸濁液を調製する。この粗酵素懸濁液には、非常に高い比活性を示すギ酸脱水素酵素が含まれる。したがって、得られた粗酵素懸濁液をそのまま利用することができる。なお、得られた粗酵素懸濁液からギ酸脱水素酵素を単離精製することもできる。このとき、蛋白質の単離精製に用いられる一般的な生化学的方法、例えば硫酸アンモニウム沈殿、ゲルクロマトグラフィー、イオン交換クロマトグラフィー、アフィニティークロマトグラフィー等を単独で又は適宜組み合わせて用いることができる。単離精製されたギ酸脱水素酵素は、所定のpHの緩衝液等に懸濁された状態で利用することができる。   When the logarithmic growth phase of the host is passed, the formate dehydrogenase gene is expressed by setting to the above temperature range, and a formate dehydrogenase having a very high specific activity is produced in the host. After culturing, since the target formate dehydrogenase is produced in the host, the cells or cells are disrupted to prepare a crude enzyme suspension. This crude enzyme suspension contains formate dehydrogenase having a very high specific activity. Therefore, the obtained crude enzyme suspension can be used as it is. Formate dehydrogenase can also be isolated and purified from the resulting crude enzyme suspension. At this time, general biochemical methods used for protein isolation and purification, such as ammonium sulfate precipitation, gel chromatography, ion exchange chromatography, affinity chromatography and the like, can be used alone or in appropriate combination. The isolated and purified formate dehydrogenase can be used in a state suspended in a buffer solution having a predetermined pH.

アカカビ由来のギ酸脱水素酵素の利用形態
以上のようにして製造できるアカカビ由来のギ酸脱水素酵素は、従来公知のギ酸脱水素酵素と比較して抜群に高い比活性を示すため、従来公知のギ酸脱水素酵素が使用されている反応系のいずれにも優れた代替物として利用することができる。すなわち、従来公知のギ酸脱水素酵素が使用されている反応系において、ギ酸脱水素酵素として上述したアカカビ由来のギ酸脱水素酵素を使用することによって、従来の酵素反応と比較して優れた反応効率を達成することができる。
Utilization Form of Red Mold Formate Dehydrogenase The red mold derived formate dehydrogenase, which can be produced as described above, exhibits a particularly high specific activity compared to the conventionally known formate dehydrogenase. It can be used as an excellent alternative to any reaction system in which dehydrogenase is used. That is, in a reaction system in which a conventionally known formate dehydrogenase is used, by using the above-mentioned red mold formate dehydrogenase as the formate dehydrogenase, the reaction efficiency superior to that of the conventional enzyme reaction is achieved. Can be achieved.

例えば、アカカビ由来のギ酸脱水素酵素の利用形態としては、ギ酸脱水素酵素を利用したNADHの再生系を挙げることができる。NADHは種々の酵素反応で利用されNAD+へと変換される。NADHは、例えば、化学工業や製薬工業の分野において光学異性体を生物的に合成する際の補酵素として利用される。NADHの再生系とは、反応系に残存するNAD+を還元してNADHとし、NADHを回収して再び上記酵素反応に利用することを意味する。 For example, a utilization form of red mold formate dehydrogenase includes a NADH regeneration system using formate dehydrogenase. NADH is used in various enzyme reactions and converted to NAD + . NADH is used, for example, as a coenzyme when biologically synthesizing optical isomers in the chemical and pharmaceutical industries. The NADH regeneration system means that NAD + remaining in the reaction system is reduced to NADH, and NADH is recovered and used again for the enzyme reaction.

上述したアカカビ由来のギ酸脱水素酵素をギ酸及びNAD+を含む反応系に作用させることによって、当該NAD+を還元してNADHを合成することができる。 By the action of Fusarium-derived formate dehydrogenase as described above to a reaction system containing formic acid and NAD +, it can be synthesized NADH by reducing the NAD +.

