JP6938633B2 - 5’−キサンチル酸を生産する微生物及びこれを用いた5’−キサンチル酸の製造方法 - Google Patents

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Description

本出願は、5’−キサンチル酸を生産する微生物及びこれを用いて5’−キサンチル酸を製造する方法に関する。
5’−キサンチル酸(5'-xanthosine monophosphate:XMP)は、核酸生合成代謝系の中間物質であって、動植物の体内で生理的に重要な意味があるだけでなく、食品、医薬品及び各種医療的用途に多方面で利用されている。特に、グルタミン酸ナトリウム(MSG)と一緒に用いると味の上昇効果が大きく、呈味性調味料として脚光を浴びている核酸系調味料の中の一つである。
また、5’−キサンチル酸は、プリンヌクレオチド(purine nucleotide)生合成代謝系の中間生成物であって、5’−グアニ酸(5'-guanosine monophosphate:GMP)の製造原料としても重要な物質である。呈味性が強く商品的価値が高い5’−グアニ酸の製造方法として現在広く利用されている方法は、微生物発酵法であって、5’−キサンチル酸を生産し、これを酵素学的に5’−グアニ酸に転換させる過程が最も経済的で、5’−グアニル酸の需要と同様に5’−キサンチル酸も必要である。
5’−キサンチル酸の製造方法には、(1)化学合成方法、(2)製造された5’−グアニ酸を脱アミノ化する方法、(3)発酵培地内の前駆物質としてキサンチン(xanthine)を添加して発酵生産する方法、(4)5’−キサンチル酸生産微生物変異株の直接発酵を通じた生産法などが知られている。このうち微生物変異株による5’−キサンチル酸の直接発酵の製造方法が経済的に有利である。しかし、それでも効率的に高収率で5’−キサンチル酸を生産できる方法に対する研究の必要性が台頭している。
韓国公開特許第10-2011‐0105662号 韓国登録特許第10‐0924065号 国際公開特許第2008−033001号 韓国登録特許10−0620092号
Sambrook et al., supra, 9.50-9.51, 11.7-11.8 Pearson et al(1988)[Proc. Natl. Acad. Sci. USA 85]: 2444 Rice et al., 2000, Trends Genet. 16: 276−277 Needleman and Wunsch, 1970, J. Mol. Biol. 48: 443-453 Smith and Waterman, Adv. Appl. Math(1981) 2:482 Schwartz and Dayhoff, eds., Atlas Of Protein Sequence And Structure, National BiomedicalResearch Foundation, pp. 353−358(1979) Gribskov et al(1986)Nucl. AcidsRes. 14: 6745 Appl. Microbiol.Biotechnol. (1999) 52:541-545
本発明者らは、5’−キサンチル酸を高効率で生産できる微生物を開発しようと鋭意研究した結果、特定タンパク質の活性を強化させる場合、5’−キサンチル酸の生産収率が増加するという事実を確認し、本出願を完成した。
本出願の一つの目的は、配列番号2のアミノ酸配列を含むタンパク質の活性が強化された、5’−キサンチル酸を生産するコリネバクテリウム属微生物を提供することにある。
本出願のもう一つの目的は、前記微生物を用いた5’−キサンチル酸の製造方法を提供することにある。
本出願のコリネバクテリウム属由来の微生物は、5’−キサンチル酸排出タンパク質の活性が強化されて5’−キサンチル酸の生産性が増加されたもので、5’−キサンチル酸の生産におけるコスト削減に大きく貢献することができる。
これを具体的に説明すると、次の通りである。一方、本出願で開示された各説明及び実施形態は、それぞれの他の説明及び実施形態にも適用されてもよい。すなわち、本出願で開示された様々な要素の任意の組み合わせが本出願のカテゴリに属する。また、下記記述された具体的な叙述によって、本出願のカテゴリが制限されるとは見られない。
前記のような目的を達成するために、本出願は一つの様態として、配列番号2のアミノ酸配列を含むタンパク質の活性が強化された、5’−キサンチル酸を生産するコリネバクテリウム属微生物を提供する。
本出願において、用語、「5’−キサンチル酸」(5'-xanthylic acid、xanthosine)は、キサントシン一リン酸塩、キサンチル酸、キサンチル酸などと命名された化合物を意味する。本出願では、前記5’−キサンチル酸は「XMP」に混用されて命名されてもよい。
本出願において、用語、「配列番号2のアミノ酸配列を含むタンパク質」は、微生物で5’−キサンチル酸の排出機能を行うMFSトランスポーター(MFS transporter; Major facilitator superfamily transporter)遺伝子によってコードされるコリネバクテリウム属微生物に内在的に存在するタンパク質を意味する。具体的には、コリネバクテリウム属微生物に内在的に存在する配列番号2のアミノ酸配列を含むMFSトランスポータータンパク質であってもよい。また、前記タンパク質は、配列番号2のアミノ酸配列で構成されるタンパク質、配列番号2のアミノ酸配列からなるタンパク質であってもよいが、これらに制限されない。また、本出願で前記MFSトランスポータータンパク質は、「xmpE」または「xmpEタンパク質」と命名されてもよい。
