JP5791025B2 - Thermostable protein having laccase activity, nucleic acid molecule encoding the protein, and method for producing the protein - Google Patents

Thermostable protein having laccase activity, nucleic acid molecule encoding the protein, and method for producing the protein Download PDF

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Description

本発明は、ラッカーゼ活性を有する耐熱性タンパク質、当該タンパク質をコードする核酸分子、当該タンパク質の製造方法、及び当該タンパク質の利用に関する。   The present invention relates to a thermostable protein having laccase activity, a nucleic acid molecule encoding the protein, a method for producing the protein, and use of the protein.

ラッカーゼは、ポリフェノールオキシダーゼ、ウルシオールオキシダーゼとも称されるフェノールオキシダーゼの総称であり、基質酸化活性を有し、o-, p-ジフェノール、p-フェニレンジアミン、アスコルビン酸などを酸化する反応を触媒するマルチ銅酵素である。ラッカーゼの触媒能力は、種々の化学反応に応用可能である。例えば、毒性の強いフェノール性化合物や芳香族アミンを含む廃液の処理、パルプ製造処理等におけるリグリンの除去、電極触媒、人口漆の製造、有機化合物の合成、紅茶の褐変処理、化粧品用メラニン製造、食品のゲル化剤、臨床検査試薬、漂白剤としての利用等、多くの産業分野への利用が期待されている。また、ラッカーゼは電極を電子供与体とすることが知られており、適当な炭素電極との組合せにより、バイオ電池やバイオセンサー用の電極触媒としての産業利用が期待されている。電極触媒として利用する場合には、一般に想定される使用環境である25 ℃程度の常温域で酵素活性を発揮すると共に、様々な使用環境に適合できる耐久性をも併せて保持することが要求される。特に、耐熱性を有し、かつ安定性の高いタンパク質の利用はより効率的な条件下での使用を可能にするという利点もある。   Laccase is a general term for phenol oxidase, also called polyphenol oxidase and urushiol oxidase, which has substrate oxidation activity and catalyzes reactions that oxidize o-, p-diphenol, p-phenylenediamine, ascorbic acid, etc. It is a multi copper enzyme. The catalytic ability of laccase is applicable to various chemical reactions. For example, treatment of waste liquid containing highly toxic phenolic compounds and aromatic amines, removal of ligrin in pulp production treatment, etc., electrode catalyst, artificial lacquer production, synthesis of organic compounds, browning treatment of black tea, melanin production for cosmetics, It is expected to be used in many industrial fields such as food gelling agents, clinical test reagents, and bleaching agents. Laccase is known to use an electrode as an electron donor, and is expected to be industrially used as an electrode catalyst for a bio battery or a biosensor by combining with an appropriate carbon electrode. When used as an electrocatalyst, it is required to exhibit enzyme activity in a room temperature range of approximately 25 ° C, which is a generally assumed usage environment, and to maintain durability that can be adapted to various usage environments. The In particular, the use of a protein having heat resistance and high stability also has an advantage of enabling use under more efficient conditions.

ラッカーゼは、微生物、菌類、植物等に広く存在することが知られており、多種多様の生物から単離されている。その中には、比較的高温で活性を保持できるラッカーゼが報告されている。大腸菌由来のラッカーゼ(非特許文献1)、バチルス属菌由来のラッカーゼ(特許文献1)、放線菌由来のラッカーゼ(特許文献2)、糸状菌由来のアルカリラッカーゼ(特許文献3)などである。具体的には、非特許文献1の大腸菌由来のラッカーゼを20〜70 ℃の様々な一定温度で10分間加熱処理を施した後の残存活性を測定したところ、70 ℃において25 ℃における活性との比較で約67%の活性を示すことが確認されたことが記載されております。また、特許文献1に開示されるバチルス属菌由来のラッカーゼは、至適温度が60〜80 ℃であり、他の温度域では、60〜80 ℃の活性を100とすると、20 ℃では40 %、30 ℃では60 %程度となる。また、様々な一定温度で30分間加熱処理を施した後の残存活性は70 ℃においてほぼ100 %であり、80 ℃では50 %程度であることが報告されている。そして、特許文献2に開示される放線菌ラッカーゼは、30〜75 ℃の各温度における相対活性を算出したところ至適温度は約50 ℃であり、一方、30 ℃以下及び70 ℃以上になると50 ℃の場合の半分以下に活性が低下する。そして、20〜95 ℃の種々の温度にて10分間保持した後、酵素活性を測定したところ70 ℃までは安定であるのに対し、70 ℃以上になると極端に活性が低下し、80 ℃では10 %程度しか残存活性を示さない。また、特許文献3に開示される糸状菌由来のアルカリラッカーゼは、30〜70 ℃の各温度における相対活性を算出したところ至適温度は約50 ℃であり、一方、30 ℃及び70 ℃では50 ℃の場合の半分以下に活性が低下する。そして、0〜90 ℃の種々の温度にて30分間保持した後に酵素活性を測定したところ、60 ℃では約95 %程度、65 ℃では約73 %、70 ℃では約56 %以上の残存活性を示したことが確認されている。70 ℃を超えると活性が著しく低下し、80 ℃では20 %程度しか残存活性を示さないことが報告されている。慨すると、これらの酵素は、何れも60 ℃前後での短時間での加熱に対しては耐熱性を示すが、より高温、かつ長時間での熱処理に対する耐熱性の有無は報告されていない。そのため、使用環境によっては十分にその活性を保持できないことが想定され、耐久性の面から市場の要求を満たすものではなかった。   Laccase is known to exist widely in microorganisms, fungi, plants and the like, and has been isolated from a wide variety of organisms. Among them, laccases that can retain activity at relatively high temperatures have been reported. Examples include laccase derived from E. coli (Non-patent Document 1), laccase derived from Bacillus genus (Patent Document 1), laccase derived from actinomycetes (Patent Document 2), and alkaline laccase derived from filamentous fungi (Patent Document 3). Specifically, when the residual activity after the laccase derived from Escherichia coli of Non-Patent Document 1 was subjected to heat treatment at various constant temperatures of 20 to 70 ° C. for 10 minutes, the activity at 25 ° C. at 70 ° C. was measured. It is described that it was confirmed that the activity was about 67% by comparison. Moreover, the laccase derived from the genus Bacillus disclosed in Patent Document 1 has an optimum temperature of 60 to 80 ° C, and in other temperature ranges, assuming that the activity at 60 to 80 ° C is 100, 40% at 20 ° C. At 30 ° C, it is about 60%. Further, it has been reported that the residual activity after heat treatment at various constant temperatures for 30 minutes is almost 100% at 70 ° C and about 50% at 80 ° C. And when the relative activity in each temperature of 30-75 degreeC was computed for the actinomycete laccase disclosed by patent document 2, the optimal temperature is about 50 degreeC, On the other hand, when it becomes 30 degrees C or less and 70 degrees C or more, it is 50. The activity is reduced to less than half of that at ℃. And after holding for 10 minutes at various temperatures of 20-95 ° C, the enzyme activity was measured, and it was stable up to 70 ° C. However, when the temperature exceeded 70 ° C, the activity decreased extremely, and at 80 ° C, Only about 10% shows residual activity. In addition, the alkaline laccase derived from filamentous fungi disclosed in Patent Document 3 was calculated to have a relative activity at 30 to 70 ° C., and the optimum temperature was about 50 ° C., whereas 50 ° C. at 30 ° C. and 70 ° C. The activity is reduced to less than half of that at ℃. When the enzyme activity was measured after holding at various temperatures of 0 to 90 ° C for 30 minutes, the residual activity was about 95% at 60 ° C, about 73% at 65 ° C, and about 56% or more at 70 ° C. It has been confirmed that It has been reported that when the temperature exceeds 70 ° C., the activity is remarkably reduced, and at 80 ° C., only about 20% of the residual activity is exhibited. As a matter of fact, all of these enzymes show heat resistance against heating in a short time at around 60 ° C., but the presence or absence of heat resistance to heat treatment at a higher temperature and for a long time has not been reported. Therefore, it is assumed that the activity cannot be sufficiently maintained depending on the use environment, and it does not satisfy the market demand from the viewpoint of durability.

更に、耐熱性を有するラッカーゼとして環境メタゲノムライブラリーからクローニングしたラッカーゼが報告されている(特許文献4)。特許文献4には、当該ラッカーゼについて、耐熱性:80 ℃にて10分間の処理により、90 %以上の活性が保持されると記載されている。しかしながら、当該ラッカーゼについても長時間、例えば1時間以上の耐熱性の有無は不明であった。そのため当該酵素も耐久性の面から市場の要求に十分に応えるものではなかった。   Furthermore, a laccase cloned from an environmental metagenomic library has been reported as a laccase having heat resistance (Patent Document 4). Patent Document 4 describes that the laccase has a heat resistance of 90% or more by treatment at 80 ° C. for 10 minutes. However, the presence or absence of heat resistance of the laccase for a long time, for example, 1 hour or more, has not been known. For this reason, the enzyme does not sufficiently meet the market demand from the viewpoint of durability.

より耐熱性の高いラッカーゼとして、サーマス サーモフィラス(Thermus thermophilus)由来のラッカーゼが報告されている(特許文献5)。当該ラッカーゼの由来であるサーマス サーモフィラスは好熱菌であり、また、活性の温度依存性を測定したところ92℃付近に至適温度を有する。そして、酵素液を80 ℃にて保温し一定時間ごとに酵素活性を測定したところ80 ℃における半減期は868分(14時間)であり、格段に高い長期耐熱性を示した。しかしながら、ラッカーゼの基質である2,2'-アジノ-ビス-(3-エチルベンゾチアゾリン-6-スルホン酸(2,2'-azino-bis-(3-ethylbenzothiazoline-6-sulfonate(以下、「ABTS」と略する。))に対する酸化活性は、70 ℃では47 μmol/min/mg proteinであるが、25 ℃では1以下に低下することが報告されており、酵素自体の耐熱性は高いものの、70 ℃以上の高温にしないと活性化することができなかった。つまり、70 ℃以上の高温環境下で生育する好熱菌由来の酵素であることから高温で最も高い活性を発揮できるような構造、メカニズムになっていると考えられ、高温域でしか活性化することができないことが問題であった。したがって、常温域で活性を発揮し、かつ高温条件下で安定的に基質特異的に作用できるラッカーゼの提供が依然と望まれていた。 As laccase having higher heat resistance, laccase derived from Thermus thermophilus has been reported (Patent Document 5). Thermus thermophilus, which is derived from the laccase, is a thermophilic bacterium and has an optimum temperature around 92 ° C. when the temperature dependency of the activity is measured. The enzyme solution was kept at 80 ° C. and the enzyme activity was measured at regular intervals. The half-life at 80 ° C. was 868 minutes (14 hours), indicating a much higher long-term heat resistance. However, 2,2'-azino-bis- (3-ethylbenzothiazoline-6-sulfonic acid (2,2'-azino-bis- (3-ethylbenzothiazoline-6-sulfonate) (ABTS) )))), The oxidation activity at 70 ° C is 47 μmol / min / mg protein, but it has been reported to decrease to 1 or less at 25 ° C. Although the enzyme itself has high heat resistance, It could not be activated unless the temperature was higher than 70 ℃, that is, a structure capable of exhibiting the highest activity at high temperature because it is an enzyme derived from a thermophile that grows in a high temperature environment of 70 ℃ or higher. The problem is that it can only be activated at high temperatures, so it is active at room temperature and is stable and substrate-specific under high temperatures. It was still desired to provide a laccase that could be used.

特開平9-206071号公報Japanese Patent Laid-Open No. 9-206071 特開2002-171968号公報JP 2002-171968 A 特開2004-208503号公報JP 2004-208503 A 特開2009-201481号公報JP 2009-201481 特開2006-158252号公報JP 2006-158252 A

Sue A. Roberts他著、“A Labile Regulatory Copper Iron Lies Near the T1 Copper Site in the Multicopper Oxidase CueO(不安定な調節性の銅イオンがマルチ銅オキシダーゼCueOにおけるT1銅サイトの近くに位置する)”、JOURNAL OF BIOLOGICAL CHEMISTRY、2003 年8月、第278巻、第34号、第31958〜63頁Sue A. Roberts et al., “A Labile Regulatory Copper Iron Lies Near the T1 Copper Site in the Multicopper Oxidase CueO”, JOURNAL OF BIOLOGICAL CHEMISTRY, August 2003, 278, 34, 31958-63

本発明は上記問題点を解決すべく、常温域での活性に加え、耐熱性に優れたラッカーゼ活性を有するタンパク質の提供を目的とする。また、本発明は、当該タンパク質をコードする核酸分子の提供をも目的とし、当該核酸分子を利用した遺伝子工学的手法による当該タンパク質の大量生産技術の提供をも目的とする。更に、本発明は、当該タンパク質の特性を活用した利用技術の提供をも目的とする。   In order to solve the above problems, an object of the present invention is to provide a protein having laccase activity excellent in heat resistance in addition to activity in a normal temperature range. Another object of the present invention is to provide a nucleic acid molecule encoding the protein and to provide a technique for mass production of the protein by a genetic engineering technique using the nucleic acid molecule. Another object of the present invention is to provide a utilization technique utilizing the characteristics of the protein.

本発明者らは、上記課題を解決するべく鋭意検討した結果、環境試料のうち木材を成分として含有する堆肥試料を選択することにより、常温域での活性に加え、耐熱性に優れラッカーゼ活性を有するタンパク質を取得することができることを見出した。また、当該タンパク質をコードする核酸分子の取得に成功し、これを利用して当該タンパク質を遺伝子工学的に大量に生産できることを見出した。さらに、当該タンパク質の特性を活用した利用技術を見出し、これらの知見に基づき本発明を完成するに至った。 As a result of diligent studies to solve the above problems, the present inventors have selected a compost sample containing wood as a component from among environmental samples, so that laccase activity excellent in heat resistance in addition to activity in a normal temperature range It has been found that a protein having can be obtained. In addition, the present inventors have succeeded in obtaining a nucleic acid molecule encoding the protein, and found that the protein can be produced in large quantities by genetic engineering. Furthermore, a utilization technique utilizing the characteristics of the protein has been found, and the present invention has been completed based on these findings.

即ち、上記目的を達成するため、以下の[1]〜[8]に示す発明を提供する。   That is, in order to achieve the above object, the following inventions [1] to [8] are provided.

[1] 下記(a)又は(b)のラッカーゼ活性を有するタンパク質であって、25〜85℃の温度領域において活性を示し、60℃での17時間の熱処理によっても70%以上の活性を保持するラッカーゼ活性を有するタンパク質。
(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又は複数のアミノ酸の欠失、置換、挿入および付加から選択される少なくとも1の改変が生じたアミノ酸配列を含むタンパク質
[2]下記(c)又は(d)のラッカーゼ活性を有するタンパク質であって、25〜85 ℃の温度領域において活性を示し、60 ℃での17時間の熱処理によっても70%以上の活性を保持するラッカーゼ活性を有するタンパク質。
(c)配列番号3に示すアミノ酸配列を含むタンパク質
(d)配列番号3に示すアミノ酸配列において、1又は複数のアミノ酸の欠失、置換、挿入および付加から選択される少なくとも1の改変が生じたアミノ酸配列を含むタンパク質
[3]本発明のタンパク質が組換え体である
[1] A protein having the following laccase activity (a) or (b), which shows activity in a temperature range of 25 to 85 ° C., and retains 70% or more even after heat treatment at 60 ° C. for 17 hours. A protein having laccase activity.
(A) a protein comprising the amino acid sequence shown in SEQ ID NO: 2 (b) at least one modification selected from deletion, substitution, insertion and addition of one or more amino acids in the amino acid sequence shown in SEQ ID NO: 2 A protein comprising an amino acid sequence [2] A protein having the following laccase activity (c) or (d), showing activity in a temperature range of 25 to 85 ° C., and 70% by heat treatment at 60 ° C. for 17 hours A protein having laccase activity that retains the above activities.
(C) A protein comprising the amino acid sequence shown in SEQ ID NO: 3 (d) In the amino acid sequence shown in SEQ ID NO: 3, at least one modification selected from deletion, substitution, insertion and addition of one or more amino acids occurred Protein containing amino acid sequence [3] The protein of the present invention is recombinant

上記[1]〜[3]の構成によれば、新規なラッカーゼ活性を有するタンパク質の提供が可能となる。本発明によって提供される新規なラッカーゼ活性を有するタンパク質は、常温域でラッカーゼ活性を発揮すると共に、高い耐熱性を有し、特に長期の熱処理によっても活性を失活させることはない。また、基質特異的であり基質触媒能力は、他の耐熱性の低いラッカーゼと同等の活性を有する。したがって、新規なラッカーゼ活性を有するタンパク質は、医療、食品、環境分野等の様々な産業分野における基質酸化反応を要する技術に適用できる。なかでも、25 ℃程度の通常の使用条件での活性と、長期使用及び様々な高温条件下などの様々な使用環境においても安定してその機能を発揮できる耐久性を備えることが要求される燃料電池やバイオセンサー等の電極触媒として利用が期待される。さらに、本発明の新規なラッカーゼ活性を有するタンパク質は分子量が小さく燃料電池やバイオセンサーの電極触媒として利用した場合には、導電性部材の面積あたりの酵素分子の担持量を高めることができ、電流密度が向上することができる。したがって、本発明の新規なラッカーゼ活性を有するタンパク質の利用により燃料電池やバイオセンサーの高性能化を期待できる。   According to the configurations [1] to [3], it is possible to provide a protein having a novel laccase activity. The protein having a novel laccase activity provided by the present invention exhibits laccase activity in a normal temperature range, has high heat resistance, and does not inactivate the activity even by a long-term heat treatment. In addition, it is substrate-specific and has a substrate catalytic ability equivalent to that of other low heat-resistant laccases. Therefore, a protein having a novel laccase activity can be applied to a technique requiring a substrate oxidation reaction in various industrial fields such as medical, food, and environmental fields. In particular, the fuel is required to have an activity under normal use conditions of about 25 ° C and durability that can stably function in various use environments such as long-term use and various high-temperature conditions. It is expected to be used as an electrode catalyst for batteries and biosensors. Furthermore, when the protein having the novel laccase activity of the present invention has a small molecular weight and is used as an electrode catalyst for a fuel cell or a biosensor, the amount of enzyme molecules supported per area of the conductive member can be increased. The density can be improved. Therefore, high performance of fuel cells and biosensors can be expected by utilizing the protein having the novel laccase activity of the present invention.