以上のようにアカカビ由来のギ酸脱水素酵素をNADHの再生系に利用することによって、反応系に含まれるNAD+からNADHを効率よく製造することができる。特に、アカカビ由来のギ酸脱水素酵素は、従来公知のギ酸脱水素酵素と比較して非常に優れた比活性を示すため、従来公知のギ酸脱水素酵素の使用量と比較して小量でNADHを製造することができる。換言すると、アカカビ由来のギ酸脱水素酵素を利用することによって、従来公知のギ酸脱水素酵素の使用した場合と比較してNADHの生産スピードを向上させることができる。 As described above, NADH can be efficiently produced from NAD + contained in the reaction system by using formic acid dehydrogenase derived from red mold in the NADH regeneration system. In particular, formic acid dehydrogenase derived from red mold exhibits a very high specific activity compared to the conventionally known formate dehydrogenase. Can be manufactured. In other words, NADH production speed can be improved by using formic acid dehydrogenase derived from red mold compared to the case of using a conventionally known formate dehydrogenase.

以下、実施例を用いて本発明をより詳細に説明するが、本発明の技術的範囲は以下の実施例に限定されるものではない。   EXAMPLES Hereinafter, although this invention is demonstrated in detail using an Example, the technical scope of this invention is not limited to a following example.

〔実施例1〕
本実施例ではアカカビ由来のギ酸脱水素酵素遺伝子をクローニングした。先ず、アカカビ(Gibberella zeae)として、独立行政法人製品評価技術基盤機構のNBRCに保存されている株を購入し、指定される方法で復元したものを使用した。比較対照としてEmericella nidulansを同様に購入し復元したものを使用した。またこれらの微生物株はPD培地(組成:Potato Dextrose 24g/L、pH7に調整後オートクレーブ)培地を用いて培養した。本実施例で準備した微生物を表1に示す。
[Example 1]
In this example, the formic acid dehydrogenase gene derived from red mold was cloned. First, as a red mold (Gibberella zeae), a stock preserved in NBRC of the National Institute for Product Evaluation and Technology was purchased and restored using a designated method. As a comparative control, Emericella nidulans purchased and restored in the same manner was used. These microorganism strains were cultured in a PD medium (composition: Potato Dextrose 24 g / L, adjusted to pH 7 and autoclave). The microorganisms prepared in this example are shown in Table 1.

Figure 0005332277
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次に、上述した微生物株を培養して得た菌体から、RNeasy Plant Mini Kit(QIAGEN社製)を用いてtotal RNAを調製した。次に、RNA PCR Kit(TaKaRa社製)を用いて、得られたTotal RNAを鋳型としてcDNA合成を行った。反応液組成は以下の通りである。また、反応サイクルは50℃(2時間)の後、99℃(5分間)とし、その後4℃とした。
(反応液組成)
最終濃度
5mM MgCl2
1X RT buffer
1mM dNTP mixture
0.5U RNase Inhibitor
0.25U AMV Reverse Transcriptase XL
0.125μM Oligo dT-Adaptor primer
5μg Total RNA
RNase free H2Oを加え、液量が10μlとなるようにした。
Next, total RNA was prepared from the cells obtained by culturing the above-described microorganism strain using RNeasy Plant Mini Kit (manufactured by QIAGEN). Next, cDNA synthesis was performed using RNA PCR Kit (manufactured by TaKaRa) using the obtained total RNA as a template. The composition of the reaction solution is as follows. The reaction cycle was set to 99 ° C. (5 minutes) after 50 ° C. (2 hours), and then to 4 ° C.
(Reaction solution composition)
Final concentration
5 mM MgCl 2
1X RT buffer
1mM dNTP mixture
0.5U RNase Inhibitor
0.25U AMV Reverse Transcriptase XL
0.125μM Oligo dT-Adaptor primer
5μg Total RNA
RNase free H 2 O was added so that the liquid volume became 10 μl.

次に、合成されたcDNAを鋳型とし、データベースに保存された塩基配列に基づいて設計したプライマーを用いてPCRを行った。Gibberella zeae由来のcDNAを用いたPCRには表2に示したプライマーセットを用いた。Emericella nidulans由来のcDNAを用いたPCRには表3に示したプライマーセットを用いた。   Next, PCR was performed using the synthesized cDNA as a template and primers designed based on the base sequences stored in the database. The primer set shown in Table 2 was used for PCR using cDNA derived from Gibberella zeae. The primer sets shown in Table 3 were used for PCR using cDNA derived from Emericella nidulans.

