JP6133029B2 - 安定性が高められた変異型乳酸オキシダーゼ、ならびにそれに関連する生成物、方法および使用 - Google Patents
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Description
・個人ごとの運動強度の評価、
・運動時と回復時の改善、
・過負荷やけがのリスクの減少。
医学分野では、乳酸の測定は、
・組織の低酸素状態を確認するため、
・乳酸レベルで反映される範囲で疾患および予後の重症度を確認するため、
に用いられる可能性がある。
センサーおよび試験の貯蔵期間と使用期間が限られているために、これらは、活性が技術上の許容レベルよりも低くなるため頻繁に交換しなればならなかった。センサーおよび試験装置の頻繁な交換は、消費者にとって使い勝手が悪く、資源の浪費であることは明らかであり、回避されるべきである。野生型乳酸オキシダーゼの安定性が低いために、乳酸オキシダーゼが関わる測定は通常、低温で行われる。乳酸オキシダーゼの安定性を高めることによるさらなる利点は、血液のガス分析(しばしば付随して行われる)は通常37℃で行われるために、血液解析のための装置内の乳酸測定の際に温度を25〜30℃に下げるためのサーモスタットを回避できるようになることであろう。従って、乳酸オキシダーゼがより安定になるために、装置の複雑さをかなり抑えられると思われる。これにより、例えばいわゆる新興成長市場においてとりわけ重要である低コストの装置の土台が提供されると思われる。
(i)配列番号1もしくは配列番号2のアミノ酸配列またはそれらの機能的に活性な変異体に少なくとも90%同一なアミノ酸配列;および、
(ii)配列番号1または配列番号2におけるTyr191の位置に相当する位置にアミノ酸置換を有するアミノ酸配列、
を含み、ここで機能的に活性な変異体は、配列番号1または配列番号2のGly36、Ala95、Thr103、Glu160、Val198、Asn212、Ala/Gly232およびPhe277からなる群より選択される位置に少なくとも1つの追加のアミノ酸置換を有する。
− Ala95Gly、Thr103Ser、Glu160Gly、Val198Ile、Asn212Asp、および、Ala/Gly232Ser;
− Ala95Ser、Thr103Ser、Glu160Ala、Val198Leu、Asn212Glu、および、Ala/Gly232Thr;
− Gly36Ser、Ala95Gly、Ala/Gly232SerおよびPhe277Tyr;
− Ala95Gly、Thr103Ser、Glu160Gly、Val198Ile、Asn212Asp、Ala/Gly232SerおよびPhe277Tyr;
− Gly36Ser、Thr103Ser、Glu160Gly、Val198Ile、Asn212Asp、Ala/Gly232SerおよびPhe277Tyr; または
− Gly36Ser、Ala95Gly、Thr103Ser、Glu160Gly、Val198Ile、Asn212Asp、Ala/Gly232SerおよびPhe277Tyr。
加えて、配列番号1および2の配列は、232位のアミノ酸において異なっており、すなわち、配列番号1および2は、その位置に、それぞれAlaおよびGlyを有する。従って、Ala/Gly232が配列番号1について述べられている場合、それは、232位のAlaが置換されていることを意味し、Ala/Gly232が配列番号2について述べられている場合それは、232位のGlyが置換されていることを意味する。
(i)Tyr191の位置に相当する位置におけるアミノ酸置換;および、
(ii)以下に示す位置における1つまたはそれより多くのアミノ酸置換:
−Gly36、
−Ala95、
−Thr103、
−Glu160、
−Val198、
−Asn212、
−Ala/Gly232、
−Phe277、
−Gly36、および、Ala95、
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−Gly36、Ala95、Glu160、Val198、および、Ala/Gly232、
−Gly36、Ala95、Glu160、Val198およびPhe277、
−Gly36、Ala95、Glu160、Asn212、および、Ala/Gly232、
