JP6366051B2 - Hydrazine synthesis method - Google Patents

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本発明は、酵素触媒を用いたヒドラジンの合成方法に関するものである。より詳しくは、当該酵素触媒としてはAnammox菌に由来し、酵素触媒反応によりヒドラジンを得ることができるヒドラジンの合成方法に関するものである。   The present invention relates to a method for synthesizing hydrazine using an enzyme catalyst. More specifically, the enzyme catalyst relates to a method for synthesizing hydrazine that is derived from Anammox bacteria and can obtain hydrazine by enzyme-catalyzed reaction.

ヒドラジンは、ロケット燃料、燃料電池等に使用される有用な化学物質であり、従来から、アンモニアと次亜塩素酸ソーダを加熱し、高温下で化学合成することにより製造されているが、この方法は、エネルギーの多量投入を必要とし、より温和な条件でヒドラジンを合成する方法の開発が望まれていた。   Hydrazine is a useful chemical substance used in rocket fuel, fuel cells, etc., and has been conventionally produced by heating ammonia and sodium hypochlorite and chemically synthesizing them at high temperatures. Therefore, development of a method for synthesizing hydrazine under milder conditions is required, requiring a large amount of energy input.

高温下での化学合成によらないヒドラジンの合成に関連する方法として、微生物や酵素触媒を用いる方法が考えられる。近年、嫌気性アンモニア酸化菌(Anammox菌)が、嫌気的な条件で、アンモニアを脱窒することが注目されている。一般的に、微生物等により有機窒素(Org−N)やアンモニアを、無機物である窒素に生体内で窒素循環する過程は、アンモニアを亜硝酸や硝酸に好気性の条件下で変換させる硝化反応と、その亜硝酸や硝酸を窒素ガスに嫌気性の条件下で変換させる脱窒反応のプロセスを経ていると考えられていた。この窒素循環は、好気性の条件と嫌気性の条件の場が必要なものであった。しかし、前述のAnammox菌は、嫌気性の条件下のみでもアンモニアを窒素に変換する嫌気性アンモニア酸化反応を行うことが知られている。この嫌気性アンモニア酸化反応においては、中間体としてヒドラジンが合成されていると考えられている(図1参照)。   As a method related to the synthesis of hydrazine that is not based on chemical synthesis at high temperature, a method using a microorganism or an enzyme catalyst can be considered. In recent years, it has been noted that anaerobic ammonia oxidizing bacteria (Anamox bacteria) denitrify ammonia under anaerobic conditions. In general, the process of circulating organic nitrogen (Org-N) or ammonia into inorganic nitrogen by a microorganism or the like in vivo is a nitrification reaction that converts ammonia to nitrous acid or nitric acid under aerobic conditions. It was thought that the nitrous acid and nitric acid were converted to nitrogen gas under anaerobic conditions through a denitrification process. This nitrogen cycle required aerobic and anaerobic conditions. However, it is known that the above-mentioned Anammox bacteria perform an anaerobic ammonia oxidation reaction that converts ammonia into nitrogen even under anaerobic conditions. In this anaerobic ammonia oxidation reaction, hydrazine is considered to be synthesized as an intermediate (see FIG. 1).

例えば、非特許文献1には、Anammox Kuenenia stuttgartiensis(Candidatus Kuenenia stuttgartiensis)の細胞に外部からアンモニウム塩と亜硝酸塩(安定同位体の15Nからなる15NO2-)、およびヒドラジン(2824)を加えたところ、2924の生成が認められたことが記載されている。すなわち、Anammox菌はその脱窒工程でヒドラジン合成を行っており、in vivoでアンモニウム塩と亜硝酸塩の窒素原子がカップリングし、ヒドラジンが合成されることが確認されている。そして、Anammox菌が有するタンパク質を解明し、特定の酵素にヒドラジン合成酵素(HZS)と命名されている。しかし、HZSの名称は上述の反応における推定機能から命名されたものであって、この酵素のみによってヒドラジン合成を触媒することができることは証明されていない。 For example, Non-Patent Document 1 includes an ammonium salt and nitrite ( 15 NO 2− consisting of 15 N of a stable isotope), and hydrazine ( 28 N 2 H 4 ) from cells of Anammox Kuenenia stuttgartiansis (Candidatus Kuenenia stuttgartiansis). ), The formation of 29 N 2 H 4 was observed. That is, Anammox bacteria synthesize hydrazine in its denitrification step, and it has been confirmed that hydrazine is synthesized by coupling nitrogen atoms of ammonium salt and nitrite in vivo. And the protein which Anammox bacteria have is elucidated, and the specific enzyme is named hydrazine synthase (HZS). However, the name of HZS was named from the presumed function in the above-mentioned reaction, and it has not been proved that hydrazine synthesis can be catalyzed only by this enzyme.

さらに、Anammox Kuenenia stuttgartiensisの前記HZSと電子受容体のCytochrome cを用いて、アンモニウム塩と一酸化窒素(NO)から中間体のヒドラジンを経由し、窒素ガスが生成されたことが記載されている。しかし、これらの研究において、中間体と推定されるヒドラジン自体の濃度上昇は確認されておらず、微生物や酵素を用いてヒドラジンを製造する方法は知られていなかった。   Furthermore, it is described that nitrogen gas was produced from ammonium salt and nitric oxide (NO) via hydrazine as an intermediate using the HZS of Anammox Kuennia stuttgartiensis and the electron acceptor Cytochrome c. However, in these studies, an increase in the concentration of hydrazine itself, which is presumed to be an intermediate, has not been confirmed, and a method for producing hydrazine using microorganisms or enzymes has not been known.

非特許文献2には、Anammox菌から見出されたタンパク質NaxLSの配列等が特定されているが、その具体的な用途については記載されていない。   Non-Patent Document 2 specifies the sequence of protein NaxLS found from Anammox bacteria, but does not describe its specific use.

Molecular mechanism of anaerobic ammonium oxidation, BoranKartal etal, Nature 479,127-130(2011)Molecular mechanism of anaerobic ammonium oxidation, BoranKartal etal, Nature 479,127-130 (2011) A heterodimeric cytochrome c complex with a very low redoxpotential from ananaerobic ammonium-oxidizing enrichment culture, S.Ukita etal, FEMS Microbiol Lett313,61-67(2010).A heterodimeric cytochrome c complex with a very low redoxpotential from ananaerobic ammonium-oxidizing enrichment culture, S. Ukita etal, FEMS Microbiol Lett313, 61-67 (2010).

従来のヒドラジンの合成方法は、高温による加熱等の処理を必要とする化学合成方法等によるものであった。一方、微生物によるヒドラジン合成の可能性について前記非特許文献1にみられるように研究されてきたが、ヒドラジンを効率よく合成していることが確認されているものはなかった。また、上記非特許文献1で中間体のヒドラジンから窒素ガスが生成されたとしても、窒素ガス生成から求まるヒドラジンの合成速度(HZSの分子活性)は非常に小さい値と推定されていた。かかる状況下、本発明は、特定の酵素触媒を用いて、ヒドラジンを合成する方法を提供することを目的とする。   A conventional method for synthesizing hydrazine is based on a chemical synthesis method that requires a treatment such as heating at a high temperature. On the other hand, the possibility of synthesizing hydrazine by microorganisms has been studied as seen in Non-Patent Document 1, but none has been confirmed to synthesize hydrazine efficiently. Further, even when nitrogen gas is generated from the intermediate hydrazine in Non-Patent Document 1, the synthesis rate of hydrazine (molecular activity of HZS) determined from the generation of nitrogen gas was estimated to be a very small value. Under such circumstances, an object of the present invention is to provide a method for synthesizing hydrazine using a specific enzyme catalyst.

本発明者は、上記課題を解決すべく鋭意研究を重ねた結果、下記の発明が上記目的に合致することを見出し、本発明に至った。   As a result of intensive studies to solve the above problems, the present inventor has found that the following inventions meet the above object, and have reached the present invention.

すなわち、本発明は、以下の発明に係るものである。
<1> 酵素触媒を用いて、アンモニウム塩からなる基質(A)と、ヒドロキシルアミン、硝酸塩、亜硝酸塩および一酸化窒素からなる群から選択される少なくとも一つの基質(B)とからヒドラジンを合成するヒドラジン合成方法であって、
酵素触媒を構成するサブユニットのタンパク質が、下記(イ)、(ロ)または(ハ)の少なくとも一つのタンパク質であり、
当該酵素触媒が、下記タンパク質(1a)、タンパク質(1b)およびタンパク質(1c)のヘテロ3量体ヘムタンパク質であるヒドラジン合成酵素(I)と、
下記タンパク質(2a)およびタンパク質(2b)とのヘテロ2量体ヘムタンパク質であるヒドラジン合成酵素(II)を用いるヒドラジン合成方法。
(イ)タンパク質(1a)は配列番号1、タンパク質(1b)は配列番号2、タンパク質(1c)は配列番号3、タンパク質(2a)は配列番号4、タンパク質(2b)は配列番号5でそれぞれ表されるアミノ酸配列からなるタンパク質
(ロ)上記(イ)において、少なくとも一つのタンパク質が、それぞれ対応する配列番号で表されたタンパク質に対して、1若しくは数個のアミノ酸が欠失、置換もしくは付加されたアミノ酸配列からなり、かつヒドラジン合成酵素(I)、(II)の構成によってヒドラジン合成活性を有するタンパク質
(ハ)上記(イ)において、少なくとも一つのタンパク質が、それぞれ対応する配列番号で表されたタンパク質の配列番号との同一性が55%以上であるアミノ酸配列からなるタンパク質
<2> 前記酵素触媒が、上記(イ)、(ロ)または(ハ)の少なくとも一つの酵素触媒を構成するサブユニットのタンパク質をコードする遺伝子から発現したタンパク質によってなる組み換えヒドラジン合成酵素(I)と組み換えヒドラジン合成酵素(II)である前記<1>記載のヒドラジン合成方法。
<3> 酵素触媒を用いて、アンモニウム塩からなる基質(A)と、ヒドロキシルアミン、硝酸塩、亜硝酸塩および一酸化窒素からなる群から選択される少なくとも一つの基質である基質(B)とからヒドラジンを合成するヒドラジン合成方法であって、
当該酵素触媒として、Anammox菌由来のヘテロ3量体ヘムタンパク質であるヒドラジン合成酵素(I´)と、
Anammox菌由来のヘテロ2量体ヘムタンパク質であるヒドラジン合成酵素(II´)とを用いるヒドラジン合成方法。
<4> 前記酵素(I´)をドデシル硫酸ナトリウムポリアクリルアミドゲル電気泳動により測定した分子質量が、91.5〜96.5kDa、40.5〜45.5kDa、34.5〜39.5kDaであり、前記酵素(II´)をトリシン−ドデシル硫酸ナトリウムポリアクリルアミドゲル電気泳動により測定した分子質量が、11〜17kDa、8〜14kDaである前記<3>記載のヒドラジン合成方法。
<5> 酵素(I´)、(II´)が、前記Anammox菌の細胞を破砕後、遠心分離し、その上澄みを塩析後、遠心分離し、得られる上澄みを疎水カラムクロマトグラフィーにより精製したものである前記<3>または<4>に記載のヒドラジン合成方法。
<6> 前記酵素(I´)および(II´)が、前記疎水カラムクロマトグラフィーにより精製したとき、波長280nmにおける吸光度と、波長408nmにおける吸光度とをモニタリングすることで確認されるヘムタンパク質の、第一のピーク周辺の画分と、第二のピーク周辺の画分とから得られる酵素である前記<5>記載のヒドラジン合成方法。
<7> 酵素(II´)が、難還元性であり、かつ、酵素(I´)が、還元型としたとき、c型ヘムタンパク質に特徴的なα帯、β帯およびソーレ帯に吸光極大を有するものである前記<3>〜<6>のいずれかに記載のヒドラジン合成方法。
<8> 緩衝液としてトリス塩酸緩衝液あるいはリン酸緩衝液あるいはMOPS緩衝液(pH7.0〜8.0)を用いてヒドラジンの合成を行う前記<1>〜<7>のいずれかに記載のヒドラジン合成方法。
<9> 前記基質(B)が、ヒドロキシルアミンである前記<1>〜<8>のいずれかに記載のヒドラジン合成方法。
<10> 前記ヒドラジン合成方法が、還元剤存在下にて行われることを特徴とする前記<1>〜<9>のいずれかに記載のヒドラジン合成方法。
<11> サブユニットのタンパク質が、下記(イ´)、(ロ´)または(ハ´)の少なくとも一つのタンパク質であり、下記タンパク質(2a)および下記タンパク質(2b)とのヘテロ2量体ヘムタンパク質であるヒドラジン合成用のヒドラジン合成酵素(II)。
(イ´)タンパク質(2a)は配列番号4、タンパク質(2b)は配列番号5でそれぞれ表されるアミノ酸配列からなるタンパク質
(ロ´)上記(イ´)において、少なくとも一つのタンパク質が、それぞれ対応する配列番号で表されたタンパク質に対して、1若しくは数個のアミノ酸が欠失、置換もしくは付加されたアミノ酸配列からなり、かつヒドラジン合成酵素(II)の構成によってヒドラジン合成活性を有するタンパク質
(ハ´)上記(イ´)において、少なくとも一つのタンパク質が、それぞれ対応する配列番号で表されたタンパク質の配列番号との同一性が55%以上であるアミノ酸配列からなるタンパク質
<12> ヒドラジン合成用の酵素が、Anammox菌由来のヘテロ2量体ヘムタンパク質であるヒドラジン合成酵素(II´)。
That is, the present invention relates to the following inventions.
<1> Using an enzyme catalyst, hydrazine is synthesized from a substrate (A) composed of an ammonium salt and at least one substrate (B) selected from the group consisting of hydroxylamine, nitrate, nitrite and nitric oxide. A hydrazine synthesis method comprising:
The subunit protein constituting the enzyme catalyst is at least one protein of the following (A), (B) or (C):
The enzyme catalyst is hydrazine synthase (I) which is a heterotrimeric heme protein of the following protein (1a), protein (1b) and protein (1c);
A hydrazine synthesis method using hydrazine synthase (II) which is a heterodimeric heme protein with the following protein (2a) and protein (2b).
(A) Protein (1a) is represented by SEQ ID NO: 1, protein (1b) is SEQ ID NO: 2, protein (1c) is SEQ ID NO: 3, protein (2a) is SEQ ID NO: 4, and protein (2b) is SEQ ID NO: 5, respectively. (B) In the above (a), one or several amino acids are deleted, substituted or added to the protein represented by the corresponding SEQ ID NO. A protein having a hydrazine synthesizing enzyme (I) or (II) and having hydrazine synthesizing activity (c) In the above (a), at least one protein is represented by a corresponding sequence number. A protein consisting of an amino acid sequence having 55% or more identity with the protein SEQ ID NO: <2> Recombinant hydrazine synthase (I) and recombinant hydrazine synthesis, wherein the elementary catalyst is a protein expressed from a gene encoding a subunit protein constituting at least one enzyme catalyst of the above (a), (b) or (c) The method for synthesizing hydrazine according to <1>, wherein the method is enzyme (II).
<3> Hydrazine from a substrate (A) comprising an ammonium salt and a substrate (B) which is at least one substrate selected from the group consisting of hydroxylamine, nitrate, nitrite and nitric oxide using an enzyme catalyst A hydrazine synthesis method for synthesizing
As the enzyme catalyst, hydrazine synthase (I ′) which is a heterotrimeric heme protein derived from Anammox,
A hydrazine synthesis method using hydrazine synthase (II ′), which is a heterodimeric heme protein derived from Anammox bacteria.
<4> The molecular mass of the enzyme (I ′) measured by sodium dodecyl sulfate polyacrylamide gel electrophoresis is 91.5 to 96.5 kDa, 40.5 to 45.5 kDa, and 34.5 to 39.5 kDa. The method for synthesizing hydrazine according to <3>, wherein the enzyme (II ′) has a molecular mass of 11 to 17 kDa and 8 to 14 kDa as measured by tricine-sodium dodecyl sulfate polyacrylamide gel electrophoresis.
<5> Enzymes (I ′) and (II ′) crush the Anammox cells, centrifuge, salt the supernatant, centrifuge, and purify the resulting supernatant by hydrophobic column chromatography The method for synthesizing hydrazine according to <3> or <4>.
<6> When the enzymes (I ′) and (II ′) are purified by the hydrophobic column chromatography, the hemoproteins identified by monitoring the absorbance at a wavelength of 280 nm and the absorbance at a wavelength of 408 nm, The hydrazine synthesis method according to the above <5>, which is an enzyme obtained from a fraction around one peak and a fraction around a second peak.
<7> When the enzyme (II ′) is difficult to reduce and the enzyme (I ′) is in a reduced form, the absorption maximum is in the α band, the β band, and the Sole band characteristic of the c-type heme protein. The method for synthesizing hydrazine according to any one of the above <3> to <6>.
<8> The hydrazine is synthesized using a Tris-HCl buffer, a phosphate buffer, or a MOPS buffer (pH 7.0 to 8.0) as a buffer solution, according to any one of the above items <1> to <7>. Hydrazine synthesis method.
<9> The hydrazine synthesis method according to any one of <1> to <8>, wherein the substrate (B) is hydroxylamine.
<10> The hydrazine synthesis method according to any one of <1> to <9>, wherein the hydrazine synthesis method is performed in the presence of a reducing agent.
<11> The protein of the subunit is at least one protein of the following (A ′), (RO ′) or (C ′), and a heterodimeric hem with the following protein (2a) and the following protein (2b) Hydrazine synthase (II) for synthesizing protein hydrazine.
(A ′) Protein (2a) is a protein comprising the amino acid sequence represented by SEQ ID NO: 4 and protein (2b) is SEQ ID NO: 5 (B ′) In the above (A ′), at least one protein corresponds A protein having a hydrazine synthesizing activity according to the constitution of hydrazine synthase (II), consisting of an amino acid sequence in which one or several amino acids are deleted, substituted or added to the protein represented by SEQ ID NO. ′) In the above (A ′), at least one protein is a protein comprising an amino acid sequence that is 55% or more identical to the sequence number of the protein represented by the corresponding sequence number. <12> For hydrazine synthesis Hydrazine synthase (enzyme is a heterodimeric heme protein derived from Anammox bacteria) I').

本発明によれば、特定の酵素を用いることで、高温の加熱等の処理を必要とせず、in vitroでヒドラジンを合成することができる。   According to the present invention, by using a specific enzyme, hydrazine can be synthesized in vitro without requiring treatment such as high temperature heating.

