JP6988000B6 - ケトレダクターゼ変異体及びその応用 - Google Patents
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Description
本発明は、生物技術分野に関し、特に、ケトレダクターゼ変異体及びその応用に関する。
キラルアルコールは、キラル炭素に水酸基が結合された光学活性化合物であり、キラル医薬品や他のキラルファインケミカルの合成に汎用されている。既存の化学合成方法には、環境汚染が大きく、産物の純度が高くなく、触媒条件が厳しく、または触媒の価額が高い等の多くの問題がある。ケトレダクターゼは、効率的で、立体選択性が高く、条件が穏やかで、環境保護等の多くのメリットを有するため光学活性アルコールの合成に汎用されている。
ケトレダクターゼ（ｋｅｔｏｒｅｄｕｃｔａｓｅ）は、カルボニルレダクターゼまたはアルコールデヒドロゲナーゼとも呼ばれ、自然界に遍在する酸化還元酵素であり、ケトンまたはアルデヒドを可逆的に触媒してアルコールに還元させる。ケトレダクターゼがケトン系を触媒する還元において、補因子がカルボニル基に水素を移動させる必要があり、常用の補因子は還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドリン酸（ＮＡＤＰＨ）または還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド（ＮＡＤＨ）である。
微生物細胞または微生物由来のケトレダクターゼは、プレキラルケトンの還元を効率的に触媒することができ、キラルアルコール分子を製造する重要な方法の一つである。しかし、天然酵素は、非天然基質を触媒する際、その反応選択性、触媒活性と安定性があまり理想的ではなく、産業への応用要件を十分に満たすことができない。タンパク質工学の方法で野生酵素に修飾を行うことは非天然基質に対する酵素性能を向上させる有効な手段である。
例えばＲ－３－ヒドロキシテトラヒドロフランやＲ－３－ヒドロキシテトラヒドロチオフェン等のＲ－３－ヒドロキシ複素環式化合物は、重要な医薬品中間体である。（Ｒ）－３－ヒドロキシテトラヒドロチオフェンは、抗生物質やプロテアーゼ阻害剤等の多くの医薬品を生産する際の重要な中間体であり、特に、抗生物質スロペネム及びその塩またはその溶媒和物及び水和物の生産において重要な中間体である。L―アスパラギン酸を出発原料として、５段階の化学反応によって（Ｒ）－３－ヒドロキシテトラヒドロチオフェンを得ることが報道されたが、この化学プロセスによる環境に対する汚染が大きい。
化学合成方法に比べ、生体触媒方法は、環境保護にさらに有利である。しかし、既存の野生型酵素は、選択性が低く、安定性が悪いため、反応系が複雑であり、反応後の処理プロセスが面倒であり、生産コストが高い。
本発明は、既存技術において野生型酵素の選択性が低く、安定性が悪い課題を解決するケトレダクターゼ変異体及びその応用を提供することを目的とする。
上記目的を実現するため、本発明の一態様によると、ケトレダクターゼ変異体を提供する。このケトレダクターゼ変異体のアミノ酸配列は、配列番号１に示すアミノ酸配列と８０％以上の相同性を有するアミノ酸配列であり、且つ少なくとも、第６位、第９４位、第９６位、第１１７位、第１４４位、第１５６位、第１９３位、第２０５位、第２２４位、第１７６位、第８５位、第１０８位の中の一つの変異部位を含み、且つ第６位のグリシンがセリンに、第９４位のアラニンがセリンまたはスレオニンに、第９６位のセリンがプロリン、アスパラギン、アルギニンまたはメチオニンに、第１１７位のグリシンがセリンに、第１４４位のグルタミン酸がセリンに、第１５６位のアスパラギンがスレオニン、システイン、セリン、バリン、グリシンまたはフェニルアラニンに、第１９３位のプロリンがグリシンに、第２０５位のアラニンがグルタミンに、第２２４位のイソロイシンがバリンに、第９６位のセリンがプロリンに、第１７６位のセリンがプロリンに、第８５位のアスパラギン酸がグルタミン酸に、第１０８位のアルギニンがヒスチジンに突然変異する。
さらに、ケトレダクターゼ変異体のアミノ酸配列は、配列番号２、配列番号３、配列番号４、配列番号５、配列番号６、配列番号７、配列番号８、配列番号９、配列番号１０、配列番号１１、配列番号１２、配列番号１３、配列番号１４、配列番号１５、配列番号１６、配列番号１７、配列番号１８、配列番号１９、配列番号２０、配列番号２１、配列番号２２、配列番号２３、配列番号２４、配列番号２５、配列番号２６、配列番号２７、配列番号２８、配列番号２９、配列番号３０、配列番号３１、配列番号３２、配列番号３３、配列番号３４、配列番号３５、配列番号３６、配列番号３７、配列番号３８、配列番号３９、配列番号４０、配列番号４１、配列番号４２または配列番号４３に示すアミノ酸配列と９５％以上、好ましくは９６％、さらに好ましくは９７％、９８％、９９％または１００％の相同性を有するアミノ酸配列である。
本発明の他の態様によると、ＤＮＡ分子を提供する。このＤＮＡ分子は、上述したいずれかのケトレダクターゼ変異体をコードする。