−Gly36、Ala95、Glu160、Asn212およびPhe277、
−Gly36、Ala95、Glu160、Ala/Gly232およびPhe277、
−Gly36、Ala95、Val198、Asn212、および、Ala/Gly232、
−Gly36、Ala95、Val198、Asn212およびPhe277、
−Gly36、Ala95、Val198、Ala/Gly232およびPhe277、
−Gly36、Ala95、Asn212、Ala/Gly232およびPhe277、
−Gly36、Thr103、Glu160、Val198、および、Asn212、
−Gly36、Thr103、Glu160、Val198、および、Ala/Gly232、
−Gly36、Thr103、Glu160、Val198およびPhe277、
−Gly36、Thr103、Glu160、Asn212、および、Ala/Gly232、
−Gly36、Thr103、Glu160、Asn212およびPhe277、
−Gly36、Thr103、Glu160、Ala/Gly232およびPhe277、
−Gly36、Thr103、Val198、Asn212、および、Ala/Gly232、
−Gly36、Thr103、Val198、Asn212およびPhe277、
−Gly36、Thr103、Val198、Ala/Gly232およびPhe277、
−Gly36、Thr103、Asn212、Ala/Gly232およびPhe277、
−Gly36、Glu160、Val198、Asn212、および、Ala/Gly232、
−Gly36、Glu160、Val198、Asn212およびPhe277、
−Gly36、Glu160、Val198、Ala/Gly232およびPhe277、
−Gly36、Glu160、Asn212、Ala/Gly232およびPhe277、
−Gly36、Val198、Asn212、Ala/Gly232およびPhe277、
−Ala95、Thr103、Glu160、Val198、および、Asn212、
−Ala95、Thr103、Glu160、Val198、および、Ala/Gly232、
−Ala95、Thr103、Glu160、Val198およびPhe277、
−Ala95、Thr103、Glu160、Asn212、および、Ala/Gly232、
−Ala95、Thr103、Glu160、Asn212およびPhe277、
−Ala95、Thr103、Glu160、Ala/Gly232およびPhe277、
−Ala95、Thr103、Val198、Asn212、および、Ala/Gly232、
−Ala95、Thr103、Val198、Asn212およびPhe277、
−Ala95、Thr103、Val198、Ala/Gly232およびPhe277、
−Ala95、Thr103、Asn212、Ala/Gly232およびPhe277、
−Ala95、Glu160、Val198、Asn212、および、Ala/Gly232、
−Ala95、Glu160、Val198、Asn212およびPhe277、
−Ala95、Glu160、Val198、Ala/Gly232およびPhe277、
−Ala95、Glu160、Asn212、Ala/Gly232およびPhe277、
−Ala95、Val198、Asn212、Ala/Gly232およびPhe277、
−Thr103、Glu160、Val198、Asn212、および、Ala/Gly232、
−Thr103、Glu160、Val198、Asn212およびPhe277、
−Thr103、Glu160、Val198、Ala/Gly232およびPhe277、
−Thr103、Glu160、Asn212、Ala/Gly232およびPhe277、
−Thr103、Val198、Asn212、Ala/Gly232およびPhe277、
−Glu160、Val198、Asn212、Ala/Gly232およびPhe277、
−Gly36、Ala95、Thr103、Glu160、Val198、および、Asn212、
−Gly36、Ala95、Thr103、Glu160、Val198、および、Ala/Gly232、
−Gly36、Ala95、Thr103、Glu160、Val198およびPhe277、
