JP6697780B2 - Stress responsive promoter - Google Patents
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Description
本発明は、内在および外来の遺伝子を、より効率的に発現するために人工的にデザインされたストレス応答プロモーターに関し、特に、酵母を用いて行う有用物質生産において適用可能なストレス応答プロモーターに関する。 The present invention relates to a stress responsive promoter artificially designed to more efficiently express endogenous and foreign genes, and more particularly to a stress responsive promoter applicable in the production of useful substances using yeast.
発酵技術に代表される微生物を用いた有用物質生産は、清酒、焼酎、泡盛、醤油、味噌等の発酵食品から派生し、我が国独自の技術のとして積み重ねられてきた。特に、移動用燃料用途として、すでにブラジル、米国、中国などで商業化が進んでいる第一世代バイオマスエタノールは、でんぷんや糖液などの食料品を原料とし、酵母やエタノール生産細菌などの微生物が保有するエタノール発酵性を基本技術として利用している。しかし、世界人口の爆発的増加に伴い、我々の生活に必須である食料や家畜飼料が枯渇する中、これらの利用に関して直接競合する第一世代バイオマスエタノールの工業生産ではなく、非可食バイオマス、例えば、稲稈、麦稈、トウモロコシ穂軸及び茎葉、サトウキビ搾汁残渣(バガス)といった農産物の非可食部位、食品残渣、間伐材、建築廃材など、食料と競合しない、未利用バイオマス資源を原料とするセルロース系バイオマスエタノール(第二世代バイオマスエタノール)の工業生産技術の確立が求められている。 The production of useful substances using microorganisms represented by fermentation technology is derived from fermented foods such as sake, shochu, awamori, soy sauce, and miso, and has been accumulated as a technology unique to Japan. In particular, as a mobile fuel application, first-generation biomass ethanol, which has already been commercialized in Brazil, the United States, China, etc., uses food products such as starch and sugar liquid as raw materials and contains microorganisms such as yeast and ethanol-producing bacteria. The fermentability of ethanol possessed is used as a basic technology. However, with the explosive growth of the world population, as food and livestock feed, which are essential to our lives, are depleted, non-edible biomass, rather than industrial production of first-generation biomass ethanol that directly competes for their use, For example, non-edible biomass resources such as rice culm, wheat culm, corncobs and foliage, non-edible parts of agricultural products such as sugarcane juice residue (bagasse), food residues, thinned wood, construction waste, etc. It is required to establish an industrial production technology for cellulosic biomass ethanol (second generation biomass ethanol).
セルロース系バイオマスエタノール生産に必要な第一の要素技術は、植物細胞壁の主成分であるセルロースを微生物が利用可能な六単糖Glucoseに分解する糖化酵素である。ほとんどの生物はGlucoseを最も好ましい炭素源として利用することができ、Ethanol発酵を行う微生物もその例に漏れない。第二の要素技術は、非可食バイオマスには、セルロース以外にも、ヘミセルロースやリグニンといった炭水化物が少なからず存在する。セルロースに由来するGlucoseだけでなく、ヘミセルロースに由来するXyloseやArabinoseのような、これまで利用することができなかった五単糖もエタノール生産に利用することで、より経済的かつ高いエタノール生産効率が期待できる。セルロース系バイオマスエタノールの工業生産技術の確立にはこれらの要素技術が必要不可欠である。 The first elemental technology required for the production of cellulosic biomass ethanol is a saccharifying enzyme that decomposes cellulose, which is the main component of the plant cell wall, into the hexasaccharide Glucose that can be used by microorganisms. Most organisms can utilize Glucose as the most preferred carbon source, and the microorganisms that perform Ethanol fermentation are no exception. The second elemental technology is that non-edible biomass contains a considerable amount of carbohydrates such as hemicellulose and lignin in addition to cellulose. Not only Glucose derived from cellulose but also pentoses such as Xylose and Arabinose derived from hemicellulose, which could not be used until now, can be used for ethanol production, resulting in more economical and high ethanol production efficiency. Can be expected. These elemental technologies are indispensable for establishing the industrial production technology of cellulosic biomass ethanol.
出芽酵母Saccharomyces cerevisiae(以下、酵母とする)は、パン酵母として知られる我々に身近な微生物の一つであり、清酒、焼酎、泡盛といった我が国の酒類はこの微生物によってアルコールを生産している。しかし、酵母はGlucoseからEthanolを生産することに長けているけれども、一部の微生物を除き、基本的には五単糖を利用することができない。そのため、遺伝子組換え技術を用いて、Xyloseを本来利用することができない酵母に、外来遺伝子としてXylose代謝に必要な酵素を組み込むことによって、XyloseからEthanol発酵を可能にする技術開発が各国で進められてきている。 The budding yeast Saccharomyces cerevisiae (hereinafter referred to as yeast) is one of the microorganisms familiar to us known as baker's yeast, and alcoholic beverages in Japan such as sake, shochu, and awamori produce alcohol. However, although yeast are good at producing Ethanol from Glucose, they are basically unable to utilize pentoses except for some microorganisms. Therefore, by using gene recombination technology, technology development that enables Ethanol fermentation from Xylose by advancing the enzyme required for Xylose metabolism as a foreign gene into yeast that cannot originally utilize Xylose is being advanced in each country. Is coming.
セルロース系バイオマスEthanolの製造プロセスは、大きく分けて2種類に大別できる。一つは糖化と発酵を別々のプロセスとして行うものである。固体バイオマスをあらかじめ糖化し、作製された糖液を基質として液体中で微生物によるEthanol発酵を行うプロセスである(Saccharified Hydrolysate Fermentation、 SHF、糖化液発酵)。もう一つは、糖化と発酵を同時に行うプロセスである。固体バイオマスをそのまま原料とし、糖化酵素と酵母を同時に作用させて、糖化反応と発酵反応を1つの容器内で同時に進めるプロセスである(Simultaneous Saccharification and Fermentation、SSF、同時糖化発酵)。SSFは、同一容器内で同時に2つのプロセスを並行して進めるため、SHFより経済性に優れると考えられている。同時糖化発酵と呼ばれる。前者には、残渣を分離・精製した糖化液を用いる場合とそのまま用いる場合がある。セルロース系バイオマスエタノール生産菌株のEthanol発酵性能を調べる際には、YPDX擬似糖化液が用いられる。これはバイオマス糖化液の代わりに、成分組成が明らかな試薬を混合して作成したものであり、発酵プロセスとしては、SHFの一つである。また、後者では、セルロース系バイオマスの糖化酵素としてXylanからXyloseを生成するキシラナーゼなどの酵素を含む場合には、GlucoseとXyloseの両方が供給されるため、糖化・発酵の同時反応に加えて、GlucoseとXyloseの複発酵プロセスという複雑なプロセスになる(Simultaneous Saccharification and Co-fermentation、SSCF、同時糖化併行複発酵)。さらに、糖化と発酵を同時に行うだけでなく、糖化酵素の生産も同時に微生物に行わせるプロセスも考案されており、CBP (Consolidate BioProcessing、一貫バイオプロセス)と呼ばれている。The production process of cellulosic biomass Ethanol can be roughly divided into two types. One is to perform saccharification and fermentation as separate processes. This is a process in which solid biomass is saccharified in advance, and the produced sugar solution is used as a substrate for microbial ethanol fermentation in a liquid (Saccharified Hydrolysate Fermentation, SHF, saccharified solution fermentation). The other is a process of simultaneously performing saccharification and fermentation. This is a process in which saccharifying enzyme and yeast are allowed to act at the same time by using solid biomass as a raw material to simultaneously advance the saccharification reaction and the fermentation reaction in one container (Simultaneous Saccharification and Fermentation, SSF, simultaneous saccharification fermentation). SSF is considered to be more economical than SHF because it allows two processes to run concurrently in the same vessel in parallel. It is called simultaneous saccharification and fermentation. In the former case, the saccharified solution obtained by separating and purifying the residue may be used or may be used as it is. The YPDX simulated saccharified solution is used when investigating the Ethanol fermentation performance of a cellulosic biomass ethanol-producing strain. This is made by mixing reagents whose composition is clear, instead of the biomass saccharified solution, and is one of SHF as a fermentation process. Further, in the latter case, when an enzyme such as xylanase that produces Xylose from Xylan is included as a saccharifying enzyme for cellulosic biomass, both Glucose and Xylose are supplied, so that Glucose is added to the simultaneous reaction of saccharification and fermentation. And Xylose complex fermentation process (Simultaneous Saccharification and Co-fermentation, SSCF, simultaneous saccharification parallel fermentation). Furthermore, a process has been devised, in which not only saccharification and fermentation are performed at the same time, but also a saccharifying enzyme is produced by a microorganism, which is called CBP (Consolidate BioProcessing).
これまでに、本来Xyloseを利用できない微生物にXylose代謝能を付与する研究については、数多くの微生物を宿主として、様々なXylose代謝遺伝子を導入した研究が行われてきている。Xylose代謝に係わる遺伝子としては、Xylose reductase (XR)、Xylitol dehydrogenase (XDH)、あるいはXylose isomerase (XI)などが挙げられる。また、酵素活性を向上する遺伝子変異に関する報告も多数存在する。しかし、セルロース系バイオマスエタノールの工業生産にあたり、これらの酵素活性を向上や、様々な環境条件であっても耐えうるロバストな酵素であっても、効率的な遺伝子発現を行えなければ、その効果は半減する。 Up to now, studies on imparting Xylose-metabolizing ability to microorganisms that cannot originally utilize Xylose have been conducted by introducing various Xylose-metabolizing genes using many microorganisms as hosts. Examples of genes involved in Xylose metabolism include Xylose reductase (XR), Xylitol dehydrogenase (XDH), and Xylose isomerase (XI). There are also many reports on gene mutations that improve enzyme activity. However, in the industrial production of cellulosic biomass ethanol, if the enzyme activity cannot be improved or efficient gene expression cannot be achieved even if the enzyme is robust and can withstand various environmental conditions. Halve.
真核生物において染色体上にある遺伝子はmRNAとして翻訳領域の上流の塩基配列から転写される。細胞が置かれた状況や環境によって大きく左右される。上記で述べたように、微生物によるエタノール等の有用物質の生産プロセスにおいて、外界の糖をはじめとする栄養源、生育阻害物質等の濃度は変化するため、細胞の状態も刻一刻変化する。すなわち、微生物は周囲の状況に応じて、同一の細胞であっても、遺伝子発現の挙動は大きく変化しうることが知られている。効率的なエタノール発酵には、嫌気的条件が望ましい。微生物のエタノール生産は、Glucose等の資化可能な炭水化物を取込み、解糖系を経て、ピルビン酸を経由し、酢酸、Acetaldehyde、そしてEthanolへと還元する反応である。Ethanolは酵母にとっては利用可能な炭素源の一つであり、好気的な条件下で利用可能な糖が枯渇すると、糖新生によって、エタノールを分解し、利用することで生きながらえる。したがって、好気的な条件下ではEthanol生産効率は十分に向上しえない。また、酵母の遺伝子発現は、十分な酸素が存在下、酸素制限下とでは、大きく異なることが知られている。つまり、通常、十分な酸素とGlucose及び必要な栄養素が供給される理想的な増殖が可能な培養条件において強力な遺伝子発現をもたらす解糖系遺伝子のプロモーターは、Ethanol発酵プロセスにおいては、決して最適な遺伝子発現装置足りえない。しかし、セルロース系バイオマスエタノールの工業生産には、特に、発酵プロセスに適した外来のXylose代謝遺伝子の発現をもたしうるプロモーターが求められる。微生物がそのような特性を持ったプロモーターを内在するかどうかはわからないし、そのようなものは存在しないかもしれない。また、これは、セルロース系バイオマスエタノール生産に限らず、すべての微生物を用いた有用物質生産においても同じことが言える。あるバイオプロセスで目的生産物の代謝に関わるすべての酵素遺伝子の発現を、時空間(発現タイミング)、量(発現強度)をダイナミック最適化することによってはじめて目的生産物の生産効率を最大化することができる。 In eukaryotes, genes located on the chromosome are transcribed as mRNA from the base sequence upstream of the translation region. It depends greatly on the situation and environment in which the cells are placed. As described above, in the production process of useful substances such as ethanol by microorganisms, the concentration of nutrients such as sugars in the outside world, growth inhibitory substances, etc. changes, so that the state of cells also changes moment by moment. That is, it is known that the behavior of gene expression can greatly change even if the microorganism is the same cell depending on the surrounding conditions. Anaerobic conditions are desirable for efficient ethanol fermentation. Microbial ethanol production is a reaction that takes in assimilable carbohydrates such as Glucose, reduces it to acetic acid, Acetaldehyde, and Ethanol via a glycolytic system, pyruvic acid. Ethanol is one of the available carbon sources for yeast, and when available sugars are exhausted under aerobic conditions, gluconeogenesis breaks down and utilizes ethanol to survive. Therefore, the production efficiency of Ethanol cannot be sufficiently improved under aerobic conditions. It is known that gene expression in yeast is significantly different in the presence of sufficient oxygen and under oxygen limitation. That is, a glycolytic gene promoter that provides strong gene expression in ideal growth conditions, which is usually supplied with sufficient oxygen and Glucose and the necessary nutrients, is never optimal in the Ethanol fermentation process. Gene expression device Not enough. However, industrial production of cellulosic biomass ethanol requires a promoter capable of expressing an exogenous Xylose metabolic gene, which is particularly suitable for the fermentation process. It is not known if the microorganism has a promoter with such properties, and such may not exist. The same can be said not only in the production of cellulosic biomass ethanol, but also in the production of useful substances using all microorganisms. Maximize the production efficiency of the target product for the first time by dynamically optimizing the expression of all enzyme genes involved in metabolism of the target product in a certain bioprocess in spatiotemporal (expression timing) and quantity (expression intensity) You can
出芽酵母にXylose代謝能を付与するためのXylose代謝酵素遺伝子の発現に際し、酵母の内在性プロモーターHSP12を用いた方法が知られている。HSP(Heat Shock Protein)の名前から分かるように、熱ストレスに応じて遺伝子発現が増強するタンパク質をコードするファミリー遺伝子の一つである。HSPファミリー遺伝子は、熱ストレスのみならず、各種ストレスに応じて遺伝子発現状態を変える。また、ファミリーを構成する遺伝子が多数、しかも重複して存在し、個々の遺伝子産物は、過度なストレスがかかる状況、すなわち微生物本体の危機的な状況下において、微生物の生命を防御するための装置であるとも言える。確かに、HSP12のようなストレス応答遺伝子は熱ストレス、Glucose枯渇の際に、一過的に発現上昇するが、その発現が長続きしない。Wine酵母の例ではあるが、多くのHSPファミリー遺伝子はGlucoseが枯渇し、増殖を停止した停止期の(Stationary phase)の細胞においても、遺伝子発現が知られている。しかし、HSPファミリーメンバーであるにもかかわらず、HSP12はGlucoseが枯渇した状態では、検出できないという報告がある。一方、HSP30やHSP26といった遺伝子は、Stationary phaseにおいて、絶対的・相対的に強い遺伝子発現が認められるという報告がある。したがって、セルロース系バイオマスエタノールの発酵生産のような、高温、高浸透圧、嫌気性(酸素制限)、かつグルコース枯渇条件下でキシロースを利用し、エタノールを生産するというプロセスは、宿主微生物にとっては甚大なストレスをもたらすものであるが、そのような条件で、強力な、継続可能な遺伝子発現装置としてのプロモーターが求められている。遺伝子発現特性をデザインされた人工プロモーターは、このような課題を解決する一つの方法であると考えられる。 A method using the yeast endogenous promoter HSP12 for the expression of the Xylose-metabolizing enzyme gene for imparting Xylose-metabolizing ability to Saccharomyces cerevisiae is known. As can be seen from the name of HSP (Heat Shock Protein), it is one of the family genes encoding a protein whose gene expression is enhanced in response to heat stress. HSP family genes change their gene expression states in response to various stresses as well as heat stress. In addition, there are a large number of overlapping genes in the family, and individual gene products are devices for protecting the life of microorganisms under conditions where excessive stress is applied, that is, in the critical situation of the microorganism body. It can be said that Indeed, stress-responsive genes such as HSP12 transiently increase in expression upon heat stress and Glucose depletion, but their expression does not last long. Although it is an example of Wine yeast, gene expression of many HSP family genes is known even in cells in the stationary phase where Glucose is depleted and growth is stopped. However, although it is a member of the HSP family, there is a report that HSP12 cannot be detected when Glucose is depleted. On the other hand, it has been reported that genes such as HSP30 and HSP26 have absolute and relatively strong gene expression in the Stationary phase. Therefore, the process of producing ethanol by utilizing xylose under high temperature, high osmotic pressure, anaerobic (oxygen-limited), and glucose depletion conditions, such as fermentation production of cellulosic biomass ethanol, is extremely large for the host microorganism. However, under such conditions, there is a demand for a promoter that is a strong and sustainable gene expression device. An artificial promoter designed with gene expression characteristics is considered to be one of the ways to solve such problems.