さらに、ＤＮＡ分子の配列は、配列番号４４、配列番号４５、配列番号４６、配列番号４７、配列番号４８、配列番号４９、配列番号５０、配列番号５１、配列番号５２、配列番号５３、配列番号５４、配列番号５５、配列番号５６、配列番号５７、配列番号５８、配列番号５９、配列番号６０、配列番号６１、配列番号６２、配列番号６３、配列番号６４、配列番号６５、配列番号６６、配列番号６７、配列番号６８、配列番号６９、配列番号７０、配列番号７１、配列番号７２、配列番号７３、配列番号７４、配列番号７５、配列番号７６、配列番号７７、配列番号７８、配列番号７９、配列番号８０、配列番号８１、配列番号８２、配列番号８３、配列番号８４、配列番号８５、配列番号または配列番号８６に示す配列と９５％以上、好ましくは９６％、さらに好ましくは９７％、９８％、９９％または１００％の相同性を有する配列である。
本発明の他の態様によると、上述したいずれか１種のＤＮＡ分子を含有する組換えプラスミドを提供する。
さらに、組換えプラスミドは、ｐＥＴ－２２ｂ（＋）、ｐＥＴ－３ａ（＋）、ｐＥＴ－３ｄ（＋）、ｐＥＴ－１１ａ（＋）、ｐＥＴ－１２ａ（＋）、ｐＥＴ－１４ｂ（＋）、ｐＥＴ－１５ｂ（＋）、ｐＥＴ－１６ｂ（＋）、ｐＥＴ－１７ｂ（＋）、ｐＥＴ－１９ｂ（＋）、ｐＥＴ－２０ｂ（＋）、ｐＥＴ－２１ａ（＋）、ｐＥＴ－２３ａ（＋）、ｐＥＴ－２３ｂ（＋）、ｐＥＴ－２４ａ（＋）、ｐＥＴ－２５ｂ（＋）、ｐＥＴ－２６ｂ（＋）、ｐＥＴ－２７ｂ（＋）、ｐＥＴ－２８ａ（＋）、ｐＥＴ－２９ａ（＋）、ｐＥＴ－３０ａ（＋）、ｐＥＴ－３１ｂ（＋）、ｐＥＴ－３２ａ（＋）、ｐＥＴ－３５ｂ（＋）、ｐＥＴ－３８ｂ（＋）、ｐＥＴ－３９ｂ（＋）、ｐＥＴ－４０ｂ（＋）、ｐＥＴ－４１ａ（＋）、ｐＥＴ－４１ｂ（＋）、ｐＥＴ－４２ａ（＋）、ｐＥＴ－４３ａ（＋）、ｐＥＴ－４３ｂ（＋）、ｐＥＴ－４４ａ（＋）、ｐＥＴ－４９ｂ（＋）、ｐＱＥ２、ｐＱＥ９、ｐＱＥ３０、ｐＱＥ３１、ｐＱＥ３２、ｐＱＥ４０、ｐＱＥ７０、ｐＱＥ８０、ｐＲＳＥＴ－Ａ、ｐＲＳＥＴ－Ｂ、ｐＲＳＥＴ－Ｃ、ｐＧＥＸ－５Ｘ－１、ｐＧＥＸ－６ｐ－１、ｐＧＥＸ－６ｐ－２、ｐＢＶ２２０、ｐＢＶ２２１、ｐＢＶ２２２、ｐＴｒｃ９９Ａ、ｐＴｗｉｎ１、ｐＥＺＺ１８、ｐＫＫ２３２－１８、ｐＵＣ－１８またはｐＵＣ－１９である。
本発明のさらに他の態様によると、宿主細胞を提供する。この宿主細胞は、上述したいずれか１種の組換えプラスミドを含む。
さらに、宿主細胞は、原核細胞、酵母または真核細胞を含み、好ましくは、原核細胞が大腸菌ＢＬ２１細胞または大腸菌ＤＨ５αコンピテントセルである。
さらに、宿主細胞は、原核細胞、酵母または真核細胞を含み、好ましくは、原核細胞が大腸菌ＢＬ２１細胞または大腸菌ＤＨ５αコンピテントセルである。
本発明のさらなる他の態様によると、Ｒ－３－ヒドロキシ複素環式化合物を生産する方法を提供する。該方法は、請求項１または２に記載のケトレダクターゼ変異体であるケトレダクターゼが、ケトン類化合物に対して触媒還元反応を行う工程を含む。
さらに、ケトン類化合物は、
さらに、ケトン類化合物は、
さらに、Ｒ－３－ヒドロキシテトラヒドロフランの転化率＞９９％で、ｅｅ値は９９．６％であり、Ｒ－３－ヒドロキシテトラヒドロチオフェン中の転化率＞９９％で、ｅｅ値は９９．８％である。
さらに、ケトレダクターゼは、上記ケトレダクターゼ変異体の溶液、凍結乾燥粉末、固定化酵素または固定化細胞である。
さらに、触媒還元反応の反応系は、イソプロピルアルコールである補因子をさらに含み、他の補酵素が添加されていない。
さらに、ケトレダクターゼは、上記ケトレダクターゼ変異体の溶液、凍結乾燥粉末、固定化酵素または固定化細胞である。
さらに、触媒還元反応の反応系は、イソプロピルアルコールである補因子をさらに含み、他の補酵素が添加されていない。
さらに、触媒還元反応の反応系は、ＮＡＤ／ＮＡＤＨ及び／またはＮＡＤＰ／ＮＡＤＰＨである補因子をさらに含み、補因子循環系は、グルコースとグルコース脱水素酵素、ギ酸塩とギ酸脱水素酵素、グルコース－６－リン酸とグルコース－６－リン酸脱水素酵素または第二級アルコールと第二級アルコール脱水素酵素を含む。
さらに、触媒還元反応の反応系において、ケトレダクターゼの添加量は５ｍｇ～０．１ｇ粗酵素凍結乾燥粉末／１ｇ基質である。
さらに、触媒還元反応の温度は１０～３７℃であり、好ましくは、１５～３５℃である。
さらに、触媒還元反応の時間は３～４８ｈであり、さらに好ましくは、６～２７ｈである。
さらに、触媒還元反応は、ｐＨが６．０～９．５、好ましくはｐＨが７．０～７．５である条件で行われる。
さらに、触媒還元反応の反応系において、ケトレダクターゼの添加量は５ｍｇ～０．１ｇ粗酵素凍結乾燥粉末／１ｇ基質である。
さらに、触媒還元反応の温度は１０～３７℃であり、好ましくは、１５～３５℃である。
さらに、触媒還元反応の時間は３～４８ｈであり、さらに好ましくは、６～２７ｈである。
さらに、触媒還元反応は、ｐＨが６．０～９．５、好ましくはｐＨが７．０～７．５である条件で行われる。
本発明によると、タンパク質工学の手段によって野生型ケトレダクターゼａcＣＲを改良させて酵素性能が高度に改善された工学ケトレダクターゼを取得し、これらのケトレダクターゼ変異体は安定性が明らかに向上され、特に、アセトン及びイソプロピルアルコールに対する耐性が向上されて、キラル水酸基複素環系物質の調製においてグルコース／グルコース脱水素酵素、及びギ酸塩／ギ酸脱水素酵素、または他の補酵素を添加する必要がなくなり、イソプロピルアルコールのみを添加すると補因子の再生を完成することができ、これにより反応系の成分を簡略化し、コストを低減する。また、本発明のケトレダクターゼ変異体は、高い立体選択性を有し、ほぼ単一の純度のキラルアルコールを調製可能であり、基質の利用率を高め、後処理工程を削減し、産業生産への応用価値を高める。