また、本出願で「特定の配列番号で記載されたタンパク質」は、該当配列番号のアミノ酸配列を含むタンパク質と同一もしくは相応する活性を有する場合であれば、該当配列番号のアミノ酸配列の前後に、タンパク質の変異に影響を与えない配列の追加または自然に発生しうる突然変異、あるいはそのサイレント突然変異(silent mutation)をすべて含み、これらの配列の追加、あるいは突然変異を有する場合でも、本願の範囲内に属することは自明である。
また、本出願のタンパク質は、前記配列番号2に記載したアミノ酸配列だけでなく、配列番号2と少なくとも60%の相同性または同一性を有するアミノ酸配列を含んでもよい。前記配列番号2のアミノ酸配列と60%以上の相同性または同一性を有するアミノ酸を含むタンパク質は、前記配列番号2のアミノ酸配列に対して少なくとも60%以上、具体的には、70%以上、より具体的には、80%以上、さらに具体的には、83%以上、84%以上、85%以上、88%以上、90%以上、93%以上、95%以上、または97%以上の相同性または同一性を有するアミノ酸配列を含むタンパク質を含んでもよい。相同性または同一性を有するアミノ酸配列は、前記カテゴリのうち、100%同一性を有する配列は除かれるか、100%未満の同一性を有する配列であってもよい。前記配列と相同性または同一性を有する配列として、実質的に配列番号2のアミノ酸配列と同一または相応する生物学的活性を有するアミノ酸配列であれば、一部の配列が欠失、変形、置換、または付加されたアミノ酸配列を有する場合も、本出願のカテゴリに含まれるのは自明である。
また、前記配列番号2のアミノ酸配列を含むタンパク質をコードする遺伝子の塩基配列は、公知のデータベースから取得することができ、その例としてNCBIのGenBankなどがあるが、これに制限されない。具体的には、前記配列番号2のアミノ酸配列を含むタンパク質は、配列番号1の塩基配列を含む遺伝子によってコードされたものであってもよい。また、配列番号1の塩基配列を含むか、配列番号1の塩基配列で構成されるか、配列番号1の塩基配列からなる遺伝子によってコードされたものであってもよいが、これに制限されない。
また、前記配列番号1の塩基配列は、配列番号1の塩基配列だけでなく、配列番号1と少なくとも80%の相同性または同一性を有する塩基配列も含むものであってもよい。
具体的には、前記配列番号2と少なくとも80%の相同性または同一性を有するアミノ酸配列を含むタンパク質をコードしうる塩基配列であれば、本出願のカテゴリに含まれるが、前記タンパク質は、前記配列番号1の塩基配列に対して少なくとも80%以上、具体的には、83%以上、84%以上、85%以上、88%以上、90%以上、93%以上、95%以上、または97%以上の相同性または同一性を有する塩基配列を含む遺伝子によってコードされてもよい。しかし、配列番号2のアミノ酸配列を含むタンパク質に相当する活性を有するタンパク質をコードする塩基配列であれば、これに制限されず、本出願のカテゴリに含まれるのは自明である。
また、遺伝暗号の縮退(genetic code degeneracy)に起因して、同一アミノ酸配列を含むタンパク質またはこれと相同性または同一性を有するタンパク質に翻訳されうるポリヌクレオチドも含まれるのは自明である。また、公知の遺伝子配列から調製しうるプローブ、例えば、前記塩基配列の全体または一部に対する相補配列と厳格な条件下でハイブリダイゼーションし、配列番号2のアミノ酸配列を含むタンパク質の活性を有するタンパク質をコードする配列であれば、制限なく含まれてもよい。前記「厳しい条件(stringent condition)」とは、ポリヌクレオチド間の特異的分子交雑を可能にする条件を意味する。これらの条件は、文献(例えば、J. Sambrook et al., 同上)に具体的に記載されている。例えば、相同性または同一性が高い遺伝子同士、40%以上、具体的には、85%以上、具体的には、90%以上、より具体的には、95%以上、さらに具体的には、97%以上、特に具体的には、99%以上の相同性または同一性を有する遺伝子同士でハイブリダイゼーションする。そして、それより相同性または同一性が低い遺伝子同士はハイブリダイゼーションしない条件、または通常のサザンハイブリダイゼーションの洗浄条件である60℃、1×SSC 、0.1%SDS、具体的には、60℃、0.1×SSC、0.1%SDS、より具体的には、68℃、0.1×SSC、0.1%SDSに相当する塩濃度及び温度で、1回、具体的には、2回〜3回洗浄する条件を挙げられる。分子交雑は、たとえ分子交雑の厳密度によって塩基間のミスマッチ(mismatch)が可能であっても、2つの核酸が相補的配列を有することを要求する。用語、「相補的」は、互いに分子交雑が可能であるヌクレオチド塩基間の関係を記述するために用いられる。例えば、DNAに関すると、アデノシンはチミンに相補的であり、シトシンはグアニンに相補的である。したがって、本出願は、また、実質的に類似の核酸配列だけでなく、全体配列に相補的な単離された核酸断片を含んでもよい。
具体的には、相同性または同一性を有するポリヌクレオチドは、55℃のTm値で分子交雑段階を含む分子交雑条件を用い、上述した条件を用いて探知してもよい。また、前記Tm値は、60℃、63℃または65℃であってもよいが、これに制限されるものではなく、その目的に応じて当業者によって適切に調節してもよい。
ポリヌクレオチドを分子交雑する適切な厳密度は、ポリヌクレオチドの長さ及び相補性の程度に依存し、変数は該当技術分野でよく知られている(非特許文献1参照)。
本出願において、用語、「相同性」は、2つの与えられたアミノ酸配列または塩基配列と一致する程度を意味し、パーセンテージで表示されてもよい。本明細書では、与えられたアミノ酸配列または塩基配列と同一または類似の活性を有するその相同性配列が「%相同性」として表示される。
また、用語、「同一性」は、アミノ酸またはヌクレオチド配列間の配列関連性の程度を意味し、場合によっては、その配列の文字列間の一致によって決定される。
用語「相同性」及び「同一性」は、多くの場合、相互交換的に用いられてもよい。