自然界の生物地球科学的窒素循環の概要を示す図である。It is a figure which shows the outline | summary of the biogeochemical nitrogen circulation of the natural world. 本発明のヒドラジン合成酵素(I´)、(II´)をゲル濾過クロマトグラフィーで分画するときの吸光度のモニタリング例である。It is an example of monitoring absorbance when fractionating the hydrazine synthase (I ′) and (II ′) of the present invention by gel filtration chromatography. 本発明のヒドラジン合成酵素(I´)、(II´)をゲル濾過クロマトグラフィーで分画するときの吸光度のモニタリング例である。It is an example of monitoring absorbance when fractionating the hydrazine synthase (I ′) and (II ′) of the present invention by gel filtration chromatography. 本発明のヒドラジン合成酵素(II´)(NaxLS)の立体構造模式図である。It is a three-dimensional structural schematic diagram of hydrazine synthase (II ') (NaxLS) of the present invention. 本発明のヒドラジン合成酵素(I´)およびその還元型のヘムタンパク質を含有する精製液の吸光スペクトルである。2 is an absorption spectrum of a purified solution containing hydrazine synthase (I ′) of the present invention and its reduced heme protein. 本発明のヒドラジン合成酵素(II´)およびその還元型のヘムタンパク質を含有する精製液の吸光スペクトルである。2 is an absorption spectrum of a purified solution containing hydrazine synthase (II ′) of the present invention and its reduced heme protein. 本発明のヒドラジン合成酵素(I´)をSDS-PAGEにより分子質量測定したときの測定結果例である。It is an example of a measurement result when molecular mass measurement of the hydrazine synthetase (I ') of this invention is carried out by SDS-PAGE. 本発明のヒドラジン合成酵素(II´)をSDS-PAGEにより分子質量測定したときの測定結果例である。It is an example of a measurement result when molecular mass measurement of the hydrazine synthetase (II ') of this invention is carried out by SDS-PAGE. 本発明のヒドラジン合成方法により、ヒドラジンが合成されていることを確認するためのTOF−MS試験を行ったときの測定結果である。It is a measurement result when performing the TOF-MS test for confirming that the hydrazine is synthesize | combined with the hydrazine synthesis | combining method of this invention.

以下に本発明の実施の形態を詳細に説明するが、以下に記載する構成要件の説明は、本発明の実施態様の一例(代表例)であり、本発明はその要旨を超えない限り、以下の内容に限定されない。尚、本発明において、「〜」とはその前後の数値又は物理量を含む表現として用いるものとする。   DESCRIPTION OF EMBODIMENTS Embodiments of the present invention will be described in detail below. However, the description of the constituent elements described below is an example (representative example) of an embodiment of the present invention. It is not limited to the contents. In the present invention, “to” is used as an expression including numerical values or physical quantities before and after.

本発明は、酵素触媒を用いて、アンモニウム塩からなる基質(A)と、ヒドロキシルアミン、硝酸塩、亜硝酸塩および一酸化窒素からなる群から選択される少なくとも一つの基質(B)とからヒドラジンを合成するヒドラジン合成方法であって、
酵素触媒を構成するサブユニットのタンパク質が、下記(イ)、(ロ)または(ハ)の少なくとも一つのタンパク質であり、
当該酵素触媒が、下記タンパク質(1a)、下記タンパク質(1b)および下記タンパク質(1c)のヘテロ3量体ヘムタンパク質であるヒドラジン合成酵素(I)と、
下記タンパク質(2a)および下記タンパク質(2b)とのヘテロ2量体ヘムタンパク質であるヒドラジン合成酵素(II)を用いることを特徴とするヒドラジン合成方法;
(イ)タンパク質(1a)は配列番号1、タンパク質(1b)は配列番号2、タンパク質(1c)は配列番号3、タンパク質(2a)は配列番号4、タンパク質(2b)は配列番号5でそれぞれ表されるアミノ酸配列からなるタンパク質;(ロ)上記(イ)において、少なくとも一つのタンパク質が、それぞれ対応する配列番号で表されたタンパク質に対して、1若しくは数個のアミノ酸が欠失、置換もしくは付加されたアミノ酸配列からなり、かつヒドラジン合成酵素(I)、(II)の構成によってヒドラジン合成活性を有するタンパク質;(ハ)上記(イ)において、少なくとも一つのタンパク質が、それぞれ対応する配列番号で表されたタンパク質の配列番号との同一性が55%以上であるアミノ酸配列からなるタンパク質に係るものである。この合成方法により、ヒドラジンを酵素触媒作用で生合成することができる。
The present invention synthesizes hydrazine from an ammonium salt substrate (A) and at least one substrate (B) selected from the group consisting of hydroxylamine, nitrate, nitrite and nitric oxide using an enzyme catalyst. A method for synthesizing hydrazine,
The subunit protein constituting the enzyme catalyst is at least one protein of the following (A), (B) or (C):
The enzyme catalyst is hydrazine synthase (I) which is a heterotrimeric heme protein of the following protein (1a), the following protein (1b) and the following protein (1c);
A hydrazine synthesizing method comprising using hydrazine synthase (II) which is a heterodimeric heme protein with the following protein (2a) and the following protein (2b);
(A) Protein (1a) is represented by SEQ ID NO: 1, protein (1b) is SEQ ID NO: 2, protein (1c) is SEQ ID NO: 3, protein (2a) is SEQ ID NO: 4, and protein (2b) is SEQ ID NO: 5, respectively. (B) In (a) above, at least one protein is deleted, substituted or added to the protein represented by the corresponding SEQ ID NO. A protein having a hydrazine synthesizing activity according to the structure of hydrazine synthases (I) and (II); (c) In (i) above, at least one protein is represented by a corresponding sequence number. Related to a protein consisting of an amino acid sequence having an identity with the SEQ ID NO of 55% or more It is. By this synthesis method, hydrazine can be biosynthesized by enzyme catalysis.

また、本発明は、酵素触媒を用いて、アンモニウム塩からなる基質(A)と、ヒドロキシルアミン、硝酸塩、亜硝酸塩および一酸化窒素からなる群から選択される少なくとも一つの基質(B)とからヒドラジンを合成するヒドラジン合成方法であって、当該酵素触媒として、Anammox菌由来のヘテロ3量体ヘムタンパク質であるヒドラジン合成酵素(I´)と、Anammox菌由来のヘテロ2量体ヘムタンパク質であるヒドラジン合成酵素(II´)とを用いることを特徴とするヒドラジン合成方法に係るものである。   The present invention also provides a hydrazine from a substrate (A) comprising an ammonium salt and at least one substrate (B) selected from the group consisting of hydroxylamine, nitrate, nitrite and nitric oxide using an enzyme catalyst. Hydrazine synthesis method for synthesizing hydrazine synthase (I ') which is a heterotrimeric heme protein derived from Anammox bacteria and hydrazine synthesis which is a heterodimeric heme protein derived from Anammox bacteria The present invention relates to a hydrazine synthesis method characterized by using an enzyme (II ′).

すなわち、本発明は、基質(A)と基質(B)とからヒドラジンを合成する方法である。以下、各基質について説明する。基質(A)としては、アンモニウム塩を用いる。ここで、アンモニウム塩とは、アンモニアと酸との結合によって生じる塩であって、具体的には塩化アンモニウム、硝酸アンモニウム、硫酸アンモニウム等が挙げられる。本発明の合成方法は、一般的に水溶液中で行われるため、水溶液中でアンモニウムイオンとして解離しやすく、溶解したときにpHが極端に変化しにくいものが好ましく用いられる。また、水溶液中等で有機窒素が微生物等により分解されアンモニウムイオンとして存在しているアンモニウムイオンを基質として用いてもよく、アンモニウムイオンを含めて本発明の基質(A)であるアンモニウム塩と呼ぶ。   That is, the present invention is a method for synthesizing hydrazine from a substrate (A) and a substrate (B). Hereinafter, each substrate will be described. An ammonium salt is used as the substrate (A). Here, the ammonium salt is a salt generated by the combination of ammonia and an acid, and specifically includes ammonium chloride, ammonium nitrate, ammonium sulfate and the like. Since the synthesis method of the present invention is generally carried out in an aqueous solution, those that are easily dissociated as ammonium ions in the aqueous solution and that are extremely difficult to change pH when dissolved are preferably used. Further, ammonium ions in which organic nitrogen is decomposed by microorganisms or the like in an aqueous solution or the like and exist as ammonium ions may be used as a substrate, and the ammonium salt including the ammonium ions is referred to as an ammonium salt which is the substrate (A) of the present invention.

本発明の基質(B)としては、ヒドロキシルアミン、硝酸塩、亜硝酸塩および一酸化窒素からなる群から選択される少なくとも一つの基質を用いることができる。基質(B)として選択されるこれらの物質は、Anammox菌の生成する酵素によって硝酸イオンを還元することで生成される物質であって、特にAnammox菌が脱窒する工程に関連性が高い物質である。これらのなかでも、ヒドロキシルアミンを用いることで、本発明のヒドラジン合成酵素(I)または(I´)、およびヒドラジン合成酵素(II)または(II´)の酵素によって効率よくヒドラジンを合成することができるため好ましい。その他の、硝酸塩、亜硝酸塩および一酸化窒素を用いる場合、他の化学的方法や酵素触媒作用等によって、ヒドロキシルアミンに転換する工程を設けることが好ましい。なお、このヒドロキシルアミンに転換する工程は、ヒドラジンを合成する反応と同一の場(一般的には水溶液中)で行っても良い。酵素触媒作用によってヒドロキシルアミンに転換する酵素としては、例えば、ヒドロキシルアミン酸化還元酵素(HAO)、亜硝酸還元酵素(NIR)等が挙げられる。   As the substrate (B) of the present invention, at least one substrate selected from the group consisting of hydroxylamine, nitrate, nitrite and nitric oxide can be used. These substances selected as the substrate (B) are substances produced by reducing nitrate ions with an enzyme produced by Anammox bacteria, and are particularly relevant to the process of Denitrification by Anammox bacteria. is there. Among these, by using hydroxylamine, hydrazine can be efficiently synthesized by the hydrazine synthase (I) or (I ′) of the present invention and the hydrazine synthase (II) or (II ′). This is preferable because it is possible. When other nitrates, nitrites, and nitric oxide are used, it is preferable to provide a step of converting to hydroxylamine by other chemical methods or enzyme catalysis. The step of converting to hydroxylamine may be performed in the same field (generally in an aqueous solution) as the reaction for synthesizing hydrazine. Examples of the enzyme that converts to hydroxylamine by enzyme catalysis include hydroxylamine oxidoreductase (HAO), nitrite reductase (NIR), and the like.

前述したように、本発明においては、基質(B)として、ヒドロキシルアミンを用いることが好ましい。本発明者らは、ヒドロキシルアミンを用いることで、ヒドラジン合成酵素(I)または(I´)、およびヒドラジン合成酵素(II)または(II´)によって効率的に製造することができることを見出した。   As described above, in the present invention, it is preferable to use hydroxylamine as the substrate (B). The present inventors have found that hydroxylamine can be used to efficiently produce hydrazine synthase (I) or (I ′) and hydrazine synthase (II) or (II ′).

また、本発明においては、還元剤存在下にて、ヒドラジンの合成を行うことが好ましい。すなわち、本発明のヒドラジン合成反応を行う反応の場に還元剤を存在させた状態で行うことが好ましい。より具体的には、本発明は主に基質、酵素等を混合させた液中で行われるが、この液に還元剤を混合することで、還元剤存在下の状態とすることができる。この還元剤を反応の場に混合した状態でヒドラジン合成することで、より高い効率でヒドラジンを合成することができる。   In the present invention, hydrazine is preferably synthesized in the presence of a reducing agent. That is, it is preferable to carry out the reaction in the presence of a reducing agent at the reaction site for carrying out the hydrazine synthesis reaction of the present invention. More specifically, the present invention is performed mainly in a liquid in which a substrate, an enzyme, and the like are mixed. By mixing a reducing agent with this liquid, the state in the presence of the reducing agent can be achieved. By synthesizing hydrazine in a state where this reducing agent is mixed in the reaction field, hydrazine can be synthesized with higher efficiency.

この還元剤としては、ヒドラジン合成を阻害するものでなければよく、公知の無機系、有機系いずれの還元剤も用いることができる。具体的な還元剤としては、亜ジチオン酸ナトリウム(ジチオナイト)や、チオグリコール酸又はその塩、グリセリンモノチオグリコレート、2−メルカプトプロピオン酸、2−メルカプトエチルアミン、チオ乳酸、チオグリセリン、亜硫酸ナトリウム、亜硫酸水素ナトリウム、メタ亜硫酸ナトリウム、ヒドロキノン、ベンジルビオロゲンまたはメチルビオロゲン等を用いることができ、いずれか単独、または適宜組み合わせて用いてもよい。還元剤は、ヒドラジン合成の場となる水溶液に分散するように水溶性のものを用いることが好ましい。また、比較的低い標準酸化還元電位を有する還元剤であることが好ましく、標準酸化還元電位が−300mV以下、−750mV以上の還元剤が特に好ましい。好ましく用いられる還元剤としては、有機系で水溶性であり、標準酸化還元電位が前述の範囲のものが好ましく、具体的にはジチオナイトが好ましい還元剤としてあげられる。還元剤の添加量は、その標準酸化還元電位や、ヒドラジン合成反応に用いる基質や酵素に応じて適宜設定されるが、例えば、ヒドラジン合成の反応の場となる溶液中(使用時濃度)に、0.1〜100mmol/L程度とすることができる。還元剤の濃度が低い場合、ヒドラジン合成活性が向上しにくい場合がある。還元剤としてジチオナイトを用いる場合、その使用時濃度の下限は1mmol/L以上が好ましく、3mmol/L以上がより好ましい。またその使用時濃度の上限は50mmol/L以下が好ましく、15mmol/L以下がより好ましい。   As the reducing agent, any reducing agent that does not inhibit hydrazine synthesis may be used, and any known inorganic or organic reducing agent can be used. Specific reducing agents include sodium dithionite (dithionite), thioglycolic acid or a salt thereof, glycerin monothioglycolate, 2-mercaptopropionic acid, 2-mercaptoethylamine, thiolactic acid, thioglycerin, sodium sulfite, Sodium bisulfite, sodium metasulfite, hydroquinone, benzyl viologen, methyl viologen and the like can be used, and any of them may be used alone or in appropriate combination. As the reducing agent, it is preferable to use a water-soluble reducing agent so as to disperse in an aqueous solution used for hydrazine synthesis. A reducing agent having a relatively low standard oxidation-reduction potential is preferable, and a reducing agent having a standard oxidation-reduction potential of −300 mV or less and −750 mV or more is particularly preferable. The reducing agent preferably used is organic and water-soluble and has a standard oxidation-reduction potential in the above-mentioned range, and specifically, dithionite is a preferable reducing agent. The amount of the reducing agent added is appropriately set according to the standard oxidation-reduction potential and the substrate or enzyme used in the hydrazine synthesis reaction. For example, in the solution (concentration at the time of use) used as the reaction site for hydrazine synthesis, It can be set to about 0.1 to 100 mmol / L. When the concentration of the reducing agent is low, the hydrazine synthesis activity may be difficult to improve. When dithionite is used as the reducing agent, the lower limit of the concentration during use is preferably 1 mmol / L or more, more preferably 3 mmol / L or more. Further, the upper limit of the concentration during use is preferably 50 mmol / L or less, and more preferably 15 mmol / L or less.

基質(B)は、前述のように、Anammox菌の生成する酵素によって亜硝酸イオンを還元することで生成される物質であって、特にAnammox菌が脱窒する工程に関連性が高い物質である。ここで、この基質(B)は、基質(A)であるアンモニウム塩と、本願発明のヒドラジン合成酵素との存在下でヒドラジンとなるものであるが、ヒドラジンの窒素原子の酸化数−2に対して、一酸化窒素の窒素原子の酸化数は+2であることから還元を補助することが有効に機能するものと考えられる。また、本発明において見出されたヒドラジン合成に用いられるタンパク質であるヒドラジン合成酵素(II)および(II´)は、難還元性を有するが、前述した還元剤によって僅かに還元され、還元型の酵素(II)や(II´)がヒドラジン合成酵素(I)や(I´)の低い標準酸化還元電位を持つ補欠分子族のヘムに電子をわたす事ができ、(I)や(I´)がより有効に機能するものと考えられる。よって、酸化数がヒドラジンの窒素原子の酸化数に近いヒドロキシルアミンを基質として用いる場合でもヒドラジン合成効率が向上するものと考えられる。   As described above, the substrate (B) is a substance produced by reducing nitrite ions with an enzyme produced by Anammox bacteria, and is particularly relevant to the process of denitrifying Anammox bacteria. . Here, this substrate (B) becomes hydrazine in the presence of the ammonium salt which is the substrate (A) and the hydrazine synthase of the present invention, but against the oxidation number −2 of the nitrogen atom of hydrazine. Thus, since the oxidation number of the nitrogen atom of nitric oxide is +2, it is considered that assisting the reduction functions effectively. In addition, hydrazine synthases (II) and (II ′), which are proteins used in the synthesis of hydrazine found in the present invention, are difficult to reduce, but are slightly reduced by the reducing agent described above, and are reduced. Enzymes (II) and (II ′) can deliver electrons to heme of the prosthetic group having a low standard redox potential of hydrazine synthases (I) and (I ′), and (I) and (I ′) Are considered to function more effectively. Therefore, it is considered that the synthesis efficiency of hydrazine is improved even when hydroxylamine whose oxidation number is close to the oxidation number of the nitrogen atom of hydrazine is used as a substrate.

本発明の合成方法は、酵素触媒として、ヒドラジン合成酵素(I)または(I´)と、ヒドラジン合成酵素(II)または(II´)とを併せて用いることを特徴とする。
本発明に用いるヒドラジン合成酵素(I´)と、ヒドラジン合成酵素(II´)とはAnammox菌より得ることができ、ヒドラジン合成酵素(I´)はヘテロ3量体ヘムタンパク質の酵素であり、ヒドラジン合成酵素(II´)はヘテロ2量体ヘムタンパク質の酵素である。
一方、ヒドラジン合成酵素(I)とヒドラジン合成酵素(II)とは、Anammox菌より得られるものと同一の塩基配列、または一定の同一性等の要件を満たすように製造されたタンパク質から得ることができる酵素である。
The synthesis method of the present invention is characterized in that hydrazine synthase (I) or (I ′) and hydrazine synthase (II) or (II ′) are used in combination as an enzyme catalyst.
Hydrazine synthase (I ′) and hydrazine synthase (II ′) used in the present invention can be obtained from Anammox bacteria, and hydrazine synthase (I ′) is an enzyme of heterotrimeric heme protein, hydrazine Synthase (II ′) is a heterodimeric heme protein enzyme.
On the other hand, hydrazine synthase (I) and hydrazine synthase (II) can be obtained from the same base sequence as that obtained from Anammox bacteria, or from a protein produced so as to satisfy certain requirements such as identity. It can be an enzyme.