本願の一部を構成する図面は本発明を一層理解させるためのものであり、本発明の例示的な実施例及びその説明は本発明を解釈するためのものであり、本発明を限定するものではない。
実施例６における反応温度最適化中の転化率結果を示す。
尚、矛盾しない限り、本願の実施例及び実施例中の特徴を互いに組み合わせすることができる。以下、図面を参照しつつ実施例を結合して本発明を詳しく説明する。
酢酸菌パステウリアナス（Ａｃｅｔｏｂａｃｔｅｒ ｐａｓｔｅｕｒｉａｎｕｓ ３８６Ｂ）由来の野生型ケトレダクターゼａcＣＲは、基質Ｉの、生成物ＩＩへの転化を触媒するが、その選択性が低く、生成されるＲ－３－ヒドロキシ複素環式化合物のｅｅ値はわずか５４％である。本発明は、タンパク質工学の方法でケトレダクターゼａcＣＲの立体選択性及び／または安定性を向上させて、酵素の触媒特性が改善された変異体を得て、キラル化合物の生産調製過程において高光学純度のキラルアルコールを得ることを図る。
タンパク質工学において、部位特異的突然変異と飽和突然変異技術は酵素分子が修飾を行う有効な手段である。まず、全プラスミドＰＣＲの方式によってａcＣＲに変異部位を導入し、変異体に対して指向性スクリーニングを行う方法によって選択性または安定性が向上された変異体を選別する。
ａcＣＲをモデルとし、３５対の部位特異的突然変異プライマー（Ｇ６Ｓ、Ｌ３８Ｓ、Ｋ７１Ｒ、Ｄ８５Ｅ、Ａ９４Ｔ、Ａ９４Ｇ、Ｓ９６Ｐ、Ｓ１０１Ａ、Ｌ１０４Ａ、Ｒ１０８Ｈ、Ｒ１０８Ｈ、Ｖ１１０Ｌ、Ｑ１１１Ｔ、Ｇ１１７Ｓ、Ｖ１１８Ｉ、Ｔ１２２Ａ、Ｍ１２９Ｉ、Ｉ１４３Ｌ、Ｅ１４４Ｓ、Ｌ１４６Ａ、Ｉ１４７Ｖ、Ｄ１４９Ｉ、Ｐ１５０Ｉ、Ｎ１５６Ｔ、Ｎ１５６Ｓ、Ｎ１５６Ｃ、Ｒ１６３Ｋ、Ｋ１６７Ａ、Ｓ１７６Ｐ、Ｖ１８５Ｉ、Ｐ１９３Ｎ、Ｐ１９３Ｇ、Ａ１９６Ｅ、Ａ２０３Ｄ、Ａ２０５Ｑ、Ｉ２２４Ｖ）を設計し、部位特異的突然変異手段によって、ｐＥＴ－２２ｂ（＋）を発現ベクターとして、標的遺伝子を含む突然変異プラスミドを得る。
ここで、部位特異的突然変異とは、ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）等の方法によって標的ＤＮＡ断片（ゲノムであってもよく、プラスミドであてもよい）に、塩基性基の添加、削除、点突然変異等を含む所望の変化（通常は特徴有利な方向への変化）を導入することを指す。部位特異的突然変異は、ＤＮＡで発現される標的タンパク質の性質及び特徴を迅速かつ効率的に改善することができ、遺伝子研究に非常に役立つ手段である。
全プラスミドＰＣＲを用いて部位特異的突然変異を導入する方法は簡単で有効であり、現在よく利用されている手段である。その原理は、１対の変異部位を含むプライマー（フォワード、リバース）とテンプレート用プラスミドがアニーリング後にポリメラーゼによる「循環伸長」を行うことであり、いわゆる循環伸長とは、ポリメラーゼがテンプレートに従ってプライマーを伸長させ、１周後にプライマー５’端に戻って終了し、その後加熱アニーリング伸長の循環を繰り返す。当該反応は、ローリングサークル増幅と異なって、複数のタンデムコピーを形成することがない。フォワードおよびリバースプライマーの伸長生成物はアニーリング後に欠失付き開プールプラスミド対になる。Ｄｐn Ｉによって伸長生成物を切断する。元のテンプレート用プラスミドは通常の大腸菌由来であり、ｄａｍメチル化によって修飾されたものであり、Ｄｐn Ｉに感受性があるため切断され、一方、体外で合成される突然変異配列付きプラスミドはメチル化されていないので切断されず、このため、後続の形質転換において成功に形質転換されて突然変異プラスミドのクローンが得られる。
Ｄｐn Ｉ酵素で母性テンプレートを消化除去した後、突然変異プラスミドを大腸菌細胞内に形質転換し、アンピシリン １００μｇ／ｍｌを含有するＬＢペトリ皿に塗布して、３７℃で１夜培養した。
シーケンシングで部位特異的突然変異菌の配列が正確であると確定された後、２５℃、０．２ｍＭ ＩＰＴＧで１夜誘導する条件で、ケトレダクターゼの発現を誘導した。その後、細胞を超音波破砕する方法によって粗酵素を得て、反応特性の検出に用いた。
反応特性を確認した結果、ケトレダクターゼの触媒特性を改善できる部位は、Ｇ６、Ａ９４、Ｓ９６、Ｇ１１７、Ｅ１４４、Ｎ１５６、Ｐ１９３、Ａ２０５、Ｉ２２４、Ｓ１７６、Ｄ８５、Ｒ１０８に由来する。
具体的に、ケトレダクターゼの触媒選択性を向上させる単一点の突然変異は、Ｇ６Ｓ、Ａ９４Ｓ、Ａ９４Ｔ、Ａ９４Ｎ／Ｐ／Ｒ／Ｍ、Ｓ９６Ｐ、Ｇ１１７Ｓ、Ｅ１４４Ｓ、Ｎ１５６Ｔ、Ｎ１５６Ｃ、Ｎ１５６Ｓ、Ｎ１５６Ｖ／Ｇ／Ｆ、Ｐ１９３Ｇ、Ａ２０５Ｑ、Ｉ２２４Ｖを含む。この中で、Ｓ９６Ｐ、Ｓ１７６Ｐ、Ｄ８５Ｅ、Ｒ１０８Ｈはケトレダクターゼの安定性を向上させることができる。
ソフトウェアでケトレダクターゼの三次元構造にコンピュータシミュレーション分析を行った結果、Ａ９４Ｓ／Ｔ／Ｎ／Ｐ／Ｒ／Ｍ、Ｅ１４４Ｓ、Ｎ１５６Ｔ／Ｃ／Ｓ／Ｖ／Ｇ／Ｆ、Ｎ１５６Ｃが酵素触媒中心付近に位置し、構成しようとする遷移状態の結合構成の自由エネルギーが低いことに関連する可能性がある。Ｓ９６Ｐ、Ｓ１７６Ｐはタンパク質ペプチド鎖の柔軟性の低下に関連する可能性がある。