高温、高浸透圧、嫌気性(酸素制限)、グルコース枯渇条件などのストレス条件下においても、内在および外来の遺伝子を、より効率的に発現可能な人工的にデザインされたストレス応答プロモーターの提供を課題とする。 To provide an artificially designed stress-responsive promoter that can express endogenous and foreign genes more efficiently even under stress conditions such as high temperature, high osmotic pressure, anaerobic (oxygen limitation), and glucose deprivation conditions. It is an issue.
上記課題に鑑み、発明者らは、人工的にデザインした、新規の塩基配列からなるストレス応答プロモーターの利用に着目し、480bpからなるストレス応答プロモーターをデザインし、pSynSR480と名づけた。この塩基配列は従来、強力なプロモーターとして知られているPGK1プロモーターより強力なプロモーター活性を有していることを示した。具体的には、実際のエタノール生産プロセスとして、YPDX擬似糖化液を用いたグルコース・キシロースの同時発酵においてキシロース代謝の著しい向上を示し、また、水酸化ナトリウム処理サトウキビバガスを用いた同時糖化併行複発酵プロセスにおいても、優れたエタノール発酵生産が可能であることを示した。これにより、本課題を解決するに至った。
すなわち、本発明は以下に記載の通りである:In view of the above problems, the inventors focused on the use of an artificially designed stress responsive promoter consisting of a novel nucleotide sequence, designed a stress responsive promoter consisting of 480 bp, and named it pSynSR480. It has been shown that this nucleotide sequence has a stronger promoter activity than the PGK1 promoter, which is conventionally known as a strong promoter. Specifically, as an actual ethanol production process, the simultaneous fermentation of glucose and xylose using the YPDX pseudo-saccharified solution showed a marked improvement in xylose metabolism, and the simultaneous simultaneous saccharification and double fermentation using sodium hydroxide-treated sugarcane bagasse. It was shown that excellent ethanol fermentation production is possible even in the process. This has led to the solution of this problem.
That is, the present invention is as described below:
本発明の一態様は、
〔1〕
(i)少なくとも一つの熱ショックエレメントであるHSEと、
(ii)少なくとも一つのストレス応答エレメントであるSTREと、
(iii)前記HSEおよび前記STREと異なるシスエレメントであって、ストレス条件下で発現が亢進する転写活性因子が結合するシスエレメントと
を含む、ストレス応答プロモーター(ただし、前記ストレス応答プロモーターは、Glucose存在下で抑制的に作用する転写因子が結合するシスエレメント、および、糖新生に関与する転写因子が結合するシスエレメントを含むものではない)。
また、本発明のストレス応答プロモーターは、一実施の形態において、
〔1〕’
(i)少なくとも一つの熱ショックエレメントであるHSEと、
(ii)少なくとも一つのストレス応答エレメントであるSTREと、
(iii)前記HSEおよび前記STREと異なるシスエレメントであって、ストレス条件下で発現が亢進する転写活性因子が結合するシスエレメントと
を含む、ストレス応答プロモーターであって、
前記ストレス応答プロモーターは、Glucose存在下で抑制的に作用する転写因子、または、糖新生に関与する転写因子が結合するシスエレメントを含まない、ことを特徴とする。One aspect of the present invention is
[1]
(I) at least one heat shock element HSE,
(Ii) STRE, which is at least one stress response element,
(Iii) a stress-responsive promoter containing a cis element different from the HSE and STRE, which is bound by a transcriptional activator whose expression is increased under stress conditions (wherein the stress-responsive promoter is Glucose presence). It does not include a cis element to which a transcription factor that acts suppressively below and a cis element to which a transcription factor involved in gluconeogenesis are bound).
Further, the stress responsive promoter of the present invention, in one embodiment,
[1]'
(I) at least one heat shock element HSE,
(Ii) STRE, which is at least one stress response element,
(Iii) A stress-responsive promoter comprising a cis element different from the HSE and STRE, the cis element being bound by a transcriptional activator whose expression is enhanced under stress conditions,
The stress-responsive promoter is characterized in that it does not contain a cis element to which a transcription factor that acts suppressively in the presence of Glucose or a transcription factor involved in gluconeogenesis is bound.
ここで、本発明のストレス応答プロモーターは、一実施の形態において、
〔2〕高温、高浸透圧、酸素制限、又は、Glucose飢餓状態のストレスに応答して転写の活性を向上させるものであることを特徴とする。
また、本発明のストレス応答プロモーターは、一実施の形態において、
〔3〕上記〔1〕または〔2〕に記載のストレス応答プロモーターであって、
前記(i)熱ショックエレメントであるHSE、および、(ii)ストレス応答エレメントであるSTREを少なくとも二つ以上含み、
前記HSEと前記STREとが交互に配置されていることを特徴とする。
また、本発明のストレス応答プロモーターは、一実施の形態において、
〔4〕上記〔1〕〜〔3〕のいずれかに記載のストレス応答プロモーターであって、
前記ストレス条件下で発現が亢進する転写活性因子が、Met31/32、 Rgt1、Cad1、Cin5/Yap4、および、Yap1からなる群より選択される少なくとも一つの転写活性因子であることを特徴とする。
なお、本発明のストレス応答プロモーターの一実施の形態においては、
Met31/32、 Rgt1、Cad1、Cin5/Yap4、および、Yap1のそれぞれの転写活性因子が結合するシスエレメントを全て含むものである。
また、本発明のストレス応答プロモーターは、一実施の形態において、
〔5〕上記〔1〕〜〔4〕のいずれかいに記載のストレス応答プロモーターであって、
前記(i)HSEが、配列番号16で示されるコンセンサス配列を含むシスエレメントであって、かつ、前記(ii)STREが、配列番号17で示されるコンセンサス配列を含むシスエレメントであることを特徴とする。
また、本発明のストレス応答プロモーターは、一実施の形態において、
〔6〕上記〔1〕〜〔5〕のいずれかに記載のストレス応答プロモーターであって、
前記(iii)転写活性因子が結合するシスエレメントが、配列番号18〜22で示されるコンセンサス配列からなる群より選択されるコンセンサス配列を含むシスエレメントであることを特徴とする。Here, the stress responsive promoter of the present invention is, in one embodiment,
[2] It is characterized in that it enhances transcription activity in response to high temperature, high osmotic pressure, oxygen limitation, or Glucose starvation stress.
Further, the stress responsive promoter of the present invention, in one embodiment,
[3] The stress responsive promoter according to the above [1] or [2],
At least two or more of (i) the heat shock element HSE and (ii) the stress response element STRE,
The HSE and the STRE are alternately arranged.
Further, the stress responsive promoter of the present invention, in one embodiment,
[4] The stress responsive promoter according to any one of [1] to [3] above,
The transcriptional activator whose expression is enhanced under the stress condition is at least one transcriptional activator selected from the group consisting of Met31/32, Rgt1, Cad1, Cin5/Yap4, and Yap1.
In one embodiment of the stress responsive promoter of the present invention,
It includes all cis elements to which transcriptional activators of Met31/32, Rgt1, Cad1, Cin5/Yap4, and Yap1 bind.
Further, the stress responsive promoter of the present invention, in one embodiment,
[5] The stress responsive promoter according to any one of [1] to [4] above,
The (i) HSE is a cis element containing the consensus sequence represented by SEQ ID NO: 16, and the (ii) STRE is a cis element containing the consensus sequence represented by SEQ ID NO: 17. To do.
Further, the stress responsive promoter of the present invention, in one embodiment,
[6] The stress-responsive promoter according to any one of [1] to [5] above,
The cis element to which the transcription activator (iii) binds is a cis element containing a consensus sequence selected from the group consisting of consensus sequences represented by SEQ ID NOs: 18 to 22.
また、本発明のストレス応答プロモーターは、一実施の形態において、
〔7〕上記〔1〕〜〔6〕のいずれかに記載のストレス応答プロモーターであって、
前記Glucose存在下で抑制的に作用する転写因子、および、糖新生に関与する転写因子がRap1、Nrg1、Gln3、Hap4/5、Adr1、Mig1、Mot3、および、Snf1であることを特徴とする。
また、本発明のストレス応答プロモーターは、一実施の形態において、
〔8〕上記〔1〕〜〔7〕のいずれかに記載のストレス応答プロモーターであって、
前記Glucose存在下で抑制的に作用する転写因子が結合するシスエレメント、または、糖新生に関与する転写因子が結合するシスエレメントが、配列番号23〜47のいずれかで示されるコンセンサス配列を含むシスエレメントであることを特徴とする。
また、本発明は、別の態様において、
〔9〕(i)少なくとも一つの熱ショックエレメントであるHSEであって、配列番号16に示されるコンセンサス配列を含むHSEと、
(ii)少なくとも一つのストレス応答エレメントであるSTREであって、配列番号17に示されるコンセンサス配列を含むSTREと、
(iii)ストレス条件下で発現が亢進する転写活性因子が結合するシスエレメントであって、配列番号18〜22に示されるコンセンサス配列のいずれかを含むシスエレメントとを含む、ストレス応答プロモーター(ただし、前記ストレス応答プロモーターは、配列番号23〜48に示されるコンセンサス配列およびそれらに類似する塩基配列を含むシスエレメントを含むものではない)に関する。
また、本発明のストレス応答プロモーターは、一実施の形態において、
〔10〕上記〔1〕〜〔9〕のいずれかに記載のストレス応答プロモーターであって、
さらに(iv)5’-非翻訳領域に配列番号49で示されるKozak配列を有することを特徴とする。
また、本発明のストレス応答プロモーターは、一実施の形態において、
〔11〕配列番号48に記載の配列からなるストレス応答プロモーターである。Further, the stress responsive promoter of the present invention, in one embodiment,
[7] The stress responsive promoter according to any one of [1] to [6] above,
The transcription factor that acts suppressively in the presence of Glucose and the transcription factor involved in gluconeogenesis are Rap1, Nrg1, Gln3, Hap4/5, Adr1, Mig1, Mot3, and Snf1.
Further, the stress responsive promoter of the present invention, in one embodiment,
[8] The stress-responsive promoter according to any one of [1] to [7] above,
A cis element to which a transcription factor that suppressively acts in the presence of Glucose or a cis element to which a transcription factor involved in gluconeogenesis binds contains a consensus sequence represented by any of SEQ ID NOs: 23 to 47. It is characterized by being an element.
In addition, the present invention, in another aspect,
[9] (i) HSE which is at least one heat shock element, comprising the consensus sequence shown in SEQ ID NO: 16, and
(Ii) STRE, which is at least one stress response element, and which comprises the consensus sequence shown in SEQ ID NO:17;
(Iii) A stress-responsive promoter (including a cis element containing a consensus sequence represented by SEQ ID NOS: 18 to 22) which is a cis element to which a transcription activator whose expression is increased under stress conditions is bound (however, The stress responsive promoter does not include cis elements including the consensus sequences shown in SEQ ID NOs: 23 to 48 and nucleotide sequences similar to them.
Further, the stress responsive promoter of the present invention, in one embodiment,
[10] The stress responsive promoter according to any one of [1] to [9] above,
Further, (iv) 5'-untranslated region has a Kozak sequence represented by SEQ ID NO: 49.
Further, the stress responsive promoter of the present invention, in one embodiment,
[11] A stress-responsive promoter having the sequence represented by SEQ ID NO: 48.
また、本発明は、別の態様において、
〔12〕上記〔1〕〜〔11〕のいずれかに記載のストレス応答プロモーターを含むベクターに関する。
また、本発明のベクターは、一実施の形態において、
〔13〕上記〔12〕に記載のベクターであって、大腸菌または真核細胞間のシャトルベクターとなりうるベクター、2-ミクロンプラスミドベクター、ならびに、真核細胞のセントロメア及び自律複製配列など複製起点となりうる塩基配列を保有することを特徴とする。
なお、「シャトルベクターとなりうるベクター」とは、例えば、pUC19ベクターなど大腸菌・真核細胞(限局すれば出芽酵母)間のシャトルベクターとなりうるベクターである。また、2-ミクロンプラスミドベクターならびに真核細胞のセントロメア及び自律複製配列など複製起点となりうる塩基配列を保有するベクターとしては、例えば、6番染色体セントロメアと自律複製配列4番CEN6/ARS4を持つpUG35を挙げることができる。
また、本発明のベクターは、一実施の形態において、
〔14〕上記〔12〕または〔13〕に記載のベクターであって、前記ストレス応答プロモーターの下流に作動可能に連結された遺伝子を含むことを特徴とする。
また、本発明のベクターは、一実施の形態において、
〔15〕上記〔14〕に記載のベクターであって、前記遺伝子が、Xylose異性化酵素遺伝子であることを特徴とする。In addition, the present invention, in another aspect,
[12] A vector including the stress-responsive promoter according to any one of [1] to [11] above.
Further, the vector of the present invention, in one embodiment,
[13] The vector according to [12] above, which can be a shuttle vector between Escherichia coli or a eukaryotic cell, a 2-micron plasmid vector, and a replication origin such as a centromere and an autonomously replicating sequence of a eukaryotic cell. It is characterized by having a nucleotide sequence.