[ヒドラジン合成酵素(I)または(I´)(HZS)]
ヒドラジン合成酵素(I)または(I´)は、ヒドラジン合成酵素と推定される酵素(HZS)として知られていて、前述の非特許文献1等にも開示されていたものである。本発明においては、酵素触媒の一つとして、このヒドラジン合成酵素(I)または(I´)を用いることを特徴とする。
[Hydrazine synthase (I) or (I ′) (HZS)]
Hydrazine synthase (I) or (I ′) is known as an enzyme (HZS) presumed to be a hydrazine synthase, and is also disclosed in the above-mentioned Non-Patent Document 1 and the like. In the present invention, this hydrazine synthase (I) or (I ′) is used as one of the enzyme catalysts.

[ヒドラジン合成酵素(II)または(II´)(NaxLS)]
ヒドラジン合成酵素(II)または(II´)は、Anammox菌のタンパク質として、前述の非特許文献2等にも開示されていたが、その機能、用途が不明だったものである。本発明においては、酵素触媒の一つとして、このヒドラジン合成酵素(II)または(II´)を用いることを特徴とする。
このヒドラジン合成酵素(II)または(II´)は、ヘテロ2量体ヘムタンパク質の酵素であって、各タンパク質のユニットは、NaxL、NaxSとして知られているものである。なお、ヘテロ2量体ヘムタンパク質全体をNaxLSと呼ぶ場合もある。
[Hydrazine synthase (II) or (II ′) (NaxLS)]
Hydrazine synthase (II) or (II ′) was also disclosed in the above-mentioned Non-Patent Document 2 as a protein of Anammox bacteria, but its function and use were unknown. In the present invention, the hydrazine synthase (II) or (II ′) is used as one of enzyme catalysts.
The hydrazine synthase (II) or (II ′) is an enzyme of a heterodimeric heme protein, and each protein unit is known as NaxL or NaxS. The entire heterodimeric heme protein may be referred to as NaxLS.

本発明では、特に、ヒドラジン合成酵素(I)(または(I´))と、ヒドラジン合成酵素(II)(または(II´)とを組み合わせて、特定の基質を用いて酵素触媒反応をすることでヒドラジンが合成され、合成されたヒドラジンは単に中間体として存在するのみでなく、水溶液中でその濃度が上昇することから、生産方法として利用できる。   In the present invention, in particular, hydrazine synthase (I) (or (I ′)) and hydrazine synthase (II) (or (II ′)) are combined and subjected to an enzyme-catalyzed reaction using a specific substrate. Hydrazine was synthesized by the above method, and the synthesized hydrazine not only exists as an intermediate, but also increases in concentration in an aqueous solution, so that it can be used as a production method.

ここで、本発明は、酵素触媒を構成するサブユニットのタンパク質が、下記(イ)、(ロ)または(ハ)の少なくとも一つのタンパク質であり、かつ、当該酵素触媒が、下記タンパク質(1a)、下記タンパク質(1b)および下記タンパク質(1c)のヘテロ3量体ヘムタンパク質であるヒドラジン合成酵素(I)と、下記タンパク質(2a)および下記タンパク質(2b)とのヘテロ2量体ヘムタンパク質であるヒドラジン合成酵素(II)を用いることを特徴とするヒドラジン合成方法である。ここで、(イ)タンパク質(1a)は配列番号1、タンパク質(1b)は配列番号2、タンパク質(1c)は配列番号3、タンパク質(2a)は配列番号4、タンパク質(2b)は配列番号5でそれぞれ表されるアミノ酸配列からなるタンパク質;(ロ)上記(イ)において、少なくとも一つのタンパク質が、それぞれ対応する配列番号で表されたタンパク質に対して、1若しくは数個のアミノ酸が欠失、置換もしくは付加されたアミノ酸配列からなり、かつヒドラジン合成酵素(I)、(II)の構成によってヒドラジン合成活性を有するタンパク質;(ハ)上記(イ)において、少なくとも一つのタンパク質が、それぞれ対応する配列番号で表されたタンパク質の配列番号との同一性が55%以上であるアミノ酸配列からなるタンパク質である。   Here, in the present invention, the subunit protein constituting the enzyme catalyst is at least one protein of the following (A), (B) or (C), and the enzyme catalyst is the following protein (1a): A hydrazine synthase (I) that is a heterotrimeric heme protein of the following protein (1b) and the following protein (1c), and a heterodimeric heme protein of the following protein (2a) and the following protein (2b) A hydrazine synthesis method characterized by using hydrazine synthase (II). Here, (a) protein (1a) is SEQ ID NO: 1, protein (1b) is SEQ ID NO: 2, protein (1c) is SEQ ID NO: 3, protein (2a) is SEQ ID NO: 4, and protein (2b) is SEQ ID NO: 5. (B) In (i) above, at least one protein is deleted from the protein represented by the corresponding SEQ ID NO., One or several amino acids are deleted, A protein comprising a substituted or added amino acid sequence and having hydrazine synthesizing activity by the constitution of hydrazine synthases (I) and (II); (c) a sequence corresponding to at least one protein in (a) above; A protein consisting of an amino acid sequence whose identity with the sequence number of the protein represented by the number is 55% or more A.

すなわち、例えば、タンパク質(1a)は、配列番号1で表されるアミノ酸配列からなるタンパク質、または、配列番号1で表されるアミノ酸配列に対して、1若しくは数個のアミノ酸が欠失、置換もしくは付加されたアミノ酸配列からなり、かつヒドラジン合成酵素(I)、(II)の構成によってヒドロキシルアミンヒドラジン合成活性を有するタンパク質、または、配列番号1で表されるアミノ酸配列からなるタンパク質に対して、同一性が55%以上であるアミノ酸配列からなるタンパク質の少なくともいずれか一つであり、(ロ)と(ハ)とを同時に満足することもできるし、(ハ)において同一性が100%のときはまさに(イ)も同時に満足するものである。タンパク質(1a)はこのように配列番号1で表されるアミノ酸配列からなるタンパク質と、(ロ)、(ハ)のように配列番号1で表されるアミノ酸配列からなるタンパク質と所定の関係を有するタンパク質を包括的に表現した概念であり、他の、タンパク質(1b)、(1c)、(2a)、(2b)もそれぞれ対応する配列番号からなるタンパク質および、それと所定の関係を有するタンパク質を包括する概念として、それぞれ表現されたものである。   That is, for example, the protein (1a) is a protein comprising the amino acid sequence represented by SEQ ID NO: 1, or one or several amino acids are deleted, substituted or substituted with respect to the amino acid sequence represented by SEQ ID NO: 1. Identical to a protein consisting of an added amino acid sequence and having hydroxylamine hydrazine synthesizing activity by the constitution of hydrazine synthase (I) or (II), or a protein consisting of the amino acid sequence represented by SEQ ID NO: 1. It is at least one of proteins consisting of an amino acid sequence having a sex of 55% or more, and (b) and (c) can be satisfied at the same time, and when the identity is 100% in (c) Exactly (a) is also satisfied at the same time. The protein (1a) has a predetermined relationship with the protein comprising the amino acid sequence represented by SEQ ID NO: 1 and the protein comprising the amino acid sequence represented by SEQ ID NO: 1 such as (b) and (c). It is a concept that comprehensively expresses proteins, and other proteins (1b), (1c), (2a), and (2b) also include proteins each having a corresponding sequence number and proteins having a predetermined relationship therewith. Each concept is expressed as a concept.

本発明の酵素触媒は、複数のサブユニットのタンパク質からなる。すなわち、ヒドラジン合成酵素(I)は3量体ヘムタンパク質であり、3つのサブユニットのタンパク質からなり、ヒドラジン合成酵素(II)は2量体ヘムタンパク質であり、2つのサブユニットのタンパク質からなる。   The enzyme catalyst of the present invention comprises a plurality of subunit proteins. That is, hydrazine synthase (I) is a trimeric heme protein and consists of three subunit proteins, and hydrazine synthase (II) is a dimeric heme protein and consists of two subunit proteins.

本発明に用いるヒドラジン合成酵素(I)と、ヒドラジン合成酵素(II)とは、以下の要件(イ)を満足するサブユニットのタンパク質から構成される酵素とすることができる。すなわち、(イ)タンパク質(1a)は配列番号1、タンパク質(1b)は配列番号2、タンパク質(1c)は配列番号3、タンパク質(2a)は配列番号4、タンパク質(2b)は配列番号5でそれぞれ表されるアミノ酸配列からなるタンパク質である。   The hydrazine synthase (I) and hydrazine synthase (II) used in the present invention can be an enzyme composed of subunit proteins that satisfy the following requirement (a). That is, (a) protein (1a) is SEQ ID NO: 1, protein (1b) is SEQ ID NO: 2, protein (1c) is SEQ ID NO: 3, protein (2a) is SEQ ID NO: 4, and protein (2b) is SEQ ID NO: 5. Each protein consists of an amino acid sequence represented.

配列番号1で表されるタンパク質、配列番号2で表されるタンパク質および配列番号3で表されるタンパク質は、後述するAnammox bacterium strain KSU−1(以下、「Anammox KSU−1」と略記する。)由来のヒドラジン合成酵素(I´)からアミノ酸配列を特定したものである。配列番号4で表されるタンパク質、配列番号5で表されるタンパク質は、後述するAnammox KSU−1由来のヒドラジン合成酵素(II´)からアミノ酸配列を特定したものである。   The protein represented by SEQ ID NO: 1, the protein represented by SEQ ID NO: 2, and the protein represented by SEQ ID NO: 3 will be described later as Anammox battery strain KSU-1 (hereinafter abbreviated as “Anamox KSU-1”). The amino acid sequence is specified from the derived hydrazine synthase (I ′). The protein represented by SEQ ID NO: 4 and the protein represented by SEQ ID NO: 5 are those in which the amino acid sequence is specified from Anammox KSU-1 derived hydrazine synthase (II ′) described later.

配列番号1、2、4、5で表されるアミノ酸配列のタンパク質は、それぞれc型ヘム結合モチーフを有しており、これらのアミノ酸配列のタンパク質にヘム結合してなるヒドラジン合成酵素(I)、(II)は、いずれも酵素として機能するときは、ヘムタンパク質からなる酵素である。   The proteins having the amino acid sequences represented by SEQ ID NOs: 1, 2, 4, and 5 each have a c-type heme-binding motif, and hydrazine synthase (I) formed by heme-binding to the proteins having these amino acid sequences. (II) is an enzyme composed of a heme protein when all function as an enzyme.

さらに、本発明のヒドラジン合成酵素(I)、(II)は、「(ロ)上記(イ)において、少なくとも一つのタンパク質が、それぞれ対応する配列番号で表されたタンパク質に対して、1若しくは数個のアミノ酸が欠失、置換もしくは付加されたアミノ酸配列からなり、かつヒドラジン合成酵素(I)、(II)の構成によってヒドラジン合成活性を有するタンパク質」または、「(ハ)上記(イ)において、少なくとも一つのタンパク質が、それぞれ対応する配列番号で表されたタンパク質の配列番号との同一性が55%以上であるアミノ酸配列からなるタンパク質」のように、それぞれの3量体ヘムタンパク質や、2量体ヘムタンパク質としたときヒドラジン合成の酵素活性を有するものとしても達成することができる。前述のように、配列番号1、2、3、4、5とで表されるタンパク質はAnammox KSU−1株から特定したヒドラジン合成酵素の配列であるが、他のAnammox菌も、同様に各々のヒドラジン合成酵素を有しており、また、生体由来に限定されることなく同様のアミノ酸配列を有するタンパク質としても達成することができる。特に、欠失、置換もしくは付加される場合、本タンパク質のヘムとの結合性に影響を与える配列は同一であることが好ましく、その他の部分で欠失、置換、付加が許容される。より具体的には、公知の、他の菌株由来のヒドラジン合成酵素と推定されてきたタンパク質配列や、本発明により開示されるヒドラジン合成酵素(II)および(II´)に相当するタンパク質配列とを比較し、その共通性が低いところについては、欠失、置換、付加が許容される傾向がある。   Furthermore, the hydrazine synthase (I), (II) of the present invention is as follows: “(b) In the above (b), at least one protein is one or a number relative to the protein represented by the corresponding SEQ ID NO. A protein having an amino acid sequence in which one amino acid is deleted, substituted or added, and having hydrazine synthesizing activity according to the constitution of hydrazine synthase (I), (II) "or" (c) in (i) above, Each of the trimeric heme proteins and the dimers such as “a protein comprising an amino acid sequence having 55% or more identity with the sequence number of the protein represented by each corresponding sequence number” This can also be achieved by having a hydrazine synthesizing enzyme activity when it is made into body hemoprotein. As described above, the proteins represented by SEQ ID NOs: 1, 2, 3, 4, and 5 are hydrazine synthase sequences identified from the Anammox KSU-1 strain. It has hydrazine synthase and can also be achieved as a protein having the same amino acid sequence without being limited to living organisms. In particular, in the case of deletion, substitution or addition, the sequence that affects the binding property of the protein to heme is preferably the same, and deletion, substitution and addition are allowed in other portions. More specifically, known protein sequences that have been estimated to be hydrazine synthases derived from other strains, and protein sequences corresponding to hydrazine synthases (II) and (II ′) disclosed by the present invention. In comparison, deletion, substitution, and addition tend to be allowed where the commonality is low.

また、上記(ハ)において、配列番号1、2、3、4および5で表されるタンパク質との同一性(Identitiy)は、それぞれ対応する配列番号のタンパク質と55%以上であり、60%以上であることが好ましく、80%以上であることがより好ましい。配列番号1〜5で表されるタンパク質は、前述したようにAnammox KSU−1から特定されたアミノ酸配列であり、他の菌株であるAnammox Kuenenia stuttgartiensisのタンパク質から特定されたアミノ酸配列との同一性が84〜59%(サブユニットにより異なる)である。また、これらのアミノ酸配列は、アミノ酸数として126〜810と比較的長く、これらとの同一性が30%以上であるタンパク質は、Anammox菌由来でヒドラジン合成酵素と推定されてきたタンパク質しか発見されていない特徴的なアミノ酸配列である。一般的に、この程度の配列長があるタンパク質の場合、同一性が40%以上であれば、同様の機能を奏することが期待される。なお、本発明においてアミノ酸配列の同一性を求めるアルゴリズムとしては、この分野で汎用されているアルゴリズムの一つであるBLAST(Basic Local Alignment Search Tool)を用いた。   Further, in the above (c), the identity (Identity) with the protein represented by SEQ ID NO: 1, 2, 3, 4 and 5 is 55% or more and 60% or more, respectively, with the protein of the corresponding SEQ ID NO: It is preferable that it is 80% or more. The proteins represented by SEQ ID NOs: 1 to 5 are amino acid sequences identified from Anammox KSU-1 as described above, and have the same identity as the amino acid sequences identified from the proteins of Anammox Kuenenia stuttgartiansis, which is another strain. 84-59% (depending on subunit). In addition, these amino acid sequences are relatively long as 126 to 810 amino acids, and only proteins that have been estimated to be hydrazine synthase derived from Anammox bacteria have been found to be 30% or more in identity. There is no characteristic amino acid sequence. In general, in the case of a protein having a sequence length of this degree, it is expected that the same function is achieved if the identity is 40% or more. In the present invention, BLAST (Basic Local Alignment Search Tool), which is one of algorithms widely used in this field, was used as an algorithm for obtaining amino acid sequence identity.

より具体的には、Anammox Kuenenia stuttgartiensis由来のタンパク質である配列番号6、7、8で表されるタンパク質と、配列番号1、2、3との同一性はそれぞれ、82%、84%、79%である。また、配列番号6、7、8で表されるタンパク質も、Anammox Kuenenia stuttgartiensis内で脱窒反応における中間体のヒドラジンを合成するヒドラジン合成酵素であり、本発明のヘテロ3量体ヘムタンパク質の酵素として、ヒドラジン合成酵素(I)として使用することができる。   More specifically, the identity between SEQ ID NOs: 1, 2, and 3, and the proteins represented by SEQ ID NOs: 6, 7, and 8, which are proteins derived from Anammox Kuennia stuttgartiensis, are 82%, 84%, and 79%, respectively. It is. In addition, the proteins represented by SEQ ID NOs: 6, 7, and 8 are also hydrazine synthases that synthesize hydrazine as an intermediate in the denitrification reaction in Anammox Kuennia stuttgartiansis, and are used as the enzymes of the heterotrimeric heme protein of the present invention. It can be used as hydrazine synthase (I).

また、Anammox Kuenenia stuttgartiensis由来のタンパク質として、配列番号9、10が挙げられ、これらのタンパク質と、配列番号4、5との同一性はそれぞれ、75%、59%である。また、配列番号9、10で表されるタンパク質も、ヘテロ2量体ヘムタンパク質の酵素として、ヒドラジン合成酵素(II)として使用することができる。   Furthermore, SEQ ID NOs: 9 and 10 are given as proteins derived from Anammox Kuenenia stuttgartiensis, and the identity of these proteins with SEQ ID NOs: 4 and 5 is 75% and 59%, respectively. The proteins represented by SEQ ID NOs: 9 and 10 can also be used as hydrazine synthase (II) as an enzyme of heterodimeric heme protein.

また、酵素触媒を構成するサブユニットのタンパク質は、下記(イ)、(ロ)または(ハ)の少なくとも一つの条件を満たせばよいが、(ロ)の要件と(ハ)の要件を同時に満たし、上記(イ)において、1若しくは数個のアミノ酸が欠失、置換もしくは付加されたアミノ酸配列からなり、かつそれぞれのタンパク質の配列番号との同一性が55%以上であるアミノ酸配列からなるヒドラジン合成酵素(I)、(II)の構成によってヒドラジン合成活性を有するタンパク質とするものであることが好ましい。   In addition, the subunit protein constituting the enzyme catalyst may satisfy at least one of the following conditions (a), (b), or (c), but simultaneously satisfies the requirements of (b) and (c). In the above (a), hydrazine synthesis consisting of an amino acid sequence in which one or several amino acids are deleted, substituted or added, and an amino acid sequence having 55% or more identity with the sequence number of each protein It is preferable that the protein has a hydrazine synthesis activity depending on the structure of the enzymes (I) and (II).