飽和突然変異は、標的タンパク質のコード遺伝子を修飾することで、短時間内に標的部位のアミノ酸がそれぞれ他の１９種類のアミノ酸で入れ替えられた変異体を得る方法である。該方法は、タンパク質の配向性修飾の有力なツールであるだけではなく、タンパク質の構造―機能関係を研究する際の重要な手段でもある。飽和突然変異は、通常単一点の突然変異より理想的な改良体を得ることができる。そして、部位特異的突然変異方法で解決することができないこれらの問題は、まさに飽和突然変異方法の得意な独特の点である。
現在、常用のＮＮＫまたはＮＮＳ縮重プライマーは飽和突然変異のプライマーとして用いられる。ＮＮＫ／Ｓは、３２種類の可能なコドンを発生し、２０種類のアミノ酸及び終止コドンをコードする。また、ＮＤＴは１２種類の可能なコドンを発生し、ＶＨＧは９種類のコドンに対応し、このような２種類の縮重プライマーにＴＧＧを加えて合計で２２種類のコドンに対応し、終止コドンはなく、２０種類のＡＡをコードすることが可能である。ＮＮＫ／Ｓ縮重プライマーに比べ、ＮＤＴ、ＶＨＧ、ＴＧＧの３種類の縮重プライマーを用いて飽和突然変異を行うと、すべてのアミノ酸をカバーする変異体プールを得るに必要なサンプル量が大幅に減少され、スクリーニング作業を有効に減らすことができる。
単一点突然変異の研究に基づいて、両点飽和突然変異を行うと、単一点突然変異に比べ格段に優れた効果を発生することができる。Ｅ１４４Ｓ変異体について、Ａ９４及びＮ１５６部位の両点飽和突然変異を行う。Ａ９４及びＮ１５６部位の飽和突然変異プライマーとしていずれも縮重プライマー（ＮＤＴ、ＶＨＧ、ＴＧＧ）が用いられており、該３種類のプライマーの混合方式は１２：９：１であり、両点飽和突然変異に用いられる。その後、オーバーラップ伸長ＰＣＲ増幅によって、２点突然変異を含む突然変異遺伝子プールを得て、２端制限エンドヌクレアーゼＮｄｅＩ、ＸｈoＩで切断した後、回収してｐＥＴ２２ｂ等の発現ベクターに連結し、大腸菌細胞内に形質転換して、アンピシリン １００μｇ／ｍｌを含有するＬＢペトリ皿に塗布して、３７℃で１夜培養して、両点変異体プールを得て、指向性スクリーニングによって、Ｅ１４４Ｓ＋Ａ９４Ｎ＋Ｎ１５６Ｖ、Ｅ１４４Ｓ＋Ａ９４Ｎ＋Ｎ１５６Ｇ、Ｅ１４４Ｓ＋Ａ９４Ｐ＋Ｎ１５６Ｔ、Ｅ１４４Ｓ＋Ａ９４Ｒ＋Ｎ１５６Ｃ、Ｅ１４４Ｓ＋Ａ９４Ｍ＋Ｎ１５６Ｆを含む選択性が向上された変異体を得た。
単一点変異体の触媒特性は母性に比べ向上されているが、最適な効果に達しているのではなく、変異部位の組み合わせによってさらに優れた変異体を得ることができる。上記突然変異を任意に組み合わせすると、組み合わせ突然変異菌が得られる。
具体的に、Ｅ１４４Ｓ＋Ｓ９６Ｐ、Ｅ１４４Ｓ＋Ａ９４Ｔ／Ｓ、Ｅ１４４Ｓ＋Ｎ１５６Ｔ／Ｓ／Ｃ／Ｖ／Ｇ／Ｆ、Ｅ１４４Ｓ＋Ｇ１１７Ｓ、Ｅ１４４Ｓ＋Ｇ６Ｓ、Ｅ１４４Ｓ＋Ａ２０５Ｑ、Ｅ１４４Ｓ＋Ｉ２２４Ｖ、Ｅ１４４Ｓ＋Ｓ１７６Ｐ、Ｅ１４４Ｓ＋Ｄ８５Ｅ、Ｅ１４４Ｓ＋Ｒ１０８Ｈ、Ａ９４Ｔ／Ｓ／Ｎ／Ｐ／Ｒ／Ｍ＋Ｓ９６Ｐ＋Ｅ１４４Ｓ、Ｅ１４４Ｓ＋Ａ９４Ｔ／Ｓ／Ｎ／Ｐ／Ｒ／Ｍ＋Ｎ１５６Ｔ／Ｓ／Ｃ／Ｖ／Ｇ／Ｆ、Ｅ１４４Ｓ＋Ａ９４Ｔ／Ｓ／Ｎ／Ｐ／Ｒ／Ｍ＋Ｎ１５６Ｔ／Ｓ／Ｃ／Ｖ／Ｇ／Ｆ＋Ｓ９６Ｐ、Ｅ１４４Ｓ＋Ａ９４Ｔ／Ｓ＋Ｐ１９３Ｇ、Ｅ１４４Ｓ＋Ａ９４Ｔ／Ｓ／Ｎ／Ｐ／Ｒ／Ｍ＋Ｎ１５６Ｔ／Ｓ／Ｃ／Ｖ／Ｇ／Ｆ＋Ｇ６Ｓ、Ｅ１４４Ｓ＋Ａ９４Ｔ／Ｓ＋Ｇ６Ｓ、Ｅ１４４Ｓ＋Ａ９４Ｔ／Ｓ／Ｎ／Ｐ／Ｒ／Ｍ＋Ｎ１５６Ｔ／Ｓ／Ｃ／Ｖ／Ｇ／Ｆ＋Ｇ６Ｓ＋Ｓ９６Ｐ、Ｅ１４４Ｓ＋Ａ９４Ｔ／Ｓ／Ｎ／Ｐ／Ｒ／Ｍ＋Ｎ１５６Ｔ／Ｓ／Ｃ／Ｖ／Ｇ／Ｆ＋Ｇ６Ｓ＋Ｓ９６Ｐ＋Ｒ１０８Ｈ、及びＥ１４４Ｓ＋Ａ９４Ｔ／Ｓ／Ｎ／Ｐ／Ｒ／Ｍ＋Ｎ１５６Ｔ／Ｓ／Ｃ／Ｖ／Ｇ／Ｆ＋Ｇ６Ｓ＋Ｓ９６Ｐ＋Ｐ１９３Ｇ＋Ｒ１０８Ｈの組み合わせを含むが、これらに限定されることはない。ここで、「／」は「または」を示す。
組み合わせ突然変異において両点突然変異の構築方法は単一点突然変異の構築方法と同じで、全プラスミドＰＣＲ法で構築される。同時に、三つ及びその以上の部位が突然変異するマルチ部位突然変異においてオーバーラップ伸長ＰＣＲ増幅によって、マルチ部位突然変異を含む突然変異遺伝子を得て、２端制限エンドヌクレアーゼＮｄｅＩ、ＸｈoＩで切断した後、回収してｐＥＴ２２ｂ等の発現ベクターに連結し、大腸菌細胞内に形質転換して、アンピシリン １００μｇ／ｍｌを含有するＬＢペトリ皿に塗布して、３７℃で１夜培養して、組み合わせ変異体を得て、配列のシーケンシング同定を行う。
オーバーラップ伸長ＰＣＲ技術は、相補的な末端を有するプライマーを用いて、ＰＣＲ生成物に小さいオーバーラップ鎖を形成させ、その後、後続する増幅反応において、オーバーラップ鎖の伸長によって、異なるものに由来した増幅断片をオーバーラップして連結する。オーバーラップ伸長法でマルチ点突然変異菌株を構成すると、一回に複数の部位を導入することが可能であり、該方法によると時間を節約し且つ有効であり、具体的には、テンプレート用プラスミド及びプライマーを用意する第１工程と、小さい断片を取得する第２工程と、小さい断片を伸長させて中間断片を取得する第３工程と、すべての変異部位を含む全長断片を取得する第４工程と、ベクターにクローンする第５工程と、単クローンの同定及び配列のシーケンシングを行う第６工程との六つの工程を含む。
配列シーケンシングを行って正確であるケトレダクターゼ変異体について、フラスコを振って発現を誘導する。その方法は、アンピシリン １００μｇ／ｍｌを含有する５００ｍｌのＬＢ液体培地に接種し、３７℃で振とう培養してＯＤ６００＝０．６になると、濃度が０．２ｍＭになるまでＩＰＴＧを添加し、２５℃で発現を誘導した。１６ｈ誘導した後、６０００ｇで１０ｍｉｎ遠心分離して菌体を収集した。菌体を超音波破砕機を用いて細胞を破砕し、４℃、１００００ｇで２０ｍｉｎ遠心分離して上清を得て、その後反応検出を行った。