The “vector that can be a shuttle vector” is, for example, a vector that can be a shuttle vector between Escherichia coli and a eukaryotic cell (Saccharomyces cerevisiae if limited) such as pUC19 vector. As a vector having a 2-micron plasmid vector and a nucleotide sequence that can serve as an origin of replication such as a centromere of eukaryotic cells and an autonomously replicating sequence, for example, pUG35 having a chromosome 6 centromere and an autonomously replicating
Further, the vector of the present invention, in one embodiment,
[14] The vector according to [12] or [13] above, which comprises a gene operably linked downstream of the stress-responsive promoter.
Further, the vector of the present invention, in one embodiment,
[15] The vector according to [14] above, wherein the gene is an Xylose isomerase gene.
また、本発明は、別の態様において、
〔16〕上記〔12〕〜〔15〕のいずれかに記載のベクターの一部もしくは全部が染色体に導入された形質転換体に関する。
また、本発明は、別の態様において、
〔17〕Xyloseを基質とするバイオエタノールを生産するための微生物であって、
上記〔15〕に記載のベクターの一部または全部を含む微生物に関する。In addition, the present invention, in another aspect,
[16] A transformant in which a part or all of the vector according to any of [12] to [15] above is introduced into a chromosome.
In addition, the present invention, in another aspect,
[17] A microorganism for producing bioethanol using Xylose as a substrate,
The present invention relates to a microorganism containing part or all of the vector described in [15] above.
また、本発明は、別の態様において、
〔18〕Xyloseを基質とするバイオエタノールの生産方法であって、
(a)上記〔17〕に記載の微生物を、Xyloseを含む培養液中で培養する工程を含む、方法に関する。
ここで、本発明のバイオエタノールの生産方法は、
〔19〕上記〔18〕に記載の方法であって、
前記工程(a)が、キシランおよびキシラナーゼの存在下で行われる糖化処理と同時に行われることを特徴とする。In addition, the present invention, in another aspect,
[18] A method for producing bioethanol using Xylose as a substrate,
(A) A method comprising a step of culturing the microorganism according to [17] above in a culture solution containing Xylose.
Here, the method for producing bioethanol of the present invention,
[19] The method described in [18] above,
The step (a) is characterized in that it is carried out simultaneously with the saccharification treatment carried out in the presence of xylan and xylanase.
本発明のストレス応答プロモーターによれば、内在および外来の遺伝子を、より効率的に発現することが可能である。これにより、有用物質生産に必要な遺伝子発現が増強し、目的とする生産物量及び生産速度が向上する。 According to the stress responsive promoter of the present invention, endogenous and foreign genes can be expressed more efficiently. This enhances the gene expression necessary for the production of the useful substance, and improves the target product amount and production rate.
本発明は、ストレス存在下で強く、長期に遺伝子発現が行えるよう人工的にデザインされたプロモーター塩基配列、及びそのプロモーターを用いて発現させた遺伝子によってXylose異性化酵素遺伝子を有する微生物あるいはその利用に関する。 The present invention relates to a promoter nucleotide sequence artificially designed to enable long-term gene expression in the presence of stress, and a microorganism having an Xylose isomerase gene by a gene expressed using the promoter or its use. .
本発明は、一態様として、(i)少なくとも一つの熱ショックエレメントであるHSEと、
(ii)少なくとも一つのストレス応答エレメントであるSTREと、(iii)前記HSEおよび前記STREと異なるシスエレメントであって、ストレス条件下で発現が亢進する転写活性因子が結合するシスエレメントとを含む、ストレス応答プロモーター(ただし、前記ストレス応答プロモーターは、Glucose存在下で抑制的に作用する転写因子が結合するシスエレメント、および、糖新生に関与する転写因子が結合するシスエレメントを含むものではない)を提供する。
本明細書において、(i)熱ショックエレメントであるHSE(heat shock element)とは、細胞が熱等のストレス条件下にさらされた際、当該ストレスにより発現が上昇する熱ショック転写因子(heat shock transcription factor, HSF)が結合するDNA上の特定の領域をいう。HSEの配列は公知であり、HSFが結合してシス配列上の転写を制御するものであれば塩基配列は特に制限されない。一実施例において、HSEは、配列番号16に示されるコンセンサス配列を含むものである。
本明細書において、(ii)ストレス応答エレメントであるSTRE(stress response element)とは、細胞が高浸透圧などのストレス条件下にさらされた際、当該ストレスにより発現が上昇する転写因子(例えば、MSN2,MSN4などの転写因子が挙げられる)が結合するDNA上の特定の領域をいう。STREの配列は公知であり、上記転写因子が結合してシス配列上の転写を制御するものであれば塩基配列は特に制限されない。一実施例において、STREは、配列番号17に示されるコンセンサス配列を含むものである。
本明細書において、(iii)HSEおよび前記STREと異なるシスエレメントであって、ストレス条件下で発現が亢進する転写活性因子が結合するシスエレメントとは、細胞が高温、高浸透圧、酸素制限、又は、Glucose飢餓条件等のストレス条件下にさらされた際、当該ストレスにより発現が上昇する転写因子が結合するDNA上の特定の領域(ただし、HSE、STREを除く)をいう。前記ストレスに応答して発現が上昇する転写因子としては、MET31、MET32、RGT1、CAD1、CIN5、YAP4、YAP1などを挙げることができる。これらの転写因子に対するシスエレメントの塩基配列は公知であり、また、上記転写因子が結合してシス配列上の転写を制御するものであれば塩基配列は特に制限されない。一実施の形態において、上記転写因子に対するシスエレメントは、配列番号18〜22に示されるコンセンサス配列を含むシスエレメント(表3参照)からなる群より選択される少なくとも一つのシスエレメントである。上記(iii)のシスエレメントは、異なるコンセンサス配列を有するものが複数選択されてもよく、また、同じコンセンサス配列を有するものが複数選択されてもよい。より好ましい実施の形態においては、上記転写因子に対するシスエレメントは、配列番号18〜22に示されるコンセンサス配列を含むシスエレメントからなる群より選択されるシスエレメントを全て含む。One aspect of the present invention is: (i) at least one heat shock element, HSE;
(Ii) at least one stress response element STRE, and (iii) a cis element different from the HSE and STRE, which binds to a transcriptional activator whose expression is enhanced under stress conditions, A stress-responsive promoter (however, the stress-responsive promoter does not include a cis element to which a transcription factor that suppressively acts in the presence of Glucose binds, and a cis element to which a transcription factor involved in gluconeogenesis binds) provide.
In the present specification, (i) HSE (heat shock element), which is a heat shock element, means that when a cell is exposed to a stress condition such as heat, its expression is increased by the stress. Transcription factor (HSF) refers to a specific region on DNA that binds. The sequence of HSE is known, and the nucleotide sequence is not particularly limited as long as it binds to HSF and controls transcription on the cis sequence. In one example, the HSE comprises the consensus sequence shown in SEQ ID NO:16.
In the present specification, (ii) a stress response element, STRE (stress response element), is a transcription factor whose expression is increased by the stress when cells are exposed to stress conditions such as hyperosmotic pressure (for example, It refers to a specific region on DNA to which transcription factors such as MSN2 and MSN4 are included). The STRE sequence is publicly known, and the base sequence is not particularly limited as long as the above transcription factor binds and controls transcription on the cis sequence. In one example, the STRE comprises the consensus sequence shown in SEQ ID NO:17.
In the present specification, (iii) a cis element different from HSE and STRE, which is bound by a transcriptional activator whose expression is increased under stress conditions, means that cells have high temperature, high osmotic pressure, oxygen limitation, Alternatively, it refers to a specific region (excluding HSE and STRE) on DNA to which a transcription factor whose expression increases when exposed to stress conditions such as Glucose starvation conditions is excluded. Examples of the transcription factor whose expression increases in response to stress include MET31, MET32, RGT1, CAD1, CIN5, YAP4, YAP1 and the like. The base sequences of cis elements for these transcription factors are known, and the base sequences are not particularly limited as long as the transcription factors bind to control transcription on the cis sequence. In one embodiment, the cis element for the transcription factor is at least one cis element selected from the group consisting of cis elements containing consensus sequences shown in SEQ ID NOs: 18-22 (see Table 3). As for the cis element (iii) above, a plurality of cis elements having different consensus sequences may be selected, and a plurality of cis elements having the same consensus sequence may be selected. In a more preferred embodiment, the cis element for the transcription factor comprises all cis elements selected from the group consisting of cis elements containing the consensus sequences shown in SEQ ID NOs: 18-22.
本発明のストレス応答プロモーターにおいて、(i)〜(iii)のストレス応答エレメントが「特定の配列番号で示されるコンセンサス配列を含む」というとき、本来結合すべき転写因子がストレス応答エレメントへ結合でき、かつ、シス配列上の転写を制御できる限りにおいて、当該コンセンサス配列において1または数個(2個、3個、4個など)の塩基配列に変異(置換、挿入、欠失)を有していてもよい。
なお、本発明のストレス応答プロモーターの一実施の形態においては、(i)熱ショックエレメントであるHSEの数は、ストレスに応じて下流の遺伝子発現を亢進させる限りにおいて限定されず、例えば、二〜十程度(二つ、三つ、四つ、五つ、六つ、七つ、八つ、九つ、十)とすることができる。
また、本発明のストレス応答プロモーターの一実施の形態においては、(ii)ストレス応答エレメントであるSTREの数は、ストレスに応じて下流の遺伝子発現を亢進させる限りにおいて限定されず、例えば、二〜十程度(二つ、三つ、四つ、五つ、六つ、七つ、八つ、九つ、十)とすることができる。
また、本発明のストレス応答プロモーターの一実施の形態においては、(iii)HSEおよびSTRE以外のストレス応答エレメントの数は、ストレスに応じて下流の遺伝子発現を亢進させる限りにおいて限定されず、例えば、二〜十程度(二つ、三つ、四つ、五つ、六つ、七つ、八つ、九つ、十)とすることができる。In the stress responsive promoter of the present invention, when the stress response element of (i) to (iii) "includes a consensus sequence represented by a specific sequence number", a transcription factor that should originally bind can bind to the stress response element, And, as long as the transcription on the cis sequence can be controlled, the consensus sequence has mutations (substitution, insertion, deletion) in one or several (2, 3, 4, etc.) base sequences. Good.
In one embodiment of the stress-responsive promoter of the present invention, (i) the number of HSE that is a heat shock element is not limited as long as it enhances downstream gene expression in response to stress. It can be about ten (two, three, four, five, six, seven, eight, nine, ten).
Further, in one embodiment of the stress responsive promoter of the present invention, (ii) the number of STRE that is a stress response element is not limited as long as it enhances downstream gene expression in response to stress. It can be about ten (two, three, four, five, six, seven, eight, nine, ten).
Further, in one embodiment of the stress responsive promoter of the present invention, (iii) the number of stress response elements other than HSE and STRE is not limited as long as it enhances downstream gene expression in response to stress, for example, It can be about 2 to 10 (two, three, four, five, six, seven, eight, nine, ten).
ここで、本発明のストレス応答プロモーターは、Glucose存在下で抑制的に作用する転写因子が結合するシスエレメント、および、糖新生に関与する転写因子が結合するシスエレメントを含まないことを特徴とする。
Glucose存在下で抑制的に作用する転写因子、または、糖新生に関与する転写因子としては、以下に制限されないが、例えば、RAP1、NRG1、GLN3、HAP4、HAP5、ADR1、MIG1、MOT3、SNF1などを挙げることができる。これらGlucose存在下で抑制的に作用する転写因子または糖新生に関与する転写因子が結合するシスエレメントは公知である。例えば、RAP1、NRG1、GLN3、HAP4、HAP5、ADR1、MIG1、MOT3、SNF1が結合するシスエレメントとしては、配列番号23〜47に示されるコンセンサス配列を含むシスエレメントを挙げることができる。
ここで、本発明のストレス応答プロモーターは、配列番号23〜48に示されるコンセンサス配列に類似する塩基配列を含むシスエレメントも含むものではない。特定の配列番号で示されるコンセンサス配列に類似する塩基配列とは、当該コンセンサス配列に対して1〜数個塩基が変異(置換、欠失、挿入)したものであって、本来結合すべき転写因子が変異後の塩基配列に結合でき、かつ、シス配列上の転写を制御できるものをいう。一実施の形態においては、配列番号23〜47に示されるコンセンサス配列に対して少なくとも二以上、好ましくは三以上、より好ましくは四以上の変異を導入することにより当該コンセンサス配列に対する転写因子の結合活性が失われたたものをいう。
なお、一実施の形態において、本発明のストレス応答プロモーターは、配列番号23〜47に示されるコンセンサス配列を含むものではない。Here, the stress-responsive promoter of the present invention is characterized by not containing a cis element to which a transcription factor that acts suppressively in the presence of Glucose and a cis element to which a transcription factor involved in gluconeogenesis are bound. ..
Transcription factors that act suppressively in the presence of Glucose, or as transcription factors involved in gluconeogenesis, include, but are not limited to, for example, RAP1, NRG1, GLN3, HAP4, HAP5, ADR1, MIG1, MOT3, SNF1 etc. Can be mentioned. A cis element to which a transcription factor that acts suppressively in the presence of Glucose or a transcription factor involved in gluconeogenesis is bound is known. For example, the cis element to which RAP1, NRG1, GLN3, HAP4, HAP5, ADR1, MIG1, MOT3, and SNF1 bind can be a cis element containing the consensus sequence shown in SEQ ID NOs: 23 to 47.
Here, the stress-responsive promoter of the present invention does not include a cis element having a nucleotide sequence similar to the consensus sequences shown in SEQ ID NOs: 23 to 48. A base sequence similar to the consensus sequence represented by a specific sequence number is a mutation (substitution, deletion, insertion) of 1 to several bases in the consensus sequence, and is a transcription factor to be originally bound. Is capable of binding to the base sequence after mutation and controlling transcription on the cis sequence. In one embodiment, at least two or more, preferably three or more, and more preferably four or more mutations are introduced into the consensus sequence shown in SEQ ID NOs: 23 to 47, thereby binding the transcription factor to the consensus sequence. Refers to what has been lost.
In addition, in one embodiment, the stress-responsive promoter of the present invention does not include the consensus sequences shown in SEQ ID NOs: 23 to 47.
本発明のストレス応答プロモーターにおいて、(i)熱ショックエレメントであるHSEおよび(ii)ストレス応答エレメントであるSTREは、1bp以上、100bp以下の間隔を置いて配置することができる。
また、本発明のストレス応答プロモーターは、(i)熱ショックエレメントであるHSEと(ii)ストレス応答エレメントであるSTREとが交互に配置されていることが好ましい。HSEまたはSTREを連続して配置するよりも、一定の距離を置いて交互に配置されている方がストレス応答による転写の向上をより促すことができ好ましい。
また、本発明のストレス応答プロモーターにおけるKozak配列は-3位の塩基がAであることが好ましい。また、Kozak配列は5’-非翻訳領域である-1位から-10位が5’-AATATTAAAA-3’(配列番号49)であることがより好ましい。これらのKozak配列とすることで翻訳活性を向上させることができる。In the stress-responsive promoter of the present invention, (i) HSE, which is a heat shock element, and (ii) STRE, which is a stress-responsive element, can be arranged at intervals of 1 bp or more and 100 bp or less.
In the stress responsive promoter of the present invention, it is preferable that (i) heat shock element HSE and (ii) stress response element STRE are alternately arranged. It is preferable that the HSEs or STREs are alternately arranged at a certain distance, as compared with the case where the HSEs or STREs are continuously arranged, because the transcription can be further improved by the stress response.