[4]本発明のラッカーゼ活性を有するタンパク質をコードする核酸分子。
[5]本発明の単離核酸分子が、下記(i)又は(ii)のポリヌクレオチドからなる。
(i)配列番号1に示す塩基配列を含むポリヌクレオチド
(ii)配列番号1に示す塩基配列を含むポリヌクレオチドとストリンジェントな条件下でハイブリダイズするポリヌクレオチド
[6]本発明の核酸分子を含有する組換えベクター。
[7]本発明の組換えベクターを含有する形質転換体。
[8]本発明の形質転換体を培養し、得られた培養物から本願発明のラッカーゼ活性を有するタンパク質を採取する製造方法。
[4] A nucleic acid molecule encoding a protein having laccase activity of the present invention.
[5] The isolated nucleic acid molecule of the present invention comprises the following polynucleotide (i) or (ii).
(I) a polynucleotide comprising the base sequence represented by SEQ ID NO: 1 (ii) a polynucleotide that hybridizes with the polynucleotide comprising the base sequence represented by SEQ ID NO: 1 under stringent conditions [6] containing the nucleic acid molecule of the present invention Recombinant vector.
[7] A transformant containing the recombinant vector of the present invention.
[8] A production method for culturing the transformant of the present invention and collecting the protein having the laccase activity of the present invention from the obtained culture.

上記[4]〜[8]の構成によれば、本発明のラッカーゼ活性を有するタンパク質をコードする核酸分子、組換えベクター、形質転換体、及び、ラッカーゼの製造方法を提供することができる。また、本発明のラッカーゼ活性を有するタンパク質をコードする塩基配列が判明したことから、遺伝子工学的手法により低コストかつ工業的に当該酵素を大量生産することができる。これにより、更に本発明のラッカーゼ活性を有するタンパク質の産業上の利用価値をさらに向上させることができる。   According to the configuration of [4] to [8] above, it is possible to provide a nucleic acid molecule encoding a protein having laccase activity of the present invention, a recombinant vector, a transformant, and a method for producing laccase. Moreover, since the base sequence encoding the protein having the laccase activity of the present invention has been found, the enzyme can be mass-produced industrially at low cost by genetic engineering techniques. Thereby, the industrial utility value of the protein having the laccase activity of the present invention can be further improved.

環境試料由来のメタゲノムDNAからラッカーゼ活性を有するタンパク質をコードする核酸分子の一部をPCRによりクローニングした実施例1の結果を示す電気泳動図である。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is an electrophoretogram showing the results of Example 1 in which a part of a nucleic acid molecule encoding a protein having laccase activity was cloned by PCR from metagenomic DNA derived from an environmental sample. インバースPCR法を利用して本発明のラッカーゼ活性を有するタンパク質をコードする核酸分子の全長配列を取得した実施例2の結果を示す電気泳動図である。It is an electrophoretic diagram which shows the result of Example 2 which acquired the full length sequence of the nucleic acid molecule which codes the protein which has the laccase activity of this invention using inverse PCR method. 本発明のラッカーゼ活性を有するタンパク質のアミノ酸配列について相同性検索を行った実施例3の結果を示すアミノ酸配列アラインメントである。It is an amino acid sequence alignment which shows the result of Example 3 which performed the homology search about the amino acid sequence of the protein which has the laccase activity of this invention. 本発明のラッカーゼ活性を有するタンパク質のアミノ酸配列について既知のラッカーゼ活性を有するタンパク質のアミノ酸配列との比較を行った実施例3の結果を示すアミノ酸配列アラインメントであり、パネルAはサーマス サーモフィラス由来のラッカーゼのアミノ酸配列、パネルBは環境メタゲノム由来のラッカーゼのアミノ酸配列との比較を示す。FIG. 7 is an amino acid sequence alignment showing the results of Example 3 in which the amino acid sequence of a protein having laccase activity according to the present invention is compared with the amino acid sequence of a protein having known laccase activity. Panel A shows the laccase derived from Thermus thermophilus. Amino acid sequence, panel B, shows a comparison with the amino acid sequence of laccase from the environmental metagenome. 本発明のラッカーゼ活性を有するタンパク質をコードする核酸分子を大腸菌に形質転換し、大腸菌細胞内で発現させ組み換えタンパク質しての製造を確認した実施例5の結果を示す電気泳動図である。It is an electrophoretic diagram which shows the result of Example 5 which confirmed the manufacture after transforming the nucleic acid molecule which codes the protein which has the laccase activity of this invention into colon_bacillus | E._coli, and expressing it in a colon_bacillus | E._coli cell. 本発明のラッカーゼ活性を有するタンパク質のラッカーゼ活性のpH依存性を確認した実施例7の結果を示すグラフである。It is a graph which shows the result of Example 7 which confirmed the pH dependence of the laccase activity of the protein which has the laccase activity of this invention. 本発明のラッカーゼ活性を有するタンパク質のラッカーゼ活性の耐熱性を確認した実施例8の結果を示すグラフである。It is a graph which shows the result of Example 8 which confirmed the heat resistance of the laccase activity of the protein which has the laccase activity of this invention. 本発明のラッカーゼ活性を有するタンパク質のラッカーゼ活性の長期耐熱性を確認した実施例9の結果を示すグラフである。It is a graph which shows the result of Example 9 which confirmed the long-term heat resistance of the laccase activity of the protein which has laccase activity of this invention. 本発明のラッカーゼ活性を有するタンパク質のラッカーゼ活性の温度依存性を確認した実施例10の結果を示すグラフである。It is a graph which shows the result of Example 10 which confirmed the temperature dependence of the laccase activity of the protein which has the laccase activity of this invention. 本発明のラッカーゼ活性を有するタンパク質のアミノ酸配列について、本発明者らが以前に環境メタゲノムから取得した既知のラッカーゼ活性を有するタンパク質のアミノ酸配列との比較を行った実施例11の結果を示すアミノ酸配列アラインメントであり、パネルAはmgL AC-1のアミノ酸配列、パネルBはmgLAC-2のアミノ酸配列との比較を示す。The amino acid sequence showing the result of Example 11 in which the present inventors compared the amino acid sequence of the protein having laccase activity with the amino acid sequence of the protein having known laccase activity previously obtained from the environmental metagenome. Alignment, panel A shows the amino acid sequence of mgL AC-1 and panel B shows a comparison with the amino acid sequence of mgLAC-2. 本発明のラッカーゼ活性を有するタンパク質のラッカーゼ活性の温度依存性について、本発明者らが以前に環境メタゲノムから取得した既知のラッカーゼ活性を有するタンパク質、及び既知のBacillus subtilis由来のラッカーゼと比較を行った実施例12の結果を示すグラフであり、パネルAはmgLAC-1、パネルBはmgLAC-2、パネルCはBacillus subtili由来のラッカーゼとの比較を示す。The temperature dependence of the laccase activity of the protein having laccase activity of the present invention was compared with a protein having a known laccase activity previously obtained from the environmental metagenome and a known laccase derived from Bacillus subtilis . It is a graph which shows the result of Example 12, Panel A shows mgLAC-1, Panel B shows mgLAC-2, Panel C shows a comparison with laccase derived from Bacillus subtili . 本発明の迅速なホロ化法について検討した実施例15の結果を示すグラフThe graph which shows the result of Example 15 which examined the rapid holonization method of this invention

以下、本発明について詳細に説明する。   Hereinafter, the present invention will be described in detail.

1.本発明のラッカーゼ活性を有するタンパク質
本発明は、以下の生物学的特性を有するラッカーゼ活性を有するタンパク質に関する。理化学的特性、アミノ酸配列の一次構造、及び由来に分け説明する。なお、本明細書においては本発明のラッカーゼ活性を有するタンパク質を「MELAC」と、また当該タンパク質をコードする核酸分子を「melac」称する場合がある。
1. The protein which has the laccase activity of this invention TECHNICAL FIELD This invention relates to the protein which has the laccase activity which has the following biological characteristics. The explanation is divided into physicochemical properties, primary structure of amino acid sequence, and origin. In the present specification, the protein having the laccase activity of the present invention may be referred to as “MELAC”, and the nucleic acid molecule encoding the protein may be referred to as “melac”.

1−1.理化学的性質
1−1−1.ラッカーゼ活性
MELACはラッカーゼ活性を有するタンパク質である。ここで、ラッカーゼとは基質酸化反応の触媒能力を有する酸化酵素であり、その触媒中心に4個の銅イオンが結合したマルチ銅酸化酵素である。基質酸化活性としては、o-, p-ジフェノール、p-フェニレンジアミン、アスコルビン酸
などの酸化
が挙げられ、その触媒機能は、基質から電子を引き抜き(電子受容部位)、その電子を用いて酸素を水に還元することにより発揮される。そして、電子供与体との反応部位(タイプI銅部位)と、電子受容体との反応部位が異なることが知られている。基質としては、例えば、ABTS、N−エチル−N−(2−ヒドロキシ−3−スルホプロピル)−3−メチルアニリン(TOOS)、ジメチルアニリン、ジエチルアニリン、N,N−ジメチル−p−フェニレンジアミン、カテコール、レゾルシノール、ヒドロキノン、フェノール、グアヤコール、ピロガロール、p−ヒドロキシ安息香酸、カフェイン酸、ヒドロカフェイン酸、o−クレゾール、p−トルイジン、o−クロロフェノール、m−クロロフェノール、p−クロロフェノール、2,4−ジクロロフェノール、2,6−ジクロロフェノール、2,4,6−トリクロロフェノール、2,6−ジメトキシフェノール、p−フェニレンジアミン、没食子酸プロピル等が例示でき、特にABTSが好ましく利用できる。
1-1. Physicochemical properties 1-1-1. Laccase activity
MELAC is a protein having laccase activity. Here, laccase is an oxidase having a catalytic ability for a substrate oxidation reaction, and is a multi-copper oxidase in which four copper ions are bonded to the center of the catalyst. Substrate oxidation activity includes oxidation of o-, p-diphenol, p-phenylenediamine, ascorbic acid, etc., and its catalytic function is to extract electrons from the substrate (electron accepting site) and use the electrons to produce oxygen. It is demonstrated by reducing water to water. It is known that the reaction site with the electron donor (type I copper site) is different from the reaction site with the electron acceptor. Examples of the substrate include ABTS, N-ethyl-N- (2-hydroxy-3-sulfopropyl) -3-methylaniline (TOOS), dimethylaniline, diethylaniline, N, N-dimethyl-p-phenylenediamine, Catechol, resorcinol, hydroquinone, phenol, guaiacol, pyrogallol, p-hydroxybenzoic acid, caffeic acid, hydrocaffeic acid, o-cresol, p-toluidine, o-chlorophenol, m-chlorophenol, p-chlorophenol, 2,4-dichlorophenol, 2,6-dichlorophenol, 2,4,6-trichlorophenol, 2,6-dimethoxyphenol, p-phenylenediamine, propyl gallate and the like can be exemplified, and ABTS is particularly preferably used.

1−1−2.耐熱性
MELACは常温域でラッカーゼ活性を発揮すると共に、高い耐熱性を有する。具体的には、約15 ℃〜約35 ℃の常温域での活性に加え、50℃を超える高温域でも活性を示す。したがって、約25〜85℃の温度領域において安定した活性を示す。至適温度は、80 ℃以上であることが特に好ましい。つまり、これは酵素の耐久性の限界温度が80 ℃以上であることを意味する。更に、MELACは、長時間の熱処理に対しても耐性を示す。例えば、80 ℃以上での1時間程度の熱処理に対しても、常温域での活性に対して60%以上の活性を保持することが好ましい。特には、60 ℃において17時間までの長時間の熱処理によっても、常温域での活性に対して70%以上の活性を保持することが好ましい。更に、80 ℃での17時間以上の熱処理によっても失活しないことが好ましい。そして、特には、60〜70 ℃での1時間の加温によっても活性を70%以上保持できることが好ましい。ここで、失活とはタンパク質が変性し活性を示さなくなることであり、加温処理によっても好ましくは常温域での活性に対して10〜20%の活性を保持できることが好ましい。したがって、MELACは常温域で活性を発揮できると共に耐熱性が高いことから、医療、食品、環境分野等の様々な産業分野における基質酸化反応を要する技術に適用できる。なかでも、25 ℃程度の一般的な使用条件において、また、長期使用及び様々な高温条件下などの様々な使用環境においても安定してその機能を発揮できる耐久性を備えることが要求される燃料電池やバイオセンサー等の電極触媒として利用が期待される。さらに、MELACを組み換え体として遺伝子工学的手法により大量に合成した場合等においても、加熱処理により宿主由来の夾雑タンパク質を不溶性画分として容易に除去できる。したがって、精製に際して、その精製度を向上させることができ、信頼性の高い酵素を製造できるという利点がある。
1-1-2. Heat-resistant
MELAC exhibits laccase activity at room temperature and has high heat resistance. Specifically, in addition to the activity in a normal temperature range of about 15 ° C. to about 35 ° C., the activity is also exhibited in a high temperature range exceeding 50 ° C. Therefore, stable activity is exhibited in a temperature range of about 25 to 85 ° C. The optimum temperature is particularly preferably 80 ° C. or higher. In other words, this means that the limit temperature of the durability of the enzyme is 80 ° C. or higher. Furthermore, MELAC is resistant to long-term heat treatment. For example, it is preferable to maintain an activity of 60% or more with respect to the activity in a normal temperature range even for a heat treatment at 80 ° C. or higher for about 1 hour. In particular, it is preferable to maintain an activity of 70% or more with respect to the activity in the normal temperature range even by a long-time heat treatment at 60 ° C. for up to 17 hours. Furthermore, it is preferable not to deactivate even by heat treatment at 80 ° C. for 17 hours or more. In particular, it is preferable that the activity can be maintained at 70% or more even by heating for 1 hour at 60 to 70 ° C. Here, the deactivation means that the protein is denatured and does not show activity, and it is preferable that 10 to 20% of the activity in the normal temperature range can be maintained even by heating treatment. Therefore, since MELAC can exhibit activity in a normal temperature range and has high heat resistance, it can be applied to a technique that requires a substrate oxidation reaction in various industrial fields such as medical, food, and environmental fields. In particular, fuel that is required to have durability that can stably perform its functions under general use conditions of about 25 ° C and in various use environments such as long-term use and various high-temperature conditions. It is expected to be used as an electrode catalyst for batteries and biosensors. Furthermore, even when MELAC is synthesized in large quantities by genetic engineering as a recombinant, the host-derived contaminating protein can be easily removed as an insoluble fraction by heat treatment. Therefore, there is an advantage that the degree of purification can be improved during purification, and a highly reliable enzyme can be produced.

1−1−3.分子量
ラッカーゼはそのアミノ酸組成の違いにより異なる分子量を有していてもよいが、好ましくは比較的小さな分子量を有していることが望ましく、特にMELAC は約47.5kDa とラッカーゼとしては比較的小さな分子量を有する。ラッカーゼが特に適用が期待される燃料電池やバイオセンサー等の電極は、出力向上の観点から触媒酵素を導電性部材上に高密度かつ大量に固定化して構成されることが要求される。そのため、低分子量の物質は、導電性部材の面積あたりの分子の担持量を高めることができ、電流密度が向上することができる。したがって、MELACの利用により燃料電池やバイオセンサーの高性能化を期待できる。
1-1-3. Molecular weight Laccase may have different molecular weights due to the difference in its amino acid composition, but preferably it has a relatively small molecular weight, especially MELAC is about 47.5 kDa, which is a relatively small molecular weight for laccase. Have. Electrodes such as fuel cells and biosensors for which laccase is particularly expected to be applied are required to be configured by immobilizing a catalytic enzyme on a conductive member in high density and in large quantities from the viewpoint of improving output. Therefore, the low molecular weight substance can increase the amount of molecules supported per area of the conductive member, and the current density can be improved. Therefore, the use of MELAC can be expected to improve the performance of fuel cells and biosensors.

1−2.アミノ酸配列
MELACは、配列番号2のアミノ酸配列を含むものが好適に例示される。更に、前述の理化学的性質を保持している限り、配列番号2のアミノ酸配列において、特定のアミノ酸に改変が生じている改変部位を有するアミノ酸配列を含むものであってもよい。改変とは、改変の基礎となるタンパク質のアミノ酸配列のうち、1又は複数のアミノ酸が欠失、置換、挿入および付加の少なくとも1つからなる改変が生じていることを意味する。そして、「1又は複数のアミノ酸が欠失、置換、挿入及び付加の少なくとも1つからなる改変」とは、改変の基礎となるタンパク質をコードする遺伝子に対する公知のDNA組換え技術、点変異導入方法等によって、欠失、置換、挿入又は付加することができる程度の数のアミノ酸が、欠失、置換、挿入又は付加されることを意味し、これらの組み合わせをも含む。例えば、このような改変体は、配列番号2で示すアミノ酸配列に対して、アミノ酸レベルで70 %以上、好ましくは80 % 以上、更に好ましくは90 %以上の相同性を保持するものとすることができる。具体的には、例えば、MELACのアミノ酸配列の一例である配列番号2に示すアミノ酸配列において、第36番目のバリンがイソロイシンへ置換(V36I)、又は、第120番目のアスパラギンがアスパラギン酸へ置換(N120D)されたものが含まれる。双方の置換を有するものが好ましく例示され、そのアミノ酸配列を配列表の配列番号3に示す。更に、前述の理化学的性質を保持している限り、配列番号3のアミノ酸配列において、特定のアミノ酸に改変が生じている改変部位を有するアミノ酸配列を含むものであってもよい。
1-2. Amino acid sequence
MELAC is preferably exemplified by the one containing the amino acid sequence of SEQ ID NO: 2. Furthermore, as long as the physicochemical properties described above are retained, the amino acid sequence of SEQ ID NO: 2 may include an amino acid sequence having a modified site where a specific amino acid is modified. “Modification” means that a modification in which at least one of one or more amino acids is deleted, substituted, inserted, or added in the amino acid sequence of the protein that is the basis of the modification has occurred. "A modification comprising at least one of deletion, substitution, insertion and addition of one or a plurality of amino acids" means a known DNA recombination technique or a point mutation introduction method for a gene encoding a protein serving as a basis for the modification. Etc. means that as many amino acids as can be deleted, substituted, inserted or added are deleted, substituted, inserted or added, including combinations thereof. For example, such a variant may maintain homology of 70% or more, preferably 80% or more, more preferably 90% or more, at the amino acid level with respect to the amino acid sequence represented by SEQ ID NO: 2. it can. Specifically, for example, in the amino acid sequence shown in SEQ ID NO: 2 as an example of the amino acid sequence of MELAC, the 36th valine is replaced with isoleucine (V36I), or the 120th asparagine is replaced with aspartic acid ( N120D) is included. Those having both substitutions are preferably exemplified, and the amino acid sequence thereof is shown in SEQ ID NO: 3 of the Sequence Listing. Furthermore, as long as the physicochemical properties described above are retained, the amino acid sequence of SEQ ID NO: 3 may include an amino acid sequence having a modified site where a specific amino acid is modified.