Figure 0005332277
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Figure 0005332277
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なお、PCRの際にはPyrobest DNA polymerase(TaKaRa社製)を酵素として使用した。反応液50μl中の成分組成は以下の通りである。また、反応サイクルは、95℃で1分間維持した後、95℃で30秒間、60℃で30秒間及び72℃で1分間を1サイクルとして25サイクル行い、最後に72℃で10分間維持し、4℃を維持した。
(反応液組成)
1x Pyrobest buffer
200μM dNTPs mixture
2.5U Pyrobest DNA polymerase
50pmol Primer(forward)
50pmol Primer(reverse)
10μl cDNA溶液
滅菌水を加え、液量が50μlとなるようにした。
In the PCR, Pyrobest DNA polymerase (TaKaRa) was used as an enzyme. The component composition in 50 μl of the reaction solution is as follows. The reaction cycle was maintained at 95 ° C for 1 minute, followed by 25 cycles of 95 ° C for 30 seconds, 60 ° C for 30 seconds and 72 ° C for 1 minute, and finally maintained at 72 ° C for 10 minutes. Maintained 4 ° C.
(Reaction solution composition)
1x Pyrobest buffer
200μM dNTPs mixture
2.5U Pyrobest DNA polymerase
50pmol Primer (forward)
50pmol Primer (reverse)
10 μl cDNA solution sterilized water was added to adjust the volume to 50 μl.

次に、得られたPCR産物のサイズをアガロースゲル電気泳動により確認後、MiniElute Gel Extraction Kit(QIAGEN製)を用いてアガロースゲルより精製したPCR産物を、pT7 Blue T-vector(Novagen社製)、大腸菌JM109株 competent cellを用いてサブクローニングした。作製できたプラスミドをGzFDH/pT7、EnFDH/pT7とする。ここでGzはGibberella zeae、EnはEmericella nidulans由来であることを意味する。クローン化されたPCR産物の塩基配列はDye Terminator cycle sequence Kit、ABI PRIZM 3100 Genetic Analyzer(アプライドバイオシステムズ社製)および、遺伝子情報処理プログラムGENETYX-WIN(ソフトウェア開発株式会社)を用いて解析した。Gibberella zeae由来のPCR産物の塩基配列解析に使用したプライマーを表4に示し、Emericella nidulans由来のPCR産物の塩基配列解析に使用したプライマーを表5に示す。   Next, after confirming the size of the obtained PCR product by agarose gel electrophoresis, the PCR product purified from the agarose gel using MiniElute Gel Extraction Kit (manufactured by QIAGEN), pT7 Blue T-vector (manufactured by Novagen), Subcloning was performed using E. coli strain JM109 competent cell. The prepared plasmids are designated as GzFDH / pT7 and EnFDH / pT7. Here, Gz means Gibberella zeae and En means Emericella nidulans. The base sequence of the cloned PCR product was analyzed using Dye Terminator cycle sequence Kit, ABI PRIZM 3100 Genetic Analyzer (Applied Biosystems) and gene information processing program GENETYX-WIN (Software Development Co., Ltd.). The primers used for the base sequence analysis of the PCR product derived from Gibberella zeae are shown in Table 4, and the primers used for the base sequence analysis of the PCR product derived from Emericella nidulans are shown in Table 5.

Figure 0005332277
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Figure 0005332277
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その結果、Gibberella zeae由来ギ酸脱水素酵素遺伝子の塩基配列を配列番号1に示し、Gibberella zeae由来ギ酸脱水素酵素のアミノ酸配列を配列番号2示した。なお、解析の結果として得られた配列番号2に示したアミノ酸配列は、データベース上に公開されている配列(Genbank NW_059922)と100%の一致を示していた。   As a result, the base sequence of Gibberella zeae-derived formate dehydrogenase gene is shown in SEQ ID NO: 1, and the amino acid sequence of Gibberella zeae-derived formate dehydrogenase is shown in SEQ ID NO: 2. The amino acid sequence shown in SEQ ID NO: 2 obtained as a result of the analysis showed 100% agreement with the sequence published on the database (Genbank NW — 059922).