ヒドラジン合成酵素(I)、(II)に示すタンパク質の製造方法について特に制限はなく、生体由来のもの、遺伝子組み換え法によりE.Coli等の微生物に産生させたもののいずれも使用できる。   There are no particular limitations on the method for producing the proteins shown in hydrazine synthases (I) and (II). Any of those produced by a microorganism such as Coli can be used.

上記ヒドラジン合成酵素(I)の上記(イ)、(ロ)または(ハ)のタンパク質(1a)、(1b)、(1c)、(2a)、(2b)をコードする遺伝子から発現したタンパク質によってなる組み換えヒドラジン合成酵素(I)とヒドラジン合成酵素(II)とを用いることができる。各タンパク質をコードする遺伝子の例として、配列番号11〜15があげられる。この配列番号11〜15、前述のAnammox KSU−1株から抽出したヒドラジン合成酵素の合成に関する遺伝子として特定されたものである。配列番号11〜15で示すDNAの塩基配列は、それぞれコードする遺伝子のcomplementの配列である。配列番号11がタンパク質(1a)の一つである配列番号1に、配列番号12がタンパク質(1b)の一つである配列番号2に、配列番号13がタンパク質(1c)の一つである配列番号3に、配列番号14がタンパク質(2a)の一つである配列番号4に、配列番号15がタンパク質(2b)の一つである配列番号5に対応する。   By the protein expressed from the gene encoding the protein (1a), (1b), (1c), (2a), (2b) of the above (a), (b) or (c) of the hydrazine synthase (I) Recombinant hydrazine synthase (I) and hydrazine synthase (II) can be used. Examples of genes encoding each protein include SEQ ID NOs: 11 to 15. These SEQ ID NOs: 11 to 15 were identified as genes related to the synthesis of hydrazine synthase extracted from the aforementioned Anammox KSU-1 strain. The base sequences of the DNAs represented by SEQ ID NOs: 11 to 15 are the complement sequences of the genes to be encoded. SEQ ID NO: 11 is one of the proteins (1a), SEQ ID NO: 12 is SEQ ID NO: 2 which is one of the proteins (1b), and SEQ ID NO: 13 is one of the proteins (1c). SEQ ID NO: 14 corresponds to SEQ ID NO: 4 that is one of the proteins (2a), and SEQ ID NO: 15 corresponds to SEQ ID NO: 5 that is one of the proteins (2b).

なお、本発明の配列番号1〜5および11〜15で表される、Anammox KSU−1株のアミノ酸および遺伝子の配列は、核酸データベースにBAFH01000004の番号で、登録されている。配列番号1および11は「GAB63748 KSU1D_439 (ZP 10100867)」、配列番号2および12は「GAB63749 KSU1d_440 (ZP 10100868)」、配列番号3および13は「GAB63750 KSU1D_441 (ZP 10100869)」、配列番号4および14は、「GAB63547 KSU1d_238 (ZP 10100666)」、そして配列番号5および15は「GAB63548 KSU1d_239 (ZP 10100667)」として登録されている。   The amino acid and gene sequences of the Anammox KSU-1 strain represented by SEQ ID NOs: 1 to 5 and 11 to 15 of the present invention are registered in the nucleic acid database under the number BAFH01000004. SEQ ID NOs: 1 and 11 are “GAB63748 KSU1D — 439 (ZP 10100787)”, SEQ ID NOs: 2 and 12 are “GAB63748 KSU1d — 440 (ZP 10100908)”, SEQ ID NOs: 3 and 13 are “GAB63750 KSU1D — 441 (ZP 10100809)”, Is registered as “GAB63547 KSU1d — 238 (ZP 10100756)”, and SEQ ID NOs: 5 and 15 are registered as “GAB63548 KSU1d — 239 (ZP 10100657)”.

また、本発明は、酵素触媒として、Anammox菌由来のヘテロ3量体ヘムタンパク質であるヒドラジン合成酵素(I´)と、Anammox菌由来のヘテロ2量体ヘムタンパク質であるヒドラジン合成酵素(II´)とを用いる態様でも達成することができる。   The present invention also provides hydrazine synthase (I ′), which is a heterotrimeric heme protein derived from Anammox bacteria, and hydrazine synthase (II ′), which is a heterodimeric heme protein derived from Anammox bacteria, as enzyme catalysts. It can also be achieved in an embodiment using

本発明のヒドラジン合成酵素(I´)および(II´)は、Anammox菌から得ることができるAnammox菌由来の酵素である。ここでAnammox菌とは、嫌気性アンモニア酸化反応(anaerobc ammonium oxidation)を行う菌の総称である。Anammox菌は単離培養されておらず、一般的には集積培養したAnammox汚泥を不織布に付着させて、連続培養したものから、Anammox菌が優先的に培養されているAnammox菌優先汚泥として得ることができる。Anammox菌としては、例えば、Candidatus Kuenenia stuttgartiensis(本明細書中では、通称である「Anammox Kuenenia stuttgartiensis」と記載することがある。)、Candidatus Jettenia asiatica、Candidatus Anammoxoglobus propionicus、Candidatus Brocadia anammoxidansが挙げられる。   The hydrazine synthases (I ′) and (II ′) of the present invention are enzymes derived from Anammox bacteria that can be obtained from Anammox bacteria. Here, the Anammox bacterium is a general term for bacteria that perform anaerobic ammonia oxidation reaction (anaerob ammonia oxidation). Anammox bacteria are not isolated and cultured. Generally, Anammox bacteria are preferentially cultivated from pre-cultured Anammox bacteria, which is obtained by attaching cultured Anammox sludge to a nonwoven fabric and continuously cultivating it. Can do. Examples of the Anammox bacteria include Candidatus Kuenenia stuttgartiensis (in the present specification, it is sometimes referred to as “Ammamox Kuenenia stuttgartidians and Candidacetidiaidiaidia and Candidas etidiumidiaidiaid.

また、海水中に存在するAnammox菌として、Candidatus Scalindua brodae、Candidatus Scalindua sorokinii、Candidatus Scalindua wagneriが挙げられる。   Examples of the Anammox bacteria present in seawater include Candidatus Scalindua brodae, Candidatus Scalindua sorokinii, and Candidatus Scalindua wagneri.

さらに、本発明者らが有するAnammox菌の株であるAnammox bacterium strain KSU−1(「Anammox KSU−1」と略記することがある。)、Anammox bacterium strain BRW−1(「Anammox Asahi BRW−1」と略記することがある。)等が挙げられる。   Furthermore, Anammox bacteria strain KSU-1 (sometimes abbreviated as “Ammamox KSU-1”), which is a strain of Anammox bacteria possessed by the present inventors, Anammox Bacterium strain BRW-1 (“Ammoxx ASah-1”) May be abbreviated.) And the like.

これらの中でも、Candidatus Kuenenia stuttgartiensis、Candidatus Jettenia asiatica、Candidatus Anammoxoglobus propionicus、Candidatus Brocadia anammoxidans、Anammox bacterium strain KSU−1、Anammox bacterium strain BRW−1由来のヒドラジン合成酵素は、海水中に存在するCandidatus Scalindua brodae、等と異なり、塩化ナトリウム濃度が低い水溶液中で反応しやすいヒドラジン合成酵素を有していると考えられるため好ましく用いられる。より好ましくは、Anammox KSU−1、Anammox Asahi BRW−1由来のヒドラジン合成酵素を用いることができる。なお、Anammox KSU−1、Anammox Asahi BRW−1は、後述するように学校法人君ヶ淵学園崇城大学生物生命学部内にて馴養されており入手することができる。
また、これらの単独の菌由来の酵素として用いても良いし、組み合わせて用いてもよい。ヒドラジン合成酵素(I´)とヒドラジン合成酵素(II´)とは、それぞれの酵素同士の補完関係が高くなるため、同一の菌由来の酵素を用いた方がよい。
Among these, Candidatus Kuenenia stuttgartiensis, Candidatus Jettenia asiatica, Candidatus Anammoxoglobus propionicus, Candidatus Brocadia anammoxidans, Anammox bacterium strain KSU-1, Anammox bacterium strain BRW-1 from hydrazine synthase is present in seawater Candidatus Scalindua brodae, etc. Unlike that, it is preferably used because it is considered to have a hydrazine synthase that easily reacts in an aqueous solution having a low sodium chloride concentration. More preferably, hydrazine synthase derived from Anammox KSU-1 or Anammox Asahi BRW-1. In addition, Anammox KSU-1 and Anammox Asahi BRW-1 are accustomed in the Faculty of Biological Life Sciences of the school corporation Kimigasu Gakuen Sojo University, as will be described later.
Moreover, you may use as an enzyme derived from these single bacteria, and may be used in combination. Since hydrazine synthase (I ′) and hydrazine synthase (II ′) have a high complementary relationship between the enzymes, it is better to use enzymes derived from the same fungus.

本発明のヒドラジン合成酵素は、Anammox菌由来のタンパク質であって、ヒドラジン合成活性を有する。   The hydrazine synthase of the present invention is a protein derived from Anammox bacteria and has hydrazine synthesis activity.

本発明のヒドラジン合成酵素(I´)はc型ヘム結合モチーフが存在し、c型ヘムタンパク質である。また、ヒドラジン合成酵素(II´)にもc型ヘム結合モチーフが存在し、c型ヘムタンパク質である。   The hydrazine synthase (I ′) of the present invention has a c-type heme binding motif and is a c-type heme protein. Also, hydrazine synthase (II ′) has a c-type heme binding motif and is a c-type heme protein.

酵素(I´)をドデシル硫酸ナトリウムポリアクリルアミドゲル電気泳動(「SDS−PAGE」)により測定した分子質量は、91.5〜96.5kDa(代表値は94kDa)のタンパク質と、40.5〜45.5kDa(代表値は43kDa)のタンパク質と、34.5〜39.5kDa(代表値は37kDa)のタンパク質のヘテロ3量体である。酵素(II´)のトリシン−ドデシル硫酸ナトリウムポリアクリルアミドゲル電気泳動(Tricine SDS−PAGE)により測定した分子質量は、11〜17kDa(代表値は14kDa)のタンパク質と、8〜14kDa(代表値は11kDa)のタンパク質のヘテロ2量体である。酵素(I´)の分子質量の測定は、当業者が通常行うSDS−PAGEにより測定することができる。一方、見かけの分子質量が小さい酵素(II´)の分子質量の測定は、当業者が通常行う、陰極側電極液にトリシンを用いるトリシン SDS−PAGE(Tricine SDS−PAGE)により行うことができる。酵素(I´)、(II´)の各タンパク質の分子質量は、酵素の由来となるAnammox菌の種や属、株、またタンパク質のアミノ酸配列等によって幅があるが、概ね、上記範囲のヘテロ3量体またはヘテロ2量体として、各々の分子質量が求まる。なお、酵素(II´)のサブユニットを構成するタンパク質の分子質量は、Tricine SDS−PAGEにより測定したとき、分子量マーカーとの位置関係で値が変わることがあるが、それぞれサブユニットのタンパク質の分子質量差は、約3kDaであり、ヘテロ2量体として確認することができる。   The molecular mass of the enzyme (I ′) measured by sodium dodecyl sulfate polyacrylamide gel electrophoresis (“SDS-PAGE”) is 91.5-96.5 kDa (representative value is 94 kDa) and 40.5-45. It is a heterotrimer of a protein of .5 kDa (representative value is 43 kDa) and a protein of 34.5 to 39.5 kDa (representative value is 37 kDa). The molecular mass of the enzyme (II ′) measured by tricine-sodium dodecyl sulfate polyacrylamide gel electrophoresis (Tricine SDS-PAGE) is 11 to 17 kDa (representative value is 14 kDa) and 8 to 14 kDa (representative value is 11 kDa). ) Protein heterodimer. The molecular mass of the enzyme (I ′) can be measured by SDS-PAGE usually performed by those skilled in the art. On the other hand, the molecular mass of the enzyme (II ′) having a small apparent molecular mass can be measured by Tricine SDS-PAGE (Tricine SDS-PAGE) using tricine as the cathode side electrode solution, which is usually performed by those skilled in the art. The molecular mass of each protein of the enzymes (I ′) and (II ′) varies depending on the species, genus, strain, and amino acid sequence of the protein from which the enzyme is derived. The molecular mass of each is determined as a trimer or heterodimer. The molecular mass of the protein constituting the subunit of the enzyme (II ′) may vary depending on the positional relationship with the molecular weight marker when measured by Tricine SDS-PAGE. The mass difference is about 3 kDa and can be confirmed as a heterodimer.

また、本発明のヒドラジン合成酵素を構成する各タンパク質の分子質量を、それぞれの遺伝子配列からわかる、アミノ酸配列から求めた値を表1に示す。このように、酵素の由来となる種や属、株によって分子質量は変化するし、また、アミノ酸の欠失、置換、付加さらには、同一性の程度によっても変化する。なお、前述のように、本発明のヒドラジン合成酵素を構成するタンパク質は、ヘムタンパク質のため、アミノ酸配列から求められる分子質量に、ヘムの分子質量を追加したものがそのヘムタンパク質としての分子質量となる。本発明において、このアミノ酸配列からなる分子質量は、好ましくは、酵素(I)および酵素(I´)を構成するタンパク質のサブユニットは、ヘムの分子質量を併せて、89.6〜93.6kDa、37.5〜41.5kDa、39.2〜43.2kDaであり、酵素(II)および酵素(II´)を構成するタンパク質のサブユニットは14.8〜16.8kDa、13.3〜15.3kDaである。   In addition, Table 1 shows values obtained from amino acid sequences, in which the molecular mass of each protein constituting the hydrazine synthase of the present invention is known from the respective gene sequences. Thus, the molecular mass varies depending on the species, genus and strain from which the enzyme is derived, and also varies depending on amino acid deletion, substitution, addition, and degree of identity. As described above, since the protein constituting the hydrazine synthase of the present invention is a heme protein, the molecular mass obtained by adding the molecular mass of heme to the molecular mass determined from the amino acid sequence is the molecular mass as the heme protein. Become. In the present invention, the molecular mass consisting of this amino acid sequence is preferably 89.6 to 93.6 kDa, including the molecular mass of heme in the protein subunit constituting the enzyme (I) and the enzyme (I ′). 37.5 to 41.5 kDa, 39.2 to 43.2 kDa, and the subunits of the proteins constituting the enzyme (II) and the enzyme (II ′) are 14.8 to 16.8 kDa, 13.3 to 15 .3 kDa.

※表1において、Candidatus Kuenenia stuttgartiensisを“Kuenenia”と略記する。
* In Table 1, Candidus Kuennia stuttgartiansis is abbreviated as “Kuenenia”.

本発明のヒドラジン合成酵素(I´)、(II´)はAnammox菌から得ることができるタンパク質であるが、後述するような精製方法で得るとき、精製過程に疎水カラムクロマトグラフィーを用いた場合、いずれの画分に含まれるタンパク質であるかを確認することが重要となる。図2に示すように、それぞれの画分中にタンパク質が含まれるかを確認する方法としては、前記酵素(I´)および(II´)が、前記疎水カラムクロマトグラフィーにより精製したとき、波長280nmにおける吸光度と、波長408nmをモニタリングすることで確認されるヘムタンパク質の、第一のピーク周辺の画分と、第二のピーク周辺の画分とから得られる酵素であることで確認する方法がある。タンパク質を含むことを確認するときによく用いられる波長280nmにおける吸光度(Abs280)と、本発明の酵素(I´)、(II´)とがヘムタンパク質であることからヘムの有無を観察することに適した波長408nmにおける吸光度(Abs408)をモニタリングすることで確認するものである。このとき、後述するような疎水カラムクロマトグラフィーを用いて精製するときは、Abs280とAbs408が併せて高くなり始める変異点付近の第一のピーク周辺の画分(図2中、iiで示す)に酵素(II´)は多く含まれ、Abs280とAbs408とが併せて特徴的なピークを示す第二ピーク付近の画分(図2中、iで示す)に酵素(I´)は多く含まれる。よって、Anammox菌由来のタンパク質を、疎水カラムクロマトグラフィーを用いて精製するときは、Abs280とAbs408が高くなり始める変異点(または図3中、iiに示すように明確なピークと観察される)付近を第一のピーク、第一のピークの次にAbs280とAbs408とがともに特徴的なピークを示す付近を第二のピークとして、酵素(II´)、酵素(I´)を得ることができる。 The hydrazine synthase (I ′) and (II ′) of the present invention are proteins that can be obtained from Anammox bacteria, but when obtained by a purification method as described later, when hydrophobic column chromatography is used in the purification process, It is important to confirm which fraction contains the protein. As shown in FIG. 2, as a method for confirming whether a protein is contained in each fraction, when the enzymes (I ′) and (II ′) are purified by the hydrophobic column chromatography, the wavelength is 280 nm. There is a method of confirming that the enzyme is obtained from the fraction around the first peak and the fraction around the second peak of the heme protein confirmed by monitoring the absorbance at 408 nm and the wavelength of 408 nm. . Observe the presence or absence of heme because the absorbance (Abs 280 ) at a wavelength of 280 nm, which is often used when confirming that a protein is contained, and the enzymes (I ′) and (II ′) of the present invention are heme proteins. This is confirmed by monitoring the absorbance (Abs 408 ) at a wavelength of 408 nm suitable for the above. At this time, when purifying using hydrophobic column chromatography as described later, the fraction around the first peak near the mutation point where Abs 280 and Abs 408 start to increase together (indicated by ii in FIG. 2). ) Contains a large amount of enzyme (II ′), and the fraction near the second peak (abbreviated as i in FIG. 2), which has a characteristic peak in combination with Abs 280 and Abs 408 , is enzyme (I ′). Many are included. Therefore, when a protein derived from Anammox is purified using hydrophobic column chromatography, a clear peak is observed as indicated by ii in FIG. 3 where Abs 280 and Abs 408 begin to increase. ) Enzyme (II ′) and Enzyme (I ′) can be obtained with the vicinity of the first peak and the vicinity of the first peak followed by Abs 280 and Abs 408 having both characteristic peaks. it can.