当業者は、アミノ酸配列の改変に際してMELACのその酵素活性を保持する改変を容易に予測することができる。具体的には、例えばアミノ酸置換の場合には、タンパク質構造保持の観点から極性、電荷、親水性、若しくは疎水性等の点で置換前のアミノ酸と類似した性質を有するアミノ酸に置換することができる。このような置換は保守的置換として当業者には周知である。具体例を挙げると、例えば、アラニン、バリン、ロイシン、イソロイシン、プロリン、メチオニン、フェニルアラニン、トリプトファンは、共に非極性アミノ酸に分類されるため、互いに似た性質を有する。また、極性をもつ中性アミノ酸としては、グリシン、セリン、スレオニン、システイン、チロシン、アスパラギン、グルタミンが挙げられる。また、酸性アミノ酸としては、アスパラギン酸およびグルタミン酸が挙げられる。また、塩基性アミノ酸としては、リジン、アルギニン、ヒスチジンが挙げられる。これらの各グループ内のアミノ酸置換は、タンパク質の機能が維持されるとして許容される。また、その後の精製、固相への固定化等の便宜のため、アミノ酸配列のN、又はC末端にHis-tag、FLAG-tag等を付加したものも好適に例示される。このようなTagペプチドの導入は常法により行なうことができる。また、酵素活性の消失を引き起こさない範囲内で、C末端側若しくはN末端側のアミノ酸残基を切断した切断型でもよい。更に、グルコシル化等の化学修飾を付加してもよい。   One skilled in the art can easily predict modifications that retain the enzymatic activity of MELAC upon modification of the amino acid sequence. Specifically, for example, in the case of amino acid substitution, an amino acid having properties similar to the amino acid before substitution in terms of polarity, charge, hydrophilicity, hydrophobicity, etc. can be substituted from the viewpoint of maintaining the protein structure. . Such substitutions are well known to those skilled in the art as conservative substitutions. For example, alanine, valine, leucine, isoleucine, proline, methionine, phenylalanine and tryptophan are classified as nonpolar amino acids, and thus have similar properties to each other. Examples of the neutral neutral amino acid include glycine, serine, threonine, cysteine, tyrosine, asparagine, and glutamine. Examples of acidic amino acids include aspartic acid and glutamic acid. Examples of basic amino acids include lysine, arginine, and histidine. Amino acid substitutions within each of these groups are permissible as protein function is maintained. Further, for convenience such as subsequent purification and immobilization on a solid phase, those having His-tag, FLAG-tag, etc. added to the N- or C-terminus of the amino acid sequence are also preferably exemplified. Such Tag peptide can be introduced by a conventional method. Moreover, the cut | disconnected type which cut | disconnected the amino acid residue of the C terminal side or the N terminal side may be sufficient as long as the loss | disappearance of an enzyme activity is not caused. Furthermore, chemical modification such as glucosylation may be added.

しかしながら、MELACの一例である配列番号2で示すアミノ酸配列の第1〜34のアミノ酸が欠損した形態は活性を示さない。かかる欠損領域は、全てのマルチ銅酸化酵素において保存されたアミノ酸や、銅との結合関与するアミノ酸を含むものではない。つまり、当該領域には、MELAC固有のラッカーゼ活性発現に不可欠なアミノ酸が含まれると考えられ、配列番号2で示すアミノ酸配列の第1〜34のアミノ酸は保存されることが好ましい。   However, the form in which amino acids 1 to 34 of the amino acid sequence represented by SEQ ID NO: 2 as an example of MELAC are deleted does not show activity. Such a defective region does not include amino acids conserved in all multi-copper oxidases or amino acids involved in binding to copper. That is, it is considered that the region includes amino acids essential for MELAC-specific laccase activity expression, and amino acids 1 to 34 of the amino acid sequence represented by SEQ ID NO: 2 are preferably conserved.

1−3.由来等
MELACの由来は、前述の本発明のMELACの理化学的性質を具備している限り制限はない。例えば、前述の理化学的性質を有するMELACを生産する能力を有する生物体であり、いずれの生物体に由来するものであってもよく、特には細菌由来である。好ましくは、堆肥等の環境試料中に存在する生物体に由来する。たとえば、環境試料から調製されたメタゲノムDNAより発現させたタンパク質から、上記理化学的性質を有するタンパク質をスクリーニングすることにより取得することができる。
1-3. Origin etc.
The origin of MELAC is not limited as long as it has the physicochemical properties of MELAC of the present invention described above. For example, it is an organism having the ability to produce MELAC having the above-mentioned physicochemical properties, and may be derived from any organism, in particular from bacteria. Preferably, it originates from organisms present in environmental samples such as compost. For example, it can be obtained by screening a protein having the above physicochemical properties from a protein expressed from metagenomic DNA prepared from an environmental sample.

さらに、MELACは遺伝子工学的手法により製造されたものであってもよい。例えば、本明細書において開示するMELACのアミノ酸配列の配列情報に基づいて、本発明のMELACを遺伝子工学的に製造することができる。例えば、配列番号2又は3に示すアミノ酸配列の一部又は全部をコードする塩基配列を基にして作成したDNAプローブを用いるハイブリダイゼーション法により、前述の理化学的性質を保持し得るMELACを発現し得る細菌のゲノムDNAから本発明のMELACをコードする核酸分子を調製することができる。また、配列番号2又は3のアミノ酸配列をコードする塩基配列の一部をプライマーとして用いるPCRによっても同様に、前述の理化学的性質を保持し得るMELACを発現し得る細菌のゲノムDNAを鋳型として本発明のMELACをコードする核酸分子を調製することができる。さらに、常法のホスホアミダイト法等のDNA合成法を利用して、本発明のMELACをコードする核酸分子を化学的に合成することができる。そして、得られた核酸分子を下記で詳細に説明する遺伝子組換え技術により本発明のMELACを製造することができる。   Furthermore, MELAC may be produced by genetic engineering techniques. For example, based on the sequence information of the amino acid sequence of MELAC disclosed in this specification, the MELAC of the present invention can be produced by genetic engineering. For example, MELAC capable of retaining the above-mentioned physicochemical properties can be expressed by a hybridization method using a DNA probe prepared based on a base sequence encoding part or all of the amino acid sequence shown in SEQ ID NO: 2 or 3. Nucleic acid molecules encoding MELAC of the present invention can be prepared from bacterial genomic DNA. Similarly, by PCR using a part of the nucleotide sequence encoding the amino acid sequence of SEQ ID NO: 2 or 3 as a primer, the genomic DNA of a bacterium capable of expressing MELAC capable of retaining the above physicochemical properties is used as a template. Nucleic acid molecules encoding MELACs of the invention can be prepared. Furthermore, a nucleic acid molecule encoding the MELAC of the present invention can be chemically synthesized using a conventional DNA synthesis method such as a phosphoramidite method. The MELAC of the present invention can be produced by the gene recombination technique described in detail below for the obtained nucleic acid molecule.

ここで、ハイブリダイゼーション及びPCRの鋳型となるゲノムDNAは、前述の理化学的性質を保持し得るMELACを発現し得る細菌由来のゲノムDNAである。好ましくは、堆肥等の環境試料中に存在する生物体から調製されたゲノムDNAである。このとき、生物体を分離・培養することなく、環境試料から直接DNAを抽出、クローン化したものであってもよいが、これらに限定されるものではない。   Here, the genomic DNA used as a template for hybridization and PCR is a genomic DNA derived from a bacterium capable of expressing MELAC capable of retaining the above-mentioned physicochemical properties. Preferably, it is genomic DNA prepared from organisms present in environmental samples such as compost. At this time, DNA may be extracted and cloned directly from an environmental sample without separating and culturing organisms, but is not limited thereto.

そして、本発明のMELACの製造において、ハイブリダイゼーションを利用する場合に用いられるプローブは、本発明のMELACと相補的な配列を含むオリゴヌクレオチドであり、常法に基づいて調製することができる。例えば、ホスホアミダイト法等に基づく化学合成法、既に標的となる核酸が取得されている場合にはその制限酵素断片等が利用可能である。このようなプローブとしては、本発明のMELACをコードする核酸分子の塩基配列に基づき、この塩基配列の連続する10以上、好ましくは15以上、更に好ましくは約20〜50の塩基からなるオリゴヌクレオチドが例示される。そして、プローブは必要に応じて適当な標識が付されていてよく、このような標識として放射線同位体、蛍光色素等が例示される。   In the production of the MELAC of the present invention, the probe used when utilizing hybridization is an oligonucleotide containing a sequence complementary to the MELAC of the present invention and can be prepared based on a conventional method. For example, a chemical synthesis method based on the phosphoramidite method or the like, or a restriction enzyme fragment or the like can be used when a target nucleic acid has already been obtained. Examples of such a probe include an oligonucleotide consisting of 10 or more, preferably 15 or more, more preferably about 20 to 50 bases of the base sequence based on the base sequence of the nucleic acid molecule encoding MELAC of the present invention. Illustrated. The probe may be appropriately labeled as necessary, and examples of such a label include a radioisotope and a fluorescent dye.

また、本発明のMELACの製造において、PCRを利用する場合に用いられるプライマーは、本発明のMELACと相補的な配列を含むオリゴヌクレオチドであり、常法に基づいて調製することができる。例えば、ホスホアミダイト法等に基づく化学合成法、既に標的となる核酸が取得されている場合にはその制限酵素断片等が利用可能である。化学合成法に基づきプライマーを調製する場合には、合成に先立って標的核酸の配列情報に基づいて設計される。プライマーの設計は、所望の領域を増幅するように、例えばプライマー設計支援ソフト等を利用して設計することができる。プライマーは合成後、HPLC等の手段により精製される。また、化学合成を行う場合には市販の自動合成装置を利用することも可能である。このようなプライマーとしては、本発明のMEL ACをコードする核酸分子の塩基配列に基づき、所望の増幅領域を挟んで設計され、10以上、好ましくは15以上、更に好ましくは約20〜50の塩基からなるオリゴヌクレオチドが例示される。   In addition, in the production of the MELAC of the present invention, a primer used when PCR is used is an oligonucleotide containing a sequence complementary to the MELAC of the present invention, and can be prepared based on a conventional method. For example, a chemical synthesis method based on the phosphoramidite method or the like, or a restriction enzyme fragment or the like can be used when a target nucleic acid has already been obtained. When preparing a primer based on a chemical synthesis method, it is designed based on the sequence information of the target nucleic acid prior to synthesis. The primer can be designed using, for example, primer design support software so as to amplify a desired region. After synthesis, the primer is purified by means such as HPLC. Moreover, when performing chemical synthesis, it is also possible to use a commercially available automatic synthesizer. Such a primer is designed on the basis of the base sequence of the nucleic acid molecule encoding MEL AC of the present invention and sandwiches a desired amplification region, and is 10 or more, preferably 15 or more, more preferably about 20 to 50 bases. An oligonucleotide consisting of

ここで、相補的とは、プライマーと標的核酸とが塩基対合則に従って特異的に結合し安定な二重鎖構造を形成できることを意味する。ここで、完全な相補性のみならず、プライマーと標的核酸が互いに安定な二重鎖構造を形成し得るのに十分である限り、いくつかの核酸塩基のみが塩基対合則に沿って適合する部分的な相補性であっても許容される。その塩基数は、標的核酸を特異的に認識するために十分に長くなければならないが、長すぎると逆に非特異的反応を誘発するので好ましくない。したがって、適当な長さはGC含量等の標的核酸の配列情報、並びに、反応温度、反応液中の塩濃度等のハイブリダイゼーション反応条件など多くの因子に依存して決定されるが、好ましくは、20〜50塩基長である。   Here, complementary means that the primer and the target nucleic acid can specifically bind according to the base pairing rule to form a stable double-stranded structure. Here, not only perfect complementarity, but only a few nucleobases fit along the base-pairing rule as long as the primer and target nucleic acid are sufficient to form a stable duplex structure with each other Even partial complementarity is acceptable. The number of bases must be long enough to specifically recognize the target nucleic acid, but if it is too long, a non-specific reaction is induced, which is not preferable. Accordingly, an appropriate length is determined depending on many factors such as target nucleic acid sequence information such as GC content, and hybridization reaction conditions such as reaction temperature and salt concentration in the reaction solution. It is 20-50 bases long.

更には、本発明のMELACは、化学的合成技術によっても製造することができる。例えば、配列番号2又は3に示されるアミノ酸配列の全部、又は一部を、ペプチド合成機を用いて合成し、得られるポリペプチドを適当な条件の下で、再構築することにより調製することができる。   Furthermore, the MELAC of the present invention can also be produced by a chemical synthesis technique. For example, the amino acid sequence shown in SEQ ID NO: 2 or 3 can be prepared by synthesizing all or part of the amino acid sequence using a peptide synthesizer and reconstructing the resulting polypeptide under appropriate conditions. it can.

また、MELACの一例を示す配列番号2又は3のアミノ酸配列において、特定のアミノ酸に改変が生じている改変部位を有する改変体は、自然又は人工の突然変異により生じた突然変異体の中から当該活性を有するタンパク質をスクリーニングすることにより取得できる。或いは、MELACをコードする核酸分子に対して改変を施すことによっても取得できる。核酸分子に改変を施す方法としては、特に制限はなく、当業者に公知の改変タンパク質作製のための変異導入技術を利用することができる。例えば、部位特異的突然変異誘発法、PCR等を利用して点変異を導入するPCR突然誘発法、あるいは、トランスポゾン挿入突然変異誘発法などの公知の変異導入技術を利用することができる。市販の変異導入用キット(例えば、QuikChange(登録商標) Site-directed Mutagenesis Kit(Stratagene社製)等を利用してもよい。また、常法のホスホアミダイト法等のDNA合成法を利用して、所望の改変を施した核酸分子を構築することによっても調製することができる。   In addition, in the amino acid sequence of SEQ ID NO: 2 or 3 showing an example of MELAC, a variant having a modified site in which a specific amino acid has been modified is selected from the mutants caused by natural or artificial mutation. It can be obtained by screening a protein having activity. Alternatively, it can also be obtained by modifying a nucleic acid molecule encoding MELAC. There is no restriction | limiting in particular as a method to modify | change a nucleic acid molecule, The mutagenesis technique for preparation of the modification protein well-known to those skilled in the art can be utilized. For example, a known mutagenesis technique such as a site-directed mutagenesis method, a PCR abrupt induction method that introduces a point mutation using PCR, or a transposon insertion mutagenesis method can be used. A commercially available mutagenesis kit (for example, QuikChange (registered trademark) Site-directed Mutagenesis Kit (manufactured by Stratagene), etc.) may be used, and DNA synthesis methods such as a conventional phosphoramidite method may be used, It can also be prepared by constructing nucleic acid molecules with the desired modifications.

2.MELACをコードする核酸分子
MELACをコードする核酸分子は、前述の理化学的性質を有するすべてのMELACをコードするものを包含する。例えば、配列番号2又は3に記載されるアミノ酸配列を含むタンパク質をコードするポリヌクレオチドであり、一具体例としては、配列番号1に示す塩基配列を含むポリヌクレオチドが挙げられる。ここで、本発明におけるポリヌクレオチドにはDNA及びRNAの双方が含まれ、DNAである場合には、1本鎖であると、二本鎖であるとは問わない。
2. Nucleic acid molecules encoding MELAC
Nucleic acid molecules encoding MELAC include those encoding all MELACs having the aforementioned physicochemical properties. For example, it is a polynucleotide encoding a protein containing the amino acid sequence described in SEQ ID NO: 2 or 3, and a specific example thereof is a polynucleotide containing the base sequence shown in SEQ ID NO: 1. Here, the polynucleotide in the present invention includes both DNA and RNA, and when it is DNA, it is not necessarily double-stranded if it is single-stranded.

更に、前述のMELACの性質を保持している限り、配列番号1に示す塩基配列からなるポリヌクレオチドとストリンジェントな条件下でハイブリダイズするポリヌクレオチドを含む核酸分子も本発明に含まれる。このようなポリヌクレオチドは、公知の変異導入技術を利用することにより作製できる。例えば、部位特異的突然変異誘発法、PCR等を利用して点変異を導入するPCR突然誘発法、あるいは、トランスポゾン挿入突然変異誘発法などの公知の変異導入技術を利用することができる。市販の変異導入用キット(例えば、QuikChange(登録商標)Sit e-directed Mutagenesis Kit(Stratagene社製)等を利用してもよい。また、常法のホスホアミダイト法等のDNA合成法を利用して、所望の改変を施したMELACをコードする核酸分子を構築することによって行なうことができる。もしくは、配列番号1の塩基配列を有するポリヌクレオチドに対してエキソヌクレアーゼを作用させることによって取得することができる。このようなポリヌクレオチドとしては、配列番号1の塩基配列において1又は複数の塩基が欠失、置換、付加もしくは挿入されたものも含まれる。したがって、配列番号1の塩基配列の3’、又は5’末端にHis-Tag配列をコードする塩基配列が付加したものも好適に例示される。しかしながら、配列番号2で示すアミノ酸配列の第1〜34のアミノ酸をコードする塩基については、コードするアミノ酸の変異をもたらす改変は好ましくない。   Furthermore, a nucleic acid molecule comprising a polynucleotide that hybridizes under stringent conditions with a polynucleotide consisting of the base sequence shown in SEQ ID NO: 1 is also included in the present invention as long as it retains the aforementioned properties of MELAC. Such a polynucleotide can be prepared by using a known mutation introduction technique. For example, a known mutagenesis technique such as a site-directed mutagenesis method, a PCR abrupt induction method that introduces a point mutation using PCR, or a transposon insertion mutagenesis method can be used. A commercially available mutation introduction kit (for example, QuikChange (registered trademark) Site-directed Mutagenesis Kit (manufactured by Stratagene), etc.) may be used, and a DNA synthesis method such as a conventional phosphoramidite method may be used. It can be performed by constructing a nucleic acid molecule encoding MELAC with a desired modification, or can be obtained by allowing an exonuclease to act on a polynucleotide having the base sequence of SEQ ID NO: 1. Such polynucleotides include those in which one or more bases are deleted, substituted, added or inserted in the base sequence of SEQ ID NO: 1. Therefore, 3 ′ of the base sequence of SEQ ID NO: 1, or Preferred examples include those in which a base sequence encoding a His-Tag sequence is added to the 5 ′ end, however, the first to third amino acid sequences shown in SEQ ID NO: 2. For the base encoding the amino acid of 4, modification that causes mutation of the encoded amino acid is not preferable.