次に、単離されたギ酸脱水素酵素遺伝子を発現ベクターに組み込んだ。具体的には、作製されたプラスミド(GzFDH/pT7、EnFDH/pT7)を制限酵素NdeI及びEcoRIで処理した(37℃、2時間)。反応後の溶液を0.8%アガロースゲル電気泳動に供し、NdeI/EcoRI断片としてベクターから切り出された各ギ酸脱水素酵素遺伝子(約1.2kb)をMini Elute Gel Extraction Kit(QIAGEN製)を用いて精製した。   Next, the isolated formate dehydrogenase gene was incorporated into an expression vector. Specifically, the prepared plasmids (GzFDH / pT7, EnFDH / pT7) were treated with restriction enzymes NdeI and EcoRI (37 ° C., 2 hours). The solution after the reaction was subjected to 0.8% agarose gel electrophoresis, and each formate dehydrogenase gene (about 1.2 kb) excised from the vector as an NdeI / EcoRI fragment was purified using Mini Elute Gel Extraction Kit (manufactured by QIAGEN). .

次に、各種FDH/pT7と同様に、制限酵素NdeI及びEcoRIで処理した遺伝子発現用ベクターpET23b(+)(Novagen社製)のNdeI/EcoRIサイトにTaKaRa ligation kit Ver.2.1(TaKaRa製)を用いて上記ギ酸脱水素酵素遺伝子断片を導入後、大腸菌JM109 competent cell(TaKaRa製)によるサブクローニングをおこなった。Fowardプライマー;pET-F(5’-ACT CAC TAT AGG GAG ACC ACA AC-3’)およびReverseプライマー;pET-R(5’-TAT TGC TCA GCG GTG GCA G-3’)を用いたコロニーPCRにより目的の大きさのDNA断片を含むクローンを選抜したあと、Plasmid mini prep kit(QIAGEN製)を用いてプラスミドを精製した。更に、制限酵素マッピングにより計画通りに遺伝子の導入が確認されたプラスミドをGzFDH/pET23b(+)、EnFDH/pET23b(+)とした。なお、上述した発現ベクターの構築の工程を図1に示した。   Next, as with various FDH / pT7, TaKaRaligation kit Ver.2.1 (manufactured by TaKaRa) was used at the NdeI / EcoRI site of the gene expression vector pET23b (+) (manufactured by Novagen) treated with restriction enzymes NdeI and EcoRI. After introducing the formate dehydrogenase gene fragment, subcloning was performed using E. coli JM109 competent cell (TaKaRa). By colony PCR using Foward primer; pET-F (5'-ACT CAC TAT AGG GAG ACC ACA AC-3 ') and Reverse primer; pET-R (5'-TAT TGC TCA GCG GTG GCA G-3') After selecting a clone containing a DNA fragment of the desired size, the plasmid was purified using Plasmid mini prep kit (manufactured by QIAGEN). Furthermore, plasmids whose gene introduction was confirmed as planned by restriction enzyme mapping were designated as GzFDH / pET23b (+) and EnFDH / pET23b (+). The steps for constructing the expression vector described above are shown in FIG.

〔実施例2〕
本実施例では、実施例1で作製した発現ベクターを用いて、大腸菌においてギ酸脱水素酵素の発現を検証した。
[Example 2]
In this example, the expression vector prepared in Example 1 was used to verify the expression of formate dehydrogenase in E. coli.

実施例1で作製した発現ベクターを含む大腸菌形質転換体を5mlのLB-アンピシリン培地(組成:Tryptone 10g/L、Yeast Extract 5g/L、NaCl 5g/L及びAmpicillin(SIGMA社製) 50mg/L)で一晩培養(37℃)した後、100mlの同組成培地に1%植菌し、好気的に振盪培養した。OD600の値が0.5〜0.9に達したところで対数増殖期を過ぎたと判断し、最終濃度1mMとなるようにIPTG(イソプロピル-1-チオ-β-D-ガラクトシド)(TaKaRa社製)を添加することでギ酸脱水素酵素遺伝子の発現誘導を開始した。その後、培養温度を20℃として、更に16時間培養した。   Escherichia coli transformant containing the expression vector prepared in Example 1 was treated with 5 ml of LB-ampicillin medium (composition: Tryptone 10 g / L, Yeast Extract 5 g / L, NaCl 5 g / L and Ampicillin (manufactured by SIGMA) 50 mg / L). After overnight culture (37 ° C.), 1% inoculated into 100 ml of the same composition medium and aerobically shaken. Judging that the logarithmic growth phase has passed when the OD600 value reaches 0.5 to 0.9, add IPTG (isopropyl-1-thio-β-D-galactoside) (TaKaRa) to a final concentration of 1 mM. Then, the induction of formate dehydrogenase gene expression was started. Thereafter, the culture temperature was set to 20 ° C., and the culture was further continued for 16 hours.