保存された(conserved)ポリヌクレオチドまたはポリペプチドの配列相同性または同一性は、標準配列アルゴリズムによって決定され、用いられるプログラムによって確立されたデフォルトのギャップペナルティが一緒に利用されてもよい。実質的に、相同性または同一性のあるプリヌクレオチドまたはポリペプチドは、一般的に、配列全体、またはターゲットポリヌクレオチドまたはポリペプチドの全長の少なくとも約50%、60%、70%、80%または90%の中間または高い厳しい条件でハイブリッドしてもよい。ハイブリッドするポリヌクレオチドでコドンの代わりに縮退コドンを含有するポリヌクレオチドも考慮される。
任意の2つのポリヌクレオチドまたはポリペプチド配列が、少なくとも、例えば、50%、55%、60%、65%、70%、75%、80%、85%、90%、95%、96%、97%、98%または99%の相同性または同一性を有するかどうかは、例えば、非特許文献2と同じデフォルトのパラメータを用いて「FASTA」プログラムのような公知のコンピュータアルゴリズムを利用して決定してもよい。または、EMBOSSパッケージのニードルマンプログラム(EMBOSS:The European Molecular Biology Open Software Suite、非特許文献3)(好ましくは、バージョン5.0.0またはそれ以降のバージョン)で実行されるような、ニードルマン−ウンシュ(Needleman-Wunsch)アルゴリズム(非特許文献4)を用いて決定してもよい。(GCGプログラムパッケージ(Devereux, J., et al, Nucleic AcidsResearch 12: 387(1984))、BLASTP、BLASTN、FASTA( Atschul, [S.] [F.,] [ET AL, J MOLEC BIOL 215]: 403(1990);Guide to Huge Computers, Martin J. Bishop, [ED.,] Academic Press, San Diego,1994、及び[CARILLO ETA/.](1988)SIAM J Applied Math 48: 1073を含む)。例えば、国立生物工学情報データベースセンターのBLAST、またはClustalWを用いて、相同性、類似性または同一性を決定してもよい。
ポリヌクレオチドまたはポリペプチドの相同性または同一性は、例えば、非特許文献5に公知されたように、例えば、非特許文献4のようなGAPコンピュータープログラムを利用して配列情報を比較することによって決定されてもよい。要約すると、GAPプログラムは、2つの配列のうち、より短いものからのシンボルの全体数で同様の配列されたシンボル(つまり、ヌクレオチドまたはアミノ酸)の数を割った値として定義する。GAPプログラムのためのデフォルトパラメータは、(1)一進法の比較マトリックス(同一性のための1及び非同一性のための0の値を含有する)及び非特許文献6に開示されたように、非特許文献7の加重された比較マトリックス(またはEDNAFULL(NCBI NUC4.4のEMBOSSバージョン)置換マトリックス);(2)各ギャップのための3.0のペナルティ及び各ギャップでの各記号のための追加の0.10ペナルティ(またはギャップ開放ペナルティ10、ギャップ伸長ペナルティ0.5);及び(3)末端ギャップのための無ペナルティを含んでもよい。したがって、本願で用いられるものとして、用語、「相同性」または「同一性」は、ポリペプチドまたはポリヌクレオチド間の比較を示す。
本出願において、前記5’−キサンチル酸を生産するコリネバクテリウム属微生物は、配列番号2のアミノ酸配列を含むタンパク質の活性が強化されたものであってもよい。
ここで、前記配列番号2のアミノ酸配列を含むタンパク質の活性強化は、xmpEの活性強化、または前記配列番号1の塩基配列を含む遺伝子によってコードされるタンパク質の活性強化と同じ意味で混用されて使用してもよい。
本出願において、用語、「配列番号2のアミノ酸配列を含むタンパク質の活性が強化された」とは、前記タンパク質の発現が親菌株または配列番号2のアミノ酸配列を含むタンパク質が非変形された菌株に比べて発現量が増加したり、発現量が同じでありながらその活性が増加されたり、または発現量が増加するとともに、その活性の増加されたことを意味する。また、前記タンパク質が内在活性に比べて増加したことも含む。また、xmpEの発現量または活性が親菌株または非変形菌株に比べて増加したことを意味する。
本出願において、前記タンパク質の活性の強化は、当業界によく知られている様々な方法の適用で達成されてもよい。前記方法の例として、前記活性の強化は、前記タンパク質をコードするポリヌクレオチドのコピー数の増加、プロモーター活性の強化、開始コドンの交替またはその組み合わせによって達成されてもよく、具体的には、1)前記タンパク質をコードするポリヌクレオチドのコピー数を増加させる方法;2)前記ポリヌクレオチドの発現が増加するように発現調節因子(プロモーター、オペレーターなど)の配列を変形させる方法;3)前記タンパク質の活性が増強されるように、染色体上の前記遺伝子(開始コドンなど)の配列を変形させる方法などがあり、これらの組み合わせによっても達成できるが、特にこれに制限されるものではない。
具体的には、前記タンパク質の活性の強化において、前記発現調節因子の配列を変形する方法は、当該分野でよく知られている様々な方法の適用で達成してもよい。前記方法の例として、前記発現調節配列の活性をさらに強化するようにポリヌクレオチド配列を欠失、挿入、非保存的または保存的置換、またはこれらの組み合わせで発現調節配列上の変異を誘導して行うか、さらに強い活性を有する塩基配列に交替することにより行うことができる。前記発現調節配列には、プロモーター、オペレーター、リボソーム結合部位、及び転写と翻訳の終結を調節する配列を含むが、これに制限されるものではない。