ここで、ストリンジェントな条件とは、塩基配列において、60 %以上、好ましくは70 %、より好ましくは80 %以上、特に好ましくは90 %以上の同一性を有するDNA同士が優先的にハイブリダイズし得る条件をいう。ストリンジェンシーは、ハイブリダイゼーションの反応や洗浄の際の塩濃度及び温度を適宜変化させることによって調整することができる。例えば、Sambrook他著、Molecular Cloning:A Laboratory Manual、第2版、(1989年) Cold Spring Harbor Laboratory Press, Cold Spring Harbor、New York等に記載のサザンハイブリダイゼーションのための条件等が挙げられる。   Here, the stringent condition means that DNAs having the identity of 60% or more, preferably 70%, more preferably 80% or more, particularly preferably 90% or more in the base sequence are preferentially hybridized. The condition to obtain. The stringency can be adjusted by appropriately changing the salt concentration and temperature during the hybridization reaction and washing. For example, the conditions for Southern hybridization described in Sambrook et al., Molecular Cloning: A Laboratory Manual, 2nd edition, (1989) Cold Spring Harbor Laboratory Press, Cold Spring Harbor, New York, and the like.

より具体的には、50 %(v/v) ホルムアミド、5×SSC中で、42 ℃にて16時間のハイブリダイゼーションが例示される。ここで、1×SSCは、0.15 M NaCl、0.015 M クエン酸ナトリウム、pH 7.0である。また、ドデシル硫酸ナトリウム(SDS)を0.1〜1.0 %(v/v)、変性非特異的DNAをハイブリダイゼーションバッファー1mLあたり25〜100 ng含んでいてよい。そして、洗浄条件としては、2X SSC、0.1% SDS中の5 ℃にて5分間の洗浄、及び0.1X SSC、0.1% SDS中の65 ℃にて30分間〜4時間の洗浄が例示される。また、これらと同等の条件も当業者は容易に理解できるであろう。   More specifically, hybridization is exemplified in 50% (v / v) formamide, 5 × SSC at 42 ° C. for 16 hours. Here, 1 × SSC is 0.15 M NaCl, 0.015 M sodium citrate, pH 7.0. Further, sodium dodecyl sulfate (SDS) may be contained in an amount of 0.1 to 1.0% (v / v), and denatured non-specific DNA may be contained in an amount of 25 to 100 ng per mL of the hybridization buffer. Examples of washing conditions include washing for 5 minutes at 5 ° C in 2X SSC, 0.1% SDS, and washing for 30 minutes to 4 hours at 65 ° C in 0.1X SSC, 0.1% SDS. Also, those skilled in the art can easily understand these equivalent conditions.

本発明のMELACをコードする核酸分子は、本発明の核酸分子の塩基配列に基づいて作成することができる。例えば、配列番号1に示す塩基配列の一部又は全部を基にして作成したDNAプローブを用いるハイブリダイゼーション法により、前述の理化学的性質を保持し得るラッカーゼ活性を発現し得る細菌のゲノムDNAから本発明のMELACをコードする核酸分子を調製することができる。また、配列番号1の塩基配列の一部をプライマーとして用いるPCRによっても同様に、前述の理化学的性質を保持し得るラッカーゼ活性を発現し得る細菌のゲノムDNAを鋳型として本発明のMELACをコードする核酸分子を調製することができる。また、実施例2に示す通り、既知のMELACの配列情報から構築されたプライマーを用いたPCRにより、前述の理化学的性質を保持し得るMELACを発現し得る細菌のゲノムDNAをクローニングすることによって取得することができる。さらに、常法のホスホアミダイト法等のDNA合成法を利用して、本発明のMELACをコードする核酸分子を化学的に合成することができる。詳細については前述した。   The nucleic acid molecule encoding MELAC of the present invention can be prepared based on the base sequence of the nucleic acid molecule of the present invention. For example, by hybridization using a DNA probe prepared based on a part or all of the base sequence shown in SEQ ID NO: 1, the present DNA is obtained from bacterial genomic DNA capable of expressing laccase activity capable of retaining the above physicochemical properties. Nucleic acid molecules encoding MELACs of the invention can be prepared. Similarly, PCR using a part of the nucleotide sequence of SEQ ID NO: 1 as a primer also encodes the MELAC of the present invention using as a template a bacterial genomic DNA capable of expressing the laccase activity capable of retaining the above-mentioned physicochemical properties. Nucleic acid molecules can be prepared. In addition, as shown in Example 2, it was obtained by cloning genomic DNA of bacteria capable of expressing MELAC capable of retaining the above-mentioned physicochemical properties by PCR using primers constructed from known MELAC sequence information. can do. Furthermore, a nucleic acid molecule encoding the MELAC of the present invention can be chemically synthesized using a conventional DNA synthesis method such as a phosphoramidite method. Details are described above.

3.組換えベクター
本発明の組換えベクターは、適当なベクターに本発明のMELACをコードする核酸分子を組み込むことによって構築することができる。利用可能なベクターとしては、外来DNAを組み込め、かつ宿主細胞中で自律的に複製可能なものであれば特に制限はない。したがって、ベクターは、MELACをコードする核酸分子を挿入できる少なくとも1つの制限酵素部位の配列若しくは、部位特異的な組み換え配列を含むものである。例えば、プラスミドベクター(pET系、pUC系、及びpBR系等)、ファージベクター(λt10、λt11、及びλAP等)、コスミドベクター、ウイルスベクター(ワクシニアウイルス、及びバキュロウイルス等)等が包含される。
3. Recombinant Vector The recombinant vector of the present invention can be constructed by incorporating a nucleic acid molecule encoding the MELAC of the present invention into an appropriate vector. The vector that can be used is not particularly limited as long as it can incorporate foreign DNA and can replicate autonomously in a host cell. Thus, the vector contains a sequence of at least one restriction enzyme site into which a nucleic acid molecule encoding MELAC can be inserted or a site-specific recombination sequence. For example, plasmid vectors (pET system, pUC system, pBR system, etc.), phage vectors (λt10, λt11, λAP, etc.), cosmid vectors, virus vectors (vaccinia virus, baculovirus, etc.) and the like are included.

そして、本発明の組換えベクターは、MELACをコードする核酸分子がその機能を発現できるように組み込まれている。したがって、核酸分子の機能発現に必要な他の公知の塩基配列が含まれていてもよい。例えば、プロモータ配列、リーダー配列、シグナル配列、並びにリボソーム結合配列等が挙げられる。プロモータ配列としては、例えば、宿主が大腸菌の場合にはlacプロモータ、trpプロモータ等が好適に例示される。しかしながら、これに限定するものではなく公知のプロモータ配列を利用できる。更に、本発明の組換えベクターには、宿主において表現型選択を付与することが可能なマーキング配列等をも含ませることができる。このようなマーキング配列としては、薬剤耐性、栄養要求性などの遺伝子をコードする配列等が例示される。具体的には、カナマイシン耐性遺伝子、クロラムフェニコール耐性遺伝子、アンピシリン耐性遺伝子等が例示される。   The recombinant vector of the present invention is incorporated so that the nucleic acid molecule encoding MELAC can express its function. Therefore, other known base sequences necessary for the functional expression of the nucleic acid molecule may be included. For example, a promoter sequence, a leader sequence, a signal sequence, a ribosome binding sequence and the like can be mentioned. As the promoter sequence, for example, when the host is Escherichia coli, lac promoter, trp promoter and the like are preferably exemplified. However, the present invention is not limited to this, and a known promoter sequence can be used. Furthermore, the recombinant vector of the present invention can also include a marking sequence that can confer phenotypic selection in the host. Examples of such marking sequences include sequences encoding genes such as drug resistance and auxotrophy. Specifically, kanamycin resistance gene, chloramphenicol resistance gene, ampicillin resistance gene and the like are exemplified.

ベクターへのMELACをコードする核酸分子等の挿入は、例えば、適当な制限酵素で本発明の遺伝子を切断し、適当なベクターの制限酵素部位、又はマルチクローニング部位に挿入して連結する方法などを用いることができるが、これに限定されない。連結に際しては、DNAリガーゼを用いる方法等、公知の方法を利用できる。また、DNA Ligation Kit(Takara-bio社)等の市販のライゲーションキットを利用することもできる。   The insertion of a nucleic acid molecule encoding MELAC into a vector includes, for example, a method in which the gene of the present invention is cleaved with an appropriate restriction enzyme and inserted into a restriction enzyme site or a multicloning site of an appropriate vector and ligated. Although it can be used, it is not limited to this. For ligation, a known method such as a method using DNA ligase can be used. Commercially available ligation kits such as DNA Ligation Kit (Takara-bio) can also be used.

4.形質転換体
本発明の形質転換体は、適当な細胞を、本発明のMELACをコードする核酸分子を含む組換えベクターで形質転換することによって構築することができる。ここで、宿主となる細胞としては、本発明のMELACをコードする核酸分子を効率的に発現できる宿主細胞であれば、特に制限はない。原核生物を好適に利用でき、特には大腸菌を利用することができる。その他、枯草菌、バシラス属細菌、シュードモナス属細菌等をも利用できる。大腸菌としては、例えば、E.coli DH5瘁AE.coli BL21、E.coli JM109等を利用できる。更に、原核生物に限定されず真核生物細胞を利用することが可能である。例えば、Saccharomyces cerevisiae等の酵母、Sf9細胞等の昆虫細胞、CHO細胞、COS-7細胞等の動物細胞等を利用することも可能である。形質転換法としては、塩化カルシウム法、エレクトロポレーション法、リポソームトランスフェクション法、マイクロインジェクション法等を公知の方法を利用することができる。
4). Transformant The transformant of the present invention can be constructed by transforming an appropriate cell with a recombinant vector containing a nucleic acid molecule encoding MELAC of the present invention. Here, the host cell is not particularly limited as long as it can efficiently express the nucleic acid molecule encoding MELAC of the present invention. Prokaryotes can be preferably used, and in particular, E. coli can be used. In addition, Bacillus subtilis, Bacillus bacteria, Pseudomonas bacteria, and the like can also be used. As E. coli, for example, E. coli DH5 瘁 A E. coli BL21, E. coli JM109 and the like can be used. Furthermore, eukaryotic cells can be used without being limited to prokaryotes. For example, it is also possible to utilize yeasts such as Saccharomyces cerevisiae, insect cells such as Sf 9 cells, CHO cells, animal cells such as COS-7 cells. As a transformation method, a known method such as a calcium chloride method, an electroporation method, a liposome transfection method, a microinjection method, or the like can be used.

5.MELACの製造方法
MELACの製造方法は、前述の本発明の形質転換体を培養し、得られた培養物からラッカーゼ活性を有するタンパク質を採取することにより行なう。即ち、前述の本発明の形質転換体を培養する培養工程と、前記培養工程で発現した前記タンパク質を回収する回収工程とを備える。このように、適当な宿主で発現させることによって、低コストでMELACの大量生産が可能となる。
5. Manufacturing method of MELAC
MELAC is produced by culturing the above-described transformant of the present invention and collecting a protein having laccase activity from the obtained culture. That is, the method includes a culture step of culturing the transformant of the present invention described above and a recovery step of recovering the protein expressed in the culture step. As described above, MELAC can be mass-produced at low cost by expressing it in an appropriate host.

培養工程は、本発明の形質転換体を適当な培地に接種し、常法に準じて培養することにより行なわれる。本発明の形質転換体の培養は、宿主細胞の栄養生理学的性質を勘案して、培養条件を選択すればよい。使用される培地としては、宿主細胞が資化し得る栄養素を含み、形質転換体におけるタンパク質の発現を効率的に行えるものであれば特に制限はない。したがって、宿主細胞の生育に必要な炭素源、窒素源その他必須の栄養素を含む培地であることが好ましく、天然培地、合成培地の別を問わない。例えば、炭素源として、グルコース、デキストラン、デンプン等が、また、窒素源としては、アンモニウム塩類、硝酸塩類、アミノ酸、ペプトン、カゼイン等が挙げられる。他の栄養素としては、所望により、無機塩類、ビタミン類、抗生物質等とを含ませることができる。宿主細胞が大腸菌の場合には、LB培地、M9培地等が好適利用できる。また、培養形態についても特に制限はないが、大量培養の観点から液体培地が好適に利用できる。   The culturing step is carried out by inoculating the transformant of the present invention in an appropriate medium and culturing according to a conventional method. For the culture of the transformant of the present invention, the culture conditions may be selected in consideration of the nutritional physiological properties of the host cells. The medium to be used is not particularly limited as long as it contains nutrients that can be assimilated by the host cell and can efficiently express the protein in the transformant. Therefore, a medium containing a carbon source, a nitrogen source and other essential nutrients necessary for the growth of the host cell is preferable, regardless of whether it is a natural medium or a synthetic medium. Examples of the carbon source include glucose, dextran, starch, and the like, and examples of the nitrogen source include ammonium salts, nitrates, amino acids, peptone, and casein. As other nutrients, inorganic salts, vitamins, antibiotics, and the like can be included as desired. When the host cell is Escherichia coli, LB medium, M9 medium and the like can be suitably used. Moreover, although there is no restriction | limiting in particular also about a culture | cultivation form, A liquid medium can be utilized suitably from a viewpoint of mass culture.

本発明の組換えベクターを保持する宿主細胞の選別は、例えば、マーキング配列の発現の有無により行なうことができる。例えば、マーキング配列として薬剤耐性遺伝子を利用する場合には、薬剤耐性遺伝子に対応する薬剤含有培地で培養することによって行うことができる。   Selection of a host cell carrying the recombinant vector of the present invention can be performed by, for example, the presence or absence of expression of a marking sequence. For example, when a drug resistance gene is used as the marking sequence, it can be performed by culturing in a drug-containing medium corresponding to the drug resistance gene.

精製工程は、前述の培養工程において得られた形質転換体の培養物からのMELACを回収、即ち、単離精製することによって行えばよい。本発明の酵素の存在する画分に応じて、一般的なタンパク質の単離精製方法に準じた手法を適用すればよい。具体的には、MELACが宿主細胞外に生産される場合には、培養液をそのまま使用するか、遠心分離、濾過等の手段により宿主細胞を除去して培養上清を得る。続いて、培養上清に、公知のタンパク質精製方法を適宜選択することにより、本発明の酵素を単離精製することができる。例えば、硫酸アンモニウム沈殿、透析、SDS-PAGE電気泳動、ゲル濾過、疎水、陰イオン、陽イオン、アフィニティークロマトグラフィ等の各種クロマトグラフィ等の公知の単離精製技術を単独、又は適宜組み合わせて適用することができる。特にアフィニティークロマトグラフィを利用する場合、本発明の酵素をHis Tag等のタグペプチドとの融合タンパク質として発現させて、かかるタグペプチドに対する親和性を利用することが好ましい。また、MELACが宿主細胞内で産生される場合には、培養物を遠心分離、濾過等の手段により宿主細胞を回収する。続いて、リゾチーム処理などの酵素的破砕方法、又は超音波処理、凍結融解、浸透圧ショック等の物理的破砕方法等により、宿主細胞を破砕する。破砕後、遠心分離、濾過等の手段により可溶化画分を収集する。得られた可溶化画分を、前述の細胞外に生産できる場合と同様に処理することにより単離精製することができる。ここで、MELACは、耐熱性が高いことから、前述の単離、精製工程において熱処理を併用することが有用かつ便利である。培養物から得られた宿主細胞及び培養上清には、当該宿主細胞由来の様々なタンパク質を含有する。しかし、熱処理を行なうことにより、宿主細胞由来の夾雑タンパク質は変性し凝縮沈殿する。これに対して、MELACは、耐熱性を有するため変性を生じないことから、遠心分離等により宿主由来の夾雑タンパク質と容易に分離できる。また、培養液をそのまま、若しくは粗抽出液を使用する場合においても、熱処理を行なうことにより、他のタンパク質が失活することから、実質的にMELACのみの酵素液として使用することができる。したがって、MELACを遺伝子工学的手法により製造する場合においても、宿主由来のその他のタンパク質を容易に除去することができる。したがって、精製度を向上させることができ、信頼性の高い酵素を製造できるという利点がある。   The purification step may be performed by recovering, that is, isolating and purifying MELAC from the transformant culture obtained in the above-described culture step. Depending on the fraction in which the enzyme of the present invention is present, a technique according to a general protein isolation and purification method may be applied. Specifically, when MELAC is produced outside the host cell, the culture solution is used as it is, or the host cell is removed by means of centrifugation, filtration or the like to obtain a culture supernatant. Subsequently, the enzyme of the present invention can be isolated and purified by appropriately selecting a known protein purification method for the culture supernatant. For example, known isolation and purification techniques such as ammonium sulfate precipitation, dialysis, SDS-PAGE electrophoresis, gel filtration, various types of chromatography such as hydrophobicity, anion, cation, and affinity chromatography can be applied alone or in appropriate combination. . In particular, when affinity chromatography is used, it is preferable to express the enzyme of the present invention as a fusion protein with a tag peptide such as His Tag and use the affinity for such tag peptide. When MELAC is produced in the host cell, the host cell is recovered by means such as centrifugation and filtration of the culture. Subsequently, the host cells are disrupted by an enzymatic disruption method such as lysozyme treatment or a physical disruption method such as ultrasonic treatment, freeze-thawing, and osmotic shock. After crushing, the solubilized fraction is collected by means such as centrifugation or filtration. The obtained solubilized fraction can be isolated and purified by treating in the same manner as in the case where it can be produced extracellularly. Here, since MELAC has high heat resistance, it is useful and convenient to use heat treatment in combination with the aforementioned isolation and purification steps. The host cell and culture supernatant obtained from the culture contain various proteins derived from the host cell. However, the host cell-derived contaminating protein is denatured and condensed and precipitated by heat treatment. On the other hand, MELAC does not cause denaturation because it has heat resistance, so it can be easily separated from host-derived contaminating proteins by centrifugation or the like. In addition, even when the culture solution is used as it is or when a crude extract is used, other proteins are inactivated by heat treatment, so that it can be used as an enzyme solution containing only MELAC. Therefore, even when MELAC is produced by genetic engineering techniques, other proteins derived from the host can be easily removed. Therefore, there is an advantage that the degree of purification can be improved and a highly reliable enzyme can be produced.