次に、得られた培養液を遠心分離(13krpm,4℃,10min)により集菌後、1ml/0.1g(菌体湿重量)の0.1Mリン酸カリウムバッファーで懸濁し、1g/0.1g(菌体湿重量)の0.1mm径のガラスビーズを加えマルチビーズショッカー(安井器械社製)を用いて菌体を破砕し、粗酵素液を得た。粗酵素液のギ酸脱水素酵素活性の測定は、162mM ギ酸ナトリウム、1.62mM NADを含む0.1Mリン酸カリウムバッファー(pH7.5)中で、37℃でのNADHの生成に伴う340nmの吸光度の増加を測定することによりおこなった。また、タンパク質の定量はBovine serum albumin(BSA)(BioRad社製)を標準タンパク質としてBradford法によりおこなった。その結果を図2に示した。   Next, the obtained culture broth was collected by centrifugation (13 krpm, 4 ° C., 10 min), suspended in 0.1 ml potassium phosphate buffer at 1 ml / 0.1 g (wet cell weight), and 1 g / 0.1 g ( (Bacterial wet weight) 0.1 mm diameter glass beads were added and the cells were crushed using a multi-bead shocker (manufactured by Yasui Kikai Co., Ltd.) to obtain a crude enzyme solution. The formate dehydrogenase activity of the crude enzyme solution was measured by measuring the increase in absorbance at 340 nm accompanying NADH production at 37 ° C in 0.1 M potassium phosphate buffer (pH 7.5) containing 162 mM sodium formate and 1.62 mM NAD. It was done by measuring. Protein quantification was performed by the Bradford method using Bovine serum albumin (BSA) (BioRad) as a standard protein. The results are shown in FIG.

図2に示すように、アカカビ由来のギ酸脱水素酵素遺伝子を含む形質転換体由来の粗酵素液ではNADHの生成に伴う340nmの吸光度の増加が確認された。一方、Emericella nidulans由来のギ酸脱水素酵素遺伝子を含む形質転換体由来の粗酵素液では340nmの吸光度増加は確認されなかった。同様にギ酸脱水素酵素遺伝子を含まないベクターのみによって形質転換された大腸菌粗酵素液も340nmの吸光度の増加が確認されなかった。以上の結果から、本実施例に示した発現誘導方法によれば、アカカビ由来のギ酸脱水素酵素を、大腸菌発現系において生産可能であることが確認された。   As shown in FIG. 2, in the crude enzyme solution derived from the transformant containing the formic acid dehydrogenase gene derived from red mold, an increase in absorbance at 340 nm accompanying NADH production was confirmed. On the other hand, an increase in absorbance at 340 nm was not confirmed in the crude enzyme solution derived from the transformant containing the formate dehydrogenase gene derived from Emericella nidulans. Similarly, an increase in absorbance at 340 nm was not confirmed in the E. coli crude enzyme solution transformed only with the vector not containing the formate dehydrogenase gene. From the above results, it was confirmed that according to the expression induction method shown in the present example, formic acid dehydrogenase derived from red mold can be produced in an E. coli expression system.

〔実施例3〕
本実施例では、実施例2で得られたアカカビ由来のギ酸脱水素酵素を精製し、精製されたアカカビ由来のギ酸脱水素酵素の比活性を従来公知のギ酸脱水素酵素との間で比較した。
Example 3
In this example, the red mold-derived formate dehydrogenase obtained in Example 2 was purified, and the specific activity of the purified red mold-derived formate dehydrogenase was compared with a conventionally known formate dehydrogenase. .