本発明のヒドラジン合成酵素(II´)は、難還元性のヘムタンパク質であることを確認することができる。ヒドラジン合成酵素(II´)が難還元性であることを確認する方法としては、ヒドラジン合成酵素(II´)の精製液中にジチオナイトを添加したときの吸光スペクトルから確認することができ、具体的には酸化型のヒドラジン合成酵素(II´)の精製液の吸光スペクトルを観察したとき波長約419nmにみられる特徴的なピークがジチオナイト添加後もほとんど変化しないことから確認する方法がある(図6のスペクトル参照)。これは、前述の非特許文献2においても記載されており、ヘテロ2量体ヘムタンパク質であるヒドラジン合成酵素(II´)(非特許文献においてはNaxLS)のそれぞれのサブユニットであるタンパク質のヘムがタンパク質内でヒスチジンとシステイン側鎖によって6配位した立体構造を有していることと併せて詳述されている(図4参照)。   It can be confirmed that the hydrazine synthase (II ′) of the present invention is a hardly-reducing heme protein. As a method for confirming that hydrazine synthase (II ′) is difficult to reduce, it can be confirmed from an absorption spectrum when dithionite is added to a purified solution of hydrazine synthase (II ′). There is a method of confirming that the characteristic peak seen at a wavelength of about 419 nm hardly changes even after addition of dithionite when the absorption spectrum of the purified solution of oxidized hydrazine synthase (II ′) is observed (FIG. 6). See spectrum). This is also described in the above-mentioned Non-Patent Document 2, in which the heme of a protein that is a subunit of hydrazine synthase (II ′) (NaxLS in the non-patent document) is a heterodimeric heme protein. This is described in detail together with the fact that it has a three-dimensional structure coordinated by histidine and cysteine side chains in the protein (see FIG. 4).

本発明のヒドラジン合成酵素(I´)は、還元型でα帯、β帯およびソーレ帯に吸光極大を有する(ピークが現れる)ことを確認することができる。すなわち、図5に示すスペクトル図のように、酸化型の酵素(I´)は408nmにあったピークが、ジチオナイトにより還元した還元型では419nmにピークがシフトし、さらに波長523nm付近(α帯)および波長553nm(β帯)にピークが現れることから確認することができる。   It can be confirmed that the hydrazine synthase (I ′) of the present invention is a reduced type and has absorption maxima (peaks appear) in the α band, β band and Sole band. That is, as shown in the spectrum diagram of FIG. 5, the peak of the oxidized enzyme (I ′) at 408 nm is shifted to 419 nm in the reduced form reduced by dithionite, and the wavelength is near 523 nm (α band). It can be confirmed from the fact that a peak appears at a wavelength of 553 nm (β band).

[酵素を得る方法]
生体由来の方法で、本発明のヒドラジン合成酵素(I´)、(II´)を得る場合、嫌気性アンモニア酸化菌(Anammox菌)より得ることができる。例えば、嫌気性アンモニア酸化菌を培養(馴養)した汚泥を原料とし、細胞膜を破壊、遠心分離、塩析処理、液体クロマトグラフィーによる分画等の処理を行うことで精製された嫌気性アンモニア酸化菌のタンパク質からヒドラジン合成酵素(I´)およびヒドラジン合成酵素(II´)をそれぞれ得ることができる。
[Method of obtaining enzyme]
When the hydrazine synthase (I ′) or (II ′) of the present invention is obtained by a method derived from a living body, it can be obtained from an anaerobic ammonia oxidizing bacterium (Anammox bacterium). For example, anaerobic ammonia-oxidizing bacteria purified from sludge obtained by culturing (acclimating) anaerobic ammonia-oxidizing bacteria and using cell membrane disruption, centrifugation, salting-out, fractionation by liquid chromatography, etc. From these proteins, hydrazine synthase (I ′) and hydrazine synthase (II ′) can be obtained.

本発明のヒドラジン合成酵素を精製する具体的な方法を以下に詳述する。
Anammox菌を含む汚泥(以下、「Anammox汚泥」と略記する。)の馴養は、集積培養したAnammox汚泥を不織布等に付着させて連続培養する等の方法で馴養されている。具体的には、亜硝酸とアンモニアを主成分とする脱気した無機培地を連続的に供給するリアクター内で選択的に培養することができる。例えば、Anammox KSU−1株の場合、馴養が進むとリアクター内が赤色になる。Anammox菌は、前述のように、単独で培養することができていない菌だが、このような方法で馴養することでAnammox菌優占の汚泥を得ることができる。
A specific method for purifying the hydrazine synthase of the present invention will be described in detail below.
Acclimatization of sludge containing Anammox bacteria (hereinafter abbreviated as “Anamox sludge”) is acclimatized by a method of continuously culturing Anammox sludge that has been cultivated by attaching it to a nonwoven fabric or the like. Specifically, it can be selectively cultured in a reactor that continuously supplies a degassed inorganic medium mainly composed of nitrous acid and ammonia. For example, in the case of the Anammox KSU-1 strain, the inside of the reactor turns red as the acclimatization progresses. As described above, the Anammox bacterium is a bacterium that cannot be cultivated alone. However, the anammox-dominant sludge can be obtained by acclimatization by such a method.

Anammox汚泥内のAnammox菌の細胞の破壊は、例えば、超音波処理や乳鉢によりすりつぶすことで行うことができる。具体的には、Anammox汚泥に無細胞抽出液調製用緩衝液を加え、超音波処理し汚泥をほぼ均一なペースト状とし、その後、乳鉢ですりつぶし、さらに超音波処理することで、細胞を破壊したものとすることができる。   The destruction of Anammox cells in the Anammox sludge can be performed, for example, by grinding with an ultrasonic treatment or a mortar. Specifically, cell-free extract preparation buffer was added to Anammox sludge, and sonicated to make the sludge almost uniform paste, then ground in a mortar and further sonicated to destroy the cells. Can be.

細胞を破壊した後、遠心分離することで、Anammox菌由来のタンパク質を含む細胞抽出液の上澄み(無細胞抽出液)とすることで、本発明に用いるタンパク質と細胞残渣等とをより効率的に分離することができる。   After disrupting the cells, by centrifuging the cells, the supernatant of the cell extract containing the protein derived from Anammox bacteria (cell-free extract) can be used more efficiently for the protein and cell debris used in the present invention. Can be separated.

さらに、上記無細胞抽出液を、硫酸アンモニウム等で塩析処理し、撹拌後、遠心分離することで、不純物を沈殿させることで除去し、さらに、目的とするヒドラジン合成酵素(I´)やヒドラジン合成酵素(II´)といったタンパク質の濃度が高い上澄み(高タンパク質抽出液)を得ることができる。   Further, the cell-free extract is subjected to salting-out with ammonium sulfate or the like, stirred, and then centrifuged to remove impurities by precipitation. Further, the target hydrazine synthase (I ′) or hydrazine synthesis A supernatant (high protein extract) having a high protein concentration such as enzyme (II ′) can be obtained.

この高タンパク質抽出液を、疎水カラムクロマトグラフィー等により分画することで、精製されたヒドラジン合成酵素(I´)やヒドラジン合成酵素(II´)をそれぞれ得ることができる。それぞれのタンパク質が含まれる画分かを確認するためには、ヘムの吸光度(Abs408)と、タンパク質の吸光度(Abs280)とをそれぞれモニタリングすることで確認することができ、十分に条件を確立したのちは、単純に分画のナンバーで管理することもできる。   By purifying this high protein extract by hydrophobic column chromatography or the like, purified hydrazine synthase (I ′) and hydrazine synthase (II ′) can be obtained. In order to confirm the fractions containing each protein, it can be confirmed by monitoring the absorbance of the heme (Abs 408) and the absorbance of the protein (Abs 280). Can be managed simply by fraction number.

さらに、疎水カラムクロマトグラフィーにより分画された画分を、さらに遠心濾過器で濃縮や、ゲル濾過クロマトグラフィーにより精製することでより高濃度に精製されたヒドラジン合成酵素(I´)、ヒドラジン合成酵素(II´)とすることができる。   Furthermore, the hydrazine synthase (I ') and hydrazine synthase purified to a higher concentration by further concentrating the fraction fractionated by hydrophobic column chromatography with a centrifugal filter or purifying the fraction by gel filtration chromatography. (II ′).

精製条件にもよるが、疎水カラムクロマトグラフィーやゲル濾過クロマトグラフィー等によって精製されたタンパク質の各画分に、ヒドラジン合成酵素(I´)、ヒドラジン合成酵素(II´)が含まれるか否かは、簡易的には前述したような波長419nmにおける吸光度を測定することや、ヘムタンパク質であることからAbs280やAbs408を測定することにより確認できる。   Depending on the purification conditions, whether or not hydrazine synthase (I ′) and hydrazine synthase (II ′) are contained in each protein fraction purified by hydrophobic column chromatography, gel filtration chromatography, etc. For simplicity, it can be confirmed by measuring the absorbance at a wavelength of 419 nm as described above, or by measuring Abs280 or Abs408 because it is a heme protein.

より正確に確認する方法としては、SDS−PAGEにより観察したとき、ヒドラジン合成酵素(II´)は、前述したようにTricine SDS−PAGEで、代表値として14kDa、11kDaの位置にバンドがみられる。なお、このことからも、当該酵素はヘテロ2量体ヘムタンパク質であることが確認できる。一方、ヒドラジン合成酵素(I´)は代表値として94kDa、43kDa、37kDaにバンドが確認される。なお、このことからも、当該酵素ヘテロ3量体ヘムタンパク質であることが確認できる。   As a more accurate confirmation method, when observed by SDS-PAGE, hydrazine synthase (II ′) is Tricine SDS-PAGE as described above, and bands are observed at positions of 14 kDa and 11 kDa as representative values. This also confirms that the enzyme is a heterodimeric heme protein. On the other hand, hydrazine synthase (I ′) has confirmed bands at 94 kDa, 43 kDa, and 37 kDa as representative values. This also confirms that the enzyme is a heterotrimeric heme protein.

本発明のヒドラジン合成酵素(II)および(II´)は、機能未知のアミノ酸配列のみが特定されたタンパク質であった。本発明においては、これらのタンパク質の未知の特性を見出したものである。また、これらの酵素は単独でも一定のヒドラジン合成活性を有する。すなわち、本発明は、「サブユニットのタンパク質が、下記(イ´)、(ロ´)または(ハ´)の少なくとも一つのタンパク質であり、下記タンパク質(2a)および下記タンパク質(2b)とのヘテロ2量体ヘムタンパク質であるヒドラジン合成用のヒドラジン合成酵素(II)。(イ´)タンパク質(2a)は配列番号4、タンパク質(2b)は配列番号5でそれぞれ表されるアミノ酸配列からなるタンパク質;(ロ´)上記(イ´)において、少なくとも一つのタンパク質が、それぞれ対応する配列番号で表されたタンパク質に対して、1若しくは数個のアミノ酸が欠失、置換もしくは付加されたアミノ酸配列からなり、かつヒドラジン合成酵素(II)の構成によってヒドラジン合成活性を有するタンパク質;(ハ´)上記(イ´)において、少なくとも一つのタンパク質が、それぞれ対応する配列番号で表されたタンパク質の配列番号との同一性が55%以上であるアミノ酸配列からなるタンパク質」としても達成することができる。また、本発明は、Anammox菌由来のヘテロ2量体ヘムタンパク質であるヒドラジン合成用のヒドラジン合成酵素(II´)としても達成することができる。   The hydrazine synthases (II) and (II ′) of the present invention were proteins in which only amino acid sequences with unknown functions were specified. In the present invention, the unknown characteristics of these proteins have been found. In addition, these enzymes alone have a certain hydrazine synthesis activity. That is, the present invention describes that “the subunit protein is at least one protein of the following (A ′), (B ′) or (C ′) and is heterogeneous with the following protein (2a) and the following protein (2b): Hydrazine synthase (II) for synthesizing hydrazine which is a dimeric heme protein. (Ii) Protein (2a) is a protein consisting of an amino acid sequence represented by SEQ ID NO: 4, and protein (2b) is a protein comprising an amino acid sequence represented by SEQ ID NO: 5; (B ′) In the above (b ′), at least one protein consists of an amino acid sequence in which one or several amino acids are deleted, substituted or added to the protein represented by the corresponding SEQ ID NO. And a protein having hydrazine synthesizing activity by the constitution of hydrazine synthase (II); (ha ′) the above (ii ′) Thus, at least one protein can also be achieved as a “protein consisting of an amino acid sequence having 55% or more identity with the sequence number of the protein represented by the corresponding sequence number”. The present invention can also be achieved as a hydrazine synthase (II ′) for synthesizing hydrazine, which is a heterodimeric heme protein derived from Anammox bacteria.

[酵素反応の条件]
本発明は、前述の特定の酵素触媒を用いて、基質(A)と基質(B)とからヒドラジンを合成するヒドラジン合成方法である。本合成方法は、一般的に基質と酵素とを水溶液中に溶存させた状態で行うことができる。
[Enzyme reaction conditions]
The present invention is a hydrazine synthesis method for synthesizing hydrazine from a substrate (A) and a substrate (B) using the aforementioned specific enzyme catalyst. This synthesis method can be generally performed in a state in which a substrate and an enzyme are dissolved in an aqueous solution.

本発明の合成方法を行う際、基質は、水溶液中に溶存させた状態で用いることが一般的であり、水溶液中で基質(A)であるアンモニウムイオン(NH4 +)と、基質(B)から必要に応じて転換等されて得られるヒドロキシルアミン(NH2O)として溶存している。 When carrying out the synthesis method of the present invention, the substrate is generally used in a state dissolved in an aqueous solution. In the aqueous solution, the substrate (A) is an ammonium ion (NH 4 + ) and the substrate (B). It is dissolved as hydroxylamine (NH 2 O) obtained by conversion or the like if necessary.

水溶液中における、これらの基質の濃度は、反応が進行する濃度であれば問わないが、たとえば、アンモニウムイオンとして50〜500μmol/L、ヒドロキシルアミンとして50〜1000μmol/L程度である。濃度が低すぎる場合、反応が進行しにくく、ヒドラジンの合成活性が低下する。一方、濃度は一定の濃度より高すぎても反応速度の向上に資さないことがある。   The concentration of these substrates in the aqueous solution is not particularly limited as long as the reaction proceeds, and is, for example, about 50 to 500 μmol / L as ammonium ions and about 50 to 1000 μmol / L as hydroxylamine. When the concentration is too low, the reaction does not proceed easily, and the hydrazine synthesis activity decreases. On the other hand, even if the concentration is higher than a certain concentration, the reaction rate may not be improved.

また、本発明のヒドラジン合成方法においては、当該反応を行う例えば水溶液中等に、ヒドラジン合成酵素(I)または(I´)と、ヒドラジン合成酵素(II)または(II´)とが存在(溶存)する状態で行われる。これらの酵素の濃度は、反応溶液中でそれぞれ0.1〜5μmol/L、1〜50μmol/Lであることが好ましい。酵素濃度が低すぎる場合、十分な合成速度を得ることができず、また、濃度が高すぎても合成速度は速くならないことがある。   In the hydrazine synthesis method of the present invention, hydrazine synthase (I) or (I ′) and hydrazine synthase (II) or (II ′) are present (dissolved) in the aqueous solution in which the reaction is performed. To be done. The concentrations of these enzymes are preferably 0.1 to 5 μmol / L and 1 to 50 μmol / L in the reaction solution, respectively. If the enzyme concentration is too low, a sufficient synthesis rate cannot be obtained, and if the concentration is too high, the synthesis rate may not increase.

本発明の方法を行う溶液のpHは、反応が進行すればよいが、本発明の酵素が好適に反応する至適pHとして、6〜9が好ましく、より好ましくは、6.5〜8.5程度の中性付近であることが好ましい。   The pH of the solution for carrying out the method of the present invention is not limited as long as the reaction proceeds, but it is preferably 6 to 9, more preferably 6.5 to 8.5 as the optimum pH at which the enzyme of the present invention reacts suitably. It is preferably near neutral.

本発明の方法を行う温度は、タンパク質の変性等が生じず、酵素反応が進行すれば何度でもよいが、20℃〜50℃で行うことが好ましく、より好ましくは25℃〜40℃である。   The temperature at which the method of the present invention is performed may be any number of times as long as the enzyme reaction proceeds without causing protein denaturation or the like, but is preferably performed at 20 ° C to 50 ° C, more preferably 25 ° C to 40 ° C. .

pHを安定させて、本発明の反応を安定して進行させるために、酵素反応を阻害しないような緩衝液を用いることができる。緩衝液としては、MOPS緩衝液(MOPS buffer)、トリス塩酸緩衝液、リン酸緩衝液等が好適に使用される。   In order to stabilize the pH and allow the reaction of the present invention to proceed stably, a buffer solution that does not inhibit the enzyme reaction can be used. As the buffer, a MOPS buffer, a Tris hydrochloric acid buffer, a phosphate buffer, or the like is preferably used.

[評価方法]ヒドラジンの検出
本発明により製造されるヒドラジンは、公知のヒドラジン検出方法により検出することができる。例えば、実施例に後述する、ヒドラジンとDMBAとがジアゾカップリング反応し、その生成物が波長470nmに特徴的な吸光度を示すことを利用した光学的手法による検出法などがあげられる。
[Evaluation Method] Detection of Hydrazine Hydrazine produced by the present invention can be detected by a known hydrazine detection method. For example, a detection method by an optical method using the fact that hydrazine and DMBA undergo a diazo coupling reaction and the product exhibits a characteristic absorbance at a wavelength of 470 nm, which will be described later in Examples, may be mentioned.

本発明の酵素反応によるヒドラジン合成方法を水溶液中で行った場合、水溶液中の製造されたヒドラジンを蒸留、ヒドラジン類の包接錯体を用いた分離方法(特開平1−192711号公報参照)等によって濃縮することで純度が高いヒドラジンを得ることができる。   When the method for synthesizing hydrazine by the enzymatic reaction of the present invention is carried out in an aqueous solution, the produced hydrazine in the aqueous solution is distilled, separated by a separation method using an inclusion complex of hydrazines (see JP-A-1-192711), etc. By concentrating, hydrazine having high purity can be obtained.

本発明の製造方法により得られたヒドラジンは、燃料の推進薬等や、燃料電池(水素の代替物質、あるいは水素の貯蔵物質)、プラスチック成型時の発泡剤、エアバッグ起爆剤、脱酸素剤、防食剤等としても使用することができる。   Hydrazine obtained by the production method of the present invention includes a fuel propellant and the like, a fuel cell (hydrogen substitute material or hydrogen storage material), a foaming agent at the time of plastic molding, an air bag initiator, an oxygen scavenger, It can also be used as an anticorrosive.