Further, in the Kozak sequence in the stress responsive promoter of the present invention, it is preferable that the base at position -3 is A. Further, it is more preferable that the Kozak sequence is 5'-untranslated region and 5'-AATATTAAAA-3' (SEQ ID NO: 49) is present at positions -1 to -10. By using these Kozak sequences, the translation activity can be improved.
本発明のストレス応答プロモーターは、一実施の形態において、高温、高浸透圧、酸素制限、又は、Glucose飢餓状態のストレスに応答して転写の活性を向上させるものである。すなわち、いずれかのストレスに応答して、下流の転写の活性を向上させることができる。また、本発明のストレス応答プロモーターは、高温、高浸透圧、酸素制限、および、Glucose飢餓状態のうち二以上のストレスが組み合わされた条件下においても、当該組み合わせされたストレスに応答して下流の遺伝子の発現を向上させることができるものである。より好ましい実施の形態においては、本発明のストレス応答プロモーターは、高温、高浸透圧、酸素制限、及び、Glucose飢餓状態のストレス条件下においても、当該ストレスに応答して転写の活性を向上させるものである。 The stress-responsive promoter of the present invention, in one embodiment, enhances transcriptional activity in response to high temperature, hyperosmolarity, oxygen limitation, or Glucose starved stress. That is, the activity of downstream transcription can be improved in response to either stress. Further, the stress-responsive promoter of the present invention has a high temperature, a high osmotic pressure, an oxygen limitation, and even under a condition in which two or more stresses are combined in the Glucose starvation state, in the downstream of the response to the combined stress. The gene expression can be improved. In a more preferred embodiment, the stress-responsive promoter of the present invention enhances transcriptional activity in response to the stress even under high temperature, hyperosmolarity, oxygen limitation, and Glucose starvation stress conditions. Is.
また、本発明は、別の態様として、ストレス応答プロモーターを含むベクターを提供する。
ベクターとしては、上記に記載するストレス応答プロモーターを保持する限り限定されず、例えば、大腸菌または真核細胞間のシャトルベクターとなりうるベクター、2-ミクロンプラスミドベクター、真核細胞のセントロメアおよび自律複製配列などの複製起点となりうる塩基配列を保有するベクターなどを挙げることができる。これらのベクターは、当業者であれば本願明細書および技術常識に基づいて、用途や導入先の宿主細胞に応じて設計・製造を行うことができる。
また、本発明のベクターは、一実施の形態において、ストレス応答プロモーターの下流に作動可能に連結された遺伝子を含むことができる。これにより、当該遺伝子は、ストレス応答プロモーターの制御によりストレス条件下での発現が亢進される。ストレス応答プロモーターの下流に作動可能に連結される遺伝子は特に制限されない。好ましくは細胞がストレス条件下においても向上した発現を望む遺伝子であり、例えば、バイオエタノール生産のための糖化酵素遺伝子群(セルラーゼ、キシラナーゼなど)や発酵酵素遺伝子群(Xylose reductase (XR)、Xylitol dehydrogenase (XDH)、あるいはXylose isomerase (XI)など)等を挙げることができる。Moreover, this invention provides the vector containing a stress response promoter as another aspect.
The vector is not limited as long as it retains the stress-responsive promoter described above, for example, a vector that can be a shuttle vector between E. coli or eukaryotic cells, 2-micron plasmid vector, eukaryotic centromere and autonomous replication sequence, etc. Examples include a vector having a nucleotide sequence that can serve as the origin of replication of Those skilled in the art can design and manufacture these vectors according to the intended use and the host cell of the recipient, based on the present specification and common general knowledge.
In addition, the vector of the present invention, in one embodiment, can include a gene operably linked downstream of a stress-responsive promoter. As a result, the expression of the gene is enhanced under stress conditions by controlling the stress-responsive promoter. The gene operably linked to the downstream of the stress response promoter is not particularly limited. Preferably, cells are genes that are desired to have improved expression even under stress conditions, for example, saccharifying enzyme genes for bioethanol production (cellulase, xylanase, etc.) and fermentation enzyme genes (Xylose reductase (XR), Xylitol dehydrogenase). (XDH), Xylose isomerase (XI) and the like).
また、本発明は、別の態様として、上記ベクターの一部(ストレス応答プロモーターおよびその下流に作動可能に連結された遺伝子を含む領域)または全部を含む形質転換体または微生物を提供する。
ストレス応答プロモーターを含むベクターの宿主細胞への導入方法は、公知の方法により行うことができる。ストレス応答プロモーターを含むベクターは、プラスミド等の形態で宿主細胞に導入されてもよいし、ゲノムDNAに組み込まれても良い。ゲノムDNA上に存在するオリジナルの遺伝子と置換してもかまわない。また、プラスミド、ゲノムへの挿入いずれの場合にも導入コピー数は問わない。形質転換の対象となる宿主細胞としては、以下に制限されないが、例えば、出芽酵母属Saccharomyces、分裂酵母属Schizosaccharomyces、耐熱性酵母属Kluyveromycesに含まれる種を挙げることができる。
また、本発明は、別の態様として、Xyloseを基質とするバイオエタノール生産のための微生物であって、ストレス応答遺伝子の下流に作動可能に連結されたXylose異性化酵素遺伝子を有するベクターの一部(ストレス応答プロモーターおよびXylose異性化酵素遺伝子を含む領域)または全部を含む微生物を提供する。また、当該微生物を用いたバイオエタノールの生産方法を提供する。当該微生物を用いたバイオエタノールの生産方法は、公知の方法および条件に準じて行うことができる。
一実施の形態において、Xyloseを基質とするバイオエタノールの生産方法は、(a)本発明のストレス応答プロモーターとその下流に作動可能に連結されたXylose異性化酵素遺伝子を含むベクターの一部または全部を含む微生物を、Xyloseを含む培養液中で培養する工程を含む。また、他の実施形態においては、工程(a)が、キシランおよびキシラナーゼの存在下で行われる糖化処理と同時に行うことができる。The present invention also provides, as another aspect, a transformant or a microorganism containing a part (a region containing a stress-responsive promoter and a gene operably linked downstream thereof) or all of the above vector.
The method for introducing the vector containing the stress responsive promoter into the host cell can be performed by a known method. The vector containing a stress responsive promoter may be introduced into a host cell in the form of a plasmid or the like, or may be integrated into genomic DNA. It may be replaced with the original gene existing on the genomic DNA. Further, the copy number to be introduced does not matter in the case of insertion into a plasmid or the genome. The host cell to be transformed is not limited to the following, but examples thereof include species included in the genus Saccharomyces of the genus Saccharomyces, the genus Schizosaccharomyces of the fission yeast, and the genus Kluyveromyces of the thermostable yeast.
Further, the present invention, as another aspect, a microorganism for bioethanol production using Xylose as a substrate, wherein a part of a vector having an Xylose isomerase gene operably linked downstream of a stress response gene Provided is a microorganism containing (a region containing a stress response promoter and a Xylose isomerase gene) or all. Also provided is a method for producing bioethanol using the microorganism. The method for producing bioethanol using the microorganism can be performed according to known methods and conditions.
In one embodiment, the method for producing bioethanol using Xylose as a substrate comprises (a) a part or all of a vector containing the stress-responsive promoter of the present invention and an Xylose isomerase gene operably linked downstream thereof. And culturing the microorganism containing X in a culture solution containing Xylose. In another embodiment, step (a) can be performed simultaneously with the saccharification treatment performed in the presence of xylan and xylanase.
以下に本発明を詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。 The present invention is described in detail below, but the present invention is not limited to these examples.
(1.培地及び培養条件)
酵母の増殖には、YPD培地を用いた。YPD培地は、Bacto酵母エキス(BDバイオサイエンス社、米国)10g、Bactoペプトン(BDバイオサイエンス社) 20g、D-(+)-Glucose(以下Glucoseとする。シグマ アルドリッチ社、米国)20gを精製水 1Lに含む。擬似糖化液を用いたEthanol発酵試験には、バイオマス糖化液の糖組成を模倣する液体培地としてYPDX培地を用いた。YPDX培地は、Bacto酵母エキス 10g、Bacto ペプトン 20g、Glucose(シグマアルドリッチ社) 85g/L、D-(+)-Xylose(以下、Xyloseとする。シグマアルドリッチ社)35g/Lを精製水
1Lに含む。野生型酵母株の維持及び管理には、上記のYPD培地1Lに、Bacto寒天(BDバイオサイエンス社)20gを添加した平板培地を用いた。また、遺伝子操作による酵母株の構築、維持及び管理には、以下に記載の抗生物質を各濃度になるように上記組成の培地に適宜添加した。Geneticin(登録商標)(以下、G418とする。サーモフィッシャーサイエンティフィック株式会社、米国) 200ug/mL、Zeocin(登録商標)(サーモフィッシャーサイエンティフィック株式会社)200ug/mL、Aureobasidin A(タカラバイオ株式会社)0.5ug/mL。大腸菌 DH5α株(ニッポンジーン株式会社)の増殖のために、調製済みのLB培地としてDifco LB, Miller 培地(BDバイオサイエンス社)を用いた。野生型大腸菌株の維持及び管理には、DifcoLB Agar, Miller 培地(BDバイオサイエンス社)を用いた。大腸菌 DH5α株を宿主として用いた遺伝子操作を行った形質転換体の構築、維持及び管理には、上記LB培地に抗生物質Ampicillin(和光純薬工業株式会社)100ug/mLを添加した選択培地を用いた。酵母株の培養は、30℃、振とう培養機を用いて、増殖に応じて1-3日間培養を行った。大腸菌の培養は、36℃、静置で一晩培養を行った。(1. Medium and culture conditions)
YPD medium was used for yeast growth. YPD medium, Bacto yeast extract (BD Bioscience, USA) 10g, Bacto peptone (BD Bioscience) 20g, D-(+)-Glucose (hereinafter referred to as Glucose. Sigma-Aldrich, USA) 20g purified water Included in 1L. In the Ethanol fermentation test using the simulated saccharified liquid, YPDX medium was used as a liquid medium that mimics the sugar composition of the biomass saccharified liquid. YPDX medium, Bacto yeast extract 10g, Bacto peptone 20g, Glucose (Sigma Aldrich) 85g/L, D-(+)-Xylose (hereinafter referred to as Xylose. Sigma Aldrich) 35g/L purified water
Included in 1L. For maintenance and management of the wild-type yeast strain, a plate medium prepared by adding 20 g of Bacto agar (BD Bioscience) to 1 L of the above YPD medium was used. In addition, for the construction, maintenance and management of yeast strains by genetic engineering, the antibiotics described below were appropriately added to the medium of the above composition so as to have respective concentrations. Geneticin (registered trademark) (hereinafter referred to as G418. Thermo Fisher Scientific Co., Ltd., USA) 200 ug/mL, Zeocin (registered trademark) (Thermo Fisher Scientific Co., Ltd.) 200 ug/mL, Aureobasidin A (Takara Bio Co., Ltd.) Company) 0.5ug/mL. For the growth of Escherichia coli DH5α strain (Nippon Gene Co., Ltd.), Difco LB, Miller medium (BD Bioscience) was used as a prepared LB medium. DifcoLB Agar, Miller medium (BD Bioscience) was used for maintenance and management of the wild-type Escherichia coli strain. For the construction, maintenance and management of genetically engineered transformants using the Escherichia coli DH5α strain as a host, a selection medium in which the antibiotic Ampicillin (Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) 100 ug/mL was added to the LB medium was used. I was there. The yeast strain was cultured at 30° C. for 1 to 3 days depending on the growth using a shaker. The culture of Escherichia coli was carried out at 36° C. by standing overnight.