先ず実施例2で得られたアカカビ由来のギ酸脱水素酵素を含む粗破砕液をサンプルとして、HiTrap Q FFカラム 5ml(アマシャムバイオサイエンス社製)を使用し、図3に示す手順でカラム精製を実施した。溶出画分のうちギ酸脱水素酵素を含む10フラクション(全体の1/3)を2次精製のサンプルとした。   First, using the crude crushing solution containing formic acid dehydrogenase derived from red mold obtained in Example 2 as a sample, 5T of HiTrap Q FF column (manufactured by Amersham Biosciences) was used, and column purification was performed according to the procedure shown in FIG. did. Among the eluted fractions, 10 fractions (1/3 of the total) containing formate dehydrogenase were used as samples for secondary purification.

そして、上記で得られたギ酸脱水素酵素を含む画分は、Amicon Ultra-15(30kDaカット)を用いて脱塩後、10mM KPB(pH7.2)で適量(3bed=15ml程度)に希釈した。二次精製要カラムとしてEcono-Pac CHT-IIカラム 5mlを使用し、図4の手順でカラム精製を実施した。二次精製後に精製度80%以上の画分を得た。   The fraction containing formate dehydrogenase obtained above was desalted with Amicon Ultra-15 (30 kDa cut) and diluted to an appropriate amount (about 3 bed = 15 ml) with 10 mM KPB (pH 7.2). . Column purification was performed according to the procedure of FIG. 4 using 5 ml of Econo-Pac CHT-II column as the column for secondary purification. A fraction having a purity of 80% or more was obtained after secondary purification.

得られた画分は、アカカビ由来のギ酸脱水素酵素(GzFDH)のギ酸分解反応における活性比較を行うため濃度調整した。対照として性状が公知であるCandida boidinii由来FDH(CbFDH)(シグマ社製)を用いた。CbFDHはリン酸カリウム緩衝液に溶解後、本実施例で上述した方法と同様の方法で精製したものを標品とした。精製したGzFDHとCbFDHのそれぞれについて、BSAを標準タンパク質としたBradford法で定量後、濃度が一定となるよう調製した。Bradford法染色液としてBio-Safe CBB G-250ステイン(BioRad社製)を使用した。   The concentration of the obtained fraction was adjusted in order to compare the activity of formic acid dehydrogenase (GzFDH) derived from red mold in the formic acid decomposition reaction. As a control, Candida boidinii-derived FDH (CbFDH) (manufactured by Sigma) whose properties were known was used. CbFDH was dissolved in a potassium phosphate buffer and then purified by the same method as described above in this example as a sample. Each of the purified GzFDH and CbFDH was prepared to have a constant concentration after quantification by the Bradford method using BSA as a standard protein. Bio-Safe CBB G-250 stain (BioRad) was used as a Bradford staining solution.

精製して濃度調整済みのGzFDH、CbFDHの2種についてギ酸分解反応のエンドポイント法による活性測定を行い、反応速度を比較した。FDH触媒によるギ酸分解反応は次式で示される。
HCOO- + NAD+ → CO2 + NADH
For the two types of purified GzFDH and CbFDH whose concentrations were adjusted, the activity of the formic acid decomposition reaction was measured by the endpoint method, and the reaction rates were compared. The formic acid decomposition reaction by the FDH catalyst is represented by the following formula.
HCOO- + NAD + → CO 2 + NADH

ここに電子伝達物質であるMethoxy PMS(mPMS)と、酸化還元発色指示薬であるWST1(共にDOJINDO社製)を加えることで次式のように反応が進むため、波長438nmの吸光度で黄色ホルマザンを測定することで、ギ酸分解量の定量が可能となる。なお黄色ホルマザンの吸光係数はNADHの約6倍であり、NADHの直接測定よりも高感度での定量が可能となる。
NADH + mPMS → NAD+ + mPMS(還元型)
mPMS(還元型) + WST1 → mPMS + 黄色ホルマザン(37000 / M・cm、438 nm)
By adding Methoxy PMS (mPMS), which is an electron transfer material, and WST1, which is a redox coloring indicator (both manufactured by DOJINDO), the reaction proceeds as shown in the following formula, so yellow formazan is measured at an absorbance of 438 nm. By doing so, the amount of formic acid decomposition can be quantified. The extinction coefficient of yellow formazan is about 6 times that of NADH, and quantification with higher sensitivity than direct measurement of NADH is possible.
NADH + mPMS → NAD + + mPMS (reduced)
mPMS (reduced) + WST1 → mPMS + yellow formazan (37000 / M · cm, 438 nm)