また、前記遺伝子配列を変形する方法は、前記タンパク質の活性をさらに強化するように遺伝子配列を欠失、挿入、非保存的または保存的置換、またはこれらの組み合わせで配列上の変異を誘導して行うか、さらに強い活性を有するように改良された遺伝子配列に交替することにより行うことができるが、これに制限されるものではない。
本出願の一実施例では、前記タンパク質の活性強化はxmpEのコピー数を増加させるか;xmpEのプロモーターを活性が強化されたプロモーターと交替するか;xmpEの開始コドンを交替するか;またはこれらの組み合わせを介して達成することができる。
本出願において、前記用語、「ベクター」は、適合した宿主内で目的タンパク質を発現できるように、適合の調節配列に作動可能に連結された前記目的タンパク質をコードするポリヌクレオチドの塩基配列を含有するDNA製造物を意味する。前記調節配列は、転写を開始しうるプロモーター、このような転写を調節するための任意のオペレーター配列、適合のmRNAリボソーム結合部位をコードする配列、及び転写及び翻訳の終結を調節する配列を含む。ベクターは、適切な宿主内に形質転換された後、宿主ゲノムとは無関係に複製または機能することができ、ゲノムそのものに統合されてもよい。
本出願において、前記用語、「形質転換」は、標的タンパク質をコードするポリヌクレオチドを含むベクターを宿主細胞内に導入して、宿主細胞内で前記ポリヌクレオチドがコードするタンパク質が発現できるようにすることを意味する。形質転換されたポリヌクレオチドは宿主細胞内で発現することさえできれば、宿主細胞の染色体内に挿入され位置するか、染色体外に位置するかに関係なく、これらをすべて含む。また、前記ポリヌクレオチドは、標的タンパク質をコードするDNA及びRNAを含む。前記ポリヌクレオチドは、宿主細胞内に導入されて発現できるものであれば、あらゆる形態で導入されるものであっても構わない。例えば、前記ポリヌクレオチドは、それ自体で発現されるのに必要なすべての要素を含むポリヌクレオチド構造体である発現カセット(expression cassette)の形態で宿主細胞に導入されてもよい。前記発現カセットは、通常、前記遺伝子に作動可能に連結されているプロモーター(promoter)、転写終結シグナル、リボソーム結合部位及び翻訳終結シグナルを含む。前記発現カセットは、それ自体の複製が可能な発現ベクターの形態であってもよい。また、前記ポリヌクレオチドは、それ自体の形態で宿主細胞に導入されて、宿主細胞で発現に必要な配列と作動可能に連結されたものであってもよい。
本出願において、用語、「5’−キサンチル酸を生産する微生物」または「5’−キサンチル酸生産能を有する微生物」は、自然的に5’−キサンチル酸生産能を有している微生物または5’−キサンチル酸の生産能のない親菌株に5’−キサンチル酸の生産能が付与された微生物を意味する。具体的には、配列番号2のアミノ酸配列を含むタンパク質またはxmpEタンパク質の活性が強化された5’−キサンチル酸生産能を有する微生物であってもよい。
また、本出願の目的上、前記微生物の5’−キサンチル酸の生産能は、5’−キサンチル酸の排出能が強化され向上/増加されるものであってもよい。
具体的には、本出願において、前記「生産能」は、「排出能」と同じ意味で混合して使用されてもよい。また、前記微生物は、「5’−キサンチル酸を排出する微生物」または「5’−キサンチル酸排出能を有する微生物」と同じ意味で混合されて使用されてもよい。また、自然的に5’−キサンチル酸排出能を有している微生物または5’−キサンチル酸の排出能のない親菌株に5’−キサンチル酸の排出能が付与または強化された微生物を意味してもよい。
具体的には、前記5’−キサンチル酸を生産するコリネバクテリウム属微生物は、コリネバクテリウム・スタティオニス(Corynebacterium stationis)またはコリネバクテリウム・グルタミカム(Corynebacterium glutamicum )、コリネバクテリウム・アンモニアゲネス(Corynebacterium ammoniagenes)であってもよく、より具体的には、コリネバクテリウム・スタティオニスであってもよいが、これに制限されない。
もう一つの様態として、本出願に係る前記コリネバクテリウム属微生物を培地で培養する段階;及び前記微生物または培地から5’−キサンチル酸を回収する段階を含む、5’−キサンチル酸を製造する方法を提供する。
本出願に係る前記微生物及び5’−キサンチル酸は前述した通りである。
本出願では、前記コリネバクテリウム属微生物は、コリネバクテリウム・スタティオニス(Corynebacterium stationis)であってもよいが、これに制限されない。
本出願の方法において、コリネバクテリウム属微生物の培養は、当業界に知られている任意の培養条件及び培養方法が用いられてもよい。
本出願において、用語、「培養」は、微生物を適当に人工的に調節した環境条件で生育させることを意味する。本出願でコリネバクテリウム属微生物を培養する方法は、当業界に広く知られている方法を用いて行ってもよい。具体的には、前記培養は、バッチ工程、注入バッチまたは反復注入バッチ工程で回分式、連続式または流加式で培養してもよいが、これに制限されるものではない。
培養に使用される培地は、適切な方法で特定の菌株の要件を満たす必要がある。コリネバクテリウム属微生物の培養培地は知られている(例えば、Manual of Methods for General Bacteriology by the American Society for Bacteriology、Washington D.C.、USA、1981)。
具体的には、培地中に使用されてもよい糖源としては、ブドウ糖、サッカロース、乳糖、果糖、マルトース、でん粉、セルロースのような糖及び炭水化物、大豆油、ひまわり油、ヒマシ油、ココナッツ油のようなオイル及び脂肪、パルミチン酸、ステアリン酸、リノール酸のような脂肪酸、グリセロール、エタノールのようなアルコール、酢酸のような有機酸が含まれる。これらの物質は、個別的に、または混合物として使用することができ、これに制限されるものではない。