本発明の典型的な実施形態によると、ケトレダクターゼ変異体を提供する。このケトレダクターゼ変異体のアミノ酸配列は、配列番号１に示すアミノ酸配列と８０％以上の相同性を有するアミノ酸配列であり、且つ少なくとも、第６位、第９４位、第９６位、第１１７位、第１４４位、第１５６位、第１９３位、第２０５位、第２２４位、第１７６位、第８５位、及び第１０８位の中の一つの変異部位を含み、且つ第６位のグリシンがセリンに、第９４位のアラニンがセリンまたはスレオニンに、第９６位のセリンがプロリン、アスパラギン、アルギニンまたはメチオニンに、第１１７位のグリシンがセリンに、第１４４位のグルタミン酸がセリンに、第１５６位のアスパラギンがスレオニン、システイン、セリン、バリン、グリシンまたはフェニルアラニンに、第１９３位のプロリンがグリシンに、第２０５位のアラニンがグルタミンに、第２２４位のイソロイシンがバリンに、第９６位のセリンがプロリンに、第１７６位のセリンがプロリンに、第８５位のアスパラギン酸がグルタミン酸に、第１０８位のアルギニンがヒスチジンに突然変異した。
好ましくは、ケトレダクターゼ変異体のアミノ酸配列が、配列番号２、配列番号３、配列番号４、配列番号５、配列番号６、配列番号７、配列番号８、配列番号９、配列番号１０、配列番号１１、配列番号１２、配列番号１３、配列番号１４、配列番号１５、配列番号１６、配列番号１７、配列番号１８、配列番号１９、配列番号２０、配列番号２１、配列番号２２、配列番号２３、配列番号２４、配列番号２５、配列番号２６、配列番号２７、配列番号２８、配列番号２９、配列番号３０、配列番号３１、配列番号３２、配列番号３３、配列番号３４、配列番号３５、配列番号３６、配列番号３７、配列番号３８、配列番号３９、配列番号４０、配列番号４１、配列番号４２または配列番号４３に示すアミノ酸配列と９５％以上、好ましくは９６％、さらに好ましくは９７％、９８％、９９％または１００％の相同性を有するアミノ酸配列である。
本文で使用される用語「相同性」は本分野における通常の周知の意味を有し、異なる配列間の相同性を測定する規則や標準は当業者が周知のことである。本発明において、異なるレベルの相同性で限定した配列は同時に改善されたケトレダクターゼ活性を有しなければならない。上記実施形態において、好ましくは、ケトレダクターゼ変異体のアミノ酸配列が、配列番号２、配列番号３、配列番号４、配列番号５、配列番号６、配列番号７、配列番号８、配列番号９、配列番号１０、配列番号１１、配列番号１２、配列番号１３、配列番号１４、配列番号１５、配列番号１６、配列番号１７、配列番号１８、配列番号１９、配列番号２０、配列番号２１、配列番号２２、配列番号２３、配列番号２４、配列番号２５、配列番号２６、配列番号２７、配列番号２８、配列番号２９、配列番号３０、配列番号３１、配列番号３２、配列番号３３、配列番号３４、配列番号３５、配列番号３６、配列番号３７、配列番号３８、配列番号３９、配列番号４０、配列番号４１、配列番号４２または配列番号４３と９５％以上の相同性を有し、且つ改善されたケトレダクターゼ活性を有しまたはコードして有するアミノ酸配列である。当業者は本願に開示された内容に基づいてこのような変異配列を得ることが可能である。
本発明によると、タンパク質工学の手段によって野生型ケトレダクターゼａcＣＲを改良させて酵素性能が高度に改善された工学ケトレダクターゼを取得し、これらのケトレダクターゼ変異体は安定性が明確に向上され、特に、アセトン及びイソプロピルアルコールに対する耐性が向上されて、キラル水酸基複素環系物質の調製においてグルコース／グルコース脱水素酵素と、ギ酸塩／ギ酸脱水素酵素、または他の補酵素を添加する必要がなくなり、イソプロピルアルコールのみを添加するで補因子の再生を完成でき、これにより反応系の成分を簡略化し、コストを低減する。また、本発明のケトレダクターゼ変異体は、高い立体選択性を有し、ほぼ単一の純度のキラルアルコールを調製可能であり、基質の利用率を高め、後処理工程を削減し、産業生産への応用価値を高める。本発明の典型的な実施形態によると、ＤＮＡ分子を提供する。このＤＮＡ分子は上記ケトレダクターゼ変異体をコードする。好ましくは、ＤＮＡ分子の配列が、配列番号４４、配列番号４５、配列番号４６、配列番号 ４７、配列番号４８、配列番号４９、配列番号５０、配列番号５１、配列番号５２、配列番号５３、配列番号５４、配列番号５５、配列番号５６、配列番号５７、配列番号５８、配列番号５９、配列番号６０、配列番号６１、配列番号６２、配列番号６３、配列番号６４、配列番号６５、配列番号６６、配列番号６７、配列番号６８、配列番号６９、配列番号７０、配列番号７１、配列番号７２、配列番号７３、配列番号７４、配列番号７５、配列番号７６、配列番号７７、配列番号７８、配列番号７９、配列番号８０、配列番号８１、配列番号８２、配列番号８３、配列番号８４、配列番号８５、配列番号または配列番号８６に示す配列と９５％以上、好ましくは９６％、さらに好ましくは９７％、９８％、９９％または１００％の相同性を有する配列である。