−Gly36、Ala95、Thr103、Glu160、Asn212、および、Ala/Gly232、
−Gly36、Ala95、Thr103、Glu160、Asn212およびPhe277、
−Gly36、Ala95、Thr103、Glu160、Ala/Gly232およびPhe277、
−Gly36、Ala95、Thr103、Val198、Asn212、および、Ala/Gly232、
−Gly36、Ala95、Thr103、Val198、Asn212およびPhe277、
−Gly36、Ala95、Thr103、Val198、Ala/Gly232およびPhe277、
−Gly36、Ala95、Thr103、Asn212、Ala/Gly232およびPhe277、
−Gly36、Ala95、Glu160、Val198、Asn212、および、Ala/Gly232、
−Gly36、Ala95、Glu160、Val198、Asn212およびPhe277、
−Gly36、Ala95、Glu160、Val198、Ala/Gly232およびPhe277、
−Gly36、Ala95、Glu160、Asn212、Ala/Gly232およびPhe277、
−Gly36、Ala95、Val198、Asn212、Ala/Gly232およびPhe277、
−Gly36、Thr103、Glu160、Val198、Asn212、および、Ala/Gly232、
−Gly36、Thr103、Glu160、Val198、Asn212およびPhe277、
−Gly36、Thr103、Glu160、Val198、Ala/Gly232およびPhe277、
−Gly36、Thr103、Glu160、Asn212、Ala/Gly232およびPhe277、
−Gly36、Thr103、Val198、Asn212、Ala/Gly232およびPhe277、
−Gly36、Glu160、Val198、Asn212、Ala/Gly232およびPhe277、
−Ala95、Thr103、Glu160、Val198、Asn212、および、Ala/Gly232、
−Ala95、Thr103、Glu160、Val198、Asn212およびPhe277、
−Ala95、Thr103、Glu160、Val198、Ala/Gly232およびPhe277、
−Ala95、Thr103、Glu160、Asn212、Ala/Gly232およびPhe277、
−Ala95、Thr103、Val198、Asn212、Ala/Gly232およびPhe277、
−Ala95、Glu160、Val198、Asn212、Ala/Gly232およびPhe277、
−Thr103、Glu160、Val198、Asn212、Ala/Gly232およびPhe277、
−Gly36、Ala95、Thr103、Glu160、Val198、Asn212、および、Ala/Gly232、
−Gly36、Ala95、Thr103、Glu160、Val198、Asn212およびPhe277、
−Gly36、Ala95、Thr103、Glu160、Val198、Ala/Gly232およびPhe277、
−Gly36、Ala95、Thr103、Glu160、Asn212、Ala/Gly232およびPhe277、
−Gly36、Ala95、Thr103、Val198、Asn212、Ala/Gly232およびPhe277、
−Gly36、Ala95、Glu160、Val198、Asn212、Ala/Gly232およびPhe277、
−Gly36、Thr103、Glu160、Val198、Asn212、Ala/Gly232およびPhe277、
−Ala95、Thr103、Glu160、Val198、Asn212、Ala/Gly232およびPhe277、または
−Gly36、Ala95、Thr103、Glu160、Val198、Asn212、Ala/Gly232およびPhe277
を除いて、配列番号1または2と同一であることを特徴としていてもよい。