使用されてもよい炭素源としては、原糖またはブドウ糖であってもよく、原糖を多量に含む糖蜜であってもよく、具体的には、精製ブドウ糖であってもよいが、これに制限されるものではなく、その他の炭素源が多様に用いられる。
使用されてもよい窒素源としては、ペプトン、酵母抽出物、肉汁、麦芽抽出物、トウモロコシ浸漬液、大豆ミール及び尿素または無機化合物、例えば硫酸アンモニウム、塩化アンモニウム、リン酸アンモニウム、炭酸アンモニウム及び硝酸アンモニウムが含まれる。窒素源も、個別的に、または混合物として使用することができ、これに制限されるものではない。
使用されてもよいリン源としては、リン酸二水素カリウムまたはリン酸水素二カリウムまたは相応するナトリウムを含有する塩が含まれてもよい。
また、培養培地は、成長に必要な硫酸マグネシウムまたは硫酸鉄のような金属塩を含んでもよい。前記物質に加えて、アミノ酸及びビタミンのような必須成長物質が使用されてもよい。また、培養培地に適切な前駆体が使用されてもよい。前記原料は、培養過程で培養物に適切な方法によって回分式または連続式で添加してもよい。
また、前記微生物の培養中、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、アンモニアのような基礎化合物またはリン酸または硫酸のような酸化合物を適切な方法で使用して培養物のpHを調節してもよい。また、脂肪酸ポリグリコールエステルのような消泡剤を用いて気泡生成を抑制してもよい。好気状態を維持するために培養物内の酸素または酸素含有気体(例えば、空気)を注入してもよい。
具体的には、培養温度は通常30℃〜37℃、より具体的には、32℃〜33℃であってもよい。培養時間は、所望の5’−キサンチル酸の生成量が得られるまで継続されてもよいが、具体的には、40〜120時間であってもよい。
培養物からの5’−キサンチル酸の分離は、当業界に知られている通常の方法によって分離される。これらの分離方法には、遠心分離、ろ過、イオン交換クロマトグラフィー及び結晶化などの方法が用いられる。例えば、培養物を低速遠心分離してバイオマスを除去して得られた上澄み液を、イオン交換クロマトグラフィーを介して分離してもよいが、これに限定されるものではない。
前記回収段階は、精製工程をさらに含んでもよい。
以下、本出願の実施例を通じてより詳細に説明する。しかし、これらの実施例は、本出願を例示的に説明するためのもので、本出願の範囲がこれらの実施例に限定されるものではない。
実施例1:5’−キサンチル酸(XMP)排出タンパク質の発掘
5’−キサンチル酸(XMP)の排出に関与するコリネテバクテリウムの膜タンパク質を同定するために、コリネバクテリウム・スタティオニス(Corynebacterium stationis、ATCC6872)のゲノミックDNAライブラリを製作した。コリネバクテリウム・スタティオニス野生型であるATCC6872菌株のゲノミックDNAは、イントロン(Intron)社のGスピントータルDNA抽出ミニキット(Cat. No 17045)を用いて、キットに提供されたプロトコルに基づいて抽出した。前記抽出したゲノミックDNAを鋳型として、膜タンパク質のライブラリを製作した。
どのタンパク質が排出機能をするのかを調べるために、製作したゲノミックDNAライブラリを特許文献1で親菌株として用いたコリネバクテリウムKCCM10530菌株に導入した。
以降、1.7%の寒天を添加した最小培地内にさらにXMPを添加してKCCM10530菌株が生育低下(growth inhibition)を示すスクリーニング条件を確立した。ATCC6872菌株の膜タンパク質ゲノミックライブラリプラスミドをKCCM10530菌株に電気穿孔法で形質転換させ、過量なXMPが添加された培地条件で正常に生育するコロニーを選別した。選別されたコロニーのプラスミドを獲得して塩基配列分析法を通じて塩基配列を分析した。このような研究から過量のXMP添加条件で生育低下を解除させるのに関与する膜タンパク質の1種を同定した。
前記1種のコリネバクテリウム膜タンパク質は、配列番号1の塩基配列及び配列番号2のアミノ酸配列(NCBI GenBank:NZ_CP014279.1、WP_066795121、MFS transporter)と確認された。前記膜タンパク質は、MFSトランスポーター(MFS transporter)として知られているが、明確な機能が確認されておらず、さらにXMP排出に関する機能については知られてなかった。本出願では、これを「xmpE」と命名した。
実施例2:xmpEの同定
実施例2−1:xmpE欠損ベクターの製作
前記実施例1を介して同定したXMPによる生育低下を解除させるのに関与するタンパク質であるxmpEをXMP生産菌株で欠損させる場合、XMP排出能が低下するかどうかを確認するために、遺伝子の欠損ベクターを製作した。
ベクターを製作するための遺伝子断片は、ATCC6872菌株のゲノミックDNAを鋳型としてPCRを介して獲得した。具体的には、前記xmpEのPCRは、配列番号3及び4のプライマーを用いた。この時用いたプライマーは、米国国立衛生研究所の遺伝子銀行(NIH GenBank)に登録されているコリネバクテリウム・スタティオニス(Corynebacterium stationis、ATCC6872)遺伝子(NCBI Genbank:NZ_CP014279.1)及び周辺塩基配列に対する情報を基に製作した。
PCRの条件は、94℃で5分間変性した後、94℃で30秒の変性、52℃で30秒のアニーリング、72℃で1分間重合を25回繰り返した後、72℃で5分間重合反応を行った。配列番号3及び4のプライマーを用いて増幅されたxmpEの遺伝子断片で約1.0kbpのポリヌクレオチド鋳型を得た。得られた遺伝子の断片をソルジェント(Solgent)社のTベクターを用いてクローニングすることにより、TOPO−△xmpEベクターを製作した。