反応液の組成は、162mMのHCOONa、1.62mMのNAD、3.33μg/mlのmPMS、0.33mg/mlのWST1、0.02mg/mlのGzFDH又はCbFDH及び100mMのリン酸カリウム緩衝液(pH7.5)とし、全量を100μlとした。反応液を混和後、25℃で30分間の反応を行った後、プレートリーダー(TECAN社製)によってA430を測定した。反応後の黄色ホルマザン生成量(反応速度)の比較を図5に示す。また従来公知のギ酸脱水素酵素の性状を網羅した論文データ(Biochemistry vol.69, No.11 2004 991252-1267)との比較を図6に示す。これらの結果および公知データとの比較から、今回取得したアカカビ由来のギ酸脱水素酵素は、従来公知のギ酸脱水素酵素と比較すると世界最高レベルの比活性を有していることが示された。   The composition of the reaction solution was 162 mM HCOONa, 1.62 mM NAD, 3.33 μg / ml mPMS, 0.33 mg / ml WST1, 0.02 mg / ml GzFDH or CbFDH and 100 mM potassium phosphate buffer (pH 7.5). The total volume was 100 μl. After mixing the reaction solution, the reaction was performed at 25 ° C. for 30 minutes, and then A430 was measured with a plate reader (manufactured by TECAN). A comparison of the amount of yellow formazan produced (reaction rate) after the reaction is shown in FIG. FIG. 6 shows a comparison with paper data (Biochemistry vol.69, No.11 2004 991252-1267) covering the properties of conventionally known formate dehydrogenase. From these results and a comparison with known data, it was shown that the red mold derived formate dehydrogenase obtained this time has the world's highest specific activity as compared with the conventionally known formate dehydrogenase.

〔比較例1〕
比較例1では、実施例1で作製した発現ベクターを含む大腸菌形質転換体を用いて、対数増殖期に発現誘導を行う以外は実施例2と同様にしてアカカビ由来のギ酸脱水素酵素の生産を試みる。比較例1では、上記発現有の結果としてタンパク質の発現は確認されるが、ギ酸脱水素酵素活性を検出することができない。
[Comparative Example 1]
In Comparative Example 1, production of formic acid dehydrogenase derived from red mold was performed in the same manner as in Example 2 except that expression was induced in the logarithmic growth phase using the E. coli transformant containing the expression vector prepared in Example 1. Try. In Comparative Example 1, protein expression is confirmed as a result of the above expression, but formate dehydrogenase activity cannot be detected.

〔比較例2〕
比較例2では、実施例1で作製した発現ベクターを含む大腸菌形質転換体を用いて、対数増殖期を過ぎた時点で発現誘導し、その後、37℃で培養を継続する以外は実施例2と同様にしてアカカビ由来のギ酸脱水素酵素の生産を試みる。比較例2では、上記発現有の結果としてタンパク質の発現は確認されるが、ギ酸脱水素酵素活性を検出することができない。
[Comparative Example 2]
In Comparative Example 2, using the Escherichia coli transformant containing the expression vector prepared in Example 1, expression induction was performed at the time when the logarithmic growth phase was passed, and then the culture was continued at 37 ° C. Similarly, production of formic acid dehydrogenase from red mold is attempted. In Comparative Example 2, protein expression is confirmed as a result of the above expression, but formate dehydrogenase activity cannot be detected.