(2.DNA抽出、PCR、形質転換、塩基配列の決定)
形質転換を行った大腸菌からプラスミドを抽出する場合には、QIAprep Spin Miniprep Kit (キアゲン社、ドイツ)を用い、添付のプロトコルに従い抽出及び精製を行った。酵母株からゲノムDNAを抽出する場合は、Genとるくん(酵母用)High Recovery (タカラバイオ株式会社)を用いて、添付のプロトコルに従い抽出及び精製を行った。特定のDNA断片の増幅は、目的とするDNA断片に合致する一対の塩基配列を遺伝子解析ソフトウェアSnapGene(GSL Biotech社、米国)及びGenetyx(Genetyx株式会社)を用いて設計したものをオリゴDNAとして合成した(ユーロフィンゲノミクス社及びサーモフィッシャーサイエンティフィク社)。本実施例で使用したオリゴDNAを図9に示す。合成したオリゴDNAをプライマーとし、DNA polymeraseはKOD -Plus- Neo(東洋紡株式会社)を用い、添付の反応プロトコルにしたがって、PCR反応を行った。具体的には、PCR反応溶液として、1x PCR buffer for KOD-Plus-Neo、0.2mM dNTPs、1.5mM MgSO4, 0.32uM Forward/Reverseプライマー、鋳型DNA 1ug、KOD-Plus-Neo (1U/50uL)を含む溶液を200uLのPCRチューブに50-100uL調製した。Pre-denature:94℃、2分、Denature:98℃、10秒、Annealing:(Tm)℃、30秒、Extension:68℃、30秒/kbの3ステップPCR反応をサーマルサイクラー(Veriti Thermal Cycler、Applied Bioscience/サーモフィッシャー社)を用いて25〜30サイクルの反応を行った。その際、Annealingの温度はSnapGeneソフトウェアで設計したオリゴDNAのTmに基づいて決定し、また、PCR産物の長さに応じてExtensionの時間を決定した。プラスミドベクターの構築は、バックボーンとなるプラスミドベクターを上記PCR反応により直鎖化し、挿入するDNA断片をそれぞれ増幅・精製したものを用いて、In-Fusion HD Cloning Kit(タカラバイオ株式会社)を用い、添付の反応プロトコルにしたがって、15bpの重複配列を介してシームレスに結合することで行った。具体的には、1x In-Fusion HD Enzyme Premix、100ng/反応
直鎖化ベクター、同モル数の挿入DNA断片のIn-Fusion反応溶液を調製し、サーマルサイクラーを用いて、15分間、50℃にて反応を行った。(2. DNA extraction, PCR, transformation, determination of nucleotide sequence)
When extracting a plasmid from transformed E. coli, QIAprep Spin Miniprep Kit (Qiagen, Germany) was used and extraction and purification were performed according to the attached protocol. When the genomic DNA was extracted from the yeast strain, Gen Torukun (for yeast) High Recovery (Takara Bio Inc.) was used for extraction and purification according to the attached protocol. Amplification of a specific DNA fragment, a pair of base sequences that match the target DNA fragment was synthesized using the gene analysis software SnapGene (GSL Biotech, USA) and Genetyx (Genetyx Co., Ltd.) as an oligo DNA (Eurofin Genomics and Thermo Fisher Scientific). The oligo DNA used in this example is shown in FIG. PCR was performed according to the attached reaction protocol using the synthesized oligo DNA as a primer and KOD-Plus-Neo (Toyobo Co., Ltd.) as the DNA polymerase. Specifically, as a PCR reaction solution, 1x PCR buffer for KOD-Plus-Neo, 0.2mM dNTPs, 1.5mM MgSO4, 0.32uM Forward/Reverse primer, template DNA 1ug, KOD-Plus-Neo (1U/50uL). The solution containing 50-100 uL was prepared in a 200 uL PCR tube. Pre-denature: 94°C, 2 minutes, Denature: 98°C, 10 seconds, Annealing: (Tm)°C, 30 seconds, Extension: 68°C, 30 seconds/
(3.酵母ストレス応答遺伝子の持つプロモーターの分析)
ストレス応答プロモーターの設計に先立ち、酵母の持つ、ストレス応答遺伝子に着目し、その性状について分析を行った。使用する酵母株は、工業用酵母株IR-2であるため、実験室酵母株のゲノム塩基配列との差異が考えられた。そのため、両方の株の相同領域の比較も含めて検討した。Glucose飢餓という酵母にとって強力なストレス下では、細胞の全遺伝子の転写レベルが低下する、すなわち、Glucose存在下で発現しているほとんどすべての遺伝子の転写活性が低下することが知られている。しかし、このような状況下においても、酵母は、特定の遺伝子群を発現することが知られている。これらの遺伝子は、ストレス応答遺伝子と呼ばれる。その多くは、タンパク質の品質管理を行うタンパク質、変性したタンパク質の分解を促進する酵素など、遺伝子産物の機能はさまざまであるが、その発現レベルは一過的に強く応答する。ストレス応答遺伝子としては、HSP12、HSP26、HSP30、HSP42、HSP60、HSP70/SSA1、HSP70/SSA2、HSP70/SSA3、HSP70/SSA4、HSP78、HSP104、SDP1、CPS1、YGP1、ECM10などが挙げられる。基準株酵母株S288cのゲノムデータベース(SGD, Saccharomyces Genome Database, URL http://www.yeastgenome.org/)より、これらのタンパク質をコードするORFの上流に存在するプロモーターを含む非翻訳領域(遺伝子間領域)の塩基配列を取得し、その塩基配列中に含まれるストレス応答要素と呼ばれる転写因子が結合すると予測されるコンセンサス塩基配列(HSE、STRE)、コンセンサス配列に類似するが一致しない不完全な配列(HSEL、STREL)、転写開始に必要なTATA box、推定転写開始点及び翻訳時にリボソーム結合配列(Kozak配列、翻訳開始点を+1、その一塩基上流を-1としたときの-1〜-6塩基)をまとめたものを表1に示す。(3. Analysis of promoter possessed by yeast stress response gene)
Prior to the design of the stress response promoter, we focused on the stress response gene of yeast and analyzed its properties. Since the yeast strain used was the industrial yeast strain IR-2, a difference from the genomic nucleotide sequence of the laboratory yeast strain was considered. Therefore, it was examined including the comparison of homologous regions of both strains. It is known that under the strong stress of Glucose starvation for yeast, the transcription level of all genes in cells is lowered, that is, the transcriptional activity of almost all genes expressed in the presence of Glucose is reduced. However, yeast is known to express a specific gene group even under such circumstances. These genes are called stress response genes. Most of them have various functions of gene products such as proteins for quality control of proteins and enzymes for promoting degradation of denatured proteins, but their expression levels transiently and strongly respond. Examples of the stress response gene include HSP12, HSP26, HSP30, HSP42, HSP60, HSP70/SSA1, HSP70/SSA2, HSP70/SSA3, HSP70/SSA4, HSP78, HSP104, SDP1, CPS1, YGP1, ECM10 and the like. Based on the genome database (SGD, Saccharomyces Genome Database, URL http://www.yeastgenome.org/) of the reference strain yeast strain S288c, a non-translated region containing a promoter existing upstream of the ORF encoding these proteins (intergenic Region), the consensus base sequence (HSE, STRE) predicted to bind to a transcription factor called a stress response element contained in the base sequence (HSE, STRE), an incomplete sequence that is similar but does not match the consensus sequence (HSEL, STREL), TATA box required for transcription initiation, putative transcription initiation point and ribosome binding sequence during translation (Kozak sequence, translation initiation point is +1 and one nucleotide upstream is -1 to -1 to- Table 1 shows a summary of 6 bases.
表1に示すように、各種ストレスにより、一過的にせよ何らかの応答をすることが知られている遺伝子群を選別した。ストレス応答に関与する転写調節因子HSF1及びMSN2/MSN4の結合するHSE及びSTREの数は、HSP70が最も多く、3個ずつであった。CPS1やECM10のように、HSEL及びSTRELを含めて一つも存在しないプロモーター領域を持つ遺伝子もあった。以上のことから、単にプロモーター領域に含まれるHSEやSTREといったストレス応答に関与すると考えられるシスエレメントが存在するというだけでは、ストレスに応答するプロモーターであると結論付けることはできない。また、ストレスに対し、どのようなタイミングで、どのような強度で遺伝子発現を行うかという、プロモーターの機能を、その塩基配列のみから予測することは不可能である。 As shown in Table 1, a group of genes known to undergo some kind of transient response to various stresses was selected. The number of HSE and STRE bound by transcriptional regulatory factors HSF1 and MSN2/MSN4 involved in stress response was the highest in HSP70, and three in each. Some genes, such as CPS1 and ECM10, have a promoter region that does not exist, including HSEL and STREL. From the above, it is not possible to conclude that the promoter responds to stress simply by the presence of cis elements that are involved in stress response, such as HSE and STRE, contained in the promoter region. In addition, it is impossible to predict the function of a promoter, which is the timing and the strength of gene expression in response to stress, from the base sequence alone.
(4.実験室酵母S288cと工業用酵母IR-2のストレス応答遺伝子プロモーターの塩基配列の差異)
次に、HSPファミリー遺伝子について、それぞれの遺伝子のプロモーター領域塩基配列に差異があるかどうかを確かめるために、塩基配列の比較を行った。その結果をまとめたものを表2に示す。(4. Difference in nucleotide sequence of stress-responsive gene promoter between laboratory yeast S288c and industrial yeast IR-2)
Next, regarding the HSP family genes, the nucleotide sequences were compared in order to confirm whether the nucleotide sequences of the promoter regions of the genes are different. Table 2 shows a summary of the results.
まったく同一のものもあれば、塩基が異なるもの、挿入及び置換があるものなどが見出されたが、上記表1で推定されたHSE、STRE、HSEL及びSTRELはすべて保存されており、このシスエレメントの中に変異があるものは存在しなかった。また、当該遺伝子プロモーターにおいてS288c株とIR-2株の間に見出された塩基配列の差異により、IR-2において HSE、STRE配列及びその他の既知シスエレメント配列に該当するものが新たに出現することはなかった。 Some were exactly the same, some were different in bases, some had insertions and substitutions, etc., but the HSE, STRE, HSEL and STREL deduced in Table 1 above were all conserved. None of the elements had mutations. In addition, due to the difference in the nucleotide sequence found between the S288c strain and the IR-2 strain in the gene promoter, new ones corresponding to HSE, STRE sequence and other known cis element sequences in IR-2 newly appear. It never happened.
(5.ストレス応答プロモーターの設計)
上記の結果から、HSE及びSTREの配置及び数に関しては、ストレス応答強度や持続時間との関係は見出せなかった。また、コアプロモーターにHSE及びSTREをタンデムリピートの形式で設計した人工プロモーターが知られているが、その転写活性やストレス応答は高くないことが知られている。HSE及びSTRE配列の中で、HSP104, HSP78, HSP42プロモーターに内在するシスエレメントが長期のストレス応答特性に重要であると仮定した。プロモーターの下流に位置する遺伝子の5’-非翻訳領域(以下、5’-UTRとする)は、内在性のものを利用すればよいが、5’-UTRの末端は翻訳活性を決定することが知られており、Kozak配列と呼ばれる。酵母の場合、Kozak配列は-3位の塩基がAであることが最も翻訳活性が高く、最も高い翻訳活性を有する配列は-1位から-10位が5’-AATATTAAAA-3’(配列番号49)であることが知られている。また、長期のストレス下において、転写活性を維持し、遺伝子発現をさせるためには、HSE及びSTREが転写メディエータの足場として機能することが重要であるという仮定した。さらに、加えて、Glucose飢餓状態では、酵母は糖新生によって、例えばEthanolや酢酸等、通常エネルギー源として利用しない炭水化物を利用しすることで危機的状況を回避することができる。糖新生はGlucoseから生産するのではなく、逆に生産した物質から糖を作ろうとする、生産物の消費であるため、糖新生によって活性化するシスエレメントは人工プロモーター塩基配列から削除することが望ましい。以上を踏まえて、微生物による有用物質生産プロセスという過程は、高濃度の基質、宿主微生物にとって最適ではない温度、さまざまな阻害的要因、主要炭素源であるGlucoseの取り合いの結果、Glucose飢餓状態になること等から生産を行う微生物には負荷のかかる状態を余儀なくされるものであることを考慮し、そのような状況において強い遺伝子発現を行うことが可能な人工プロモーターの設計基本戦略を以下のとおり考案した。
(1)pHSP26をベースに、pHSP42, pHSP78, pHSP104に内在するHSE及びSTRE塩基配列を含む周辺塩基配列を並べて500bpにしたものを出発点とする。
(2)長期のストレス応答特性に重要であると仮定した。不完全なHSE及びSTREはすべて完全なHSE及びSTRE配列に置換する。
(3)HSE及びSTRE塩基配列は、TATA-boxの上流に配置し、各シスエレメントは直接隣接(タンデムリピート)させるのではなく、1bp以上、100bp以下の間隔を置いて配置する。
(4)HSEとSTREは可能な限り交互に配置する
(5)翻訳活性を向上するために、プロモーター下流の5’-UTRはHSP26のものを用いることとするが、これである必要は無い。ただし、-1から-10位の塩基配列を酵母において最も高い翻訳効率を有すると考えられる最適Kozak配列5’-AATATTAAAA-3’に置換する
(6)一般的に転写活性を向上する可能性があるactivatorと考えられる転写因子Met31/32, Rgt1, Cad1, Cin5/Yap4, Yap1の結合するシスエレメントのコンセンサス配列(表3)を追加する。
(7)Glucose存在下で抑制的に作用する、また糖新生に関与すると考えられている転写因子Rap1, Nrg1, Gln3, Hap4/5, Adr1, Mig1, Mot3, Snf1の結合するシスエレメントのコンセンサス配列(表4)が生じないように、類似配列も含めて置換あるいは欠損により削除する。
(8)推定される転写開始点とタンパク質のコード領域との間に、予期せぬ翻訳開始アミノ酸であるメチオニンをコードするATG配列が含まれないようにする。もし、不測のATGが生成された場合には、置換あるいは欠損により削除する。
(9)改変の仕方は、塩基・領域の置換(replacement)、挿入(insertion)、削除(deletion)、移動(move)の4方法によるものとする。
この戦略に従って、37塩基・領域の置換37箇所、挿入9箇所、削除33箇所、移動1箇所の合計80ステップの改変(表5)によって、ストレス応答プロモーターを設計した。
From the above results, it was not possible to find a relationship with the stress response intensity and duration regarding the arrangement and number of HSE and STRE. In addition, an artificial promoter in which HSE and STRE are designed in a tandem repeat form is known as a core promoter, but it is known that its transcriptional activity and stress response are not high. Among the HSE and STRE sequences, it was hypothesized that the cis elements internal to the HSP104, HSP78, HSP42 promoters are important for long-term stress response properties. The 5'-untranslated region of the gene located downstream of the promoter (hereinafter referred to as 5'-UTR) may be an endogenous one, but the 5'-UTR end should determine the translation activity. Is known and called the Kozak array. In the case of yeast, the Kozak sequence has the highest translational activity when the base at the -3 position is A, and the sequence having the highest translational activity is 5'-AATATTAAAA-3' (SEQ ID NO: 49). We also hypothesized that it is important that HSE and STRE function as scaffolds for transcription mediators in order to maintain transcriptional activity and gene expression under long-term stress. In addition, in addition to Glucose starvation, yeast can avoid critical situations by gluconeogenesis, utilizing carbohydrates that are not normally used as energy sources, such as Ethanol and acetic acid. Since gluconeogenesis is not the production from Glucose but is the consumption of the product that tries to make sugar from the substance produced in the opposite, it is desirable to delete the cis element activated by gluconeogenesis from the artificial promoter base sequence. . In light of the above, the process of producing useful substances by microorganisms results in Glucose starvation as a result of high concentration of substrate, suboptimal temperature for host microorganisms, various inhibitory factors, and competition for Glucose, which is a major carbon source. In consideration of the fact that the producing microorganisms are inevitably loaded, the following is a basic strategy for designing artificial promoters capable of performing strong gene expression in such situations. did.
(1) The starting point is a base sequence of pHSP26, pHSP42, pHSP78, and pHSP104, in which the peripheral base sequences including the HSE and STRE base sequences are aligned to form 500 bp.
(2) It was hypothesized to be important for long-term stress response characteristics. All incomplete HSE and STRE are replaced with complete HSE and STRE sequences.
(3) The HSE and STRE nucleotide sequences are arranged upstream of the TATA-box, and each cis element is not directly adjacent (tandem repeat), but is arranged at intervals of 1 bp or more and 100 bp or less.
(4) HSE and STRE are arranged alternately as much as possible. (5) In order to improve translational activity, 5'-UTR downstream of the promoter is HSP26, but it is not necessary. However, the nucleotide sequence from position -1 to -10 is replaced with the optimal Kozak sequence 5'-AATATTAAAA-3', which is considered to have the highest translation efficiency in yeast (6). A consensus sequence (Table 3) of cis elements binding to transcription factors Met31/32, Rgt1, Cad1, Cin5/Yap4, and Yap1, which are considered to be certain activators, is added.
(7) Consensus sequence of cis elements that bind to transcription factors Rap1, Nrg1, Gln3, Hap4/5, Adr1, Mig1, Mot3, Snf1 that are thought to be inhibitory in the presence of Glucose and involved in gluconeogenesis To prevent (Table 4) from occurring, the similar sequences are deleted by substitution or deletion.
(8) The ATG sequence encoding methionine, which is an unexpected translation initiation amino acid, should not be included between the putative transcription initiation point and the coding region of the protein. If an unexpected ATG is generated, delete it by replacing or deleting it.
(9) The method of modification is based on the four methods of base/region substitution (replacement), insertion (deletion), deletion (deletion), and movement (move).
According to this strategy, a stress-responsive promoter was designed by modifying 37 bases/regions at 37 positions for replacement, 9 positions for insertion, 33 positions for deletion, and 1 position for migration (Table 5) for a total of 80 steps.