そして、単離精製されたタンパク質の性能確認は、その理化学的性質や配列の分析によって行うことができる。例えば、実施例6〜10に記載の方法等で行うことができる。   The performance of the isolated and purified protein can be confirmed by analyzing its physicochemical properties and sequence. For example, the method described in Examples 6 to 10 can be performed.

6.MELACの利用
MELACは、常温域で活性化する共に、耐熱性に優れたラッカーゼであることから、種々の産業分野において利用することができる。その利用形態を以下に説明するが、しかしながらこれらに限定されるものではない。
6). Use of MELAC
MELAC is a laccase that is activated at room temperature and has excellent heat resistance, and can therefore be used in various industrial fields. The mode of use will be described below, but is not limited thereto.

6−1.酵素電極
MELACを、酵素電極の触媒として利用することができる。好ましくは、本発明のMELACを外部回路に接続した導電性基材上に固定化することにより構築することができ、構築された電極を燃料電池やバイオセンサーなどに利用することができる。
6-1. Enzyme electrode
MELAC can be used as a catalyst for enzyme electrodes. Preferably, it can be constructed by immobilizing the MELAC of the present invention on a conductive substrate connected to an external circuit, and the constructed electrode can be used for a fuel cell, a biosensor, or the like.

導電性基材としては、グラファイト、グラッシーカーボン等のカーボン材、アルミニウム、銅、金、白金、銀、ニッケル、パラジウム等の金属又は合金、SnO2、In2O3、WO3、TiO2等の導電性酸化物等、従来公知の材質の導電性の物質を使用することができる。また、これを単層又は2種以上の積層構造をもって構成してもよい。電極の大きさ及び形状等は特に限定されるものではなく、使用目的に応じて適宜調整することができる。導電性基材上への酵素の固定化は、公知の方法によって行うことができる。例えば、物理的吸着、イオン結合,共有結合を介して固定化する担体結合法を利用することができる。また、グルタルアルデヒドなどの二価性官能基をもつ架橋試薬で架橋固定する架橋法をも利用できる。更には、アルギン酸,カラギーナン等の多糖類、導電性ポリマー、酸化還元ポリマー、光架橋性ポリマー等の網目構造をもつポリマー、透析膜等の半透性膜内に封入して固定化する包括法等をも利用することができる。また、これらを組み合わせて用いてもよい。 Examples of conductive substrates include carbon materials such as graphite and glassy carbon, metals or alloys such as aluminum, copper, gold, platinum, silver, nickel, and palladium, SnO 2 , In 2 O 3 , WO 3 , TiO 2, etc. A conventionally known conductive material such as a conductive oxide can be used. Moreover, you may comprise this with a single layer or a 2 or more types of laminated structure. The size and shape of the electrode are not particularly limited, and can be appropriately adjusted according to the purpose of use. Immobilization of the enzyme on the conductive substrate can be performed by a known method. For example, it is possible to use a carrier binding method that is immobilized through physical adsorption, ionic bond, or covalent bond. Further, a crosslinking method in which crosslinking is performed with a crosslinking reagent having a divalent functional group such as glutaraldehyde can be used. Furthermore, polysaccharides such as alginic acid and carrageenan, conductive polymers, redox polymers, polymers having a network structure such as photocrosslinkable polymers, and a comprehensive method in which they are sealed in a semipermeable membrane such as a dialysis membrane Can also be used. Moreover, you may use combining these.

6−2.燃料電池
MELACは、燃料電池の構築に利用することができ、かかる燃料電池も本発明の一部を構成する。本発明の燃料電池は、例えば、酸化反応を行うアノード極と、還元反応を行うカソード極から構成され、必要に応じてアノードとカソードを隔離する電解質層を含んで構成され、好ましくは、6−1の項で説明したMELACを外部回路に接続した導電性基材上に固定化した電極を備える。また、MELACを適当な緩衝液中に溶解させた形態で供給してもよい。固定化に際しては、MELACは、銅原子を含むホロ酵素の状態で固定化することが好ましい。しかしながら、アポ酵素の形態で固定化し、銅原子を別の層として、又は、適当な緩衝液に溶解させた形態で供給してよい。また、その他の、酵素の触媒活性の発現のために必要な物質を、別の層として、又は、適当な緩衝液に溶解させた形態で供給してよい。そして、好ましくは、MELACを外部回路に接続した導電性基材上に固定化した電極はカソード側電極として構築する。好ましくは、アノード側電極は、炭素電極とし、炭素電極とMELACとの間で直に電子のやり取りを行うように構成する。また、炭素電極とMELACの間に、酸化還元物質を介在させるように構成してもよい。例えば、アノード側電極として、グルコースデヒドロゲナーゼ等の酸化還元酵素を固定化した電極を使用することができる。また、必要に応じて、酵素反応と電極間の電子伝達を媒介する電子メディエーターを用いる。メディエーターは、特に限定されるものではないが、例えば、キノン類、シトクロム類、ビオロゲン類、フェナジン類、フェノキサジン類、フェノチアジン類、フェリシアン化物、フェレドキシン類、フェロセンおよびその誘導体等が例示される。
6-2. Fuel cell
MELAC can be used to build fuel cells, and such fuel cells also form part of the present invention. The fuel cell of the present invention includes, for example, an anode electrode that performs an oxidation reaction and a cathode electrode that performs a reduction reaction, and includes an electrolyte layer that separates the anode and the cathode as necessary. The MELAC described in the item 1 is provided with an electrode fixed on a conductive base material connected to an external circuit. Alternatively, MELAC may be supplied in a form dissolved in an appropriate buffer. In immobilization, MELAC is preferably immobilized in the state of a holoenzyme containing a copper atom. However, it may be immobilized in the form of an apoenzyme and supplied as a separate layer or in a form dissolved in an appropriate buffer solution. In addition, other substances necessary for the expression of the catalytic activity of the enzyme may be supplied as a separate layer or dissolved in an appropriate buffer. And preferably, the electrode fixed on the electroconductive base material which connected MELAC to the external circuit is constructed | assembled as a cathode side electrode. Preferably, the anode side electrode is a carbon electrode, and is configured to directly exchange electrons between the carbon electrode and MELAC. Further, a redox substance may be interposed between the carbon electrode and MELAC. For example, an electrode on which an oxidoreductase such as glucose dehydrogenase is immobilized can be used as the anode side electrode. If necessary, an electron mediator that mediates enzyme reaction and electron transfer between electrodes is used. The mediator is not particularly limited, and examples thereof include quinones, cytochromes, viologens, phenazines, phenoxazines, phenothiazines, ferricyanides, ferredoxins, ferrocene and derivatives thereof.

本発明の燃料電池は、常温域でラッカーゼ活性を発揮すると共に、高い耐熱性を有し、特に長期の熱処理によっても活性を失活させることはないという卓越した理化学的性質を有するMELACを利用することから、25 ℃程度の通常の使用条件であっても、長期使用及び様々な高温条件下などの様々な使用環境においても安定した出力を発揮できる耐久性を備えた高性能の燃料電池を構築することができる。またMELACは低分子物質であることから、既知のラッカーゼよりも導電性部材の面積あたりの酵素分子の担持量を高めることができる。これにより、電流密度が向上し高出力の発電が可能となることから燃料電池の更なる高性能化を図ることができる。   The fuel cell of the present invention utilizes MELAC which exhibits laccase activity in a normal temperature range, has high heat resistance, and particularly has excellent physicochemical properties that the activity is not deactivated even by long-term heat treatment. Therefore, even under normal operating conditions of about 25 ° C, a high-performance fuel cell with durability that can provide stable output under various usage environments such as long-term use and various high-temperature conditions is constructed. can do. Further, since MELAC is a low-molecular substance, the amount of enzyme molecules supported per area of the conductive member can be increased as compared with known laccases. As a result, the current density is improved and high power generation is possible, so that further improvement in performance of the fuel cell can be achieved.

6−3.バイオセンサー
MELACは、バイオセンサーの構築に利用することができ、かかるバイオセンサーも本発明の一部を構成する。本発明のバイオセンサーは、6−1の項で説明したMELACを外部回路に接続した導電性基材上に固定化した電極を備える。例えば、この電極を作用電極とし、その対極を設けて構成される。必要に応じて、測定精度の信頼性を高める観点から、銀-塩化銀などの参照極を設けた三電極方式として構成してもよい。このように構成することにより、ラッカーゼの基質となるo-, p-ジフェノール、p-フェニレンジアミン、アスコルビン酸などを検出することができる。
6-3. Biosensor
MELAC can be used to build biosensors, and such biosensors also form part of the present invention. The biosensor of the present invention includes an electrode in which MELAC described in the section 6-1 is immobilized on a conductive base material connected to an external circuit. For example, this electrode is used as a working electrode and a counter electrode is provided. If necessary, from the viewpoint of improving the reliability of measurement accuracy, a three-electrode system provided with a reference electrode such as silver-silver chloride may be used. By comprising in this way, o-, p-diphenol, p-phenylenediamine, ascorbic acid and the like which are substrates for laccase can be detected.

本発明のバイオセンサーによる測定は、測定試料を当該センサーと接触させ、電極上のMELACと基質の酸化反応により発生した電流を検知することで行われ、これにより、試料中の基質の存在の有無若しくは濃度を測定することができる。このとき、あらかじめ目的濃度範囲内における標準濃度の基質溶液により作製した標準曲線を作成することにより、得られた電流値に基づいて基質濃度を求めることができる。ここで、試料としては、基質の存在が予想されるすべての試料を対象とすることができる。例えば、血液、尿、唾液等の生物体由来の生物試料、食品試料、環境試料等が例示されるがこれに限定されるものではない。また、必要に応じてこれらの試料に適当な処理を行った試料をも含み得る。そして、本発明のバイオセンサーは、ラッカーゼの基質となることができる全ての物質を検出に利用可能である。更に、本発明のバイオセンサーは、常温域でラッカーゼ活性を発揮すると共に、高い耐熱性を有し、特に長期の熱処理によっても活性を失活させることはないという卓越した理化学的性質を有するMELACを利用することから、25 ℃程度の通常の使用条件であっても、また、長期使用及び様々な高温条件下などの様々な使用環境においても安定してその機能を発揮できる耐久性を備えた高性能のバイオセンサーを構築することができる、またMELACは低分子物質であることから、既知のラッカーゼよりも導電性部材の面積あたりの酵素分子の担持量を高めることができる。これにより、電流密度が向上することから更なるバイオセンサーの高性能化を図ることができる。したがって、医療、食品、環境分野等、種々の産業分野において利用可能である。   The measurement by the biosensor of the present invention is performed by bringing a measurement sample into contact with the sensor and detecting the current generated by the oxidation reaction of MELAC on the electrode and the substrate, thereby determining the presence or absence of the substrate in the sample. Alternatively, the concentration can be measured. At this time, by preparing a standard curve prepared in advance with a substrate solution having a standard concentration within the target concentration range, the substrate concentration can be determined based on the obtained current value. Here, as a sample, all samples in which the presence of a substrate is expected can be targeted. Examples include biological samples derived from organisms such as blood, urine, saliva, food samples, environmental samples, and the like, but are not limited thereto. Moreover, the sample which performed the appropriate process to these samples as needed may also be included. The biosensor of the present invention can be used for detection of all substances that can serve as laccase substrates. Furthermore, the biosensor of the present invention exhibits MELAC having excellent physicochemical properties that exhibit laccase activity in a normal temperature range, high heat resistance, and in particular, that the activity is not inactivated even by long-term heat treatment. Because it is used, it has a high durability that can stably perform its functions even under normal use conditions of about 25 ° C, and in various use environments such as long-term use and various high-temperature conditions. A biosensor with high performance can be constructed, and since MELAC is a low-molecular substance, the amount of enzyme molecules supported per area of the conductive member can be increased as compared with known laccases. Thereby, since the current density is improved, further enhancement of the performance of the biosensor can be achieved. Therefore, it can be used in various industrial fields such as medical, food and environmental fields.

以下、実施例において、本発明を更に具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に何ら限定されるものではない。   EXAMPLES Hereinafter, although an Example demonstrates this invention further more concretely, this invention is not limited to these Examples at all.

〔実施例1〕ラッカーゼ遺伝子のクローニング
環境試料由来のメタゲノムDNAからラッカーゼをコードする核酸分子の一部を、PCRを利用してクローニングした。
[Example 1] Cloning of laccase gene A part of a nucleic acid molecule encoding laccase was cloned from metagenomic DNA derived from an environmental sample using PCR.

1.プライマーの設計
ラッカーゼ遺伝子を得るために、既存ラッカーゼのアミノ酸配列を参考にして、PCR増幅用のディジェネレートプライマーを設計した。既知ラッカーゼ遺伝子配列としては、Thermus thermophilus (NCBI accession number YP_005339、Cyanothece sp.(NCBI accession number ZP_01731625、Synechococcus sp. (NCBI accession number ZP_01081498、Lyngbya sp. NCBI accession number ZP_01621366、Trichodesmium erythraeum (NCBI accession number YP_720301を用いた。
ここで設計したプライマーの配列情報は以下の通りである。
フォワードプライマー配列
5’−CCCTGCTGGAATGTTCTGOLE_LINK3GTAYCAYCCNCA−3’(配列番号4)
リバースプライマー配列
5’−OLE_LINK3CCAGATCCTCATGGTCCAGAATRTGRCARTG−3’(配列番号5)
1. Primer design In order to obtain a laccase gene, a degenerate primer for PCR amplification was designed with reference to the amino acid sequence of the existing laccase. Use Known laccase gene sequence, Thermus thermophilus (NCBI accession number YP_005339 , Cyanothece sp. (NCBI accession number ZP_01731625, Synechococcus sp. (NCBI accession number ZP_01081498, Lyngbya sp. NCBI accession number ZP_01621366, the Trichodesmium erythraeum (NCBI accession number YP_720301 It was.
The sequence information of the designed primer is as follows.
Forward primer sequence 5'-CCCTGCTGGAATGTTCTGOLE_LINK3GTAYCAYCCNCA-3 '(SEQ ID NO: 4)
Reverse primer sequence 5'-OLE_LINK3CCAGATCCTCATGGTCCAGAATRTGRCARTG-3 '(SEQ ID NO: 5)

なお、上記のプライマーを使用する場合、増幅される標的DNA配列の長さは約1000 bpと予想された。   When using the above primers, the length of the target DNA sequence to be amplified was expected to be about 1000 bp.

2.鋳型DNAの調製
環境試料からのメタゲノムDNAを鋳型とした。ここで、環境試料としては、千葉市緑区の牧場より採取した木材成分を酸化分解するバクテリアが多く含まれる木材堆肥を使用した。具体的には、間伐材や剪定材を粉砕機で粉砕して木材チップを製造し、この木材チップと発酵菌を含有する牛糞とを体積比が1:1になるように混合した後、堆肥切り返し機を用いて7〜10日の割合で混合し、50〜70 ℃で高温発酵した。木材堆肥からメタゲノムDNAを抽出するためのサンプリングは、木材チップ作製直後の木材堆肥、発酵1ヵ月後の木材堆肥、及び4〜5ヵ月後(最終)に行った。鋳型とする堆肥試料の抽出DNA溶液は、2〜6 g(湿重量)の堆肥試料を出発材料にして、DNA Isolation Kit(MO-BIO社製)を用いて、その添付資料記載の手順に従って調製した。抽出したDNAは、最終的に5 mlのキットに付属した溶出液に溶解させた。
なお、対象試料として、2ヵ月発酵の籾殻堆肥、及び牛糞(脱糞直後)の環境試料から同様にして、メタゲノムDNAの抽出を行った。
2. Preparation of template DNA Metagenomic DNA from an environmental sample was used as a template. Here, as an environmental sample, wood compost containing a large amount of bacteria that oxidatively degrade wood components collected from a pasture in Midori Ward, Chiba City was used. Specifically, thinned wood and pruned wood are crushed with a pulverizer to produce wood chips. After mixing the wood chips and cow dung containing fermentative bacteria so that the volume ratio is 1: 1, compost The mixture was mixed at a rate of 7 to 10 days using a turner and fermented at a high temperature of 50 to 70 ° C. Sampling to extract metagenomic DNA from wood compost was performed immediately after wood chip production, wood compost after 1 month of fermentation, and 4-5 months after (final). The extracted DNA solution of the compost sample used as a template was prepared according to the procedure described in the attached document using a 2 to 6 g (wet weight) compost sample as a starting material and using DNA Isolation Kit (MO-BIO). did. The extracted DNA was finally dissolved in the eluate attached to the 5 ml kit.
In addition, the metagenomic DNA was similarly extracted from the environmental samples of the rice husk compost fermented for two months and cow dung (immediately after defecation) as the target samples.

3.PCR増幅反応
上記1で調製したフォワード及びリバースプライマーと、上記2で調製した鋳型DNAとを用いてPCR増幅を行った。PCR反応は、Multiplex PCR Assay Kit (Takara-Bio社製を用いて、当該試薬に付属される説明書に従って実行した。具体的なPCRの反応温度条件は、以下の通りである。
(1)熱変性工程:94 ℃、30秒間
(2)熱変性工程:94 ℃、30秒間
(3)アニーリング工程:55 ℃、30秒間
(4)伸長工程:74 ℃、90秒間
(5)最終伸長工程:74 ℃、7分間
工程(1)の熱変性後、工程(2)〜(4)を40サイクル繰り返し、最後に工程(5)の最終伸長により反応を終了した。
3. PCR amplification reaction PCR amplification was performed using the forward and reverse primers prepared in 1 above and the template DNA prepared in 2 above. PCR reaction was performed using Multiplex PCR Assay Kit (manufactured by Takara-Bio) according to the instructions attached to the reagent. Specific PCR reaction temperature conditions are as follows.
(1) Thermal denaturation step: 94 ° C, 30 seconds (2) Thermal denaturation step: 94 ° C, 30 seconds (3) Annealing step: 55 ° C, 30 seconds (4) Extension step: 74 ° C, 90 seconds (5) Final Extension process: 74 ° C., 7 minutes After the thermal denaturation in the step (1), the steps (2) to (4) were repeated 40 cycles, and finally the reaction was terminated by the final extension in the step (5).