本発明の上記ＤＮＡ分子は、「発現カセット」の形態で存在することもできる。「発現カセット」とは、線状または環状の核酸分子を指し、特定のヌクレオチド配列の適切な宿主細胞での発現を指示するＤＮＡとＲＮＡ配列をカバーする。一般的に、標的ヌクレオチドと有効に連結されたプロモーターを含み、任意に、終止信号及び／または他の調節エレメントに有効に連結されたものである。発現カセットは、ヌクレオチド配列を正確に翻訳するに必要な配列をさらに含むことができる。コード領域において通常、標的タンパク質をコードするが、センスまたはアンチセンス方向において例えばアンチセンスＲＮＡまたは非翻訳ＲＮＡなどの標的機能ＲＮＡのコードも行う。標的ポリヌクレオチド配列を含む発現カセットは、少なくとも一つの成分が少なくとも一つの他の成分と異種であることを意味するキメラであってもよい。発現カセットは、天然に存在するものであってもよく、異種発現のための有効な組換えで形成して得たものでであってもよい。
本発明の典型的な実施形態によると、組換えプラスミドを提供する。この組換えプラスミドは、上述したいずれか１種のＤＮＡ分子を含有する。上記組換えプラスミド中のＤＮＡ分子は、上記ＤＮＡ分子が正確でスムーズに複製、転写または発現されるように、組換えプラスミドの適切な位置に置かれる。
本発明において上記ＤＮＡ分子を限定する際に用語「含有」を用いたが、ＤＮＡ配列の両端にその機能と関連のない他の配列を任意に追加できることを意味するのではない。組換え操作の要求を満たすため、ＤＮＡ配列の両端に適切な制限エンドヌクレアーゼの切断部位を追加するか、または別途に開始コドン、終止コドン等を追加する必要があることは当業者が周知のことであるため、閉鎖型表現方式で限定するとこのような状況をカバーすることができない。
本発明に用いられる用語「プラスミド」は、二本鎖または一本鎖の線状または環状形式の任意のプラスミド、コスミド、バクテリオファージまたはアグロバクテリウム二元核酸分子を含み、好ましくは、組換え発現プラスミドであり、原核発現プラスミドであってもよく、真核発現プラスミドであってもよい。原核発現プラスミドであることが好ましい。一部の実施方案において、組換えプラスミドは、ｐＥＴ－２２ｂ（＋）、ｐＥＴ－３ａ（＋）、ｐＥＴ－３ｄ（＋）、ｐＥＴ－１１ａ（＋）、ｐＥＴ－１２ａ（＋）、ｐＥＴ－１４ｂ（＋）、ｐＥＴ－１５ｂ（＋）、ｐＥＴ－１６ｂ（＋）、ｐＥＴ－１７ｂ（＋）、ｐＥＴ－１９ｂ（＋）、ｐＥＴ－２０ｂ（＋）、ｐＥＴ－２１ａ（＋）、ｐＥＴ－２３ａ（＋）、ｐＥＴ－２３ｂ（＋）、ｐＥＴ－２４ａ（＋）、ｐＥＴ－２５ｂ（＋）、ｐＥＴ－２６ｂ（＋）、ｐＥＴ－２７ｂ（＋）、ｐＥＴ－２８ａ（＋）、ｐＥＴ－２９ａ（＋）、ｐＥＴ－３０ａ（＋）、ｐＥＴ－３１ｂ（＋）、ｐＥＴ－３２ａ（＋）、ｐＥＴ－３５ｂ（＋）、ｐＥＴ－３８ｂ（＋）、ｐＥＴ－３９ｂ（＋）、ｐＥＴ－４０ｂ（＋）、ｐＥＴ－４１ａ（＋）、ｐＥＴ－４１ｂ（＋）、ｐＥＴ－４２ａ（＋）、ｐＥＴ－４３ａ（＋）、ｐＥＴ－４３ｂ（＋）、ｐＥＴ－４４ａ（＋）、ｐＥＴ－４９ｂ（＋）、ｐＱＥ２、ｐＱＥ９、ｐＱＥ３０、ｐＱＥ３１、ｐＱＥ３２、ｐＱＥ４０、ｐＱＥ７０、ｐＱＥ８０、ｐＲＳＥＴ－Ａ、ｐＲＳＥＴ－Ｂ、ｐＲＳＥＴ－Ｃ、ｐＧＥＸ－５Ｘ－１、ｐＧＥＸ－６ｐ－１、ｐＧＥＸ－６ｐ－２、ｐＢＶ２２０、ｐＢＶ２２１、ｐＢＶ２２２、ｐＴｒｃ９９Ａ、ｐＴｗｉｎ１、ｐＥＺＺ１８、ｐＫＫ２３２－１８、ｐＵＣ－１８またはｐＵＣ－１９から選ばれる。さらに好ましくは、上記組換えプラスミドがｐＥＴ－２２ｂ（＋）である。
本発明の典型的な実施形態によると、宿主細胞を提供し、宿主細胞は上述したいずれか１種の組換えプラスミドを含有する。本発明に適用される宿主細胞は、原核細胞、酵母または真核細胞を含むが、これに限定されることはない。原核細胞が例えばグラム陰性菌またはグラム陽性菌である真正細菌であることが好ましい。原核細胞が大腸菌ＢＬ２１細胞または大腸菌ＤＨ５αコンピテントセルであることがさらに好ましい。
本発明の典型的な実施形態によると、Ｒ－３－ヒドロキシ複素環式化合物を生産する方法を提供する。この方法は、上述したいずれか１種のケトレダクターゼ変異体であるケトレダクターゼが、ケトン類化合物に対して触媒還元反応を行う工程を含む。
本発明によると、タンパク質工学の手段によって野生型ケトレダクターゼａcＣＲを改良させて酵素性能が高度に改善された工学ケトレダクターゼを取得し、これらのケトレダクターゼ変異体は安定性が明確に向上され、特に、アセトン及びイソプロピルアルコールに対する耐性が向上されて、キラル水酸基複素環系物質の調製においてグルコース／グルコース脱水素酵素と、ギ酸塩／ギ酸脱水素酵素、または他の補酵素を添加する必要がなくなり、イソプロピルアルコールのみを添加するで補因子の再生を完成でき、これにより反応系の成分を簡略化し、コストを低減する。また、本発明のケトレダクターゼ変異体は、高い立体選択性を有し、単一の純度に近いキラルアルコールを調製可能であり、基質の利用率を高め、後処理工程を削減し、産業生産への応用価値を高める。
本発明の典型的な実施形態によると、ケトン類化合物は
本発明の典型的な実施形態によると、ケトン類化合物は
であり、ここで、ＲはＯまたはＳ原子から選ばれる。ここで、Ｒ－３－ヒドロキシテトラヒドロフランの転化率＞９９％で、ｅｅ値は９９．６％であり、Ｒ－３－ヒドロキシテトラヒドロチオフェン中の転化率＞９９％で、ｅｅ値は９９．８％である。
本発明の典型的な実施形態によると、ケトレダクターゼが、請求項１または２に記載のケトレダクターゼ変異体の溶液、凍結乾燥粉末、固定化酵素または固定化細胞である。