実施例2−2:xmpE欠損菌株の製作
前記実施例2−1で製作した1種のベクターをKCCM10530菌株に電気穿孔法で形質転換した後(非特許文献8による形質転換法を利用)、相同性配列の組換えによって染色体上にベクターが挿入された菌株をカナマイシン(kanamycin)25mg/Lを含有した栄養培地で選別した。選別したxmpE欠損菌株は、「KCCM10530_△xmpE」と命名し、前記菌株のXMPの生産能を評価した。
下記種培地3mlを含有する14 mlのチューブ(tube)にコリネバクテリウム・スタティオニス親菌株KCCM10530と、前記製作した1種の菌株(KCCM10530_△xmpE)を接種し、30℃で24時間170rpmで振とう培養した。下記の生産培地32ml(本培地24ml+別途殺菌培地8ml)を含んでいる250mlのコーナーバッフルフラスコに0.7mlの種培養液を接種し、30℃で72時間170rpmで振とう培養した。培養終了後、HPLCを用いた方法によりXMPの生産量を測定した。用いられた培地組成と培養液中のXMP濃度結果(表1)は、下記の通りである。
XMP最小培地
ブドウ糖2%、硫酸ナトリウム0.3%、リン酸第1カリウム0.1%、リン酸第2カリウム0.3%、硫酸マグネシウム0.3%、塩化カルシウム10mg/L、硫酸鉄10mg/L、硫酸亜鉛1mg/L、塩化マンガン3.6mg/L、L−システイン20mg/L、パントテン酸カルシウム10mg/L、チアミン塩酸塩5mg/L、ビオチン30μg/L、アデニン20mg/L、グアニン20mg/L、pH7.3
XMP栄養培地
ペプトン1%、肉汁0.5%、塩化ナトリウム0.25%、酵母エキス1%、ウレア0.3%、アデニン50mg/L、グアニン50mg/L、寒天2%、pH7.2
XMPフラスコ種培地
ブドウ糖20g/L、ペプトン10g/L、酵母エキス10g/L、塩化ナトリウム2.5g/L、ウレア3g/L、アデニン150mg/L、グアニン150mg/L、pH7.0
XMPフラスコ生産培地(本培地)
ブドウ糖50g/L、硫酸マグネシウム10g/L、塩化カルシウム100mg/L、硫酸鉄20mg/L、硫酸マンガン10mg/L、硫酸亜鉛10mg/L、硫酸銅0.8mg/L、ヒスチジン20mg/L、シスチン15mg/L、ベータアラニン15mg/L、ビオチン100μg/L、チアミン5mg/L、アデニン50mg/L、グアニン25mg/L、ナイアシン5mg/L、pH7.0
XMPフラスコ生産培地(別途殺菌培地)
リン酸第1カリウム18g/L、リン酸第2カリウム42g/L、ウレア7g/L、硫酸アンモニウム5g/L
Figure 0006938633
親菌株であるKCCM10530とxmpE欠損菌株であるKCCM10530_△xmpEの培地内XMP濃度を比較した結果、前記の表1に示すように、同一の条件下でKCCM10530_△xmpE菌株は親菌株に比べて、XMPの濃度が約10g/L以上減少することを確認した。
したがって、xmpEはXMP排出に関与するタンパク質であることを確認した。
実施例3:xmpEタンパク質の活性の強化
菌株内xmpEタンパク質の活性を下記実施例に基づいて強化し、xmpEの活性が強化された菌株はXMP生産能/排出能が増加するのかを確認した。
実施例3−1:xmpEのコピー数の増加
実施例3−1−1:xmpEのコピー数の増加ベクターの製作
XMP排出能に関与すると予想されるxmpEの活性を強化する場合、XMP排出能が増加するのかを確認するためにxmpE遺伝子の強化ベクターを製作し、強化の方法の一つであるコピー数(copy number)増加の方法を利用して、次のような実験を行った。
ベクターを製作するための遺伝子断片は、ATCC6872菌株のゲノミックDNAを鋳型としてPCRを介して獲得した。具体的には、xmpEのプロモーター部位と思われるxmpEの上流(upstream)484bpを含むようにする配列番号5及び6のプライマー対を用いて増幅した。増幅されたxmpE遺伝子断片をXbaIとSpeIの制限酵素で処理し、pDZベクター(特許文献2及び3)のXbaI制限酵素の位置にクローニングして、pDZ−xmpEベクターを製作した。以後、2コピーベクター製作のために、xmpEは配列番号7及び6のプライマー対でPCRを行った。確保した各DNA断片は、DNA制限酵素であるSpeIで切断し、XbaI DNA制限酵素で切断したpDZ−xmpEベクターに前記遺伝子の断片をクローニングしてベクターを製造した。2コピーのxmpEが含まれた前記ベクターは「pDZ−xmpEX2」と命名した。
実施例3−1−2:xmpEのコピー数増加菌株のXMP生産能の評価
前記実施例3−1−1で製作したpDZ−xmpEX2ベクターをKCCM10530菌株に電気穿孔法で形質転換した後(非特許文献8による形質転換法利用)、相同性配列の組換えによって染色体上にベクターが挿入された菌株をカナマイシン(kanamycin)25mg/Lを含有した培地から選別した。選別された1次菌株に対して再度2次交差(cross−over)を経て、目標遺伝子が導入された菌株を選別した。最終的に形質転換された菌株の遺伝子が導入されたかどうかは、配列番号8及び9のプライマー対を用いてPCRを行うことにより確認した。選別されたxmpEコピー数の増加菌株は「KCCM10530_xmpEX2」と命名し、前記菌株のXMPの生産能を評価した。
前記菌株のXMP生産能を測定するために、前記実施例2−2と同様の培養方法を用いた。培養終了後、HPLCを用いた方法によりXMPの生産量を測定し、培養結果は以下の表2に示す。
Figure 0006938633