419 bpの転写調節領域及び61bpの5’-UTRを含む480 bpの塩基配列をpSynSR480と名づけ、人工遺伝子により合成した(ユーロフィンジェノミクス社)。pSynSR480において、転写因子が結合すると予測される部位の構成については図1に、塩基配列は表6に示す。
(6.ストレス応答プロモーターpSynSR480に最も類似する塩基配列の探索)
上記によって設計された塩基配列に類似の配列が自然界に存在するかどうかを検証するために、61 bpの5’-UTRを除くpSynSR480の転写制御に関与する419 bpの塩基配列を問い合わせ配列として、BLASTプログラム(NCBI: National Center for Biotechnology Information, https://blast.ncbi.nlm.nih.gov/Blast.cgi)によりデータベースに登録されている全塩基配列の検索を行ったところ、上位50件、すべてSaccharomyces cerevisiaeの株のgenomic DNAが該当したが、いずれも類似する部分は両端に限局していた。(6. Search for a nucleotide sequence most similar to the stress response promoter pSynSR480)
In order to verify whether a sequence similar to the nucleotide sequence designed above exists in nature, a 419 bp nucleotide sequence involved in transcriptional control of pSynSR480 excluding 61 bp 5'-UTR was used as a query sequence, BLAST program (NCBI: National Center for Biotechnology Information, https://blast.ncbi.nlm.nih.gov/Blast.cgi) was searched for all the nucleotide sequences registered in the database, the top 50, All of them corresponded to the genomic DNA of Saccharomyces cerevisiae strains, but the similar portions were localized at both ends.
問い合わせ配列の最も長い部分169bpに対して、最も高い類似性(Score 118 bits)を示した配列は130bp(77%)であり、23bp(14%)のギャップを含んでいた。次に、候補が酵母に絞られたため、S288c株に対して同様にWU-BLAST検索(SGD)を行ったところ、得られた結果は3件のみであった。 The sequence showing the highest similarity (Score 118 bits) to the longest part of the query sequence, 169 bp, was 130 bp (77%) and contained a 23 bp (14%) gap. Next, since the candidates were narrowed down to yeast, the same WU-BLAST search (SGD) was performed on the S288c strain, and only 3 results were obtained.
最もScoreが高かった結果(Score 81.1bits)に対する相同性(identities)は265bp/419bp(63%)、34bp/419bp(8%)のギャップを含んでいた。この領域は設計の元となっているHSP26遺伝子のプロモーター内の404bpに相当する領域であった。このpHSP26 (404bp)内に予測される転写因子結合部位は、HSE1箇所のみであった(図2)。 The identities for the result with the highest score (Score 81.1 bits) included gaps of 265 bp/419 bp (63%) and 34 bp/419 bp (8%). This region was the region corresponding to 404 bp in the promoter of the HSP26 gene, which is the basis of the design. The predicted transcription factor binding site in pHSP26 (404 bp) was only one HSE (Fig. 2).
(7.プラスミドベクターの構築)
上記で設計されたストレス応答プロモーターpSynSR480を、我々がすでに取得しているClostridium phytofermentans由来Xylose異性化酵素遺伝子(CpXI;アクセクション番号ABX41597)の高活性型変異体(CpXImut2mut20)を相同組換えによりAUR1染色体部位に導入するためのプラスミドベクターを以下の手順で樹立した。
(1)酵母のAUR1染色体領域及びAUR1-C(Aureobasidin A耐性遺伝子、優性)を有するpAUR101ベクター(タカラバイオ)を鋳型とし、PK98及びPK106を用いて、PCR反応により直鎖化したDNA断片を増幅し、精製を行った。Xylose異性化酵素と酵母由来キシルロースリン酸化酵素ScXKS1を発現するためのプラスミドベクターpAUR101-pHSP12-CpXI-CYC1t-XKS1-pPGK1を用いた(プラスミド番号1、図3)。
(2)上記プラスミドベクターは双方向性に作用しうるCYC1ターミネーターが用いられているが、ScXKS1遺伝子のターミネーターを、より安定したmRNAとなるようにTEF1 ターミネーターのものに置換するために、IR-2idA30a株より抽出したゲノムDNAを鋳型として、PK99及びPK100を用いて、PCR反応によりDNA断片を増幅し、精製を行った。
(3)同様に、CpXIのターミネーターをADH1のものに置換するために、IR-2idA30a株より抽出したゲノムDNAを鋳型として、PK107及びPK108を用いて、PCR反応によりDNA断片を増幅し、精製を行った。
(4)In-Fusion反応によって、(2)〜(3)の2断片を(1)の直鎖プラスミドベクターにクローニングし、環状プラスミドベクターpAUR101-pHSP12-CpXI-ADH1t-TEF1t-XKS1-pPGK1(プラスミド番号2、図4)を構築した。
(5)In-Fusion反応後、この反応液を用いて大腸菌DH5αの形質転換を行い、Ampicillin添加LB平板培地において一晩培養を行い、形質転換体クローンを取得した。このクローンを一晩Ampicillin添加LB培地において一晩培養を行い、pAUR101-pHSP12-CpXI-ADH1t-TEF1t-XKS1-pPGK1プラスミドDNAを抽出した。また、取得したプラスミドベクターの塩基配列をサンガーシーケンス法により正しいことを確認した。
(6)pAUR101-pHSP12-CpXI-ADH1t-TEF1t-XKS1-pPGK1プラスミドDNAを鋳型として、P97及びP107を用いてPCR反応、精製を行い、CpXI遺伝子のプロモーター領域を欠損させた直鎖DNA断片を取得した。
(7)Xylose異性化酵素遺伝子変異体CpXIを発現させるためのプロモーターとして、従来用いられてきた強力なプロモーター3-phosphoglycerate kinase 1遺伝子プロモーターpPGK1及び上記により設計した新規ストレス応答プロモーターpSynSR480をXylose異性化酵素遺伝子の上流に挿入するために、それぞれPK97及びPK115ならびにPK117及びPK118を用いてPCR反応を行い、プロモーターDNA断片を取得した。
(8)In-Fusion反応によって、(7)で取得したプロモーターDNA断片pPGK1及びpSynSR480を、それぞれ(6)の直鎖プラスミドベクターにクローニングした。
(9)In-Fusion反応後、これらの反応液を用いて大腸菌DH5αの形質転換を行い、Ampicillin添加LB平板培地において一晩培養を行い、形質転換体クローンを取得した。このクローンを一晩アンピシリン添加LB培地において一晩培養を行い、pAUR101-pPGK1-CpXI-ADH1t-TEF1t-XKS1-pPGK1(プラスミド番号3、図5)プラスミドDNA及びpAUR101-pSynSR480-CpXI-ADH1t-TEF1t-XKS1-pPGK1(プラスミド番号4、図6)プラスミドDNAを抽出した。取得したプラスミドベクターの塩基配列をサンガーシーケンス法により正しいことを確認した(ユーロフィンゲノミクス社)。
(10)プラスミド番号3及4のプラスミドベクターをAUR1-C遺伝子内に1箇所存在する制限酵素StuIにより直鎖化し、アガロースゲル電気泳動により分離し、当該バンドを切り出した上で、QIAquick Gel Extraction Kit(キアゲン社)を用いて精製した。精製されたDNA 1ugを用いて、酵母KEF180株(MATa hoΔ::loxP gre3Δ::kanMX-loxP、表7:株番号2)の形質転換を行った。形質転換は、酢酸リチウム法により行い、Aureobasidin A添加YPD平板培地によって30℃において3日間培養を行い、形質転換体クローンの選択を行った。これらの株をKEF205(コントロール)、KEF206と名づけた。これら2つの株の差異は、Xylose異性化酵素遺伝子CpXIを発現するためのプロモーターがpPGK1であるか、pSynSR480であるかのみである。(7. Construction of plasmid vector)
Using the stress-responsive promoter pSynSR480 designed above, a highly active mutant (CpXImut2mut20) of Clostridium phytofermentans-derived Xylose isomerase gene (CpXI; accession number ABX41597) that we have already obtained is homologously recombined into AUR1 chromosome. A plasmid vector for introduction into the site was established by the following procedure.
(1) Using the pAUR101 vector (Takara Bio) having the yeast AUR1 chromosomal region and AUR1-C (Aureobasidin A resistance gene, dominant) as a template, PK98 and PK106 were used to amplify a linearized DNA fragment by PCR reaction And purified. A plasmid vector pAUR101-pHSP12-CpXI-CYC1t-XKS1-pPGK1 for expressing Xylose isomerase and yeast-derived xylulose phosphatase ScXKS1 was used (plasmid No. 1, FIG. 3).
(2) The above plasmid vector uses a CYC1 terminator that can act bidirectionally. In order to replace the terminator of the ScXKS1 gene with that of the TEF1 terminator so as to obtain a more stable mRNA, IR-2idA30a Using the genomic DNA extracted from the strain as a template, PK99 and PK100 were used to amplify a DNA fragment by a PCR reaction and purification was performed.
(3) Similarly, in order to replace the terminator of CpXI with that of ADH1, using genomic DNA extracted from the IR-2idA30a strain as a template, PK107 and PK108 were used to amplify a DNA fragment by PCR reaction and purification. went.
(4) The two fragments of (2) to (3) were cloned into the linear plasmid vector of (1) by In-Fusion reaction, and circular plasmid vector pAUR101-pHSP12-CpXI-ADH1t-TEF1t-XKS1-pPGK1 (plasmid No. 2, FIG. 4) was constructed.
(5) After the In-Fusion reaction, Escherichia coli DH5α was transformed using this reaction solution, and cultured overnight in LB plate medium containing Ampicillin to obtain a transformant clone. This clone was cultured overnight in LB medium containing Ampicillin, and pAUR101-pHSP12-CpXI-ADH1t-TEF1t-XKS1-pPGK1 plasmid DNA was extracted. Moreover, it was confirmed by the Sanger sequence method that the nucleotide sequence of the obtained plasmid vector was correct.
(6) pAUR101-pHSP12-CpXI-ADH1t-TEF1t-XKS1-pPGK1 plasmid DNA as a template, PCR reaction and purification using P97 and P107 to obtain a linear DNA fragment lacking the promoter region of CpXI gene did.
(7) As a promoter for expressing the Xylose isomerase gene mutant CpXI, the conventionally used strong promoter 3-
(8) The promoter DNA fragments pPGK1 and pSynSR480 obtained in (7) were each cloned into the linear plasmid vector of (6) by In-Fusion reaction.
(9) After the In-Fusion reaction, Escherichia coli DH5α was transformed using these reaction solutions, and cultured overnight in LB plate medium containing Ampicillin to obtain a transformant clone. This clone was cultured overnight in LB medium containing ampicillin, and pAUR101-pPGK1-CpXI-ADH1t-TEF1t-XKS1-pPGK1 (
(10) The plasmid vectors of
本実施例において使用した工業用酵母株の名称とその遺伝型を表7に示す。
(8.YPDX擬似糖化液を用いた発酵試験)
ストレス応答プロモーターpSynSR480の転写活性を評価するために、酵母において高いXylose異性化活性を有するXylose異性化酵素変異体(以下、CpXI)を当該プロモーターによって発現するKEF206株、コントロールとして従来、強い遺伝子発現が可能とされるPGK1プロモーターによって同様にCpXIを発現するKEF205株を用いて、YPDX擬似糖化液によるEthanol発酵試験を以下の手順に従って行った。(8. Fermentation test using YPDX simulated saccharified solution)
In order to evaluate the transcriptional activity of the stress response promoter pSynSR480, a KEF206 strain expressing a Xylose isomerase mutant having high Xylose isomerization activity in yeast (hereinafter, CpXI) by the promoter, conventionally, a strong gene expression as a control is used. Using the KEF205 strain that also expresses CpXI by the enabled PGK1 promoter, an Ethanol fermentation test using a YPDX pseudo saccharified solution was performed according to the following procedure.
(1)接種細胞の調製
あらかじめAureobasidin A含有YPD平板培地に展開しておいたKEF205及びKEF206株を、2mLのAureobasidin A含有YPD培地(14mL 試験管)に植菌し、30℃、150rpmで1日間振盪培養を行った(前々培養)。前々培養液全量を20mLのYPD培地(100mLバッフル付きフラスコ)に植菌し、1日間、30℃、135rpm振盪培養を行った(前培養)。前培養液全量を、遠心分離(3,000rpm、5分、4℃)によって酵母細胞を集菌し、10mLのYPDX疑似糖化液に再懸濁し、吸光度A600を測定した(Smart Spec、バイオラッド社)。この数値を元に希釈を行い、最終的な細胞濃度がODA600=30になるように調製した。(1) Preparation of inoculated cells KEF205 and KEF206 strains, which had been developed in advance on Aureobasidin A-containing YPD plate medium, were inoculated into 2 mL of Aureobasidin A-containing YPD medium (14 mL test tube), and at 30°C, 150 rpm for 1 day. Shaking culture was performed (pre-preculture). 20 mL of YPD medium (100 mL baffled flask) was inoculated with the whole amount of the pre-pre-preculture medium and cultivated with shaking at 135° C. and 135 rpm for 1 day (pre-culture). The total amount of the preculture solution was collected by centrifugation (3,000 rpm, 5 minutes, 4° C.) to collect the yeast cells, resuspended in 10 mL of YPDX pseudo saccharified solution, and the absorbance A600 was measured (Smart Spec, Bio-Rad). .. Dilution was performed based on this value, and the final cell concentration was adjusted to OD A600 =30.
(2)発酵試験
100mLフラスコに、あらかじめ60mLの疑似糖化液YPDXを加え、(1)で調製した細胞懸濁液を7mL接種した。培養液の全量を70mLとし、発酵試験開始時の細胞濃度はODA600=3とした。本発酵試験は、Ethanol生産量を最大にするために、微好気条件で行うこととし、サンプリング及び発酵中に発生する二酸化炭素等のガスを排気するため、サンプリング用注射針(テルモ社、21G, 90mm)及び通気用注射針(テルモ社、21G)を貫通したソフトシリコン栓(無通気)を用いて、フラスコを閉栓し、38℃、135rpm、気相インキュベーター(タイテック社、BR-40LF)において72時間振盪培養を行った。(2) Fermentation test
To a 100 mL flask, 60 mL of the pseudo saccharification solution YPDX was added in advance, and 7 mL of the cell suspension prepared in (1) was inoculated. The total volume of the culture solution was 70 mL, and the cell concentration at the start of the fermentation test was ODA600=3. This fermentation test is conducted under microaerobic conditions to maximize the production of Ethanol, and in order to exhaust gases such as carbon dioxide generated during sampling and fermentation, a sampling injection needle (Terumo Co., 21G , 90 mm) and an aeration needle (Terumo Co., 21G) penetrating a soft silicone stopper (non-vented), the flask was closed and at 38° C., 135 rpm, in a gas phase incubator (Titech Co., BR-40LF). Shaking culture was performed for 72 hours.