PCR産物はアガロースゲル電気泳動により分析及び精製することにより、目的のDNA断片をpUC118 vector(Takara-Bio社製)にクローニング後、塩基配列を決定した。このアガロースゲル電気泳動の結果を図1に示す。図中、レーン1は、チップ作製直後の木材堆肥試料(17 ng)を環境試料として使用した結果を示す。レーン2は、発酵1ヵ月後の木材堆肥(20 ng)を、レーン3は、発酵4〜5ヵ月後の木材堆肥(15 ng)を使用した結果を示す。レーン4は、発酵2ヶ月の籾殻堆肥(17 ng)を、レーン5は、牛糞堆肥(18 ng)を使用した結果を示す。レーン6は、大腸菌のゲノムDNA(20 ng)を使用した結果を示す。この結果、三種類の環境試料の全てにおいて、約1000 bpのバンドの増幅が確認できた。これにより、ラッカーゼ遺伝子と推定されるDNA断片が増幅されたものと認められ、以下の実験を行った。   The PCR product was analyzed and purified by agarose gel electrophoresis, and the target DNA fragment was cloned into pUC118 vector (Takara-Bio), and the nucleotide sequence was determined. The results of this agarose gel electrophoresis are shown in FIG. In the figure, lane 1 shows the result of using a wood compost sample (17 ng) immediately after chip production as an environmental sample. Lane 2 shows the result of using wood compost (20 ng) after 1 month of fermentation, and Lane 3 shows the result of using wood compost (15 ng) after 4 to 5 months of fermentation. Lane 4 shows the results of using rice husk compost (17 ng) for 2 months of fermentation, and Lane 5 shows the results of using cow manure compost (18 ng). Lane 6 shows the result of using E. coli genomic DNA (20 ng). As a result, amplification of a band of about 1000 bp was confirmed in all three kinds of environmental samples. As a result, it was recognized that a DNA fragment presumed to be a laccase gene was amplified, and the following experiment was conducted.

〔実施例2〕遺伝子全長の取得
インバースPCR法を利用して、実施例1で得られたDNA断片の全長配列を取得した。本発明のように環境DNAなどの試料から有用な遺伝子などを取得する際に、解読して既知になったDNA配列の周辺領域の未知のDNA配列について増幅が必要である。そのために、既知のDNA配列領域から、当該領域に隣接する未知のDNA配列領域の方向に、伸長反応するように設計されたプライマーを用いて、未知のDNA配列を増幅するインバースPCR法を利用して全長遺伝子を取得した。
[Example 2] Acquisition of full-length gene The full-length sequence of the DNA fragment obtained in Example 1 was obtained using the inverse PCR method. When a useful gene or the like is obtained from a sample such as environmental DNA as in the present invention, it is necessary to amplify an unknown DNA sequence in the peripheral region of the DNA sequence that is known by decoding. For this purpose, an inverse PCR method is used to amplify an unknown DNA sequence using a primer designed to elongate from the known DNA sequence region in the direction of the unknown DNA sequence region adjacent to the region. The full-length gene was obtained.

1.鋳型DNAの調製
発酵1ヶ月後の木材堆肥から抽出したメタゲノムDNAに、制限酵素BamHI、HindIII、KpnI、NdeI、NotI、PstI、SacI、SalI、SmaI、SphI、XbaI、XhoIを夫々50ユニット加え、37 ℃にて5時間の制限酵素反応を行った。このときの反応溶液の用量は50 μlとし、夫々制限酵素に付属のものを使用した。反応後の溶液を、OLE_LINK2DNA 精製キット(GE-Healthcare社製)を用いてOLE_LINK2溶液中のDNAを精製した。次に、精製したDNAをTE緩衝液に溶解して20μlとし、この溶液にDNA Ligation Kit(Mighty Mix)(タカラバイオ社)を20 μl加え、16 ℃にて一晩保温してセルフライゲーション反応をさせた。反応終了後、DNA精製キット(GE-Healthcare社製)を用いて反応産物を精製した。上記精製後の試料全量をインバースPCR法の鋳型として用いて、標的DNA配列の増幅を行った。
1. Preparation of template DNA Metagenomic DNA extracted from wood compost after 1 month of fermentation was added to restriction enzymes Bam HI, Hind III, Kpn I, Nde I, Not I, Pst I, Sac I, Sal I, Sma I, Sph I, 50 units of Xba I and Xho I were added, respectively, and a restriction enzyme reaction was performed at 37 ° C. for 5 hours. At this time, the dose of the reaction solution was 50 μl, and the ones attached to the restriction enzymes were used. From the solution after the reaction, DNA in the OLE_LINK2 solution was purified using an OLE_LINK2DNA purification kit (manufactured by GE-Healthcare). Next, dissolve the purified DNA in TE buffer to make 20 μl, add 20 μl of DNA Ligation Kit (Mighty Mix) (Takara Bio) to this solution, and incubate overnight at 16 ° C. for self-ligation reaction. I let you. After completion of the reaction, the reaction product was purified using a DNA purification kit (manufactured by GE-Healthcare). The target DNA sequence was amplified using the whole amount of the purified sample as a template for inverse PCR.

2.プライマーの設計
プライマーは、実施例1で得られたDNA断片を解読して既知になったDNA配列の周辺領域の未知のDNA配列について増幅できるよう設計した。ここで設計したプライマーの配列情報は以下の通りである。
フォワードプライマー配列
5’−AGTCGTACGTGAAGGTTTCGCCGGG−3’(配列番号6)
リバースプライマー配列
5’−GGTATGATGGGCCATATTCACCTCACTCCC−3’(配列番号7)
2. Primer design Primers were designed to amplify an unknown DNA sequence in the peripheral region of a DNA sequence that became known by decoding the DNA fragment obtained in Example 1. The sequence information of the designed primer is as follows.
Forward primer sequence 5′-AGTCGTACGTGAAGGTTTCGCCGGG-3 ′ (SEQ ID NO: 6)
Reverse primer sequence 5′-GGTATGATGGGCCATATTCACCTCACTCCC-3 ′ (SEQ ID NO: 7)

3.インバースPCR反応
上記1で調製した上記反応産物の全量をPCR反応に供した。そして、反応溶液は、DNAポリメラーゼとしてPrimeSTAR GXL DNA Polymerase(Takara-Bio社製)を用い、その添付資料に従って、プライマー(終濃度0.2 μM)を添加し、滅菌蒸留水で50 μlにメスアップすることにより調製した。続いて、調製後の反応溶液をサーマルサイクラーGeneAmp(登録商標) PCR System 9700(Applied Biosystems社)を用いてインバースPCRを実行した。具体的なPCRの反応温度条件は、以下の通りである。
(1)熱変性工程:98 ℃、10秒間
(2)アニーリングおよび伸長工程:68 ℃、120秒間
(3)最終伸長工程:68 ℃、10分間
工程(1)および(2)を25サイクル繰り返し、最後に工程(3)の最終伸長により反応を終了した。
3. Inverse PCR reaction The total amount of the reaction product prepared in 1 above was subjected to a PCR reaction. Then, use PrimeSTAR GXL DNA Polymerase (Takara-Bio) as the DNA polymerase, add the primer (final concentration 0.2 μM) according to the attached material, and make up to 50 μl with sterile distilled water. It was prepared by. Subsequently, inverse PCR was performed on the prepared reaction solution using a thermal cycler GeneAmp (registered trademark) PCR System 9700 (Applied Biosystems). Specific PCR reaction temperature conditions are as follows.
(1) Thermal denaturation step: 98 ° C., 10 seconds (2) Annealing and extension step: 68 ° C., 120 seconds (3) Final extension step: 68 ° C., 10 minutes Steps (1) and (2) are repeated 25 cycles, Finally, the reaction was terminated by the final extension in step (3).

PCR産物を分析及び精製すべく、増幅反応後の溶液をアガロースゲル電気泳動に供した。電気泳動後、ゲル上の標的DNA配列に該当するバンドの有無を検出した。このアガロース電気泳動の結果を図2に示す。その結果、インバースPCR法による増幅後に標的DNA配列に由来すると考えられるバンドを確認することができた。   In order to analyze and purify the PCR product, the solution after the amplification reaction was subjected to agarose gel electrophoresis. After electrophoresis, the presence or absence of a band corresponding to the target DNA sequence on the gel was detected. The results of this agarose electrophoresis are shown in FIG. As a result, a band thought to be derived from the target DNA sequence could be confirmed after amplification by the inverse PCR method.

得られた目的のDNA断片をpUC118 Vectorにクローニングし、続いて、DNA断片の塩基配列を決定した。この配列決定により、制限酵素SacIで処理した環境DNAを鋳型にしたDNA増幅断片の塩基配列情報から、ラッカーゼと推定される1種のタンパク質のN末端領域をコードする5´末端配列、及びC末端領域をコードする3’末端配列を明らかにできた。このようにインバースPCR法で仮想的な5’側及び仮想的な3’側の塩基配列を取得した後、それに基づいて5’側と3’側のプライマーを作製し再度遺伝子全長をクローニングして配列を決定して遺伝子全長を得ることにより、タンパク質のコーディング領域を含む塩基配列を決定した。ここで決定した遺伝子の全塩基配列と、この塩基配列から推定されるタンパク質のアミノ酸配列を、それぞれ配列表の配列番号1及び2として示す。配列決定の結果、コーディング領域は1254 bpであり、塩基配列から推定されるタンパク質は417残基、推定分子量は47.5 kDaであることが明らかとなった。   The obtained target DNA fragment was cloned into pUC118 Vector, and then the base sequence of the DNA fragment was determined. By this sequencing, the 5′-end sequence encoding the N-terminal region of one protein presumed to be laccase from the base sequence information of the DNA amplified fragment using environmental DNA treated with the restriction enzyme SacI as a template, and the C-terminal The 3 'terminal sequence encoding the region could be revealed. In this way, after obtaining the virtual 5 ′ and virtual 3 ′ base sequences by inverse PCR, 5 ′ and 3 ′ primers were prepared based on this, and the entire gene was cloned again. The nucleotide sequence including the coding region of the protein was determined by determining the sequence and obtaining the full length of the gene. The entire base sequence of the gene determined here and the amino acid sequence of the protein deduced from this base sequence are shown as SEQ ID NOS: 1 and 2, respectively. As a result of sequencing, it was revealed that the coding region was 1254 bp, the protein deduced from the base sequence was 417 residues, and the estimated molecular weight was 47.5 kDa.

〔実施例3〕相同性検索
実施例2で取得したラッカーゼと推定されるタンパク質のアミノ酸配列につき、相同性検索を行うと共に、既知の基質酸化活性を有するタンパク質とのアミノ酸配列アラインメントを行った。
[Example 3] Homology search The amino acid sequence of the protein presumed to be laccase obtained in Example 2 was subjected to a homology search and an amino acid sequence alignment with a protein having a known substrate oxidation activity.

1.相同性検索
相同性検索は、類似性の高い配列群を見つけ出すために汎用されるBLAST検索により行った。検索条件として、デフォルトすなわち初期条件のパラメーターを用いた場合、最もスコアが高いものとして、原核生物Sorangium cellulosum (AC CESSION YP_001611435)由来のoxidoreductase(配列番号8)がヒットした。相同性は、図3に示すとおり、アミノ酸レベルで46 %(Identities = 196/422)程度であった。
1. Homology search The homology search was performed by a BLAST search, which is widely used to find sequences with high similarity. When the default or initial condition parameters were used as the search conditions, the highest score was the oxidoreductase (SEQ ID NO: 8) derived from the prokaryote Sorangium cellulosum (AC CESSION YP_001611435). As shown in FIG. 3, the homology was about 46% (Identities = 196/422) at the amino acid level.

2.配列アラインメント
既存の耐熱ラッカーゼのアミノ酸配列とのアラインメントを行った。結果を図4に示す。パネルAは、既存の耐熱性ラッカーゼとして、先行技術文献として提示した特許文献5(特開2006-158252号公報)に開示されるサーマス サーモフィラス由来のラッカーゼとのアミノ酸配列(配列番号9)との比較を示す。以下、当該サーマス サーモフィラス由来のラッカーゼを「TthLAC」と称する場合がある。パネルBは、先行技術文献として提示した特許文献4(特開2009-201481号公報)に開示される環境メタゲノムDNA由来のラッカーゼとのアミノ酸配列(配列番号10)との比較を示す。以下、当該環境メタゲノムDNA由来のラッカーゼを「SLAC」と略する場合がある。その結果、既存のサーマス サーモフィラス由来のラッカーゼとの相同性はアミノ酸レベルで29%(Identities = 135/462)程度であり、既存の環境メタゲノムDNA由来のラッカーゼとの相同性はアミノ酸レベルで20%(Identities = 73/360)程度であり、既存のラッカーゼとは相同性がほとんどないことが判明した。
2. Sequence alignment The alignment with the amino acid sequence of the existing heat-resistant laccase was performed. The results are shown in FIG. Panel A shows the comparison with the amino acid sequence (SEQ ID NO: 9) of the thermus thermophilus-derived laccase disclosed in Patent Document 5 (Japanese Patent Laid-Open No. 2006-158252) presented as a prior art document as an existing heat-resistant laccase. Indicates. Hereinafter, the laccase derived from the Thermus thermophilus may be referred to as “TthLAC”. Panel B shows a comparison with the amino acid sequence (SEQ ID NO: 10) of laccase derived from environmental metagenomic DNA disclosed in Patent Document 4 (Japanese Patent Laid-Open No. 2009-201481) presented as a prior art document. Hereinafter, the environmental metagenomic DNA-derived laccase may be abbreviated as “SLAC”. As a result, the homology with the existing laccase from Thermos thermophilus is about 29% at the amino acid level (Identities = 135/462), and the homology with the existing laccase from the environmental metagenomic DNA is 20% at the amino acid level ( Identities = 73/360), and it was found that there was almost no homology with existing laccases.

〔実施例4〕全長遺伝子の増幅
実施例2で得られたラッカーゼと推定される遺伝子の増幅を行った。
[Example 4] Amplification of full-length gene The gene presumed to be laccase obtained in Example 2 was amplified.

1.プライマーの設計
実施例2で得られたラッカーゼと推定される遺伝子の部分配列(ラッカーゼのN末端領域をコードする5´末端配列、及びC末端領域をコードする3´末端配列)に対する特異的プライマーを設計した。具体的には、ここで設計したプライマーの配列情報は以下の通りである。
フォワードプライマー配列
5’−GAAGGAGATATACAT-ATGGAGCTCGAGGCGCGCGTCAC−3’(配列番号11)
リバースプライマー配列
5’−GAGTGCGGCCGCAAG-GGGAGTGAGGTGAATATGGCCCA−3’(配列番号12)
1. Primer design Specific primers for the partial sequence of the gene presumed to be laccase obtained in Example 2 (5 'terminal sequence encoding the N-terminal region of laccase and 3' terminal sequence encoding the C-terminal region) Designed. Specifically, the sequence information of the primers designed here is as follows.
Forward primer sequence 5′-GAAGGAGATATACAT-ATGGAGCTCGAGGCGCGCGTCAC-3 ′ (SEQ ID NO: 11)
Reverse primer sequence 5′-GAGTGCGGCCGCAAG-GGGAGTGAGGTGAATATGGCCCA-3 ′ (SEQ ID NO: 12)

2.PCR増幅反応
実施例2で取得したDNA断片を鋳型とし、上記プライマーを使用してPCR反応に行った。PCR反応はPrimeSTAR GXL DNA Polymerase (Takara-Bio社を用いて、実施例2に準じて行った。具体的なPCRの反応温度条件は、以下の通りである。
(1)熱変性工程:98 ℃、10秒間
(2)アニーリングおよび伸長工程:68 ℃、120秒間
(3)最終伸長工程:68 ℃、10分間
工程(1)および(2)を25サイクル繰り返し、最後に工程(3)の最終伸長により反応を終了した。得られたPCR産物はアガロースゲル電気泳動により分析及び精製し、以下の実験に使用した。
2. PCR amplification reaction The DNA fragment obtained in Example 2 was used as a template, and the PCR was carried out using the above primers. PCR reaction was performed using PrimeSTAR GXL DNA Polymerase (Takara-Bio) according to Example 2. Specific PCR reaction temperature conditions are as follows.
(1) Thermal denaturation step: 98 ° C., 10 seconds (2) Annealing and extension step: 68 ° C., 120 seconds (3) Final extension step: 68 ° C., 10 minutes Steps (1) and (2) are repeated 25 cycles, Finally, the reaction was terminated by the final extension in step (3). The obtained PCR product was analyzed and purified by agarose gel electrophoresis and used in the following experiments.

〔実施例5〕形質転換体の製造、及び組換えタンパク質の製造
実施例4で得られDNA断片を大腸菌に形質転換し、大腸菌細胞内で発現させ組み換えタンパク質を製造した。
[Example 5] Production of transformant and production of recombinant protein The DNA fragment obtained in Example 4 was transformed into E. coli and expressed in E. coli cells to produce a recombinant protein.

1.大腸菌タンパク質発現用プラスミドの構築
実施例4で得られたDNA断片を大腸菌発現用ベクターであるpET22b Vectorのマルチクローニングサイト(NdeIとHindIIIの間)に、クローニングキット(In-Fusion Advantage PCRクローニングキット、クローンテック社製)を用いてクローニングした。列番号11及び配列番号12において、インサートの末端に付加するベクターに相同な配列(15塩基)とインサートの末端配列との間をハイフンで示す。このとき、ラッカーゼ遺伝子のC末端にあるストップコドンを除き、pET22bのNdeI/HindIIIサイトにクローニングすることで、C末端側にヒスチジンを含んだペプチド(L-A-A-A-L-E-H-H-H-H-H-H(配列番号13):H-H-H-H-H-H はHisタグ)との融合タンパク質の発現プラスミドを構築し、大腸菌DH5α株に形質転換し、その遺伝子導入プラスミドを選択した。
1. Construction of E. coli protein expression plasmid The DNA fragment obtained in Example 4 was cloned into the multi-cloning site of pET22b Vector (between Nde I and Hin dIII), an E. coli expression vector, an In-Fusion Advantage PCR cloning kit. And Clontech). In SEQ ID NO 11 and SEQ ID NO: 12, shows between the homologous sequences in the vector to be added to the ends of the insert (15 bases) and terminal sequence of the insert a hyphen. At this time, the peptide containing histidine on the C-terminal side (LAAALEHHHHHH (SEQ ID NO: 13): HHHHHH is a His tag) is obtained by cloning into the NdeI / HindIII site of pET22b except for the stop codon at the C-terminal of the laccase gene. A fusion protein expression plasmid was constructed, transformed into Escherichia coli DH5α strain, and the gene transfer plasmid was selected.