好ましくは、触媒還元反応の反応系において、ＮＡＤ／ＮＡＤＨ及び／またはＮＡＤＰ／ＮＡＤＰＨである補因子をさらに含み、補因子循環系はグルコースとグルコース脱水素酵素、ギ酸塩とギ酸脱水素酵素、グルコース－６－リン酸とグルコース－６－リン酸脱水素酵素、または第二級アルコールと第二級アルコール脱水素酵素を含む。さらに好ましくは、補因子はイソプロピルアルコールであり、他の補酵素は添加されていない。
好ましくは、触媒還元反応の反応系において、ケトレダクターゼの添加量は５ｍｇ～０．１ｇ粗酵素凍結乾燥粉末である。本発明において、酵素の使用量は既存技術における酵素の使用量より大幅に減少し、生産コストを低減する。
好ましくは、触媒還元反応の温度が１０～３７℃であり、好ましくは、１５～３５℃であり、触媒還元反応の時間は３～４８ｈであり、さらに好ましくは、６～１６ｈであり、触媒還元反応はｐＨが６．０～９．５である、好ましくはｐＨが７．０～７．５である条件で行われる。このような反応条件で、酵素の触媒性能をさらに良好に発揮することができる。
以下、実施例を結合して本発明の有益な効果をさらに説明する。
［実施例１：ケトレダクターゼによる部位特異的突然変異、飽和突然変異、組み合わせ突然変異でＲ－３－ヒドロキシテトラヒドロチオフェンを調製する反応特性の比較］
５ｍＬの反応管において、３－ケトンテトラヒドロチオフェン ４０ｍｇをイソプロピルアルコール ６０ｕｌに添加して均一に混合し、ｐＨを７．０～７．３に調節して、ＮＡＤ ０．４ｍｇ、ケトレダクターゼ１－４４号粗酵素凍結乾燥粉末 ０．４ｍｇ～４ｍｇ、０．１Ｍリン酸塩緩衝液を添加し、総反応体積は０．４ｍｌで、系のｐＨが７．０～７．３であり、３０℃±３℃の一定温度で攪拌反応させた。ケトレダクターゼの安定性を検測する場合には、系中にさらに高濃度のイソプロピルアルコールを添加して反応させた。１６ｈ後に、系から取り出して、メチルｔｅｒｔ-ブチルエーテルで抽出し、有機相をＧＣに送って分析し、触媒特性が改善された変異体の反応特性を表１に示す。
［実施例１：ケトレダクターゼによる部位特異的突然変異、飽和突然変異、組み合わせ突然変異でＲ－３－ヒドロキシテトラヒドロチオフェンを調製する反応特性の比較］
５ｍＬの反応管において、３－ケトンテトラヒドロチオフェン ４０ｍｇをイソプロピルアルコール ６０ｕｌに添加して均一に混合し、ｐＨを７．０～７．３に調節して、ＮＡＤ ０．４ｍｇ、ケトレダクターゼ１－４４号粗酵素凍結乾燥粉末 ０．４ｍｇ～４ｍｇ、０．１Ｍリン酸塩緩衝液を添加し、総反応体積は０．４ｍｌで、系のｐＨが７．０～７．３であり、３０℃±３℃の一定温度で攪拌反応させた。ケトレダクターゼの安定性を検測する場合には、系中にさらに高濃度のイソプロピルアルコールを添加して反応させた。１６ｈ後に、系から取り出して、メチルｔｅｒｔ-ブチルエーテルで抽出し、有機相をＧＣに送って分析し、触媒特性が改善された変異体の反応特性を表１に示す。
１：Ｒエナンチオマー５０．０－５５．９９％ｅｅを示す。
＋：Ｒエナンチオマー５６．０－７４．９９％ｅｅを示す。
＋＋：Ｒエナンチオマー７４．９９－８９．９９％ｅｅを示す。
＋＋＋：Ｒエナンチオマー９０．０－９５．９９％ｅｅを示す。
＋＋＋＋：Ｒエナンチオマー９６．０－９９．００％ｅｅを示す。
＋＋＋＋＋：Ｒエナンチオマー９９．０１－１００％ｅｅを示す。
表中の安定性列において、１は安定性が野生型ケトン還元の安定性に相当することを示し、＋は安定性が向上されたことを示し、＋＋は安定性が顕著に向上されたことを示す。
［実施例２：ケトレダクターゼ変異体のＲ－３－ヒドロキシテトラヒドロチオフェンの合成への応用］
ケトレダクターゼの触媒でＲ－３－ヒドロキシテトラヒドロチオフェンを合成する化学反応について、以下の実験を行った：反応液 １０ｍＬで、３－ケトンテトラヒドロチオフェン １ｇをイソプロピルアルコール １．５ｍｌに添加して均一に混合し、ｐＨを７．０～７．３に調節して、ＮＡＤ ０．０１ｇ、ケトレダクターゼａcＣＲ粗酵素凍結乾燥粉末 ０．００５～０．１ｇ、０．１Ｍ ｐＨ７．０のリン酸塩緩衝液 ７．６８ｍｌを滴下し、系のｐＨは７．０～７．３で、３０℃±３℃の一定温度で１６ｈ攪拌した。系をメチルｔｅｒｔ-ブチルエーテルで抽出し、有機相をＧＣに送って転化率とｅｅ値を検出し、その結果を表２に示す。
ケトレダクターゼの触媒でＲ－３－ヒドロキシテトラヒドロチオフェンを合成する化学反応について、以下の実験を行った：反応液 １０ｍＬで、３－ケトンテトラヒドロチオフェン １ｇをイソプロピルアルコール １．５ｍｌに添加して均一に混合し、ｐＨを７．０～７．３に調節して、ＮＡＤ ０．０１ｇ、ケトレダクターゼａcＣＲ粗酵素凍結乾燥粉末 ０．００５～０．１ｇ、０．１Ｍ ｐＨ７．０のリン酸塩緩衝液 ７．６８ｍｌを滴下し、系のｐＨは７．０～７．３で、３０℃±３℃の一定温度で１６ｈ攪拌した。系をメチルｔｅｒｔ-ブチルエーテルで抽出し、有機相をＧＣに送って転化率とｅｅ値を検出し、その結果を表２に示す。
［実施例３］
１０ｍＬの反応液に、３－ケトンテトラヒドロチオフェン １ｇ、イソプロピルアルコール終濃度６０％、ケトレダクターゼ凍結乾燥粉末質量 ０．０２５ｇ、０．１Ｍリン酸塩緩衝液で粗酵素液を調製し、ＮＡＤ ０．０１ｇを添加し、基質混合液を酵素液に滴下し、系のｐＨは７．０～７．３で、３０℃±３℃の一定温度で４０ｈ攪拌した。系をメチルｔｅｒｔ-ブチルエーテルで抽出し、有機相をＧＣに送って分析し、配列番号３２ケトレダクターゼ変異体の転化率は９９．３％で、ｅｅ値は９８．７％であった。一方、野生型ケトレダクターゼ配列番号１は、高濃度のイソプロピルアルコール反応系において、殆どの酵素が変性しており、反応結果は非常に悪かった。