以下、実施例により本発明を更に詳細に説明するが、本発明は、その要旨を変更しない限り以下の実施例に限定されるものではない。   EXAMPLES Hereinafter, although an Example demonstrates this invention further in detail, this invention is not limited to a following example, unless the summary is changed.

[評価項目]
24濃度の測定操作、SDS−PAGE、トリシン SDS−PAGEの評価方法を、以下に示す。
[Evaluation item]
The measuring operation of N 2 H 4 concentration, SDS-PAGE, and evaluation method of tricine SDS-PAGE are shown below.

1.N24濃度の測定操作(生成したN24の測定)
<ヒドラジン濃度定量試薬>
・4% ジメチルアミノベンズアルデヒド溶液(DMBA溶液)
p−Dimethylaminobenzaldehyde(和光純薬社製)0.4gを、99%エタノール10mLに溶解させ4重量%濃度のDMBA溶液とした。
・1mol/L炭酸ナトリウム溶液
炭酸ナトリウム(株式会社同仁化学研究所製)を、純水に溶解させ濃度が1mol/Lとなるように調整した。
・酵素反応停止薬
濃度20%(w/v)トリクロロ酢酸(和光純薬社製)と、2mmol/L EDTA・2Na(株式会社同仁化学研究所製)の混合溶液を酵素反応停止薬として用いた。
<操作方法>
(1)反応終了溶液300μLに、トリクロロ酢酸200μLを加えることでタンパク質を変性させ反応を止めた。その後、遠心分離(14000rpm,10min,4℃)し変性したタンパク質の除去を行った。
(2)(1)の上清から200μL取り、別のエッペンに移した。
(3)(2)に4%DMBA溶液1mLを加えて混和した。(DMBAを反応溶液中に添加することでN24とジアゾカップリング反応し、カップリング生成物の吸光度A470(波長470nmにおける吸光度)を測定することで、N24濃度を得ることができる。)
(4)常温で20minインキュベートし、A470を測定した。
1. Measurement operation of N 2 H 4 concentration (measurement of generated N 2 H 4 )
<Hydrazine concentration determination reagent>
・ 4% dimethylaminobenzaldehyde solution (DMBA solution)
0.4 g of p-Dimethylaminobenzaldehyde (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) was dissolved in 10 mL of 99% ethanol to obtain a DMBA solution having a concentration of 4% by weight.
-1 mol / L sodium carbonate solution Sodium carbonate (manufactured by Dojin Chemical Laboratory Co., Ltd.) was dissolved in pure water and adjusted so as to have a concentration of 1 mol / L.
Enzyme reaction terminator A mixed solution of 20% (w / v) trichloroacetic acid (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) and 2 mmol / L EDTA · 2Na (manufactured by Dojin Chemical Laboratory) was used as an enzyme reaction terminator. .
<Operation method>
(1) The reaction was stopped by denaturing the protein by adding 200 μL of trichloroacetic acid to 300 μL of the reaction-terminated solution. Thereafter, the denatured protein was removed by centrifugation (14000 rpm, 10 min, 4 ° C.).
(2) 200 μL was taken from the supernatant of (1) and transferred to another eppen.
(3) 1 mL of 4% DMBA solution was added to (2) and mixed. (By adding DMBA to the reaction solution, a diazo coupling reaction with N 2 H 4 is performed, and the absorbance A 470 (absorbance at a wavelength of 470 nm) of the coupling product is measured to obtain the N 2 H 4 concentration. Can do.)
(4) 20min incubation at room temperature, was measured A 470.

2.SDS−PAGE
ドデシル硫酸ナトリウムポリアクリルアミドゲル電気泳動(SDS−PAGE)により、見かけの分子質量が大きい酵素(I)の分子質量を測定した。
2. SDS-PAGE
The molecular mass of enzyme (I) having a large apparent molecular mass was measured by sodium dodecyl sulfate polyacrylamide gel electrophoresis (SDS-PAGE).

3.Tricine SDS−PAGE
見かけの分子質量が小さい酵素(II)の分子質量の測定は、トリシン−ドデシル硫酸ナトリウムポリアクリルアミドゲル電気泳動(SDS−PAGE)により行った。
3. Tricine SDS-PAGE
The molecular mass of enzyme (II) with a small apparent molecular mass was measured by tricine-sodium dodecyl sulfate polyacrylamide gel electrophoresis (SDS-PAGE).

[菌株的事項]
「Anammox Asahi BRW」(以下、単に「BRW」と略記することがある。)
Anammox菌である、Anammox Asahi BRWは、学校法人君ヶ淵学園崇城大学生物生命学部内にて馴養しており、このAnammox汚泥(BRW汚泥)を調製して用いた。
「Anammox KSU−1」(以下、単に「KSU−1」と略記することがある。)
なお、Anammox菌である、Anammox KSU−1は、学校法人君ヶ淵学園崇城大学生物生命学部内にて馴養しており、このAnammox汚泥(KSU−1汚泥)を調製して用いた。
[Matters related to strains]
“Anamox Asahi BRW” (hereinafter, sometimes simply abbreviated as “BRW”)
Anammox Asahi BRW, which is an Anammox bacterium, has been acclimatized in the School of Biology and Life Sciences, Kimigatsu Gakuen Sojo University, and this Anammox sludge (BRW sludge) was prepared and used.
“Anamox KSU-1” (hereinafter, sometimes simply abbreviated as “KSU-1”)
In addition, Anammox KSU-1, which is an Anammox bacterium, is acclimatized in the Faculty of Biological Life Sciences of the school corporation Kimigasu Gakuen Sojo University, and this Anamox sludge (KSU-1 sludge) was prepared and used.

[ヒドラジン合成酵素(I´)、(II´)の精製]
BRW株とKSU−1株のヒドラジン合成酵素(I´)、(II´)の精製方法を以下に示す。
「使用試薬・機器」
<Anammox汚泥>
・BRW汚泥
・KSU−1汚泥
[Purification of hydrazine synthase (I ′), (II ′)]
A method for purifying hydrazine synthases (I ′) and (II ′) of BRW strain and KSU-1 strain is shown below.
"Reagents and equipment"
<Anamox sludge>
・ BRW sludge ・ KSU-1 sludge

<疎水性カラムクロマトグラフィー>
・TOYOPEAL Butyl−650M
<Hydrophobic column chromatography>
・ TOYOPEAL Butyl-650M

<ゲルろ過カラムクロマトグラフィー>
・Superdex 200pg
・Superdex 75pg
<Gel filtration column chromatography>
・ Superdex 200pg
・ Superdex 75pg

<精製用バッファー>
・Cell−free extract 調製バッファー
100 mmol/L Tris−HCl(pH8.0)と、20%(w/v)グリセリンと、1mmol/LPMSFと、1mmol/L EDTAとを混合して調製した。
・TOYOPEAL Butyl 平衡化バッファー
50mmol/L Tris−HCl(pH8.0)と、10%(w/v)グリセリンと、40%飽和硫酸アンモニウムとを混合して調製した。
・TOYOPEAL Butyl 流出バッファー
50mmol/L Tris−HCl(pH8.0)と、10%(w/v)グリセリンとを混合して調製した。
・ゲルろ過バッファー
20mmol/L Tris−HCl(pH8.0)と、200mmol/L NaClとを混合して調製した。
<Purification buffer>
Cell-free extract preparation buffer 100 mmol / L Tris-HCl (pH 8.0), 20% (w / v) glycerin, 1 mmol / LPMSF, and 1 mmol / L EDTA were mixed to prepare.
-TOYOPEAL Butyl equilibration buffer 50mmol / L Tris-HCl (pH 8.0), 10% (w / v) glycerol, and 40% saturated ammonium sulfate were mixed and prepared.
-TOYOPEAL Butyl effluent buffer 50 mmol / L Tris-HCl (pH 8.0) and 10% (w / v) glycerin were mixed and prepared.
Gel filtration buffer Prepared by mixing 20 mmol / L Tris-HCl (pH 8.0) and 200 mmol / L NaCl.

<超音波処理>
Astrason ULTRASONIC PROCESSOR
<Sonication>
Astrason ULTRASONIC PROCESSOR

<濃縮>
Centrifugal Filter YM−50
<Concentration>
Centrifugal Filter YM-50

<吸光度測定>
分光光度計 MPS−2400(SHIMADZU製)
<Absorbance measurement>
Spectrophotometer MPS-2400 (manufactured by SHIMADZU)

<遠心分離>
遠心分離機 Avanti HP−25(BECKMAN製)
<Centrifuge>
Centrifuge Avanti HP-25 (manufactured by BECKMAN)

「実施例1」
精製工程1[無細胞抽出液(cell free extract)の調製]
Anammox汚泥としてBRW汚泥をビーカーに入れCell−free extract調製バッファーを加え、Anammox菌の細胞膜を超音波により破壊した。さらに、乳鉢を用いてすり潰し、超音波処理を行って細胞膜を破壊した。その後、細胞膜を破壊したAnammox汚泥を遠心分離(4℃、12000rpm、60min、JA14)し、無細胞抽出液(cell free extract:遠心分離後の上澄み)を得た。
"Example 1"
Purification step 1 [Preparation of cell-free extract]
BRW sludge was put into a beaker as Anammox sludge, Cell-free extract preparation buffer was added, and the cell membrane of Anammox was disrupted by ultrasonic waves. Furthermore, the cell membrane was destroyed by grinding with a mortar and sonication. Thereafter, the Anammox sludge whose cell membrane was destroyed was centrifuged (4 ° C., 12000 rpm, 60 min, JA14) to obtain a cell-free extract (cell free extract: supernatant after centrifugation).

精製工程2[硫酸アンモニウムによる塩析]
前記無細胞抽出液に硫酸アンモニウムを添加し塩析を行った。無細胞抽出液と混合後の、硫酸アンモニウム濃度が40%飽和溶液となるように加え、添加後、30分スターラーで攪拌した。攪拌後、遠心分離(4℃、12000rpm、30 min、JA14)を行い、その上澄みを用いて、次の段階である疎水カラムクロマトグラフィーによる精製を行った。
Purification step 2 [Salting out with ammonium sulfate]
Ammonium sulfate was added to the cell-free extract for salting out. After mixing with the cell-free extract, it was added so that the ammonium sulfate concentration became a 40% saturated solution, and after addition, the mixture was stirred with a stirrer for 30 minutes. After stirring, centrifugation (4 ° C., 12000 rpm, 30 min, JA14) was performed, and the supernatant was used for purification by hydrophobic column chromatography as the next step.

精製工程3[疎水カラムクロマトグラフィーによる精製]
オープンカラムに洗浄済TOYOPEARL Butyl−650Mを詰め、50mmol/L Tris−HCl(pH8.0)と、40%飽和硫酸アンモニウムと、10%グリセリンで平衡化した。このカラムを用いてcell−free extractを精製した。洗浄は50mmol/L Tris−HCl (pH 8.0)と、20%グリセリンと、40%飽和硫酸アンモニウムを用いた。50mmol/L Tris−HCl(pH8.0)と、40%飽和硫酸アンモニウムと50mmol/L Tris−HCl(pH8.0)と、10%グリセリンを用いてリニアグラジエント溶出を行った。各画分のスペクトルを分光光度計で測定しながらモニタリングを行った。
Purification step 3 [Purification by hydrophobic column chromatography]
Washed TOYOPEARL Butyl-650M was packed in an open column, and equilibrated with 50 mmol / L Tris-HCl (pH 8.0), 40% saturated ammonium sulfate, and 10% glycerin. Cell-free extract was purified using this column. For washing, 50 mmol / L Tris-HCl (pH 8.0), 20% glycerin, and 40% saturated ammonium sulfate were used. Linear gradient elution was performed using 50 mmol / L Tris-HCl (pH 8.0), 40% saturated ammonium sulfate, 50 mmol / L Tris-HCl (pH 8.0), and 10% glycerin. Monitoring was performed while measuring the spectrum of each fraction with a spectrophotometer.

(精製液の特性:疎水カラムクロマトグラフィー)
硫酸アンモニウム上澄みを疎水カラムクロマトグラフィーによりグラジエントし、各画分のスペクトルを測り、ヘムの吸光度(A408)とタンパク質の吸光度(A280)とのグラフの結果を図2に示す。
(Purified liquid properties: hydrophobic column chromatography)
The ammonium sulfate supernatant was gradientized by hydrophobic column chromatography, the spectrum of each fraction was measured, and the results of a graph of the absorbance of heme (A 408 ) and the absorbance of protein (A 280 ) are shown in FIG.

図2に示すように、BRW汚泥を疎水カラムクロマトグラフィーで分画したとき、Fraction No.52、55、64、72にメジャーなピークが現れた。これらのピークのスペクトルをそれぞれ測った。   As shown in FIG. 2, when the BRW sludge was fractionated by hydrophobic column chromatography, Fraction No. Major peaks appeared at 52, 55, 64 and 72. The spectra of these peaks were measured respectively.

疎水カラムクロマトグラフィーによるピーク(fraction No.52、55、64、72)のスペクトルを測ったところ、図2中のNo.52(「ii」と矢印で示す)の第一のピークスペクトルがヒドラジン合成酵素(II´)に、図2中のNo.64(「i」と矢印で示す)の第二のピークのスペクトルがヒドラジン合成酵素(I´)に相当する。   When the spectrum of the peaks (fraction Nos. 52, 55, 64, 72) by hydrophobic column chromatography was measured, No. 2 in FIG. 52 (indicated by the arrow “ii”) is the hydrazine synthase (II ′) and No. 5 in FIG. The spectrum of the second peak of 64 (indicated by an arrow “i”) corresponds to hydrazine synthase (I ′).

精製工程4[ゲルろ過カラムクロマトグラフィーによる精製(1)]
それぞれのピークとその周辺(No.51〜55、No.63〜66)を別々にゲル濾過カラムクロマトグラフィー(流速1ml/min)にかけ、溶出したヒドラジン合成酵素(II´)とヒドラジン合成酵素(I´)のピークを別々に集め、これらをCentrifugal Filter YM−50を用いて濃縮した。
Purification step 4 [Purification by gel filtration column chromatography (1)]
Each peak and its periphery (No. 51 to 55, No. 63 to 66) were separately subjected to gel filtration column chromatography (flow rate 1 ml / min), and eluted hydrazine synthase (II ′) and hydrazine synthase (I ') Peaks were collected separately and concentrated using a Centrifugal Filter YM-50.

精製工程5[ゲルろ過カラムクロマトグラフィーによる精製(2)]
精製工程4後、さらに、ゲル濾過カラムクロマトグラフィーにより精製を行った。そして、A419(波長419nmにおける吸光度)が高いところを貯留し、再びCentrifugal Filter YM−50を用いて濃縮した。
これにより、ヒドラジン合成酵素(I´)の精製液(I´−1)と、ヒドラジン合成酵素(II´)の精製液(II´−1)を得た。
Purification step 5 [Purification by gel filtration column chromatography (2)]
After the purification step 4, purification was further performed by gel filtration column chromatography. Then, storing the place A 419 (absorbance at a wavelength of 419 nm) is high, and concentrated using a Centrifugal Filter YM-50 again.
As a result, a purified liquid (I′-1) of hydrazine synthase (I ′) and a purified liquid (II′-1) of hydrazine synthase (II ′) were obtained.

「実施例2」
実施例1において、Anammox汚泥として、BRW汚泥の代わりにKSU−1汚泥を用いた以外は、前記精製工程1〜5に準じてKSU−1のヒドラジン合成酵素(I´)の精製液(I´−2)と、ヒドラジン合成酵素(II´)の精製液(II´−2)とを得た。なお、実施例2においては、前記精製工程3の工程を実施例1よりも遅い流速(低速で精製)としたため、この精製によって得られる画分のピークは、図3に示すものとなった。このため、精製工程4、5の画分は、第一のピークに相当しヒドラジン合成酵素(II´)を含有する画分(図3中「ii」で示す。)はNo.185〜194、第二のピークに相当しヒドラジン合成酵素(I´)を含有する画分はNo.251〜271(図3中「i」で示す。)、として精製工程を行った。
"Example 2"
In Example 1, except that KSU-1 sludge was used instead of BRW sludge as Anammox sludge, a purified solution (I ′) of KSU-1 hydrazine synthase (I ′) according to the purification steps 1 to 5 described above. -2) and a purified solution (II'-2) of hydrazine synthase (II '). In Example 2, since the purification step 3 was performed at a flow rate slower than that in Example 1 (purification at a low speed), the peak of the fraction obtained by this purification was as shown in FIG. Therefore, the fractions in the purification steps 4 and 5 correspond to the first peak, and the fraction containing hydrazine synthase (II ′) (indicated by “ii” in FIG. 3) is No. 185-194, the fraction corresponding to the second peak and containing hydrazine synthase (I ′) was No. The purification step was performed as 251 to 271 (indicated by “i” in FIG. 3).

[ヒドラジン合成酵素(I´)の性質]
<分光学的性質>
酸化型(図5中に実線で示す。)で408nmにあったピークが、還元型(図5中に点線で示す。)で419nmにピークがシフトした。また、還元型でα帯が523nm、β帯が553nmにそれぞれピークが出現した。
[Properties of hydrazine synthase (I ')]
<Spectroscopic properties>
The peak at 408 nm in the oxidized form (shown by a solid line in FIG. 5) shifted to 419 nm in the reduced form (shown by a dotted line in FIG. 5). In the reduced form, peaks appeared in the α band at 523 nm and the β band at 553 nm, respectively.

<SDS−PAGEから分かる性質>
精製液(I´−1)、(I´−2)について、SDS−PAGEによる分子質量の測定を行ったところ、KSU−1およびBRW由来の精製液両方に、94kDa、43kDa、37kDaにバンドが出現し、ヘテロ3量体であることが確認された。(図7に測定結果を示す。)
<Properties understood from SDS-PAGE>
The purified liquids (I′-1) and (I′-2) were measured for molecular mass by SDS-PAGE, and both KSU-1 and BRW-derived purified liquids had bands at 94 kDa, 43 kDa, and 37 kDa. Appeared and confirmed to be a heterotrimer. (A measurement result is shown in FIG. 7.)