本明細書で用いられる用語「核酸」は、一般的に、本発明の変異型乳酸オキシダーゼをコードするあらゆるヌクレオチド分子に関し、これらのヌクレオチド分子は様々な長さを有していてもよい。本発明の核酸の例としては、これらに限定されないが、例えばイオン交換クロマトグラフィーなどの標準的な分子生物学的な手法によって単離することができるプラスミド、ベクター、または、あらゆる種類のDNAおよび/またはRNAフラグメントが挙げられる。本発明の核酸は、特定の細胞または生物のトランスフェクションまたは導入のために用いることができる。
a)サンプルを、乳酸オキシダーゼの活性を促進する条件下で本発明の変異型乳酸オキシダーゼと接触させること;および、
b)i)乳酸の存在下で変異型乳酸オキシダーゼによって生産されたピルビン酸塩および/またはH2O2、および/または
ii)乳酸の存在下で変異型乳酸オキシダーゼによって消費されたO2、
を測定することにより、乳酸を測定すること、
を含む。
L−乳酸+O2→ピルビン酸塩+H2O2
本発明の方法の第一の工程において、サンプルを本発明の変異型乳酸オキシダーゼと接触させる。サンプルと変異型乳酸オキシダーゼとの接触は、直接なされてもよいし(例えば液体分析の場合)、または、間接的になされてもよい(例えばサンプルの分画(分析物を含む)だけが変異型乳酸オキシダーゼと接触するようなセンサーシステムの場合)。
ピルビン酸塩を測定する典型的な方法としては、比色法(例えば、340nmで乳酸デヒドロゲナーゼが介在するNADH/NAD+変換を測定することによる方法)、ガスクロマトグラフィー法、HPLC解析などが挙げられる。また、乳酸デヒドロゲナーゼとカルボキシル基を除去するピルビン酸オキシダーゼを含む方法が当業者によく知られている。
H2O2+Hドナー+クロモゲン前駆体→クロモゲン+2H2O
生じた色の強度は、L−乳酸濃度に直接的に比例し、吸光度の増加を測定することによって確認することができる。
・ABTS:2,2’−アジノ−ジ−[3−エチルベンズチアゾリンスルホン酸塩(6)](410nmで読み出し)
・4−APP:4−アミノアンチピリン(510nmで読み出し)
・TMB:3,3’,5,5’−テトラメチルベンジジン(450nmで読み出し)、
が挙げられる。
ペルオキシダーゼのための多くの適切な発色性基質および発酵性基質があるが、蛍光性ペルオキシダーゼ基質が用いられることはほとんどない。ジヒドロフルオレセイン(また、フルオレセインとしても知られている)、ジヒドロローダミンおよびジヒドロエチジウム(ヒドロエチジン)のような蛍光性ペルオキシダーゼ基質は、酵素と過酸化水素の存在下で蛍光生成物に変換される。安定で高感度の蛍光発生基質の例は、10−アセチル−3,7−ジヒドロキシフェノキサジン(ADHP)である。
センサーは、物理的/化学的な量を測定し、それを、オブザーバーまたは機器によって読取ることができるシグナルに変換するものである。本発明において、変異型乳酸オキシダーゼはセンサーの一部であってよく、ここでこのようなセンサーは、乳酸を、例えば例えばディスプレイまたはモニター上に表示された色または値の変化のようなシグナルに変換する。
実施例1: 安定性が高められた乳酸オキシダーゼ
1.材料および方法
遺伝学
野生型乳酸オキシダーゼ(配列番号1で示される)を含むプラスミドを出発原料として用いた。このプラスミドは、tacプロモーターを有するp−LO1プラスミドである。従って、タンパク質発現は、IPTG(イソプロピルβ−D−1−チオガラクトピラノシド)より誘導することができる。さらにこのプラスミドはアンピシリン耐性遺伝子を有する。
上述した細胞をアンピシリン(100mg/l)を含むLB培地で30℃で培養し、595nmで0.8の光学密度に達したらIPTG(250μM)で発現を誘導した。30℃で4時間発現させた後、細胞を回収し、50mMのリン酸カリウム緩衝液(pH7.0;KPPと称される)に再懸濁し、フレンチプレスを用いて分離させた。超遠心分離法で細胞の死細胞片を除去し、タンパク質精製のために粗抽出物を用いた。
シグマ・アルドリッチのプロトコールを用いて活性を測定し、ここで安定性評価のためにL−乳酸ストック溶液の濃度10〜50mMに下げ、反応液の体積を半分に減らした。
H2O2の存在下で、アミノアンチピリン(4−AAP)とN,N−ジメチルアニリン(DMA)との反応をペルオキシダーゼに触媒させ、キノンジイミン色素を得た。この試験は以下の条件:T=37℃、pH=6.5、A565nm、光路=1cmで行われ、以下の試薬が使用された:
A.37℃でpH6.5の200mMの3,3−ジメチルグルタル酸−NaOH緩衝液(DMGA)(シグマの商品番号D−4379の3,3−ジメチルグルタル酸を用いて脱イオン水で5mlに調製した。37℃でpHを1MのNaOHで6.5に調節)。
C.500mMのL(+)乳酸溶液、37℃でpH6.5(乳酸)(シグマの商品番号L−1750のL(+)乳酸の遊離酸を用いて脱イオン水で1mlに調製した。1MのNaOHでpHを6.5に調節した)。
分析手順は、以下に示す通りである:
以下の試薬を適切な容器に(ミリリットルレベルで)ピペッティングすることによって反応カクテルを調製した:試薬A(DMGA)2.00、試薬D(POD)1.00、試薬B(4−AAP)1.00、試薬C(乳酸)1.00、脱イオン水3.00。転置することによって混合し、37℃で平衡化した。以下の試薬を適切なキュベットに(ミリリットル単位で)ピペッティングした:反応カクテル0.80、試薬G(DMA)0.20。転置することによって混合し、および、37℃で平衡化した。続いて、試験サンプルには試薬I(LOX)0.020、または、ブランクには試薬E(酵素希釈剤)を添加した。即座に転置することによって混合し、37℃で正確に10分間インキュベートした。続いて、試薬H(DBS)2.00を添加した。転置することによって混合し、適切な分光光度計を用いて、試験とブランクの両方についてA565nmを記録した。
3.02=分析物の総体積
df=希釈係数
35.33=565nmにおけるキノンジイミン色素吸光係数(ミリモル)
0.5=1モルのH2O2が2分の1モルのキノンジイミン色素を生産することにに基づく換算係数
10=1単位ごとの分析時間(分)
0.02=用いられる酵素の体積(ミリリットル単位)
1.02mlの反応混合物において、それぞれの最終濃度は、以下に示す通りである:39mMの3,3−ジメチルグルタル酸、5単位のペルオキシダーゼ、1.5mMの4−アミノアンチピリン、49mMのL(+)乳酸、0.04%(体積/体積)、N,N−ジメチルアニリン、0.20mMのリン酸カリウム、0.20μmのFAD、および、0.002〜0.004単位の乳酸オキシダーゼ。
得られたデータを以下の方程式に従ってフィッティングした:
基質阻害なし: v=vmax *[S]/(Km+[S])(方程式1)
基質阻害あり: v=vmax *[S]/(Km+[S]×(1+[S]/[I]))(方程式2)
ここでvは反応速度であり、vmaxは、最大速度であり、[S]は、基質濃度であり、Kmは、ミカエリス定数であり、[I]は、阻害剤濃度である。
不活性化をより詳細に調べるために、以下の条件:20mMのHEPES(pH8.1)、150mMのNaCl、20mMのNaHCO3、および、0.05mg/ml乳酸オキシダーゼを用いて安定性向上の測定を行った。活性を測定する前に、サンプルを遠心分離し、37℃でインキュベートした。
191位でチロシンがフェニルアラニンで置換された(Tyr191Pheと称される)またはロイシンで置換された(Try191Leuと称される)変異型乳酸オキシダーゼを発現させ、上述したように精製した。SDSゲルクロマトグラフィーを用いて純度を確認した。
1.材料および方法
遺伝学
実施例1で説明されているような野生型乳酸オキシダーゼを含むプラスミドを出発原料として用いた。
上述した細胞をアンピシリン(100mg/l)を含むLB培地で30℃で培養し、595nmで0.8の光学密度に達したらIPTG(250μM)で発現を誘導した。30℃で4時間発現させた後、細胞を回収し、50mMのリン酸カリウム緩衝液(pH7.0;KPPと称される)に再懸濁し、フレンチプレスを用いて分離させた。超遠心分離法で細胞の死細胞片を除去し、タンパク質精製のために粗抽出物を用いた。
シグマ・アルドリッチのプロトコールを用いて37℃で活性を測定した(実施例1を参照)。
基質阻害なし:v=vmax *[S]/(Km+[S])(方程式1)
v=反応速度、vmax=最大速度、[S]=基質濃度、Km=ミカエリス定数。
安定性の測定
不活性化をより詳細に調べるために、以下の条件:20mMのHEPES(pH8.1)、150mMのNaCl、20mMのNaHCO3、および、0.05mg/ml乳酸オキシダーゼを用いて安定性向上の測定を行った。活性を測定する前に、サンプルを遠心分離し、37℃でインキュベートした。