(3)サンプリング
サンプリング用注射針の上部に三方活栓(テルモ株式会社)を連結し、サンプリング時のみコックを開栓し、2.5mLの注射筒を用いて、培養開始後、1、3、6、13、27、36、48、60、72時間の各時間に無菌的に約0.5mLずつサンプリングを行った。採取した培養液は、すぐさま氷冷し、冷却機付き高速遠心機を用いて、15,000rpm、5分、4℃にて遠心分離を行い、沈殿した菌体を含まないように上澄を約400uLを、新しいエッペンドルフチューブに移し、HPLC測定までの間、-30℃メディカルフリーザーにて凍結保存した。(3) Sampling A three-way stopcock (Terumo Co., Ltd.) was connected to the upper part of the sampling needle, the cock was opened only at the time of sampling, and a 2.5 mL syringe was used to start
(9.HPLCによる糖、糖アルコール、有機酸、アルコールの定量)
サンプリングした培養液中のGlucose、Xylose、Xylitol、Glycerol、AcetateおよびEthanol濃度を定量するため、高速液体クロマトグラフィー(HPLC)を用いて測定を行った。測定にはAminex HPX-87Cカラム(バイオラッド社)および Cation H Refill Guard カラム(バイオラッド社)、示差屈折計(日本分光株式会社)を装備したHPLC LC-2000Plusシリーズ(日本分光株式会社)を用いた。5mM H2SO4を移動相として、流速0.6mL/分、温度65℃、投入サンプル量25uLの条件で各成分を分離した。Glucose、Xylose、Xylitol、Glycerol、AcetateおよびEthanolを、それぞれ2% (w/v)、1% (w/v)、0.1%(w/v)、0.01%(w/v)の濃度で混合した標準物質溶液を用いて同様に測定を行い、各成分のピーク面積より検量線を取得した。培養液サンプル中に含まれる各物質の濃度は、HPLC測定により得られた面積から、検量線を用いて算出した。AcetateおよびEthanolなどの揮発性成分の測定誤差を減らすために、標準物質溶液は必要容量分をエッペンドルフチューブに分注したものを-30℃メディカルフリーザーにおいて冷凍保存したものを用いた。(9. Determination of sugar, sugar alcohol, organic acid and alcohol by HPLC)
In order to quantify the concentrations of Glucose, Xylose, Xylitol, Glycerol, Acetate and Ethanol in the sampled culture medium, measurement was performed using high performance liquid chromatography (HPLC). Aminex HPX-87C column (Bio-Rad) and Cation H Refill Guard column (Bio-Rad) and HPLC LC-2000Plus series (JASCO Corporation) equipped with a differential refractometer (JASCO Corporation) are used for measurement. I was there. Using 5 mM H 2 SO 4 as a mobile phase, each component was separated under the conditions of a flow rate of 0.6 mL/min, a temperature of 65° C., and an input sample amount of 25 uL. Glucose, Xylose, Xylitol, Glycerol, Acetate and Ethanol were mixed at concentrations of 2% (w/v), 1% (w/v), 0.1% (w/v) and 0.01% (w/v), respectively. The same measurement was performed using the standard substance solution, and a calibration curve was obtained from the peak areas of the respective components. The concentration of each substance contained in the culture solution sample was calculated from the area obtained by the HPLC measurement using a calibration curve. In order to reduce the measurement error of volatile components such as Acetate and Ethanol, the standard solution was prepared by dispensing the required volume into an Eppendorf tube, which was frozen and stored in a -30°C medical freezer.
(10.YPDX擬似糖化液発酵試験の結果)
セルロース系バイオマス糖化液を模倣したGlucose(85g/L)、Xylose(35g/L)を含むYPDX擬似糖化液を用いた発酵試験の結果を図7、表8及び表9に示す。
The results of the fermentation test using the YPDX pseudo-saccharified solution containing Glucose (85 g/L) and Xylose (35 g/L) imitating the cellulosic biomass saccharified solution are shown in FIG. 7, Table 8 and Table 9.
図7A及びBを比較すると明らかなように、新規に設計されたストレス応答プロモーターpSynSR480を用いてXylose異性化酵素遺伝子CpXIを発現するKEF206株のXylose消費速度は、PGK1プロモーターを用いて同遺伝子を発現するKEF205株のXylose消費速度に比べて著しく速くなっていた。また、それに応じて、Ethanol生産性も向上していた。発酵72時間において、KEF206株は初期のXylose量36.24 g/Lをすべて消費していたが(表9)、KEF205株はすべてを消費できず、7.20g/L残していた(表8)。同様に、KEF206株の72時間におけるEthanol生産性が0.783g/L/hであったのに対し(表9)、KEF205株は、0.702g/L/hであった(表8)。これはEthanol生産性12%の向上に相当する。KEF206株の投入糖あたりのEthanol変換効率が91%である(表9)のに対し、KEF205株は82%であった(表8)。これは、Ethanol収率11%の向上に相当する。一方、KEF206株の消費糖あたりのEthanol変換効率が91%である(表9)のに対し、KEEF205株は90%であった(表8)。消費糖あたりのEthanol変換効率、すなわち、酵母が取り込んで消費した糖をEthanolに変換する効率は、いずれも同程度であることから、Xylose異性化酵素以外のXylose代謝に関与する代謝酵素の活性には変化がないことが示唆される。以上の結果から、KEF206株におけるEthanol生産性能の向上は、Xylose消費性能の向上の結果、消費されるXyloseの量が増加したことによると考えられる。Xyloseの消費速度の増加は、Xylose代謝経路における最初のXylose代謝遺伝子、Xylose異性化酵素が律速になっており、ストレス応答プロモーターによってXylose異性化酵素遺伝子の転写活性が向上した結果、Xylose異性化酵素量が増加したことによるものと結論付けられ、従来、もっとも高い遺伝子が発現可能とされてきた酵母のPGK1プロモーターよりも、Ethanol発酵生産プロセスに適した、高い転写活性を有することが明らかになった。 As is clear from comparison between FIGS. 7A and 7B, the Xylose consumption rate of the KEF206 strain expressing the Xylose isomerase gene CpXI using the newly designed stress responsive promoter pSynSR480 was found to express the same gene using the PGK1 promoter. It was significantly faster than the Xylose consumption rate of the KEF205 strain. Also, Ethanol productivity was correspondingly improved. At 72 hours of fermentation, the KEF206 strain consumed all 36.24 g/L of the initial amount of Xylose (Table 9), but the KEF205 strain could not consume all the amount, leaving 7.20 g/L (Table 8). Similarly, the 72-hour Ethanol productivity of the KEF206 strain was 0.783 g/L/h (Table 9), whereas the KEF205 strain was 0.702 g/L/h (Table 8). This corresponds to a 12% increase in Ethanol productivity. The KEF206 strain had an Ethanol conversion efficiency per input sugar of 91% (Table 9), whereas the KEF205 strain had 82% (Table 8). This corresponds to an increase in the Ethanol yield of 11%. On the other hand, the KEF206 strain had an ethanol conversion efficiency of 91% per consumed sugar (Table 9), whereas the KEEF205 strain had 90% (Table 8). The conversion efficiency of Ethanol per consumed sugar, that is, the efficiency of converting the sugar taken up by the yeast and consumed to Ethanol, is almost the same, and therefore, the activity of metabolic enzymes other than Xylose isomerase involved in Xylose metabolism is Suggests that there is no change. From the above results, it is considered that the improvement in Ethanol production performance in the KEF206 strain is due to the increase in the amount of Xylose consumed as a result of the improvement in Xylose consumption performance. The increase in the consumption rate of Xylose is controlled by the first Xylose metabolic gene, Xylose isomerase in the Xylose metabolic pathway, and the transcriptional activity of the Xylose isomerase gene was improved by the stress-responsive promoter. It was concluded that it was due to the increased amount, and it was revealed that it has a higher transcriptional activity suitable for the Ethanol fermentation production process than the yeast PGK1 promoter, which has been capable of expressing the highest gene in the past. ..
Ethanol生産性(g/L/h)は、生産されたEthanol濃度を発酵時間で割ったものであり、式[1]により与えられる。ここでは、最大Ethanolを生産する72時間における数値を示している。
式[1] Ethanol生産性(g/L/h)=当該発酵時間のEthanol濃度(g/L)÷発酵時間(h)
また、発酵試験におけるEthanol収率(g/g)は、式[2]により与えられる。
式[2] Ethanol収率(g/g)=生産されたEthanol質量(g)÷投入した糖の総質量(g)
Ethanol変換効率(%)は、Ethanol収率の理論最大値である理論Ethanol収率(g/g)に対する、実際の発酵試験で得られたEthanol収率(g/g)の比に100を乗じたもので、式[3]により与えられる。GlucoseからEthanol、XyloseからEthanolへの理論Ethanol収率(g/g)は、いずれも0.51である。
式[3] Ethanol変換効率(%)=Ethanol収率(g/g)÷理論Ethanol収率(g/g)×100 Ethanol productivity (g/L/h) is the concentration of Ethanol produced divided by fermentation time and is given by equation [1]. Here, the values at 72 hours of producing maximum Ethanol are shown.
Formula [1] Ethanol productivity (g/L/h) = Ethanol concentration at the fermentation time (g/L) ÷ fermentation time (h)
The Ethanol yield (g/g) in the fermentation test is given by the formula [2].
Formula [2] Ethanol yield (g/g) = Mass of Ethanol produced (g) / Total mass of input sugar (g)
Ethanol conversion efficiency (%) is the ratio of the Ethanol yield (g/g) obtained in the actual fermentation test to the theoretical Ethanol yield (g/g), which is the theoretical maximum value of the Ethanol yield, multiplied by 100. Which is given by equation [3]. The theoretical Ethanol yield (g/g) from Glucose to Ethanol and from Xylose to Ethanol is 0.51.
Formula [3] Ethanol conversion efficiency (%) = Ethanol yield (g/g) ÷ theoretical Ethanol yield (g/g) × 100
(11.水酸化ナトリウム処理サトウキビバガスを用いた同時糖化併行複発酵試験)
上記のYPDX擬似糖化液を用いた発酵試験は、セルロース系バイオマスから生成されるバイオマス糖化液を模倣した、糖などの成分組成が明らかな実験用試薬から構成されている糖化液発酵プロセス(SHF)であった。一方、セルロース系バイオマスエタノールの工業生産は、糖化液発酵プロセス以外に、糖化反応と発酵反応を同時に行う工業プロセスとして、同時糖化併行複発酵プロセス(SSCF)があることはすでに述べたとおりである。ストレス応答プロモーターが、セルロース系バイオマスを基質とする発酵プロセスにおいて、高いXylose資化性能及びEthanol生産性の向上をもたらすXylose異性化酵素遺伝子の発現を向上することが可能であることを示すために、以下の実験を行った。(11. Simultaneous simultaneous saccharification and parallel fermentation test using sugar cane bagasse treated with sodium hydroxide)
Fermentation test using the above YPDX simulated saccharified solution is a saccharified solution fermentation process (SHF) that is composed of laboratory reagents whose component composition such as sugar mimics the saccharified solution of biomass produced from cellulosic biomass. Met. On the other hand, as described above, in the industrial production of cellulosic biomass ethanol, the simultaneous saccharification and parallel multiple fermentation process (SSCF) is an industrial process that simultaneously performs the saccharification reaction and the fermentation reaction, in addition to the saccharified liquid fermentation process. In order to show that the stress-responsive promoter can improve the expression of the Xylose isomerase gene, which leads to high Xylose assimilation performance and improvement of Ethanol productivity in the fermentation process using cellulosic biomass as a substrate, The following experiment was conducted.
(1)基質
セルロース系バイオマスの基質としては、トウモロコシ、サトウキビ、ヤシなどさまざまな植物の非可食部位が利用可能であると考えられている。ここでは、代表的な基質として、サトウキビバガス粉砕物を、水酸化ナトリウム水熱処理の後に、水洗浄を行って固体成分を分取したものを使用した(日揮株式会社)。この固体成分は、セルロース53.50%、ヘミセルロース18.60%、リグニンその他灰分など35.95%が含まれ、水分含有率は72.61%であった。Glucoseはセルロース(グルカン)から、Xyloseはヘミセルロース(キシラン)から生成されると仮定すると、これらが糖化酵素(セルラーゼ、ヘミセルラーゼ)によって完全糖化された場合、乾燥固体バイオマスからGlucose及びXyloseが約141g/L供給される量の基質を用いることとした。これは、85%糖化の場合、YPDX擬似糖化液発酵試験で用いた糖濃度120g/Lに相当する糖が供給されることに他ならない。(1) Substrate It is considered that non-edible parts of various plants such as corn, sugar cane and palm can be used as a substrate for cellulosic biomass. Here, as a typical substrate, a pulverized product of sugarcane bagasse was used, which was subjected to hydrothermal treatment with sodium hydroxide and then washed with water to separate solid components (JGC Corporation). This solid component contained 53.50% cellulose, 18.60% hemicellulose, 35.95% lignin and other ash, and the water content was 72.61%. Assuming that Glucose is produced from cellulose (glucan) and Xylose from hemicellulose (xylan), when these are fully saccharified by saccharifying enzymes (cellulases, hemicellulases), Glucose and Xylose from the dry solid biomass are about 141 g/x. L It was decided to use the amount of substrate supplied. This is nothing but supplying sugar corresponding to the sugar concentration of 120 g/L used in the YPDX pseudo-saccharified liquid fermentation test in the case of 85% saccharification.
(2)糖化酵素
糖化酵素は、セルロース(グルカン)からGlucoseを生成するセルラーゼに加えて、ヘミセルロース(キシラン)からXyloseを生成可能なヘミセルラーゼを含むJN24を用いた(花王株式会社)。乾燥セルロース・ヘミセルロース質量あたり8.7mgのタンパク質を含む酵素液を1Xとして使用した。(2) Saccharifying enzyme As the saccharifying enzyme, JN24 containing hemicellulase capable of producing Xylose from hemicellulose (xylan) was used in addition to cellulase producing Glucose from cellulose (glucan) (Kao Corporation). An enzyme solution containing 8.7 mg of protein per mass of dry cellulose/hemicellulose was used as 1X.
(3)接種細胞の調製
KEF205及びKEF206株を、2mLのAureobasidin A含有YPD培地(14mL 試験管)に植菌し、30℃、150rpmで1日間振盪培養を行った(前々培養)。前々培養液全量を20mLのYPD培地(100mLバッフル付きフラスコ)に植菌し、1日間、30℃、135rpm振盪培養を行った(前培養)。前培養液全量を、遠心分離(3,000rpm、5分、4℃)によって酵母細胞を集菌し、50mLの滅菌水により洗浄、遠心分離の後、10mLの滅菌水に再懸濁し、吸光度A600を測定した(Smart Spec、バイオラッド社)。(3) Preparation of inoculated cells
The KEF205 and KEF206 strains were inoculated into 2 mL of Aureobasidin A-containing YPD medium (14 mL test tube), and shake culture was performed at 30° C. and 150 rpm for 1 day (pre-preculture). 20 mL of YPD medium (100 mL baffled flask) was inoculated with the whole amount of the pre-pre-preculture medium, and cultured at 30° C. with 135 rpm shaking for 1 day (pre-culture). The total amount of the preculture solution was collected by centrifugation (3,000 rpm, 5 minutes, 4°C) to collect the yeast cells, washed with 50 mL of sterilized water, centrifuged, and resuspended in 10 mL of sterilized water to obtain the absorbance A600. Measured (Smart Spec, Bio-Rad).