[ヒドラジン合成酵素(II´)の性質]
<分光学的性質>
前述の精製液(II´−1)の酸化型と、ジチオナイトにより還元させた還元型のスペクトルを測定した。結果を図6にしめす。酸化型(図6中に実線で示す。)の状態で、ソーレ吸収帯は420nmにあり、本発明においてヒドラジン合成酵素(II´)であるNaxLSに特徴的な350nm付近のピークが出現した。還元剤としてジチオナイトを添加した時(図6中に点線で示す。)に550nm付近で、ヘムタンパク質の還元型特有のα、β帯のピークが出現しなかった。このことは難還元性を示し、NaxLSの特徴的な現象であった。
[Properties of hydrazine synthase (II ′)]
<Spectroscopic properties>
The oxidized spectrum of the purified liquid (II′-1) and the reduced spectrum reduced with dithionite were measured. The result is shown in FIG. In the oxidized state (shown by a solid line in FIG. 6), the Sole absorption band was at 420 nm, and in the present invention, a peak around 350 nm characteristic of NaxLS, which is hydrazine synthase (II ′), appeared. When dithionite was added as a reducing agent (indicated by a dotted line in FIG. 6), peaks of α and β bands peculiar to the reduced form of heme protein did not appear around 550 nm. This was difficult to reduce and was a characteristic phenomenon of NaxLS.

<Tricine SDS−PAGEにより分かる性質>
精製液(II´−1)、(II´−2)について、Tricine SDS−PAGEによる分子質量の測定を行ったところ、KSU−1およびBRW由来の精製液両方に、14kDaと11kDaの位置にバンドが見られた。(図8に測定結果を示す。)
<Properties understood by Tricine SDS-PAGE>
The purified liquids (II′-1) and (II′-2) were measured for molecular mass by Tricine SDS-PAGE. As a result, both KSU-1 and BRW-derived purified liquids had bands at positions of 14 kDa and 11 kDa. It was observed. (A measurement result is shown in FIG. 8.)

<精製液中の酵素濃度の測定>
精製液中のタンパク質濃度は、Pierce BCA Protein Assay Kit (Thermo scientific社製)で重量濃度として測定し、その値を酵素のアミノ酸配列から求まる分子質量で割り、酵素のモル濃度を算出した。
<Measurement of enzyme concentration in purified solution>
The protein concentration in the purified solution was measured as a weight concentration with Pierce BCA Protein Assay Kit (manufactured by Thermo Scientific), and the value was divided by the molecular mass determined from the amino acid sequence of the enzyme to calculate the molar concentration of the enzyme.

[ヒドラジン合成酵素の活性測定試験]
<酵素を含有する精製液>
・精製液(I´−1)
実施例2より得られるBRW由来の酵素含有精製液(96.2μmol/L)
・精製液(II´−1)
実施例2より得られるBRW由来の酵素含有精製液(432μmol/L)
・精製液(I´−2)
実施例1より得られるKSU−1由来の酵素含有精製液(106μmol/L)
・精製液(II´−2)
実施例1より得られるKSU−1由来の酵素含有精製液(600μmol/L)
[Test for measuring activity of hydrazine synthase]
<Purified solution containing enzyme>
・ Purified liquid (I'-1)
BRW-derived enzyme-containing purified solution obtained from Example 2 (96.2 μmol / L)
・ Purified liquid (II'-1)
BRW-derived enzyme-containing purified solution obtained from Example 2 (432 μmol / L)
・ Purified liquid (I'-2)
KSU-1-derived enzyme-containing purified solution obtained from Example 1 (106 μmol / L)
・ Purified liquid (II'-2)
KSU-1 derived enzyme-containing purified solution obtained from Example 1 (600 μmol / L)

<基質>
・100mmol/L ヒドロキシルアミン溶液
・100mmol/L 塩化アンモニウム溶液
<Substrate>
・ 100mmol / L hydroxylamine solution ・ 100mmol / L ammonium chloride solution

<溶液系の調製>
・1mol/Lグルコース
・酸素消費剤
溶液中の濃度が10μmol/Lグルコースオキシダーゼと、150μmol/Lカタラーゼである混合溶液となるように調整した。グルコースとともに添加することで、溶液内の酸素を消費し嫌気状態で反応を行う。
・50mmol/L MOPS(pH7.4)
MOPS buffer(株式会社同仁化学研究所製)
<Preparation of solution system>
-1 mol / L glucose and oxygen consumer agent It adjusted so that the density | concentration in a solution might be a mixed solution which is 10 micromol / L glucose oxidase and 150 micromol / L catalase. By adding together with glucose, the oxygen in the solution is consumed and the reaction is carried out in an anaerobic state.
・ 50 mmol / L MOPS (pH 7.4)
MOPS buffer (manufactured by Dojin Chemical Laboratory)

「実施例3、比較例1〜3」
[ヒドラジン合成反応]
<反応液組成>
pH緩衝液として、ヒドラジン定量法に影響のないMOPS bufferを使用した。基質にはヒドロキシルアミン塩酸塩、塩化アンモニウムを使用した。ヒドラジン合成酵素として、前記精製液(I´−1)と精製液(II´−1)の2種類の酵素精製液を使用した。表2に、試験に用いた溶液の組成を示し、調整方法を後述する。
"Example 3, Comparative Examples 1-3"
[Hydrazine synthesis reaction]
<Reaction solution composition>
As a pH buffer, MOPS buffer that does not affect the hydrazine quantification method was used. Hydroxylamine hydrochloride and ammonium chloride were used as substrates. As the hydrazine synthase, two types of enzyme purified solutions, the purified solution (I′-1) and the purified solution (II′-1), were used. Table 2 shows the composition of the solution used in the test, and the adjustment method will be described later.

<反応手順>
(1) あらかじめ、MOPS buffer(50mmol/L、pH7.4)をバイアルビンに入れ、30分以上アルゴンガスを吹き込み脱気した。
(2) 表2に従いエッペンに脱気したMOPS buffer(50mmol/L、pH7.4)を900μL、酸素消費剤(グルコースオキシダーゼ10μmol/L、カタラーゼ150μmol/L)を10μL、精製液(II´−2)(432μmol/L)、精製液(I´−1)(96.2μmol/L)をそれぞれ10μL入れた。
なお、ブランクとして精製液(II´−1)を抜いたもの、精製液(I´−1)を抜いたもの、精製液(I´−1)(II´−1)の両方を抜いたものをそれぞれ作成し、反応溶液の合計が1000μLとなるようにミリQ水を添加した。
(3) 100mmol/LのNH2OH溶液、NH4Cl溶液を10μLずつエッペンのフタ裏に乗せた。
(4) 溶液内を嫌気状態にする為にグルコースをそれぞれに50μL添加した。
(5) エッペンのフタを閉め、3min後に転倒混和し35℃、1時間反応させた。
(1)〜(5)によって、得られた反応後の反応液を反応終了液とした。
(6) 反応終了後、N24濃度の測定を行った。
<Reaction procedure>
(1) MOPS buffer (50 mmol / L, pH 7.4) was put in a vial bottle in advance and degassed by blowing argon gas for 30 minutes or more.
(2) 900 μL of MOPS buffer (50 mmol / L, pH 7.4) degassed to Eppen according to Table 2, 10 μL of oxygen consumer (glucose oxidase 10 μmol / L, catalase 150 μmol / L), purified solution (II′-2) ) (432 μmol / L) and 10 μL of purified solution (I′-1) (96.2 μmol / L) were added.
In addition, what extracted the refinement | purification liquid (II'-1) as a blank, what extracted the refinement | purification liquid (I'-1), and what extracted both the refinement | purification liquid (I'-1) (II'-1) Were prepared, and Milli-Q water was added so that the total amount of the reaction solution was 1000 μL.
(3) 10 μL each of 100 mmol / L NH 2 OH solution and NH 4 Cl solution were placed on the back of the eppen lid.
(4) In order to make the inside of a solution anaerobic, 50 microliters of glucose was added to each.
(5) The lid of the Eppen was closed, and after 3 minutes, the mixture was mixed by inversion and reacted at 35 ° C. for 1 hour.
The reaction solution obtained after the reaction according to (1) to (5) was used as the reaction completion solution.
(6) After completion of the reaction, the N 2 H 4 concentration was measured.

[ヒドラジン精製濃度]
ヒドラジン合成反応の試験結果である、ヒドラジン生成量を表3に示す。
[Hydrazine purification concentration]
Table 3 shows the amount of hydrazine produced, which is the test result of the hydrazine synthesis reaction.


合成反応の結果より、ヒドラジン合成酵素(II´)もヒドラジン合成酵素(I´)も添加していない比較例3においては、ヒドラジンは全く合成されなかった。また、ヒドラジン合成酵素(I´)だけである比較例1においてもヒドラジンは全く生成されなかった。ヒドラジン合成酵素(II´)のみを酵素として添加した比較例2では、わずかに合成されたが、比較例3と大差がなく、測定値のバラツキの範囲であった。ヒドラジン合成酵素(I´)とヒドラジン合成酵素(II´)の両方を添加した反応液では、他の反応液とは違い、明らかにヒドラジンを生成していた。
1時間で16μmol/Lのヒドラジンを生成したことから、その活性値は(ヒドラジン生成量)/(酵素(I´)濃度)・反応時間=16.0/0.962・1=16.6/hourより、16.6/60min=0.28/minとなった。

As a result of the synthesis reaction, hydrazine was not synthesized at all in Comparative Example 3 in which neither hydrazine synthase (II ′) nor hydrazine synthase (I ′) was added. In addition, hydrazine was not produced at all in Comparative Example 1, which was only hydrazine synthase (I ′). In Comparative Example 2 in which only hydrazine synthase (II ′) was added as an enzyme, it was synthesized slightly, but there was no significant difference from Comparative Example 3, and the range of variations in measured values was within the range. Unlike the other reaction solutions, hydrazine was clearly produced in the reaction solution to which both hydrazine synthase (I ′) and hydrazine synthase (II ′) were added.
Since 16 μmol / L hydrazine was produced in 1 hour, its activity value was (hydrazine production amount) / (enzyme (I ′) concentration) · reaction time = 16.0 / 0.962 · 1 = 16.6 / From the hour, 16.6 / 60 min = 0.28 / min.

「実施例4」
前述の実施例3において、精製液(I´−1)の代わりに精製液(I´−2)、精製液(II´−1)の代わりに精製液(II´−2)を用いた以外は同様の操作によって、KSU−1株由来の酵素による実験を行い、実施例4とした。
KSU−1株を用いた試験結果では、その活性値は0.71/minであった。
Example 4
In Example 3 described above, the purified liquid (I′-2) was used instead of the purified liquid (I′-1), and the purified liquid (II′-2) was used instead of the purified liquid (II′-1). Conducted an experiment with an enzyme derived from the KSU-1 strain in the same manner as Example 4.
In the test results using the KSU-1 strain, the activity value was 0.71 / min.

「実施例5〜7」
[NH2OH濃度依存性]
基質であるヒドロキシルアミン(NH2OH)の濃度を変化させることで、ヒドラジンの生成量に変化が現れるかを実験した。実験は、実施例3に準じて行い、ヒドロキシルアミンンの濃度のみ、表4に示す濃度となるように調整した。
"Examples 5-7"
[NH 2 OH concentration dependence]
An experiment was conducted to examine whether a change in the amount of hydrazine produced occurred by changing the concentration of hydroxylamine (NH 2 OH) as a substrate. The experiment was performed according to Example 3, and only the concentration of hydroxylamine was adjusted to the concentration shown in Table 4.

<ヒドロキシルアミン濃度の変化によるヒドラジン生成量の変化>
ヒドロキシルアミン添加量1000μmol/Lの場合は、ヒドラジン生成量16μmol/Lであった。ヒドロキシルアミンの添加量を半分にした実施例5の500μmol/Lでは、2.5倍である28μmol/Lが生成した。ヒドロキシルアミン添加量を1/5にした実施例6の200μmol/Lでは約4倍の43μmol/Lのヒドラジンが生成した。ヒドロキシルアミン添加量を1/10にした実施例7の100μmol/Lでは約3倍の31μmol/Lのヒドラジンが生成した。最も多くのヒドラジンを生成したのはヒドロキシルアミンを200μmol/L添加した時(実施例6)で、43μmol/Lの場合で、(ヒドラジン生成量)/{(HZS濃度)・反応時間)=43.0/0.962・1=44.7/hour、よって44.7/60min=0.74/minとなった。
前述の通りKSU−1株のデータは0.71/minであるため、基質濃度を調整することで同程度の活性値が得られることを確認した。
<Changes in hydrazine production due to changes in hydroxylamine concentration>
When the hydroxylamine addition amount was 1000 μmol / L, the amount of hydrazine produced was 16 μmol / L. In 500 μmol / L of Example 5 in which the amount of hydroxylamine added was halved, 28 μmol / L, which is 2.5 times, was generated. At 200 μmol / L of Example 6 in which the amount of hydroxylamine added was 1/5, 43 μmol / L hydrazine, which was about 4 times, was produced. At 100 μmol / L of Example 7 in which the amount of hydroxylamine added was 1/10, 31 μmol / L hydrazine, approximately three times as large, was produced. The most hydrazine was produced when hydroxylamine was added at 200 μmol / L (Example 6). In the case of 43 μmol / L, (hydrazine production amount) / {(HZS concentration) · reaction time) = 43. 0 / 0.962 · 1 = 44.7 / hour, and thus 44.7 / 60 min = 0.74 / min.
As described above, since the data of the KSU-1 strain is 0.71 / min, it was confirmed that the same activity value was obtained by adjusting the substrate concentration.

[ヒドラジン合成酵素の活性測定試験(還元剤添加系)]
本発明のヒドラジン合成法において、さらに還元剤を混合することで、還元剤存在下でヒドラジン合成活性を向上させた試験方法およびその結果を以下に示す。
[Hydrazine synthase activity measurement test (reducing agent added system)]
In the hydrazine synthesis method of the present invention, a test method in which hydrazine synthesis activity is improved in the presence of a reducing agent by further mixing a reducing agent and the results are shown below.

<酵素を含有する精製液>
・精製液(I´−3)
実施例2より得られる精製液(I´−2)を、ミリQ水(超純水)で希釈したKSU−1由来の酵素含有精製液(95μmol/L)
・精製液(II´−3)
本発明のタンパク質(2a)、(2b)である、通称“NaxLS”に対応する遺伝子(配列番号14、15)を繋いだプラスミド、およびc型ヘムタンパク質成熟遺伝子群を繋いだ別のプラスミドにより大腸菌(E. coli BL21(DE3)株)をHanahan法によって調整したコンピテントセルを同時形質転換し、NaxLSを合成する遺伝子組み換え大腸菌を作成した。この遺伝子組み換え大腸菌より、精製液(II´−2)を得る方法に準じて、NaxLSにあたる酵素の、酵素含有精製液(濃度1.32mmol/L)を得た。この酵素含有精製液を、精製液(II´−3)として用いた。
<Purified solution containing enzyme>
・ Purified liquid (I'-3)
KSU-1 derived enzyme-containing purified solution (95 μmol / L) obtained by diluting the purified solution (I′-2) obtained from Example 2 with milli-Q water (ultra pure water)
・ Purified liquid (II'-3)
Escherichia coli by the plasmid (SEQ ID NOS: 14 and 15) corresponding to the so-called “NaxLS”, which is the protein (2a) or (2b) of the present invention, and another plasmid connected with the c-type heme protein maturation gene group. Competent cells prepared by the Hanahan method (E. coli BL21 (DE3) strain) were co-transformed to produce genetically modified E. coli that synthesizes NaxLS. An enzyme-containing purified solution (concentration: 1.32 mmol / L) of the enzyme corresponding to NaxLS was obtained from this genetically modified Escherichia coli according to the method for obtaining a purified solution (II′-2). This enzyme-containing purified solution was used as a purified solution (II′-3).

<基質>
・2mmol/L NO飽和水溶液
アルゴンガスを通気して脱気した後のミリQ水を用いて、濃度1mol/Lとなるように水酸化ナトリウム(和光純薬株式会社製)を溶解させることで調製した水溶液中に、NOガスを通気することで、NOガス飽和水溶液を調整した。この飽和水溶液中のNO濃度は、約2mmol/Lである。
<Substrate>
-2 mmol / L NO saturated aqueous solution Prepared by dissolving sodium hydroxide (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) to a concentration of 1 mol / L using milli-Q water after degassing by bubbling argon gas A saturated NO gas aqueous solution was prepared by aeration of NO gas into the prepared aqueous solution. The NO concentration in this saturated aqueous solution is about 2 mmol / L.

<還元剤>
・100mmol/L ジチオナイト溶液
亜ジチオン酸ナトリウム(“ジチオナイト”と略記:和光純薬工業株式会社製)を、ミリQ水にて希釈し、ジチオナイト濃度が100mmol/Lのジチオナイト溶液を調製した。これを、還元剤として使用した。
<Reducing agent>
-100 mmol / L dithionite solution Sodium dithionite (abbreviated as "dithionite": manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) was diluted with milli-Q water to prepare a dithionite solution having a dithionite concentration of 100 mmol / L. This was used as a reducing agent.

「実施例8〜11」
[ヒドラジン合成反応]
<反応液組成>
pH緩衝液として、ヒドラジン定量法に影響のないMOPS bufferを使用した。基質にはNO(飽和水溶液に調整して使用)、塩化アンモニウムを使用した。ヒドラジン合成酵素として、前記精製液(I´−3)と精製液(II´−3)の2種類の酵素精製液を使用した。さらに、還元剤としてジチオナイト溶液を用いたときのヒドラジン合成量を評価した。以下の表5に、実施例8〜11試験に用いたヒドラジン合成反応液の組成を示す。
"Examples 8 to 11"
[Hydrazine synthesis reaction]
<Reaction solution composition>
As a pH buffer, MOPS buffer that does not affect the hydrazine quantification method was used. As the substrate, NO (adjusted to a saturated aqueous solution) and ammonium chloride were used. As the hydrazine synthase, two types of enzyme purified solutions, the purified solution (I′-3) and the purified solution (II′-3), were used. Furthermore, the amount of hydrazine synthesized when a dithionite solution was used as a reducing agent was evaluated. Table 5 below shows the composition of the hydrazine synthesis reaction solution used in the tests of Examples 8 to 11.