2.タンパク質の発現
上記で選択したタンパク質発現プラスミドを、大腸菌BL21(DE3)pLysS株に形質転換することで導入した大腸菌を培養し、IPTG(isopropyl thio-β-galactoside) の添加により、上記融合タンパク質を誘導し発現させた。具体的には、大腸菌を、吸光度OD600が約0.2になるまで37 ℃で培養し、更に0.1 mMのIPTG、0.5 mM CuCl2を加えて20 ℃で20時間培養した。培養後、培養液を遠心分離することにより大腸菌を回収し、次の実験まで凍結させた。
2. Protein expression The E. coli BL21 (DE3) pLysS strain transformed with the protein expression plasmid selected above is cultured, and IPTG (isopropyl thio-β-galactoside) is added to induce the fusion protein. And expressed. Specifically, Escherichia coli was cultured at 37 ° C. until the absorbance OD 600 reached about 0.2, and further 0.1 mM IPTG and 0.5 mM CuCl 2 were added and cultured at 20 ° C. for 20 hours. After culturing, E. coli was collected by centrifuging the culture solution and frozen until the next experiment.

3.タンパク質の精製
タンパク質を発現した菌体を、10 mM Tris-HCl, 1mM EDTA, pH7.4に懸濁し、0.4 %の界面活性剤(Brij58)を加え、氷中で30分間放置した。次に、超音波菌体破砕器にて菌体を破砕し、不溶物を遠心分離により除き、細胞破砕液を分取した。得られた細胞破砕液に可溶化液(SDS を含む電気泳動用サンプル調整液)を加えて95 ℃で熱処理した。続いて、タンパク質の発現を確認するため、この細胞破砕液をアクリルアミドゲル(10-20% PAGEL、アトー社製)で電気泳動に供し、CBB染色法(和光純薬社製)によりタンパク質を可視化した。また、この菌体破砕液を、40,000X g で30分間遠心分離して得られた上清を同様に電気泳動に供しタンパク質を可視化した。
3. Purification of protein The cells expressing the protein were suspended in 10 mM Tris-HCl, 1 mM EDTA, pH 7.4, 0.4% surfactant (Brij58) was added, and the mixture was left on ice for 30 minutes. Next, the cells were crushed with an ultrasonic cell crusher, the insoluble matter was removed by centrifugation, and the cell lysate was collected. A solubilized solution (sample preparation solution for electrophoresis containing SDS) was added to the obtained cell lysate and heat-treated at 95 ° C. Subsequently, in order to confirm the expression of the protein, this cell lysate was subjected to electrophoresis on an acrylamide gel (10-20% PAGEL, manufactured by Ato), and the protein was visualized by a CBB staining method (manufactured by Wako Pure Chemical Industries). . In addition, the supernatant obtained by centrifuging this cell disruption solution at 40,000 × g for 30 minutes was similarly subjected to electrophoresis to visualize the protein.

結果を図5に示す。レーン1は菌体破砕液、レーン2は菌体破砕液を遠心分離して得られた上清の電気泳動結果を示す。   The results are shown in FIG. Lane 1 shows the electrophoresis result of the supernatant obtained by centrifuging the cell disruption solution, and Lane 2 shows the supernatant obtained by centrifuging the cell disruption solution.

次に、ヒスチジンタグ融合タンパク質精製用金属アフィニティー担体(TALON、クロンテック社製)による精製を行った。具体的には、担体をオープンカラムに適当量充填し、20 mM リン酸ナトリウム、5 mMイミダゾール、0.5 M NaCl溶液で前洗浄後、上記で得られた細胞破砕液に最終濃度が0.5 M になる様にNaClを加え、カラムにアプライした。続いて、20 mM リン酸ナトリウム、10 mMイミダゾール、0.5 M NaCl溶液で洗浄後、20 mM リン酸ナトリウム、150 mMイミダゾール、0.5 M NaCl溶液でタンパク質を溶出した。溶出後、溶出液に対して、25 mM Tris-HCl(pH7.4) 緩衝液、1 mM CuCl2を外液として透析を一晩行った。これにより、溶出に用いた塩類(イミダゾールやNaCl等)の除去、並びにラッカーゼに銅イオンを取り込ませてホロ化を行うことができる。 Next, purification was performed with a metal affinity carrier for purification of histidine tag fusion protein (TALON, manufactured by Clontech). Specifically, an appropriate amount of support is packed in an open column, pre-washed with 20 mM sodium phosphate, 5 mM imidazole, and 0.5 M NaCl solution, and the final concentration of the cell lysate obtained above is 0.5 M. In this manner, NaCl was added and applied to the column. Subsequently, after washing with 20 mM sodium phosphate, 10 mM imidazole, 0.5 M NaCl solution, the protein was eluted with 20 mM sodium phosphate, 150 mM imidazole, 0.5 M NaCl solution. After elution, the eluate was dialyzed overnight using 25 mM Tris-HCl (pH 7.4) buffer and 1 mM CuCl 2 as external solutions. Thereby, removal of salts (such as imidazole and NaCl) used for elution and copper ion can be taken into the laccase to make holo.

続いて、透析後の溶出液を、上記と同様にアクリルアミドゲル(10〜20% e-PAGEL、アトー社製)で電気泳動に供し、CBB染色法(和光純薬社製)によりタンパク質を可視化した。また対照として、細胞破砕液をカラムにアプライした後にカラムを通り抜ける溶液をも同様に電気泳動に供した。   Subsequently, the eluate after dialysis was subjected to electrophoresis on an acrylamide gel (10-20% e-PAGEL, manufactured by Ato Corporation) in the same manner as described above, and the protein was visualized by the CBB staining method (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.). . As a control, a solution that passed through the column after the cell disruption solution was applied to the column was also subjected to electrophoresis in the same manner.

結果を図5に示す。レーン3は細胞破砕液をカラムにアプライした後にカラムを通り抜ける溶液、レーン4は透析後の溶出液の結果を示す。レーン4にはタンパク質のシングルバンドが確認でき、タンパク質の精製が成功裏に終了し、これを精製タンパク質溶液として以下の実験に使用した。   The results are shown in FIG. Lane 3 shows the solution passing through the column after applying the cell lysate to the column, and lane 4 shows the result of the eluate after dialysis. A single band of the protein was confirmed in Lane 4, and the purification of the protein was successfully completed, and this was used as a purified protein solution in the following experiments.

〔実施例6〕活性確認1−ラッカーゼ活性
実施例5で精製したラッカーゼと推定されるタンパク質のラッカーゼ活性の有無を確認した。
[Example 6] Activity confirmation 1-laccase activity The presence or absence of laccase activity of a protein presumed to be the laccase purified in Example 5 was confirmed.

実施例5で精製したタンパク質溶液のラッカーゼ活性の有無を確認した。ラッカーゼ活性の測定は、ABTSを基質とし,これの酸化に伴う419 nmでの吸光度の増加を測定する比色法により行った。具体的には、1 mM ABTSを含むpH5.0の20 mM酢酸ナトリウム緩衝液を反応液として用いた。そして、この反応液に実施例5で精製したタンパク質溶液を加え、ABTSの酸化に伴う419 nmの吸光度の単位時間当たりの変化量を測定した。ABTSのモル吸光度係数を36,000/M/cmとして酸化されたABTSの量を算出することで、1分間に1 μmolのABTSを酸化する酵素量を求めた。   The protein solution purified in Example 5 was confirmed for the presence or absence of laccase activity. The laccase activity was measured by a colorimetric method using ABTS as a substrate and measuring the increase in absorbance at 419 nm due to oxidation thereof. Specifically, a 20 mM sodium acetate buffer solution having a pH of 5.0 containing 1 mM ABTS was used as a reaction solution. And the protein solution refine | purified in Example 5 was added to this reaction liquid, and the variation | change_quantity per unit time of the light absorbency of 419 nm accompanying the oxidation of ABTS was measured. By calculating the amount of ABTS oxidized with a molar absorbance coefficient of ABTS of 36,000 / M / cm, the amount of enzyme that oxidizes 1 μmol of ABTS per minute was determined.

その結果、25 ℃での測定で、103 μmol/min/mg proteinのラッカーゼ活性を示すことが確認し、ここで精製したタンパク質がラッカーゼ活性を有することが判明した。ここで確認されたラッカーゼ活性は、既知の60℃程度の耐熱性を有すると報告されたラッカーゼ活性を有するタンパク質(先行技術文献の項に開示の非特許文献1、特許文献1〜3に開示のラッカーゼ)と同程度の活性(20〜200 μmol/min/mg protein))であったことから、ここで取得されたタンパク質は触媒能力の面から十分に産業利用可能なラッカーゼであることが判明した。なお、ラッカーゼ活性が確認できたことから、ここで精製したタンパク質を「MELAC」と、それをコードする遺伝子を「melac」と命名した。   As a result, it was confirmed by measurement at 25 ° C. that the laccase activity of 103 μmol / min / mg protein was exhibited, and it was found that the purified protein had laccase activity. The laccase activity confirmed here is a known protein having laccase activity reported to have a heat resistance of about 60 ° C. (non-patent document 1 disclosed in the section of prior art document, disclosed in Patent Documents 1 to 3) Laccase) (20-200 μmol / min / mg protein)), the protein obtained here proved to be an industrially available laccase from the standpoint of catalytic ability. . Since the laccase activity was confirmed, the purified protein was named “MELAC” and the gene encoding it was named “melac”.

〔実施例7〕活性確認2−pH依存性
MELACのラッカーゼ活性のpH依存性を確認した。
[Example 7] Activity confirmation 2-pH dependence
The pH dependence of the laccase activity of MELAC was confirmed.

実施例5で精製したMELACのラッカーゼ活性のpH依存性を、pH 3.5〜10の範囲で確認した。緩衝液として、pH 3.5〜5.5はクエン酸、pH 5〜7はリン酸、pH 6.5〜9はトリス−塩酸、pH 8.5〜10はグリシン−NaOHを使用した。ラッカーゼ活性の測定は、実施例6の比色法に準じて行い、各pH緩衝液を反応液としたときの25 ℃での419 nmにおける吸光度変化量を測定した。   The pH dependence of the laccase activity of MELAC purified in Example 5 was confirmed in the range of pH 3.5-10. As buffers, citric acid was used at pH 3.5 to 5.5, phosphoric acid was used at pH 5 to 7, tris-hydrochloric acid was used at pH 6.5 to 9, and glycine-NaOH was used at pH 8.5 to 10. The laccase activity was measured according to the colorimetric method of Example 6, and the amount of change in absorbance at 419 nm at 25 ° C. when each pH buffer solution was used as a reaction solution was measured.

結果を図6に示す。かかる結果から、MELACは弱酸性域に至適pHを有することが判明した。   The results are shown in FIG. From these results, it was found that MELAC has an optimum pH in a weakly acidic region.

〔実施例8〕活性確認3−耐熱性
MELACのラッカーゼ活性の耐熱性を確認した。
[Example 8] Activity confirmation 3-heat resistance
The heat resistance of laccase activity of MELAC was confirmed.

実施例5で精製したMELACのラッカーゼ活性の耐熱性を、60〜85 ℃の範囲で確認した。25 mM Tris-HCl pH7.4緩衝液に、精製MELACを1 mg/mlの濃度で溶解させ、それぞれ60 ℃、65 ℃、70 ℃、7 5 ℃、80 ℃又は85 ℃にて60分間加熱した。熱処理後の残存活性を、基質として1 mM ABTSを含むクエン酸緩衝液を反応液として用いた酸化反応により実施例6に準じて測定した。   The heat resistance of the laccase activity of MELAC purified in Example 5 was confirmed in the range of 60 to 85 ° C. Purified MELAC was dissolved at a concentration of 1 mg / ml in 25 mM Tris-HCl pH7.4 buffer and heated at 60 ° C, 65 ° C, 70 ° C, 75 ° C, 80 ° C or 85 ° C for 60 minutes, respectively. . The residual activity after the heat treatment was measured according to Example 6 by an oxidation reaction using a citrate buffer containing 1 mM ABTS as a substrate as a reaction solution.

結果を図7に示す。この図では、加熱処理を行っていない25 ℃におけるラッカーゼ活性を1として、加熱処理温度における活性を相対値として示した。この結果から、加熱処理なし(25 ℃)の場合の活性と比較して、60 ℃、65 ℃、70 ℃、75 ℃、又は80 ℃での処理でも60%以上の活性を保持でき、85 ℃での処理では50%以上の活性を保持していた。これにより、MELACは、80 ℃で60 分という加熱処理によっても顕著に活性が低下せず、優れた耐熱性を有していることが判明した。
対照としてMELACを添加せず反応液のみを85 ℃で処理した後、同様にラッカーゼ活性を測定したところ活性を示さなかった。したがって、加熱後に残存する活性は、反応液ではなく、全てMELACに由来するものであることが理解できる。
The results are shown in FIG. In this figure, the laccase activity at 25 ° C. where heat treatment was not performed was taken as 1, and the activity at the heat treatment temperature was shown as a relative value. From this result, compared to the activity without heat treatment (25 ° C), 60% or more activity can be maintained even at 60 ° C, 65 ° C, 70 ° C, 75 ° C, or 80 ° C, and 85 ° C In the treatment with, 50% or more of the activity was retained. As a result, it was found that MELAC has excellent heat resistance without significantly decreasing the activity even after heat treatment at 80 ° C. for 60 minutes.
As a control, MELAC was not added and only the reaction solution was treated at 85 ° C., and the laccase activity was measured in the same manner. Therefore, it can be understood that the activity remaining after heating is not derived from the reaction solution but is entirely derived from MELAC.

〔実施例9〕活性確認4−長期耐熱性
実施例8にて、60分加熱によるMELACのラッカーゼ活性の耐熱性を確認したが、本実施例では、加熱時間を更に長くした場合のMELACのラッカーゼ活性の耐熱性を確認した。
[Example 9] Activity confirmation 4-long-term heat resistance In Example 8, the heat resistance of MELAC laccase activity by heating for 60 minutes was confirmed. In this example, MELAC laccase when the heating time was further increased. The heat resistance of the activity was confirmed.

実施例5で精製したMELACのラッカーゼ活性の長期耐熱性を、60〜80 ℃の範囲で確認した。25 mM Tris-HCl pH7.4緩衝液に、精製MELACを1 mg/mlの濃度で溶解させ、それぞれ60 ℃、70 ℃、80 ℃にて17時間加熱した。長期熱処理後の残存活性を、基質として1 mM ABTSを含むクエン酸緩衝液を反応液として用いた酸化反応により実施例6に準じて測定した。 The long-term heat resistance of the laccase activity of MELAC purified in Example 5 was confirmed in the range of 60 to 80 ° C. Purified MELAC was dissolved in 25 mM Tris-HCl pH 7.4 buffer solution at a concentration of 1 mg / ml and heated at 60 ° C., 70 ° C., and 80 ° C. for 17 hours, respectively. The residual activity after long-term heat treatment was measured according to Example 6 by an oxidation reaction using a citrate buffer containing 1 mM ABTS as a substrate as a reaction solution.

結果を図8に示す。この図では、加熱処理を行っていない25 ℃におけるラッカーゼ活性を1として、加熱処理温度における活性を相対値として示した。この結果から、加熱処理なし(25 ℃)と比較して、60 ℃の処理でも70%以上の活性を保持し続けたことが確認できた。また、70 ℃または80 ℃で処理すると20%程度まで活性が低下したが、活性がゼロになることはなかった。これにより、MELACは、60 ℃、17時間という加熱処理によっても顕著に活性が低下せず、優れた耐熱性を有していることが示された。   The results are shown in FIG. In this figure, the laccase activity at 25 ° C. where heat treatment was not performed was taken as 1, and the activity at the heat treatment temperature was shown as a relative value. From this result, it was confirmed that 70% or more of the activity was maintained even at the treatment at 60 ° C. as compared with the case without the heat treatment (25 ° C.). Further, when the treatment was performed at 70 ° C. or 80 ° C., the activity decreased to about 20%, but the activity did not become zero. As a result, it was shown that MELAC has excellent heat resistance without a significant decrease in activity even after heat treatment at 60 ° C. for 17 hours.

実施例8と9の結果から、加熱時間に関わらず60 ℃での加熱処理により20%程度の活性低下が認められることが判明した、かかる結果を鑑みると、加熱処理によって低下するこの20%程度の活性は、酵素溶液中に構造が不安定な分子が一部含まれ、この分子が短時間の熱処理によっても失活することにより生じていると予想することができる。かかる予想に基づくと、MELACの精製度を高めることにより不安定な分子を除去できれば活性の低下は解消できると考えられ、精製度の向上によりさらなる耐熱性の向上が期待できる。 From the results of Examples 8 and 9, it has been found that a heat reduction of about 20% is recognized by the heat treatment at 60 ° C. regardless of the heating time. In view of the results, about 20% which is reduced by the heat treatment. It can be expected that this activity is caused by the fact that a part of the molecule having an unstable structure is contained in the enzyme solution and the molecule is deactivated even by a short heat treatment. Based on this expectation, it is considered that the decrease in activity can be eliminated if unstable molecules can be removed by increasing the degree of purification of MELAC, and further improvement in heat resistance can be expected by improving the degree of purification.

〔実施例10〕活性確認5−温度依存性
MELACのラッカーゼ活性の温度依存性を検討した。
[Example 10] Activity confirmation 5-temperature dependence
The temperature dependence of laccase activity of MELAC was investigated.

実施例5で精製したMELACのラッカーゼ活性の温度依存性を30〜80 ℃の温度範囲で実施例6に記載の比色法に準じて測定した。具体的には、20 mM 酢酸ナトリウム緩衝液(pH 5.0)、0.1 mM 硫酸銅、1 mM ABTSを含む活性測定液中に酵素液を添加した。続いて、各温度における419 nmでの吸光度変化を3分間測定し、1分当たりの吸光度変化量を算出した。   The temperature dependence of the laccase activity of MELAC purified in Example 5 was measured in the temperature range of 30 to 80 ° C. according to the colorimetric method described in Example 6. Specifically, the enzyme solution was added to an activity measurement solution containing 20 mM sodium acetate buffer (pH 5.0), 0.1 mM copper sulfate, and 1 mM ABTS. Subsequently, the change in absorbance at 419 nm at each temperature was measured for 3 minutes, and the amount of change in absorbance per minute was calculated.