(4)同時糖化併行複発酵試験
赤外線水分計(FD-720、株式会社ケツト科学研究所)を用いてサトウキビバガス前処理物の実験当日水分率(%)を測定し、100から水分率を引いた値により固形分率(%)を求めた。この固形分率から、上記(1)で示したとおり完全糖化時に141g/Lの糖を供給可能な量のサトウキビバガス前処理物を秤量し、プラスティック製細胞培養用フラスコ(疎水性フィルター付キャップ、AGCテクノグラス株式会社)に入れた後、滅菌水、糖化酵素(1X〜4X)、pH調整のために25mM希硫酸(SIGMA)を投入した、最後に、発酵試験開始時の細胞濃度がOD=3になるように細胞溶液を投入し、均一になるように攪拌した。以上により、総溶液量は20mL、スラリー濃度は約20%(w/v)、初期pHは5になるようにセットアップを行った。酸素制限を行うため、これらのフラスコをチャック付の酸素不透過性のビニールバッグ(三菱ガス化学株式会社)に二重に入れ、密封した上で、38℃の気相インキュベーター(TAITEC社、BR-40LF)において同時糖化併行複発酵試験を行った。細胞増殖あるいはEthanol発酵に伴い発生する二酸化炭素等のガスによりビニールバッグが膨らみ、破裂するのを防ぐために、適宜ガス抜きを行った。(4) Simultaneous simultaneous saccharification and double fermentation test Using an infrared moisture meter (FD-720, Ketsuto Scientific Laboratory Co., Ltd.), measure the moisture content (%) on the day of the experiment of the sugarcane bagasse pretreated product, and subtract the moisture content from 100. The solid content rate (%) was calculated from the measured values. From this solid content, the sugarcane bagasse pretreatment product in an amount capable of supplying 141 g/L sugar at the time of complete saccharification was weighed from the solid content, and a plastic cell culture flask (cap with a hydrophobic filter, AGC Techno Glass Co., Ltd.), then, sterilized water, saccharifying enzyme (1X ~ 4X), 25 mM dilute sulfuric acid (SIGMA) was added for pH adjustment, finally, the cell concentration at the start of the fermentation test OD The cell solution was added so that the amount became 3, and the mixture was stirred so as to be uniform. From the above, setup was performed so that the total solution amount was 20 mL, the slurry concentration was about 20% (w/v), and the initial pH was 5. In order to perform oxygen limitation, these flasks were doubly placed in an oxygen-impermeable vinyl bag with a chuck (Mitsubishi Gas Chemical Co., Inc.), and after sealing, a 38°C gas phase incubator (TAITEC, BR- 40LF) was carried out at the same time. In order to prevent the vinyl bag from inflating and bursting due to gas such as carbon dioxide generated by cell growth or Ethanol fermentation, degassing was appropriately performed.
(5)サンプリング
Ethanol発酵は、酸素存在下では著しく生産量・生産性が低下することが知られているため、サンプリングによる酸素流入を極力防ぐために、発酵120時間において、1フラスコあたり1回のサンプリングのみ行った。各時間において、約1.0mLずつ発酵残渣を含む発酵溶液を分取し、エッペンドルフチューブに移したのち、速やかに氷冷し、冷却機付き高速遠心機を用いて、15,000rpm、30分、4℃にて遠心分離を行い、沈殿したバイオマス残渣を含まないように上澄を約 400〜600uLを新しいエッペンドルフチューブに移し、HPLC測定までの間、-30℃メディカルフリーザーにて凍結保存した。また、HPLCによる発酵溶液に含まれる糖、糖アルコール、有機酸、アルコール成分の定量は上記9と同様に行った。(5) Sampling
Ethanol fermentation is known to significantly reduce the production amount and productivity in the presence of oxygen. Therefore, in order to prevent oxygen inflow due to sampling as much as possible, sampling was performed only once per flask for 120 hours of fermentation. At each time, about 1.0 mL of the fermentation solution containing the fermentation residue was collected, transferred to an Eppendorf tube, and immediately cooled with ice, using a high-speed centrifuge with a cooler, 15,000 rpm, 30 minutes, 4°C. The supernatant was transferred to a new Eppendorf tube so as not to contain the precipitated biomass residue, and stored frozen in a -30°C medical freezer until HPLC measurement. The quantification of sugars, sugar alcohols, organic acids and alcohol components contained in the fermentation solution by HPLC was carried out in the same manner as in 9 above.
(12.水酸化ナトリウム処理サトウキビバガスを用いた同時糖化併行複発酵試験の結果)
KEF205株及びKEF206株による同時糖化併行複発酵試験の結果を図8、表10に示す。
The results of the simultaneous saccharification and parallel multiple fermentation test using the KEF205 and KEF206 strains are shown in FIG. 8 and Table 10.
なお、同時糖化併行複発酵試験では、糖化率を直接測定することは困難である。なぜならば、残渣を含む発酵溶液は、未糖化のセルロース・ヘミセルロースだけでなく、バイオマスに由来する雑多な副成分に加えて、酵母菌体も含まれる泥状のものである。そのため、この発酵溶液中に含まれる未糖化の糖量を直接定量することはできない。そのため、投入したセルロース・ヘミセルロースから生成された糖の量の比率、すなわち糖化率は、フラスコに投入されたバイオマスに含まれる総炭素量とHPLCによって測定された糖・有機酸・アルコール等に含まれる総炭素量の比率として計算することが可能で、次の式[4]によって与えられる。
式[4] 推定糖化率=(発酵溶液中の代謝産物等に含まれる炭素量)÷(投入したバイオマスに含まれる炭素量)
同時糖化併行複発酵プロセスの効率(SSCF効率)は、投入したバイオマスから最大生産されうる理論最大Ethanol量で割ったものであり、式[5]によって与えられる。
式[5] SSCF効率=生産Ethanol量÷理論最大Ethanol量
酵母に固有なEthanol発酵性能である推定変換効率は、次式[6]によって与えられる。
式[6] 推定Ethanol変換効率=SSCF効率÷推定糖化率In the simultaneous simultaneous saccharification and parallel fermentation test, it is difficult to directly measure the saccharification rate. This is because the fermentation solution containing the residue is not only unsaccharified cellulose/hemicellulose, but also a miscellaneous secondary component derived from biomass, and also a yeast cell. Therefore, the amount of unsaccharified sugar contained in this fermentation solution cannot be directly quantified. Therefore, the ratio of the amount of sugar produced from the input cellulose/hemicellulose, that is, the saccharification rate, is contained in the total carbon amount contained in the biomass input to the flask and the sugar/organic acid/alcohol etc. measured by HPLC. It can be calculated as a ratio of total carbon content and is given by the following equation [4].
Formula [4] Estimated saccharification rate = (carbon content in metabolites in the fermentation solution) / (carbon content in input biomass)
The efficiency of the simultaneous simultaneous saccharification and parallel multiple fermentation process (SSCF efficiency) is divided by the theoretical maximum Ethanol amount that can be maximally produced from the input biomass, and is given by the equation [5].
Formula [5] SSCF efficiency = amount of produced Ethanol ÷ theoretical maximum amount of Ethanol The estimated conversion efficiency, which is the ethanol-specific fermentation performance of Ethanol, is given by the following formula [6].
Formula [6] Estimated Ethanol conversion efficiency = SSCF efficiency ÷ Estimated saccharification rate
Claims (16)
(ii)少なくとも一つのストレス応答エレメントであるSTREと、
(iii)前記HSEおよび前記STREと異なるシスエレメントであって、ストレス条件下で発現が亢進する転写活性因子が結合するシスエレメントと
を含み、
前記(i)熱ショックエレメントであるHSE、および、(ii)ストレス応答エレメントであるSTREを少なくとも二つ以上含み、
前記HSEと前記STREとが交互に配置されている、ストレス応答プロモーター(ただし、前記ストレス応答プロモーターは、Glucose存在下で抑制的に作用する転写因子が結合するシスエレメント、および、糖新生に関与する転写因子が結合するシスエレメントであって、配列番号23〜47のいずれかで示されるコンセンサス配列を含むシスエレメントを含むものではない)。 (I) at least one heat shock element HSE,
(Ii) STRE, which is at least one stress response element,
(Iii) the A HSE and cis elements different from said STRE, viewed contains a cis element that binds the transcription activator expression under stress conditions is enhanced,
At least two or more of (i) the heat shock element HSE and (ii) the stress response element STRE,
A stress responsive promoter in which the HSE and the STRE are alternately arranged (however, the stress responsive promoter is involved in gluconeogenesis and a cis element to which a transcription factor that acts suppressively in the presence of Glucose binds. A cis element to which a transcription factor binds, and does not include a cis element containing the consensus sequence shown in any of SEQ ID NOs: 23 to 47 ).
(ii)少なくとも一つのストレス応答エレメントであるSTREと、
(iii)前記HSEおよび前記STREと異なるシスエレメントであって、ストレス条件下で発現が亢進する転写活性因子が結合するシスエレメントと
を含み、
前記ストレス条件下で発現が亢進する転写活性因子が、Met31/32、 Rgt1、Cad1、Cin5/Yap4、および、Yap1からなる群より選択される少なくとも一つの転写活性因子である、ストレス応答プロモーター(ただし、前記ストレス応答プロモーターは、Glucose存在下で抑制的に作用する転写因子が結合するシスエレメント、および、糖新生に関与する転写因子が結合するシスエレメントであって、配列番号23〜47のいずれかで示されるコンセンサス配列を含むシスエレメントを含むものではない)。 (I) at least one heat shock element HSE,
(Ii) STRE, which is at least one stress response element,
(Iii) a cis element different from the above HSE and STRE, which binds to a transcriptional activator whose expression is enhanced under stress conditions
Including,
The transcriptional activator whose expression is enhanced under the stress condition is at least one transcriptional activator selected from the group consisting of Met31/32, Rgt1, Cad1, Cin5/Yap4, and Yap1, a stress-responsive promoter (however, The stress-responsive promoter is a cis element to which a transcription factor that acts suppressively in the presence of Glucose binds, and a cis element to which a transcription factor involved in gluconeogenesis binds, which is any one of SEQ ID NOs: 23 to 47. Does not include cis elements containing the consensus sequence shown in .
(ii)少なくとも一つのストレス応答エレメントであるSTREと、
(iii)前記HSEおよび前記STREと異なるシスエレメントであって、ストレス条件下で発現が亢進する転写活性因子が結合するシスエレメントと
を含み、
前記(i)HSEが、配列番号16で示されるコンセンサス配列を含むシスエレメントであって、かつ、前記(ii)STREが、配列番号17で示されるコンセンサス配列を含むシスエレメントである、ストレス応答プロモーター(ただし、前記ストレス応答プロモーターは、Glucose存在下で抑制的に作用する転写因子が結合するシスエレメント、および、糖新生に関与する転写因子が結合するシスエレメントであって、配列番号23〜47のいずれかで示されるコンセンサス配列を含むシスエレメントを含むものではない)。 (I) at least one heat shock element HSE,
(Ii) STRE, which is at least one stress response element,
(Iii) a cis element different from the above HSE and STRE, which binds to a transcriptional activator whose expression is enhanced under stress conditions
Including,
A stress responsive promoter, wherein (i) HSE is a cis element containing the consensus sequence represented by SEQ ID NO: 16 and (ii) STRE is a cis element containing the consensus sequence represented by SEQ ID NO: 17. (However, the stress-responsive promoter is a cis element to which a transcription factor that acts suppressively in the presence of Glucose binds, and a cis element to which a transcription factor involved in gluconeogenesis binds. It does not contain cis-elements containing the consensus sequence shown by either) .
(ii)少なくとも一つのストレス応答エレメントであるSTREと、
(iii)前記HSEおよび前記STREと異なるシスエレメントであって、ストレス条件下で発現が亢進する転写活性因子が結合するシスエレメントと
を含み、
前記(iii)転写活性因子が結合するシスエレメントが、配列番号18〜22で示されるコンセンサス配列からなる群より選択されるコンセンサス配列を含むシスエレメントである、ストレス応答プロモーター(ただし、前記ストレス応答プロモーターは、Glucose存在下で抑制的に作用する転写因子が結合するシスエレメント、および、糖新生に関与する転写因子が結合するシスエレメントであって、配列番号23〜47のいずれかで示されるコンセンサス配列を含むシスエレメントを含むものではない)。 (I) at least one heat shock element HSE,
(Ii) STRE, which is at least one stress response element,
(Iii) a cis element different from the above HSE and STRE, which binds to a transcriptional activator whose expression is enhanced under stress conditions
Including,
A stress-responsive promoter (provided that the stress-responsive promoter is a cis element to which the transcription activator (iii) binds, which is a cis element containing a consensus sequence selected from the group consisting of consensus sequences represented by SEQ ID NOS: 18 to 22 Is a cis element to which a transcription factor that suppressively acts in the presence of Glucose binds, and a cis element to which a transcription factor involved in gluconeogenesis binds, and is a consensus sequence represented by any of SEQ ID NOs: 23 to 47. Not including cis elements) .
前記Glucose存在下で抑制的に作用する転写因子、および、糖新生に関与する転写因子がRap1、Nrg1、Gln3、Hap4/5、Adr1、Mig1、Mot3、および、Snf1である、ストレス応答プロモーター。 The stress responsive promoter according to any one of claims 1 to 5 ,
A stress-responsive promoter in which the transcription factors that act suppressively in the presence of Glucose and the transcription factors involved in gluconeogenesis are Rap1, Nrg1, Gln3, Hap4/5, Adr1, Mig1, Mot3, and Snf1.
(ii)少なくとも一つのストレス応答エレメントであるSTREであって、配列番号17に示されるコンセンサス配列を含むSTREと、
(iii)ストレス条件下で発現が亢進する転写活性因子が結合するシスエレメントであって、配列番号18〜22に示されるコンセンサス配列のいずれかを含むシスエレメントと
を含む、ストレス応答プロモーター(ただし、前記ストレス応答プロモーターは、配列番号23〜47に示されるコンセンサス配列を含むシスエレメントを含むものではない)。 (I) at least one heat shock element HSE comprising the consensus sequence shown in SEQ ID NO: 16;
(Ii) STRE, which is at least one stress response element, and which comprises the consensus sequence shown in SEQ ID NO:17;
(Iii) A stress-responsive promoter (including a cis element containing a consensus sequence represented by SEQ ID NOS: 18 to 22) which is a cis element to which a transcription activator whose expression is increased under stress conditions is bound (however, wherein the stress-responsive promoter does not contain the cis-element containing the consensus sequence shown in SEQ ID nO: 23-4 7).
さらに(iv)5’-非翻訳領域に配列番号49で示されるKozak配列を有する、ストレス応答プロモーター。 The stress responsive promoter according to any one of claims 1 to 7 ,
Furthermore, (iv) a stress responsive promoter having a Kozak sequence represented by SEQ ID NO: 49 in the 5'-untranslated region.
2-ミクロンプラスミドベクター、または、複製起点を保有するベクター。 The vector according to claim 9 , which is a shuttle vector between Escherichia coli or a eukaryotic cell,
2-micron plasmid vector or vector containing origin of replication.
請求項12に記載のベクターの一部または全部を含む微生物。 A microorganism for producing bioethanol using Xylose as a substrate,
A microorganism comprising part or all of the vector according to claim 12 .
(a)請求項14に記載の微生物を、Xyloseを含む培養液中で培養する工程を含む、方法。 A method for producing bioethanol using Xylose as a substrate,
(A) A method comprising a step of culturing the microorganism according to claim 14 in a culture solution containing Xylose.
前記工程(a)が、キシランおよびキシラナーゼの存在下で行われる糖化処理と同時に行われる、方法。 The method of claim 15 , wherein
The method wherein the step (a) is performed simultaneously with the saccharification treatment performed in the presence of xylan and xylanase.
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