親菌株であるコリネバクテリウム・スタティオニスKCCM10530とxmpEコピー数の増加菌株であるKCCM10530_xmpEX2の培地内XMP濃度を比較した結果、前記表2に示すように、同一の条件下でKCCM10530_xmpEX2菌株は、親菌株に比べてXMPの濃度が1.3g/Lで、約11%増加することを確認した。
前記のようなxmpEタンパク質活性の増加に起因するXMP生産量の増加結果は、非常に意味のあるものと解釈することができる。
実施例3−2:xmpEのプロモーター交替発現の強化
実施例3−2−1:xmpEのプロモーター交替ベクターの製作
XMP排出能に関与すると予想されるxmpEの活性を強化する場合、XMP排出能が増加するかを確認するためにxmpE遺伝子のプロモーターを発現が強いプロモーターに交替するベクターを製作した。まず、ベクターを製作するための遺伝子断片は、ATCC6872菌株のゲノミックDNAを鋳型とし、PCRを介して獲得した。
プロモーターは、コリネバクテリウム・スタティオニスで強く発現されると報告されているPcj7(特許文献4)を用いた。
Pcj7遺伝子断片を増幅するためにATCC6872菌株のゲノミックDNAを鋳型にして配列番号10及び11のプライマー対を用いて、xmpE遺伝子のPCRは、配列番号12及び13;及び14及び15のプライマー対を用いて、それぞれ増幅した。PCRの条件は、94℃で5分間変性した後、94℃で30秒の変性、52℃で30秒のアニーリング、72℃で1分30秒間の重合を25回繰り返した後、72℃で5分間重合反応を行った。増幅された遺伝子の3つの断片であるPcj7とxmpE−1、xmpE−2を鋳型とし、オーバーラップ(overlapping)ポリメラーゼ連鎖反応を行い、2.3kbpのポリヌクレオチド鋳型を得た。得られた遺伝子の断片は、制限酵素XbaIで切断し、T4リガーゼを用いてXbaI制限酵素で切断した線状のpDZベクターに前記遺伝子の断片をクローニングして「pDZ−Pcj7/xmpE」ベクターを製作した。
実施例3−2−2:xmpEのプロモーター交替菌株の製作及びXMP生産能の評価
前記実施例3−2−1で製作したpDZ−Pcj7/xmpEベクターをKCCM10530菌株に電気穿孔法で形質転換した後(非特許文献8による形質転換法利用)、相同性配列の組換えによって染色体上にベクターが挿入された菌株をカナマイシン(kanamycin)25mg/Lを含有した培地から選別した。選別された1次菌株に対して再度2次交差(cross−over)を経て、目標遺伝子が強化された菌株を選別した。最終的に形質転換された菌株の遺伝子プロモーター挿入されたかどうかは、配列番号16及び17のプライマー対を用いてPCRを行うことにより確認した。前記方法により強いプロモーターに交替された菌株は「KCCM10530_Pcj7/xmpE」と命名し、前記菌株のXMPの生産能を評価した。
菌株のXMP生産能を測定するために、前記実施例2−2と同様の培養方法を用いた。培養終了後、HPLCを用いた方法によりXMPの生産量を測定し、培養結果は以下の表3に示す。
Figure 0006938633
親菌株であるコリネバクテリウム・スタティオニスKCCM10530と強いプロモーターでxmpEの発現が強化された菌株であるKCCM10530_Pcj7/xmpEの培地内XMP濃度を比較した結果、前記表3に示すように、同一の条件下でKCCM10530_Pcj7/xmpE菌株は、親菌株に比べてXMPの濃度が0.7g/Lで約6%増加することを確認した。
前記のようなxmpEタンパク質活性の増加に起因するXMP生産量増加の結果は非常に意味のあるものと解釈することができる。
実施例3−3:xmpEの開始コドンの交替
実施例3−3−1:xmpEの開始コドンの交替ベクターの製作
XMP排出能に関与すると予想されるxmpEのタンパク質発現を強化する場合、XMP排出能が増加するかを確認するために、既存の開始コドンであるgtgをatgに交替するベクターを製作した。ベクターを製作するための遺伝子断片は、ATCC6872菌株のゲノミックDNAを鋳型とし、PCRを介して獲得した。既存の開始コドンであるgtgをatgに交替するベクターを製作するために、配列番号18及び19のプライマー対及び配列番号20及び21のプライマー対を用いて遺伝子断片(A、B)をそれぞれ得た。PCRの条件は、94℃で5分間変性した後、94℃で30秒の変性、55℃で30秒のアニーリング、72℃で1分間の重合を25回繰り返した後、72℃で7分間重合反応を行った。その結果、断片Aは約0.7kbp、断片Bは約1kbpのポリヌクレオチドを取得した。前記2つの断片を鋳型として配列番号18及び21のプライマーを用いて、オーバーラップPCRを行い、約1.7kbpのPCR結果物(以下、「g1a断片」と命名する)を得た。 オーバーラップPCRの条件は、94℃で5分間変性した後、94℃で30秒の変性、55℃で30秒のアニーリング、72℃で120秒間の重合を25回繰り返した後、72℃で7分間重合反応を行った。
得られた遺伝子の断片は、制限酵素XbaIで切断し、T4リガーゼを用いてXbaI制限酵素で切断した線状のpDZベクターに前記遺伝子の断片をクローニングして「pDZ−xmpE(g1a)」ベクターを製作した。
実施例3−3−2:XMPEの開始コドンの交替菌株の製作とXMP生産能の評価
前記実施例3−3−1で製作したpDZ−xmpE(g1a)ベクターをKCCM10530菌株に電気穿孔法で形質転換した後(非特許文献8による形質転換法利用)、相同性配列の組換えによって染色体上にベクターが挿入された菌株をカナマイシン(kanamycin)25mg/Lを含有した培地から選別した。選別された1次菌株に対して再度2次交差(cross−over)を経て、目標遺伝子が強化された菌株を選別した。最終的に形質転換された菌株の開始コドンが交替されたかどうかは、配列番号18及び21のプライマー対を用いてPCRを行った後、塩基配列分析法を介して置換された塩基配列を分析して確認した。選別されたxmpE開始コドンがatgに交替された菌株は、「KCCM10530_xmpE(g1a)、CJX1662」と命名し、前記菌株のXMP生産能を評価した。