結果を図9に示す。この結果から、MEL ACは、80 ℃以上に至適温度を持つことが判明した。   The results are shown in FIG. From this result, it was found that MEL AC has an optimum temperature above 80 ° C.

〔実施例11〕既知ラッカーゼとの比較1−アミノ酸配列
MELACを、MELACと同様に木材堆肥由来のメタゲノムDNAより単離したラッカーゼとをアミノ酸配列レベルで比較した。
[Example 11] Comparison with known laccase 1-amino acid sequence
Similar to MELAC, MELAC was compared with laccase isolated from metagenomic DNA derived from wood compost at the amino acid sequence level.

本願発明者らは、以前に、本願と同様に木材堆肥由来のメタゲノムよりラッカーゼ活性を有するタンパク質を2つ単離した(特願2009-241586号)。これらのアミノ酸配列とのアラインメントを行った。   The inventors of the present application have previously isolated two proteins having laccase activity from a metagenome derived from wood compost as in the present application (Japanese Patent Application No. 2009-241586). Alignment with these amino acid sequences was performed.

結果を図10に示す。図10中、パネルAは上記明細書において「mgLAC-1」と命名されたタンパク質のアミノ酸配列(配列番号14)との比較であり、パネルBは「mgLAC-2」と命名されたタンパク質のアミノ酸配列(配列番号15)との比較である。「mgLAC-1」との相同性はアミノ酸レベルで22%(Identities = 112/499)程度であり、「mgLAC-2」との相同性はアミノ酸レベルで19%(Identities = 91/476)程度であった。本発明で単離したMELACは、何れとも相同性がほとんどないことが判明した。   The results are shown in FIG. In FIG. 10, panel A is a comparison with the amino acid sequence of the protein named “mgLAC-1” (SEQ ID NO: 14) in the above specification, and panel B is the amino acid of the protein named “mgLAC-2”. Comparison with the sequence (SEQ ID NO: 15). Homology with “mgLAC-1” is about 22% (Identities = 112/499) at the amino acid level, and homology with “mgLAC-2” is about 19% (Identities = 91/476) at the amino acid level. there were. The MELAC isolated in the present invention was found to have almost no homology with any of them.

また、MELACは、配列番号2で示すアミノ酸配列の第1〜34のアミノ酸が欠損した切断型は活性を全く示さなかった。かかる欠損領域は、全てのマルチ銅酸化酵素において保存されたアミノ酸や、銅との結合に関与するアミノ酸を含むものではない。この配列番号2のアミノ酸の一次解析について説明を加えると、全てのマルチ銅酸化酵素において保存されたアミノ酸配列は第66番目のアスパラギン酸であり、銅との結合に関与するアミノ酸は第55番目のヒスチジン(2)、第57番目のヒスチジン(3)、第97番目のヒスチジン(3)、第353番目のヒスチジン(1)、第355番目のヒスチジン(2)、第398番目のヒスチジン(3)、第399番目のシステイン(1)、第400番目のヒスチジン(3)、第404番目のヒスチジン(1)、第410番目のメチオニン(1)であると推定される。なお、銅結合アミノ酸残基の後の数字1、2、3は、夫々、タイプI銅、タイプII銅、タイプIII銅リガンドを示す。かかるアミノ酸の一次解析は、Kataoka K著、JOURNAL OF BIOLOGICAL CHEMISTRY、2009年5月、第284巻、第21号、第14405〜13頁の記載に基づいて推定したものである。つまり、当該領域には、MELAC固有のラッカーゼ活性発現に不可欠なアミノ酸が含まれると考えられる。そしてこの領域はmgLAC-1及びmgLAC-2との相同性は低く、かかる知見からもmgLAC-1及びmgLAC-2ではないMELAC固有の活性に関与する領域であることが認められる。   In addition, MELAC showed no activity at all in the truncated form in which amino acids 1 to 34 of the amino acid sequence shown in SEQ ID NO: 2 were deleted. Such a defective region does not include amino acids conserved in all multi-copper oxidases or amino acids involved in binding to copper. When the primary analysis of the amino acid of SEQ ID NO: 2 is explained, the amino acid sequence conserved in all the multi-copper oxidases is the 66th aspartic acid, and the amino acid involved in the binding to copper is the 55th amino acid. Histidine (2), 57th histidine (3), 97th histidine (3), 353rd histidine (1), 355th histidine (2), 398th histidine (3), The 399th cysteine (1), the 400th histidine (3), the 404th histidine (1), and the 410th methionine (1) are estimated. The numbers 1, 2, and 3 after the copper-binding amino acid residue indicate type I copper, type II copper, and type III copper ligand, respectively. The primary analysis of such amino acids was estimated based on the description of Kataoka K, JOURNAL OF BIOLOGICAL CHEMISTRY, May 2009, Vol. 284, No. 21, pages 14405-13. That is, this region is considered to contain amino acids essential for MELAC-specific laccase activity expression. And this area | region has low homology with mgLAC-1 and mgLAC-2, From this knowledge, it is recognized that it is an area | region which is related to the activity unique to MELAC which is not mgLAC-1 and mgLAC-2.

〔実施例12〕既知ラッカーゼとの比較2−温度依存性
MELACを、MELACと同様に木材堆肥由来のメタゲノムより単離したラッカーゼ及びBacillus subtili由来のラッカーゼとを温度依存性の観点から比較した。
[Example 12] Comparison with known laccase 2-Temperature dependence
Similar to MELAC, MELAC was compared with laccase isolated from a metagenome derived from wood compost and laccase derived from Bacillus subtili from the viewpoint of temperature dependence.

MELACラッカーゼ温度依存性について、実施例11にて検討を行ったmgLAC-1とmgLAC-2、更にBacillus subtili由来のラッカーゼ(Martins LO 他著、JOURNAL OF BIOLOGICAL CHEMISTRY、2002 年5 月、第277巻、第21号、第18849〜18859頁)と比較した。温度依存性の測定は、実施例10と同様に行った。なお、以下、当該Bacillus subtilis由来のラッカーゼを「CotA」と称する場合がある。 Regarding the temperature dependence of MELAC laccase, mgLAC-1 and mgLAC-2 examined in Example 11 and laccase derived from Bacillus subtili (Martins LO et al., JOURNAL OF BIOLOGICAL CHEMISTRY, May 2002, Vol. 277, No. 21, pp. 18849-18859). The temperature dependence was measured in the same manner as in Example 10. Hereinafter, the laccase derived from Bacillus subtilis may be referred to as “CotA”.

結果を図11に示す。図11中、パネルAはmgLAC-1、パネルBはmgLAC-2、パネルCはCotAの結果を示す。この結果、mgLAC-1の至適温度は55 ℃付近であり、mgLAC-2の至適温度は80 ℃以上であり、CotAの至適温度は70 ℃付近であることが判明した。したがって、MELACはmgLAC-2と同程度の耐熱性を有し、mgLAC-1及びCotAよりは高い耐熱性を有することが判明した。   The results are shown in FIG. In FIG. 11, panel A shows the results for mgLAC-1, panel B shows the results for mgLAC-2, and panel C shows the results for CotA. As a result, it was found that the optimum temperature for mgLAC-1 was around 55 ° C, the optimum temperature for mgLAC-2 was 80 ° C or higher, and the optimum temperature for CotA was around 70 ° C. Therefore, MELAC was found to have the same heat resistance as mgLAC-2 and higher heat resistance than mgLAC-1 and CotA.

〔実施例13〕既知ラッカーゼとの比較3−分子量
MELACを、MELACと同様に木材堆肥由来のメタゲノムDNAより単離したラッカーゼ等の既知のラッカーゼと分子量の観点から比較した。
[Example 13] Comparison with known laccase 3-Molecular weight
MELAC was compared in terms of molecular weight with known laccases such as laccase isolated from metagenomic DNA derived from wood compost, similar to MELAC.

ここで分子量の比較を行ったのは、実施例11にて検討を行ったmgLAC-1とmgLAC-2、CotA、Myrothecium verrucaria由来のラッカーゼ(Koikeda S
他著、JOURNAL OF BIOLOGICAL CHEMISTRY、1993年9月、第268巻、第25号、第18801〜9頁)、大腸菌由来のラッカーゼ(先行技術文献として提示した非特許文献1(Sue A. Roberts他著、JOURNAL OF BIOLOGICAL CHEMISTRY、2003 年8月、第278巻、第34号31958〜63頁))、実施例3で検討を行ったSLAC及びTthLACである。結果を表1に示す。なお、当該Myrothecium verrucaria由来のラッカーゼを「M.verBOD」と、大腸菌由来のラッカーゼを「CueO」と称する場合がある。
Here, the molecular weights were compared because the laccases derived from mgLAC-1, mgLAC-2, CotA and Myrothecium verrucaria examined in Example 11 (Koikeda S
Others, JOURNAL OF BIOLOGICAL CHEMISTRY, September 1993, 268, 25, 18801-9, laccase derived from E. coli (non-patent document 1 presented as prior art document (Sue A. Roberts et al.) , JOURNAL OF BIOLOGICAL CHEMISTRY, August 2003, Vol. 278, No. 34, Nos. 31958-63)), SLAC and TthLAC examined in Example 3. The results are shown in Table 1. The laccase derived from Myrothecium verrucaria may be referred to as “M.verBOD” and the laccase derived from E. coli may be referred to as “CueO”.

表1から、MELACが同様のラッカーゼ活性を示すタンパク質よりも分子量が小さいことが確認でき、MELACよりも分子量が小さなラッカーゼはSLACのみであることが判明した。分子量が小さい場合、特に酵素電極として利用する場合に、導電性部材の面積あたりの酵素分子の担持量を高めることができるので有利である。つまり、担持量の増加により電流密度の向上が期待でき、MELACは燃料電池及びバイオセンサーへの応用が期待される。   From Table 1, it was confirmed that MELAC had a molecular weight smaller than that of a protein exhibiting similar laccase activity, and SLAC was found to be the only laccase having a molecular weight smaller than that of MELAC. When the molecular weight is small, particularly when used as an enzyme electrode, it is advantageous because the amount of enzyme molecules supported per area of the conductive member can be increased. In other words, the current density can be improved by increasing the loading, and MELAC is expected to be applied to fuel cells and biosensors.

〔実施例14〕MELAC亜種の探索
実施例6〜10において活性が確認されたMELACと同等の活性を有する亜種を探索した。
[Example 14] Search for MELAC subspecies A subspecies having an activity equivalent to that of MELAC whose activity was confirmed in Examples 6 to 10 was searched.

実施例4と同様にして、ラッカーゼ遺伝子の全長を、実施例1で使用した環境試料(千葉市緑区の牧場より採取した堆肥)からのメタゲノムDNAを鋳型としてPCR増幅し16個の増幅産物を得た。続いて、増幅産物の塩基配列を決定した結果、遺伝子配列からみると、2箇所にアミノ酸が異なる亜種が存在することが判明した。具体的には、配列番号2のアミノ酸配列中、第36番目のバリンがイソロイシンに置換(V36I)、第120番目のアスパラギンがアスパラギン酸に置換(N120D)を示されている。これを「MELAC-2」と命名し、そのアミノ酸配列を配列番号3に示した。   In the same manner as in Example 4, the full length of the laccase gene was PCR-amplified using the metagenomic DNA from the environmental sample used in Example 1 (compost collected from Midori Ward, Chiba City) as a template, and 16 amplified products were obtained. Obtained. Subsequently, as a result of determining the base sequence of the amplified product, it was found that there were subspecies with different amino acids at two positions when viewed from the gene sequence. Specifically, in the amino acid sequence of SEQ ID NO: 2, the 36th valine is substituted with isoleucine (V36I), and the 120th asparagine is substituted with aspartic acid (N120D). This was named “MELAC-2” and its amino acid sequence is shown in SEQ ID NO: 3.

続いて、OLE_LINK6MELAC-2の酵素活性や耐熱性OLE_LINK6を検討したところ、MELACと同様の理化学的性質を有していることを確認した。かかる結果より、環境試料中に、数個のアミノ酸が異なるMELACの亜種酵素が存在することが判明した。   Subsequently, the enzyme activity of OLE_LINK6MELAC-2 and the thermostable OLE_LINK6 were examined, and it was confirmed that it had the same physicochemical properties as MELAC. From these results, it was found that MELAC subspecies enzymes differing in several amino acids exist in environmental samples.

〔実施例15〕MELACの迅速なホロ化法
実施例5で精製した酵素について、迅速なホロ化法について検討を行った。
[Example 15] MELAC rapid holophoresis method The enzyme purified in Example 5 was examined for a rapid holophoresis method.

ラッカーゼは銅原子を含むマルチ銅酵素であり、活性中心に銅が配位したホロ型となっていることがその活性に必須である。実際、実施例5 の様にして精製したMELAC はラッカーゼ活性を有しているが、100%がその活性中心に銅イオンを取り込んだホロ型となっているとは限らない。そこで、MELACと銅を混合し加温することで、ホロ化効率が向上するか否か検討した。具体的には、実施例5で、最終透析液に銅を含まないで精製した酵素(アポ型)を取得し、1 mg/mlの酵素濃度で1 mM CuCl2を含む25 mM Tris-HCl pH7.4緩衝液に混合した。60 ℃で60分間、120分間、360分間夫々加温した後、氷中に入れ、各反応液のラッカーゼ活性を、実施例6と同様の方法で調べた。 Laccase is a multi-copper enzyme containing a copper atom, and it is essential for its activity to have a holo form in which copper is coordinated to the active center. Actually, MELAC purified as in Example 5 has laccase activity, but 100% does not necessarily have a holo shape incorporating copper ions in its active center. Therefore, it was examined whether or not the holo efficiency could be improved by mixing and heating MELAC and copper. Specifically, in Example 5, an enzyme (apo-type) purified without containing copper in the final dialysate was obtained, and 25 mM Tris-HCl pH 7 containing 1 mM CuCl 2 at an enzyme concentration of 1 mg / ml. Mixed with .4 buffer. The mixture was heated at 60 ° C. for 60 minutes, 120 minutes, and 360 minutes, and then placed in ice, and the laccase activity of each reaction solution was examined in the same manner as in Example 6.

結果を図12に示す。熱処理なしの場合には、OLE_LINK5銅イオンOLE_LINK5を取り込んだホロ型酵素分子の割合は少ないことが理解できる。一方、60 ℃程度の熱処理条件を数時間行うことで、徐々にホロ化率が向上し、6時間の熱処理では2時間の場合と比べて4倍以上向上することが判明した。   The results are shown in FIG. It can be understood that the percentage of holo-type enzyme molecules incorporating OLE_LINK5 copper ion OLE_LINK5 is small without heat treatment. On the other hand, it was found that by performing the heat treatment conditions of about 60 ° C. for several hours, the holoformation rate gradually improved, and the heat treatment for 6 hours improved more than 4 times compared to the case of 2 hours.

本発明は、新規なラッカーゼ活性を有するタンパク質及び、それをコードする核酸分子、並びにその利用に関し、ラッカーゼ活性の利用が要求される全ての分野で利用可能であり、特に、医療、食品、環境分野、電気化学分野等、種々の産業分野において利用可能である。   The present invention relates to a protein having a novel laccase activity, a nucleic acid molecule encoding the same, and use thereof, and can be used in all fields where utilization of laccase activity is required, particularly in the medical, food and environmental fields. It can be used in various industrial fields such as the electrochemical field.

Claims (8)

下記(a)又は(b)のラッカーゼ活性を有するタンパク質であって、25〜85℃の温度領域において活性を示し、60℃での17時間の熱処理によっても70%以上の活性を保持するラッカーゼ活性を有するタンパク質。
(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、90%以上の同一性を有するアミノ酸配列を含むタンパク質
A protein having the following laccase activity (a) or (b), which exhibits activity in a temperature range of 25 to 85 ° C. and retains 70% or more of the activity even after heat treatment at 60 ° C. for 17 hours A protein having
(A) for the amino acid sequence shown in (b) a protein SEQ ID NO: 2 comprising the amino acid sequence shown in SEQ ID NO: 2, a protein comprising an amino acid sequence having at least 90% identity
下記(c)又は(d)のラッカーゼ活性を有するタンパク質であって、25〜85℃の温度領域において活性を示し、60℃での17時間の熱処理によっても70%以上の活性を保持するラッカーゼ活性を有するタンパク質。
(c)配列番号3に示すアミノ酸配列を含むタンパク質
(d)配列番号3に示すアミノ酸配列に対して、90%以上の同一性を有するアミノ酸配列を含むタンパク質
A protein having a laccase activity of (c) or (d) below, which exhibits activity in a temperature range of 25 to 85 ° C. and retains 70% or more of the activity even after heat treatment at 60 ° C. for 17 hours A protein having
(C) for the amino acid sequence shown in Protein (d) SEQ ID NO: 3 comprising the amino acid sequence shown in SEQ ID NO: 3, a protein comprising an amino acid sequence having at least 90% identity
組換え体である請求項1又は2に記載のタンパク質。   The protein according to claim 1 or 2, which is a recombinant. 請求項1〜3のいずれか一項に記載のタンパク質をコードする核酸分子。   The nucleic acid molecule which codes the protein as described in any one of Claims 1-3. 下記(i)又は(ii)のポリヌクレオチドからなる請求項4に記載の核酸分子。
(i)配列番号1に示す塩基配列を含むポリヌクレオチド
(ii)配列番号1に示す塩基配列を含むポリヌクレオチドとストリンジェントな条件下でハイブリダイズするポリヌクレオチド
The nucleic acid molecule according to claim 4, which comprises the following polynucleotide (i) or (ii).
(I) a polynucleotide comprising the base sequence represented by SEQ ID NO: 1 (ii) a polynucleotide which hybridizes with the polynucleotide comprising the base sequence represented by SEQ ID NO: 1 under stringent conditions
請求項4又は5に記載の核酸分子を含有する組換えベクター。   A recombinant vector containing the nucleic acid molecule according to claim 4 or 5. 請求項6に記載の組換えベクターを含有する形質転換体。   A transformant containing the recombinant vector according to claim 6. 請求項7に記載の形質転換体を培養し、得られた培養物からラッカーゼ活性を有するタンパク質を採取する、請求項1〜3の何れか一項に記載のラッカーゼ活性を有するタンパク質の製造方法。   The method for producing a protein having laccase activity according to any one of claims 1 to 3, wherein the transformant according to claim 7 is cultured, and a protein having laccase activity is collected from the obtained culture.
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