L−乳酸は、乳酸オキシダーゼの好ましい基質である。上記の精製プロトコールを用いて、44.5sec−1の活性が測定された。Km値は0.23mMと測定され、結果的に193.4sec−1mM−1の触媒効率が得られた。同じ条件下でグリコール酸塩の場合の触媒効率を測定した。高い基質阻害が観察されたことから、Kcat/Km(2.4sec−1mM−1)の測定には低い基質濃度における直線領域を用いた。上記の効率によれば、乳酸に対する選択性Rselは80.4であった。
Claims (15)
- 安定性が高められた変異型乳酸オキシダーゼであって、
(i)配列番号1もしくは配列番号2のアミノ酸配列に少なくとも90%同一である;および、
(ii)配列番号1または配列番号2におけるTyr191の位置に相当する位置にアミノ酸置換を有し、該アミノ酸置換はTyr191PheまたはTyr191Leuからなる群より選択される
アミノ酸配列を含む、上記オキシダーゼ。 - 前記アミノ酸置換が、Tyr191Pheである、請求項1に記載の変異型乳酸オキシダーゼ。
- 配列番号1または配列番号2のGly36Ser、Ala95Gly、Thr103Ser、Glu160Gly、Val198Ile、Asn212Asp、Ala/Gly232SerおよびPhe277Tyrからなる群より選択される少なくとも1つの追加のアミノ酸置換を含むことを特徴とする、請求項1または2に記載の変異型乳酸オキシダーゼ。
- Ala95で、具体的にはAla95Glyである少なくとも1つの追加のアミノ酸置換を含むことを特徴とする、請求項1〜3のいずれか一項に記載の変異型乳酸オキシダーゼ。
- 前記変異型乳酸オキシダーゼは、それに対応する野生型酵素と比較して少なくとも1.5倍高い安定性を有し、好ましくは少なくとも2倍高い安定性、好ましくは少なくとも2.5倍高い安定性、より好ましくは少なくとも3倍高い安定性を有することを特徴とする、請求項1〜4のいずれか一項に記載の変異型乳酸オキシダーゼ。
- 前記変異型乳酸オキシダーゼのグリコール酸と比較した乳酸への選択性が、それに対応する野生型酵素と比較して少なくとも2倍高く、好ましくは少なくとも2.5倍高く、好ましくは少なくとも3倍高く、より好ましくは少なくとも3.5倍高く、最も好ましくは少なくとも4倍高いことを特徴とする、請求項4または5に記載の変異型乳酸オキシダーゼ。
- 請求項1〜6のいずれか一項に記載の変異型乳酸オキシダーゼをコードする核酸。
- 請求項7に記載の核酸を含み、該核酸が、宿主細胞中で核酸の発現を促進することができるプロモーター配列に作動可能に連結している、発現ベクター。
- 請求項7に記載の核酸または請求項8に記載の発現ベクターを含む宿主細胞。
- サンプル中の乳酸を測定する方法であって、該方法は、
a)サンプルを、乳酸オキシダーゼの活性を誘導する条件下で請求項1〜6のいずれか一項に記載の変異型乳酸オキシダーゼと接触させること;および、
b)i)乳酸の存在下で変異型乳酸オキシダーゼによって生産されたピルビン酸塩および/またはH2O2、および/または
ii)乳酸の存在下で変異型乳酸オキシダーゼによって消費されたO2、
を測定することによって、乳酸を測定すること、
を含む、上記方法。 - a)H2O2の測定は、クロモゲンへの変換によって、具体的にはペルオキシダーゼが介在する変換によってなされ;および/または、
b)前記変異型乳酸オキシダーゼは、センサー、試験ストリップ、試験エレメント、試験ストリップ装置、または、液体試験の一部である、請求項10に記載の方法。 - 乳酸を測定するための、請求項1〜6のいずれか一項に記載の変異型乳酸オキシダーゼの使用。
- 請求項1〜6のいずれか一項に記載の変異型乳酸オキシダーゼ、および、任意に前記測定に必要な追加の構成要素を含む、サンプル中の乳酸を測定するための装置。
- 前記装置が、センサー、好ましくは電気化学的なセンサー、または、光学センサー、または、試験ストリップを含むことを特徴とする、請求項13に記載の装置。
- 請求項1〜6のいずれか一項に記載の変異型乳酸オキシダーゼ、および、少なくとも1種の前記測定に必要な追加の物質を含む、乳酸を測定するためのキット。
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