菌株のXMP生産能を測定するために、前記実施例2−2と同様の培養方法を用いた。培養終了後、HPLCを用いた方法によりXMPの生産量を測定し、培養結果は以下の表4に示す。
Figure 0006938633
親菌株であるコリネバクテリウム・スタティオニスKCCM10530とxmpEの開始コドンが交替された菌株であるCJX1662の培地内XMP濃度を比較した結果、前記表4に示すように、同一の条件下でCJX菌株は親菌株に比べて、XMPの濃度が2.3g/Lで約20%増加することを確認した。
前記のようなxmpEタンパク質活性の増加に起因するXMP生産量増加の結果は非常に意味のあるものと解釈することができる。
また、前記製作したKCCM10530_xmpE(g1a)、CJX1662菌株をブダペスト条約下の受託機関である韓国微生物保存センターに2018年4月11日に寄託し、受託番号KCCM12248Pを与えられた。
実施例3−4:野生型由来のXMP生産株基盤xmpE強化菌株の製作
実施例3−4−1:野生型由来のXMP生産株基盤xmpE強化菌株の製作
野生型ATCC6872菌株においてXMPの分解経路に該当するアデニロコハク酸シンテターゼ(adenylosuccinate synthetase)及びXMPデヒドロゲナーゼ(XMP dehydrogenase)の活性を弱化させて、xmp生産能を有する菌株を製作した。前記2つの酵素の活性を弱化させるために、これらをそれぞれコードする遺伝子であるpurA及びguaAの各塩基配列の1番目の塩基がaからtに変更された菌株を製作した。より具体的には、ATCC6872菌株において、前記2つの遺伝子の発現が弱化された、製造した菌株は「CJX1663」と命名した。
製造したCJX1663菌株に、実施例3−3−2で製作したpDZ−xmpE(g1a)ベクターを電気穿孔法で形質転換し、相同性配列の組換えによって染色体上にベクターが挿入された菌株をカナマイシン25mg/Lを含有した培地から選別した。選別された1次菌株に対して再び2次交差を経て、目標遺伝子が導入された菌株を選別した。最終的に形質転換された菌株の遺伝子が導入されたかどうかは、配列番号18及び21のプライマー対を用いてPCRを行うことにより確認した。
選別されたxmpE開始コドンがatgに交替された菌株は、「CJX1663_xmpE(g1a)」と命名し、前記菌株のXMPの生産能を評価した。
培養終了後、HPLCを用いた方法によりXMPの生産量を測定し、培養結果は以下の表5のとおりである。
Figure 0006938633
親菌株であるコリネバクテリウム・スタティオニスCJX1663とxmpEの開始コドンが交替された菌株であるCJX1663_xmpE(g1a)の培地内XMP濃度を比較した結果、前記の表5に示すように、同一の条件下でCJX1663_xmpE(g1a)菌株は、親菌株に比べてXMPの濃度が2.8g/Lで約33%増加することを確認した。
このことから、本出願の5’−キサンチル酸を排出するタンパク質(xmpE)の活性を強化することによって、XMP生産量を増加させうることを確認した。
一方、本出願で用いられたプライマーの配列は下記表6の通りである。
Figure 0006938633
以上の説明から、本願が属する技術分野の当業者は、本願がその技術的思想や必須の特徴を変更せず、他の具体的な形態で実施されうることを理解できるだろう。これに関連し、以上で記述した実施例はすべての面で例示的なものであり、限定的なものではないものと理解しなければならない。本願の範囲は、前記詳細な説明より、後述する特許請求の範囲の意味及び範囲、そしてその等価概念から導き出されるすべての変更または変形された形態が本願の範囲に含まれるものと解釈されるべきである。
Figure 0006938633

Claims (7)

  1. 配列番号2のアミノ酸配列を含むタンパク質の活性が強化された、5’−キサンチル酸を生産する、コリネバクテリウム属微生物であって、前記活性の強化が、前記タンパク質をコードするポリヌクレオチドのコピー数の増加、プロモーター活性の強化、開始コドンの交替またはその組み合わせによって達成されるものである、コリネバクテリウム属微生物
  2. 前記タンパク質が、配列番号1の塩基配列を含む遺伝子によりコードされるものである、請求項1に記載のコリネバクテリウム属微生物。
  3. 前記5’−キサンチル酸を生産するコリネバクテリウム属微生物が、コリネバクテリウム・スタティオニス(Corynebacterium stationis)である、請求項1に記載の5’−キサンチル酸を生産するコリネバクテリウム属微生物。
  4. 請求項1〜のいずれか一項に記載のコリネバクテリウム属微生物を培地で培養する段階;及び
    前記微生物または培地から5’−キサンチル酸を回収する段階
    を含む、5’−キサンチル酸の製造方法。
  5. 前記5’−キサンチル酸を生産するコリネバクテリウム属微生物が、コリネバクテリウム・スタティオニス(Corynebacterium stationis)である、請求項に記載の5’−キサンチル酸の製造方法。
  6. 請求項1〜のいずれか一項に記載のコリネバクテリウム属微生物を培地で培養する段階;
    前記微生物または培地から5’−キサンチル酸を回収する段階;及び
    5’−キサンチル酸を5'−グアニル酸(GMP)に変換する段階
    を含む、5'−グアニル酸の製造方法。
  7. コリネバクテリウム属微生物がコリネバクテリウム・スタティオニス(Corynebacterium stationis)である、請求項に記載の5'−グアニル酸の製造方法。
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