<反応手順>
(1) あらかじめ、MOPS buffer(50mmol/L、pH7.4)をバイアルビンに入れ、30分以上アルゴンガスを吹き込み脱気した。
(2) 以下、表5に従い各試薬、溶液等を混合した。まず、エッペンに脱気したMOPS buffer(50mmol/L、pH7.4)、酸素消費剤(グルコースオキシダーゼ10μmol/L、カタラーゼ150μmol/L)、精製液(II´−3)、精製液(I´−3)、ジチオナイト溶液をそれぞれ添加した。
(3) NO飽和溶液、NH4Cl溶液をそれぞれエッペンのフタ裏に乗せた。
(4) 溶液内を嫌気状態にする為にグルコース溶液を添加した。
(5) エッペンのフタを閉め、転倒混和し35℃にて、10分間反応させた。
(1)〜(5)によって、得られた反応後の反応液を反応終了液とした。
<Reaction procedure>
(1) MOPS buffer (50 mmol / L, pH 7.4) was put in a vial bottle in advance and degassed by blowing argon gas for 30 minutes or more.
(2) Each reagent, solution, etc. were mixed according to Table 5 below. First, MOPS buffer (50 mmol / L, pH 7.4) degassed in an eppen, oxygen consumer (glucose oxidase 10 μmol / L, catalase 150 μmol / L), purified solution (II′-3), purified solution (I′− 3) The dithionite solution was added respectively.
(3) A NO saturated solution and an NH 4 Cl solution were placed on the back of the eppen lid, respectively.
(4) A glucose solution was added to make the solution anaerobic.
(5) The lid of the Eppen was closed, mixed by inversion and reacted at 35 ° C. for 10 minutes.
The reaction solution obtained after the reaction according to (1) to (5) was used as the reaction completion solution.

[基質としてNOを用いたときのヒドラジン濃度測定]
ヒドラジン合成反応後、反応液中のNOを還元除去するために、液中のジチオナイト濃度が25mmol/Lとなるように、100mmol/Lジチオナイト溶液と、ミリQ水を用いて希釈した。これは、ヒドラジン濃度測定にあたり、NOが吸光度測定を阻害する恐れがあるためである。このNO除去後に、実施例8〜11の各液中のヒドラジン濃度を測定した結果を表6に示す。
[Measurement of hydrazine concentration when NO is used as a substrate]
After the hydrazine synthesis reaction, in order to reduce and remove NO in the reaction solution, the solution was diluted with a 100 mmol / L dithionite solution and milliQ water so that the dithionite concentration in the solution was 25 mmol / L. This is because NO may interfere with the absorbance measurement when measuring the hydrazine concentration. Table 6 shows the results of measuring the hydrazine concentration in each solution of Examples 8 to 11 after this NO removal.

表中の、酵素(I´)のヒドラジン合成分子活性は、前述の実施例3〜7と同様に、(ヒドラジン生成量)/{(HZS濃度)・反応時間)}の式より求めたものである。これらに示すように、基質(B)としてNOを用いて、かつ還元剤を用いた実施例8〜11は非常に優れたヒドラジン合成活性を示した。   The hydrazine synthetic molecular activity of the enzyme (I ′) in the table is obtained from the formula of (hydrazine production amount) / {(HZS concentration) · reaction time)} as in Examples 3 to 7 described above. is there. As shown in these, Examples 8 to 11 using NO as a substrate (B) and using a reducing agent showed very excellent hydrazine synthesis activity.

[ヒドラジン合成の確認試験]
ヒドラジンが、本発明の酵素を用いた合成方法により得られていることを確認するために、同位体標識された塩化アンモニウムを用いて、以下の合成試験を行った。
[Confirmation test of hydrazine synthesis]
In order to confirm that hydrazine was obtained by the synthesis method using the enzyme of the present invention, the following synthesis test was performed using isotopically labeled ammonium chloride.

「実施例12」 基質(B)として、同位体標識された塩化アンモニウム(15NH4Cl)を用いた以外は、実施例11に準じて、ヒドラジン合成反応を行った。
反応後に、ジチオナイト溶液を混合してNOを還元除去し、トリクロロ酢酸を加えて混合し、遠心分離(15000rpm,4℃、10min)することで、同位体標識された塩化アンモニウムを用いたヒドラジン合成反応液の上澄みを得た。
この上澄み200μLに対して、1mLの1%DMBAを添加し、20分間発色反応させた。発色反応後、発色反応液と当量のCHCA溶液を混合し、TOF−MS用プレート上にて乾燥させ、MALDI TOF−MSを用いて質量分析を行った。MALDI TOF−MSにて質量分析を行う際、ヒドラジンはDMBAとの化合物として検出される。このDMBAとの化合物は、同位体標識された塩化アンモニウムが利用されヒドラジンが合成された場合、2924-DMBA化合物の296MWとして表れる。一方、同位体標識されていない通常のヒドラジンを用いた2824-DMBA化合物は、295MWとして表れる。
As "Example 12" Substrate (B), except for using the isotope-labeled ammonium chloride (15 NH 4 Cl) is prepared analogously to Example 11, it was subjected to hydrazine synthesis reaction.
After the reaction, dithionite solution is mixed to reduce and remove NO, trichloroacetic acid is added and mixed, and centrifuged (15000 rpm, 4 ° C., 10 min) to hydrazine synthesis reaction using isotope-labeled ammonium chloride. A supernatant of the liquid was obtained.
1 mL of 1% DMBA was added to 200 μL of the supernatant, and a color reaction was performed for 20 minutes. After the color development reaction, a color reaction solution and an equivalent amount of CHCA solution were mixed, dried on a plate for TOF-MS, and subjected to mass spectrometry using MALDI TOF-MS. When performing mass spectrometry with MALDI TOF-MS, hydrazine is detected as a compound with DMBA. This compound with DMBA appears as 296 MW of 29 N 2 H 4 -DMBA compound when isotope-labelled ammonium chloride is used and hydrazine is synthesized. On the other hand, 28 N 2 H 4 -DMBA compound using ordinary hydrazine not labeled with isotope appears as 295 MW.

質量分析を行った結果を図9に示す。なお、ブランクとして和光純薬株式会社製のヒドラジン2824用いた。2824のm/zと比較すると、本発明の酵素にあたるHZS酵素とNaxLS酵素を用いて合成したヒドラジンは、296MWの比率が増えていた。このことから、同位体標識された塩化アンモニウムを原料とした2924であることがわかる。 The results of mass spectrometry are shown in FIG. As a blank, hydrazine 28 N 2 H 4 manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd. was used. Compared with m / z of 28 N 2 H 4 , hydrazine synthesized using the HZS enzyme and NaxLS enzyme corresponding to the enzyme of the present invention had an increased ratio of 296 MW. This shows that it is 29 N 2 H 4 using ammonium chloride labeled with isotope as a raw material.

本発明は、酵素触媒を用いたヒドラジンの合成方法に関する。本発明の酵素触媒による合成によることで、従来の高温処理等を行う必要がないため、新規なヒドラジン合成方法として有用である。   The present invention relates to a method for synthesizing hydrazine using an enzyme catalyst. Since the synthesis by the enzyme catalyst of the present invention does not require conventional high-temperature treatment, it is useful as a novel hydrazine synthesis method.

Claims (8)

単離された酵素触媒を用いて、アンモニウム塩からなる基質(A)と、ヒドロキシルアミン、硝酸塩、亜硝酸塩および一酸化窒素からなる群から選択される少なくとも一つの基質(B)とからヒドラジンを合成し回収するヒドラジン合成方法であって、
酵素触媒を構成するサブユニットのタンパク質が、下記(イ)または(ロ)の少なくとも一つのタンパク質であり、
当該酵素触媒が、下記タンパク質(1a)、タンパク質(1b)およびタンパク質(1c)のヘテロ3量体ヘムタンパク質であるヒドラジン合成酵素(I)と、
下記タンパク質(2a)およびタンパク質(2b)とのヘテロ2量体ヘムタンパク質であるヒドラジン合成酵素(II)を用いることを特徴とするヒドラジン合成方法。
(イ)タンパク質(1a)は配列番号1、タンパク質(1b)は配列番号2、タンパク質(1c)は配列番号3、タンパク質(2a)は配列番号4、タンパク質(2b)は配列番号5でそれぞれ表されるアミノ酸配列からなるタンパク質
(ロ)上記(イ)において、少なくとも一つのタンパク質が、それぞれ対応する配列番号で表されたタンパク質に対して、1若しくは数個のアミノ酸が欠失、置換もしくは付加されたアミノ酸配列からなり、かつヒドラジン合成酵素(I)、(II)の構成によってヒドラジン合成活性を有するタンパク
Using an isolated enzyme catalyst, hydrazine is synthesized from an ammonium salt substrate (A) and at least one substrate (B) selected from the group consisting of hydroxylamine, nitrate, nitrite and nitric oxide. A hydrazine synthesis method to be recovered ,
The subunit protein constituting the enzyme catalyst is at least one protein of (a) or (b) below,
The enzyme catalyst is hydrazine synthase (I) which is a heterotrimeric heme protein of the following protein (1a), protein (1b) and protein (1c);
A hydrazine synthesizing method comprising using hydrazine synthase (II) which is a heterodimeric heme protein with the following protein (2a) and protein (2b).
(A) Protein (1a) is represented by SEQ ID NO: 1, protein (1b) is SEQ ID NO: 2, protein (1c) is SEQ ID NO: 3, protein (2a) is SEQ ID NO: 4, and protein (2b) is SEQ ID NO: 5, respectively. (B) In the above (a), one or several amino acids are deleted, substituted or added to the protein represented by the corresponding SEQ ID NO. and to the amino acid sequence, and hydrazine synthase (I), proteins having a hydrazine synthesis activity by the configuration of (II)
前記酵素触媒が、上記(イ)または(ロ)の少なくとも一つの酵素触媒を構成するサブユニットのタンパク質をコードする遺伝子から発現したタンパク質によってなる組み換えヒドラジン合成酵素(I)と組み換えヒドラジン合成酵素(II)である請求項1記載のヒドラジン合成方法。 Recombinant hydrazine synthase (I) and recombinant hydrazine synthase (II), wherein the enzyme catalyst is a protein expressed from a gene encoding a subunit protein constituting at least one enzyme catalyst of (a) or (b) above The method for synthesizing hydrazine according to claim 1. 酵素触媒を用いて、アンモニウム塩からなる基質(A)と、ヒドロキシルアミン、硝酸塩、亜硝酸塩および一酸化窒素からなる群から選択される少なくとも一つの基質である基質(B)とからヒドラジンを合成し回収するヒドラジン合成方法であって、
当該酵素触媒として、Anammox菌由来のヘテロ3量体ヘムタンパク質であるヒドラジン合成酵素(I´)と、
Anammox菌由来のヘテロ2量体ヘムタンパク質であるヒドラジン合成酵素(II´)とを用いるものであり、
前記酵素(I´)および、前記酵素(II´)が、前記Anammox菌の細胞を破砕後、遠心分離し、その上澄みを塩析後、遠心分離し、得られる上澄みを疎水カラムクロマトグラフィーにより精製したものであり、
前記酵素(I´)および(II´)が、前記疎水カラムクロマトグラフィーにより精製したとき、波長280nmにおける吸光度と、波長408nmにおける吸光度とをモニタリングすることで確認されるヘムタンパク質の、第一のピークの画分と、第二のピークの画分とから得られる酵素であり、
前記酵素(I´)をドデシル硫酸ナトリウムポリアクリルアミドゲル電気泳動により測定した分子質量が、91.5〜96.5kDa、40.5〜45.5kDa、34.5〜39.5kDaであり、前記酵素(II´)をトリシン−ドデシル硫酸ナトリウムポリアクリルアミドゲル電気泳動により測定した分子質量が、11〜17kDa、8〜14kDaであり、
酵素(I´)が、還元型としたとき、c型ヘムタンパク質に特徴的なα帯、β帯およびソーレ帯に吸光極大を有し、かつ、
酵素(II´)が、吸光スペクトルにおける波長419nmのピークがジチオナイトの添加前後にみられる難還元性であることを特徴とするヒドラジン合成方法。
Using enzyme catalysis, the substrate (A) consisting of ammonium salts, hydroxylamine, nitrate, and synthesizing at least one hydrazine from a substrate (B) is a substrate selected from the group consisting of nitrite and nitric oxide A method for synthesizing hydrazine to be recovered , comprising:
As the enzyme catalyst, hydrazine synthase (I ′) which is a heterotrimeric heme protein derived from Anammox,
Using hydrazine synthase (II ′), which is a heterodimeric heme protein derived from Anammox ,
The enzyme (I ′) and the enzyme (II ′) crush the Anammox cells, then centrifuge, salt the supernatant, centrifuge, and purify the resulting supernatant by hydrophobic column chromatography And
When the enzymes (I ′) and (II ′) are purified by the hydrophobic column chromatography, the first peak of heme protein is confirmed by monitoring the absorbance at a wavelength of 280 nm and the absorbance at a wavelength of 408 nm. And an enzyme obtained from the second peak fraction,
The molecular mass of the enzyme (I ′) measured by sodium dodecyl sulfate polyacrylamide gel electrophoresis is 91.5-96.5 kDa, 40.5-45.5 kDa, 34.5-39.5 kDa, (II ′) was measured by tricine-sodium dodecyl sulfate polyacrylamide gel electrophoresis, the molecular mass was 11-17 kDa, 8-14 kDa,
When the enzyme (I ′) is in a reduced form, it has an absorption maximum in the α band, β band, and Sole band characteristic of c-type heme protein, and
A method for synthesizing hydrazine, characterized in that the enzyme (II ′) has a non-reducing property in which a peak at a wavelength of 419 nm in the absorption spectrum is observed before and after the addition of dithionite .
緩衝液として、pH7.0〜8.0の、トリス塩酸緩衝液リン酸緩衝液、またはMOPS緩衝液を用いてヒドラジンの合成を行う請求項1〜のいずれか1項に記載のヒドラジン合成方法。 As buffer, a pH 7.0-8.0, Tris-HCl buffer, hydrazine according to any one of claims 1 to 3, phosphate buffer, or by using a MOPS buffer for synthesizing hydrazine synthesis Method. 前記基質(B)が、ヒドロキシルアミンである請求項1〜のいずれか1項に記載のヒドラジン合成方法。 The hydrazine synthesis method according to any one of claims 1 to 4 , wherein the substrate (B) is hydroxylamine. 前記ヒドラジン合成方法が、還元剤存在下にて行われることを特徴とする請求項1〜のいずれか1項に記載のヒドラジン合成方法。 The hydrazine synthesis method according to any one of claims 1 to 5 , wherein the hydrazine synthesis method is performed in the presence of a reducing agent. 酵素触媒を構成するサブユニットのタンパク質が、下記(イ)または(ロ)の少なくとも一つのタンパク質であり、
当該酵素触媒が、下記タンパク質(1a)、タンパク質(1b)およびタンパク質(1c)のヘテロ3量体ヘムタンパク質であるヒドラジン合成酵素(I)と、
下記タンパク質(2a)およびタンパク質(2b)とのヘテロ2量体ヘムタンパク質であるヒドラジン合成酵素(II)とである酵素触媒を含有するヒドラジン合成用酵素組成物。
(イ)タンパク質(1a)は配列番号1、タンパク質(1b)は配列番号2、タンパク質(1c)は配列番号3、タンパク質(2a)は配列番号4、タンパク質(2b)は配列番号5でそれぞれ表されるアミノ酸配列からなるタンパク質
(ロ)上記(イ)において、少なくとも一つのタンパク質が、それぞれ対応する配列番号で表されたタンパク質に対して、1若しくは数個のアミノ酸が欠失、置換もしくは付加されたアミノ酸配列からなり、かつヒドラジン合成酵素(I)、(II)の構成によってヒドラジン合成活性を有するタンパク質
The subunit protein constituting the enzyme catalyst is at least one protein of (a) or (b) below ,
The enzyme catalyst is hydrazine synthase (I) which is a heterotrimeric heme protein of the following protein (1a), protein (1b) and protein (1c);
The enzyme composition for hydrazine synthesis | combination containing the enzyme catalyst which is hydrazine synthetase (II) which is a hetero dimer heme protein with the following protein (2a) and protein (2b) .
(A) Protein (1a) is represented by SEQ ID NO: 1, protein (1b) is SEQ ID NO: 2, protein (1c) is SEQ ID NO: 3, protein (2a) is SEQ ID NO: 4, and protein (2b) is SEQ ID NO: 5, respectively. Protein consisting of amino acid sequence
(B) In (a) above, at least one protein comprises an amino acid sequence in which one or several amino acids are deleted, substituted or added to the protein represented by the corresponding SEQ ID NO. Protein having hydrazine synthesizing activity by the constitution of hydrazine synthase (I), (II)
酵素触媒として、Anammox菌由来のヘテロ3量体ヘムタンパク質であるヒドラジン合成酵素(I´)と、
Anammox菌由来のヘテロ2量体ヘムタンパク質であるヒドラジン合成酵素(II´)とを含有し、
前記酵素(I´)をドデシル硫酸ナトリウムポリアクリルアミドゲル電気泳動により測定した分子質量が、91.5〜96.5kDa、40.5〜45.5kDa、34.5〜39.5kDaであり、前記酵素(II´)をトリシン−ドデシル硫酸ナトリウムポリアクリルアミドゲル電気泳動により測定した分子質量が、11〜17kDa、8〜14kDaであり、
酵素(I´)が、還元型としたとき、c型ヘムタンパク質に特徴的なα帯、β帯およびソーレ帯に吸光極大を有し、かつ、
酵素(II´)が、吸光スペクトルにおける波長419nmのピークがジチオナイトの添加前後にみられる難還元性である酵素触媒を含有するヒドラジン合成用酵素組成物。
As an enzyme catalyst, hydrazine synthase (I ′), which is a heterotrimeric heme protein derived from Anammox,
Containing the Anammox bacteria-derived heterodimeric heme proteins der Ruhi hydrazine synthase (II'),
The molecular mass of the enzyme (I ′) measured by sodium dodecyl sulfate polyacrylamide gel electrophoresis is 91.5-96.5 kDa, 40.5-45.5 kDa, 34.5-39.5 kDa, (II ′) was measured by tricine-sodium dodecyl sulfate polyacrylamide gel electrophoresis, the molecular mass was 11-17 kDa, 8-14 kDa,
When the enzyme (I ′) is in a reduced form, it has an absorption maximum in the α band, β band, and Sole band characteristic of c-type heme protein, and
An enzyme composition for synthesizing hydrazine, wherein the enzyme (II ′) contains an enzyme catalyst having a peak of a wavelength of 419 nm in an absorption spectrum which is hardly reduced before and after the addition of dithionite.
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