GzFDH/pET23b(+)及びEnFDH/pET23b(+)の構築の工程を示す模式図である。FIG. 5 is a schematic diagram showing the steps of constructing GzFDH / pET23b (+) and EnFDH / pET23b (+). 実施例2で調製した粗酵素液を用いて酵素反応を行いNADHの生成に伴う340nmの吸光度を検出した結果を示す特性図である。It is a characteristic view which shows the result of having detected the light absorbency of 340nm accompanying the production | generation of NADH by performing enzyme reaction using the crude enzyme liquid prepared in Example 2. FIG. 実施例3で行ったカラム精製の手順を示すフローチャートである。6 is a flowchart showing the procedure of column purification performed in Example 3. 実施例3で行った二次精製の手順を示すフローチャートである。4 is a flowchart showing a procedure of secondary purification performed in Example 3. 精製したGzFDH及びCbFDHについて反応速度を比較した結果を示す特性図である。It is a characteristic view which shows the result of having compared the reaction rate about refined GzFDH and CbFDH. 精製したGzFDH及びCbFDHについて、従来公知のギ酸脱水素酵素の性状を網羅した論文データ(Biochemistry vol.69, No.11 2004 991252-1267)と比較した結果を示す特性図である。It is a characteristic view which shows the result compared with the paper data (Biochemistry vol.69, No.11 2004 991252-1267) which covered the characteristic of conventionally well-known formate dehydrogenase about refined GzFDH and CbFDH.

Claims (4)

ギ酸及びNAD+を含む反応系に、以下の(a)又は(b)のタンパク質からなるギ酸脱水素酵素を作用させる、NADHの製造方法。
(a)配列番号2に示すアミノ酸配列を含むタンパク質
(b)配列番号2に示すアミノ酸配列に対して95%以上の同一性を有するアミノ酸配列を含み、ギ酸及びNAD + を基質として二酸化炭素及びNADHを生産物とする反応における触媒活性を有するタンパク質
A method for producing NADH, wherein a formate dehydrogenase comprising the following protein (a) or (b) is allowed to act on a reaction system containing formic acid and NAD + .
(A) a protein comprising the amino acid sequence shown in SEQ ID NO: 2
(B) a protein comprising an amino acid sequence having 95% or more identity to the amino acid sequence shown in SEQ ID NO: 2 and having catalytic activity in a reaction using formic acid and NAD + as substrates and carbon dioxide and NADH as products.
以下の(a)又は(b)のタンパク質をコードするギ酸脱水素酵素遺伝子を誘導型プロモーターの制御下に配置したベクターを導入した宿主を培養し、対数増殖期を過ぎた時に上記ギ酸脱水素酵素遺伝子の発現を誘導し、上記宿主の生育至適温度よりも低く且つ上記宿主が生存可能な温度で培養し、
上記ギ酸脱水素酵素を取得することを特徴とする、ギ酸脱水素酵素の製造方法。
(a)配列番号2に示すアミノ酸配列を含むタンパク質
(b)配列番号2に示すアミノ酸配列に対して95%以上の同一性を有するアミノ酸配列を含み、ギ酸及びNAD + を基質として二酸化炭素及びNADHを生産物とする反応における触媒活性を有するタンパク質
When a host into which a vector in which a formate dehydrogenase gene encoding the following protein (a) or (b) is placed is controlled under the control of an inducible promoter is cultured, and when the logarithmic growth phase has passed, Inducing gene expression, culturing at a temperature lower than the optimum growth temperature of the host and at which the host can survive,
A method for producing formate dehydrogenase, comprising obtaining the formate dehydrogenase.
(A) a protein comprising the amino acid sequence shown in SEQ ID NO: 2
(B) a protein comprising an amino acid sequence having 95% or more identity to the amino acid sequence shown in SEQ ID NO: 2 and having catalytic activity in a reaction using formic acid and NAD + as substrates and carbon dioxide and NADH as products.
上記対数増殖を過ぎた時は定常期であることを特徴とする請求項記載のギ酸脱水素酵素の製造方法。 3. The method for producing formate dehydrogenase according to claim 2 , wherein when the logarithmic growth phase is passed, it is a stationary phase. 上記宿主の生育至適温度よりも低く且つ上記宿主が生存可能な温度は15〜37℃であることを特徴とする請求項記載のギ酸脱水素酵素の製造方法。 The method for producing formate dehydrogenase according to claim 2 , wherein the temperature at which the host is able to survive is lower than the optimum growth temperature of the host and is 15 to 37 ° C.
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