１０ｍＬの反応液に、３－ケトンテトラヒドロチオフェン １ｇ、イソプロピルアルコール終濃度６０％、ケトレダクターゼ凍結乾燥粉末質量 ０．０２５ｇ、０．１Ｍリン酸塩緩衝液で粗酵素液を調製し、ＮＡＤ ０．０１ｇを添加し、基質混合液を酵素液に滴下し、系のｐＨは７．０～７．３で、３０℃±３℃の一定温度で４０ｈ攪拌した。系をメチルｔｅｒｔ-ブチルエーテルで抽出し、有機相をＧＣに送って分析し、配列番号３２ケトレダクターゼ変異体の転化率は９９．３％で、ｅｅ値は９８．７％であった。一方、野生型ケトレダクターゼ配列番号１は、高濃度のイソプロピルアルコール反応系において、殆どの酵素が変性しており、反応結果は非常に悪かった。
［実施例４：一部のケトレダクターゼ変異体でＲ－３－ヒドロキシテトラヒドロフランを調製する際の反応特性の比較］
５ｍＬの反応管において、３－ケトンテトラヒドロフラン ０．１ｇをイソプロピルアルコール １５０ｕｌに添加して均一に混合し、ｐＨを７．０～７．３に調節し、ＮＡＤ １ｍｇ、ケトレダクターゼ凍結乾燥粉末質量 ０．０２ｇ、０．１Ｍのリン酸塩緩衝液を添加し、総反応体積は２ｍｌで、系のｐＨは７．０～７．３であり、３０℃±３℃の一定温度で１６ｈ攪拌した。系をメチルｔｅｒｔ-ブチルエーテルで抽出し、有機相をＧＣに送って転化率とｅｅ値を分析した。表１中の一部の変異体の３－ケトンテトラヒドロフランに対する反応特性を表３に示す。
５ｍＬの反応管において、３－ケトンテトラヒドロフラン ０．１ｇをイソプロピルアルコール １５０ｕｌに添加して均一に混合し、ｐＨを７．０～７．３に調節し、ＮＡＤ １ｍｇ、ケトレダクターゼ凍結乾燥粉末質量 ０．０２ｇ、０．１Ｍのリン酸塩緩衝液を添加し、総反応体積は２ｍｌで、系のｐＨは７．０～７．３であり、３０℃±３℃の一定温度で１６ｈ攪拌した。系をメチルｔｅｒｔ-ブチルエーテルで抽出し、有機相をＧＣに送って転化率とｅｅ値を分析した。表１中の一部の変異体の３－ケトンテトラヒドロフランに対する反応特性を表３に示す。
１：Ｒエナンチオマー５０．０－５５．９９％ｅｅを示す。
＋:Ｒエナンチオマー５６．０－６９．９９％ｅｅを示す。
＋＋:Ｒエナンチオマー７０．０－８９．９９％ｅｅを示す。
＋＋＋:Ｒエナンチオマー９０．０－９５．９９％ｅｅを示す。
＋＋＋＋:Ｒエナンチオマー９６．０－１００％ｅｅを示す。
［実施例５：ケトレダクターゼ変異体によるＲ－３－ヒドロキシテトラヒドロフランの調製］
１０ｍＬの反応液において、３－ケトンテトラヒドロフラン １ｇをイソプロピルアルコール １．５ｍｌに添加して均一に混合し、ｐＨを７．０～７．３に調節し、ＮＡＤ ０．０１ｇを滴下し、ＳＥＱ３９ケトレダクターゼ乾燥粉末 ０．０５～０．１ｇを０．１Ｍリン酸塩緩衝液で溶解し、系のｐＨは７．０～７．３であり、３０℃±３℃の一定温度で２４ｈ攪拌した。系をメチルｔｅｒｔ-ブチルエーテルで抽出し、有機相をＧＣに送って分析した結果、ｅｅ値は９９．６％で、転化率は９８％を超えた。
１０ｍＬの反応液において、３－ケトンテトラヒドロフラン １ｇをイソプロピルアルコール １．５ｍｌに添加して均一に混合し、ｐＨを７．０～７．３に調節し、ＮＡＤ ０．０１ｇを滴下し、ＳＥＱ３９ケトレダクターゼ乾燥粉末 ０．０５～０．１ｇを０．１Ｍリン酸塩緩衝液で溶解し、系のｐＨは７．０～７．３であり、３０℃±３℃の一定温度で２４ｈ攪拌した。系をメチルｔｅｒｔ-ブチルエーテルで抽出し、有機相をＧＣに送って分析した結果、ｅｅ値は９９．６％で、転化率は９８％を超えた。
［実施例６：ケトレダクターゼによるＲ－３－ヒドロキシテトラヒドロチオフェンの調製反応の最適化］
１．反応温度：
５ｍＬの反応管において、３－ケトンテトラヒドロチオフェン ０．１ｇをイソプロピルアルコール １５０ｕｌに添加して均一に混合し、ｐＨを７．０～７．３に調節し、ＮＡＤ １ｍｇ、ＳＥＱ１８ケトレダクターゼ乾燥粉末 ０．００５ｇ、０．１Ｍリン酸塩緩衝液 ０．６２ｍｌを添加し、総反応体積は１ｍｌで、系のｐＨは７．０～７．３であり、３０℃±３℃の一定温度で１６ｈ攪拌した。系をメチルｔｅｒｔ-ブチルエーテルで抽出し、有機相をＧＣに送って分析してその結果を図１に示す。温度が低下するほど、ケトレダクターゼの立体選択性は増加する傾向があるが、反応速度は低下し始まった。
１．反応温度：
５ｍＬの反応管において、３－ケトンテトラヒドロチオフェン ０．１ｇをイソプロピルアルコール １５０ｕｌに添加して均一に混合し、ｐＨを７．０～７．３に調節し、ＮＡＤ １ｍｇ、ＳＥＱ１８ケトレダクターゼ乾燥粉末 ０．００５ｇ、０．１Ｍリン酸塩緩衝液 ０．６２ｍｌを添加し、総反応体積は１ｍｌで、系のｐＨは７．０～７．３であり、３０℃±３℃の一定温度で１６ｈ攪拌した。系をメチルｔｅｒｔ-ブチルエーテルで抽出し、有機相をＧＣに送って分析してその結果を図１に示す。温度が低下するほど、ケトレダクターゼの立体選択性は増加する傾向があるが、反応速度は低下し始まった。
２．全細胞触媒：
５ｍＬの反応管において、３－ケトンテトラヒドロチオフェン ０．１ｇをイソプロピルアルコール １５０ｕｌに添加して均一に混合し、ｐＨを７．０～７．３に調節し、ＮＡＤ １ｍｇを添加し、ＳＥＱ４２ケトレダクターゼ全細胞 ０．０５ｇを０．１Ｍリン酸塩緩衝液 ０．６２ｍｌに溶解させ、総反応体積は１ｍｌで、系のｐＨは７．０～７．５であって、３０℃±３℃の一定温度で１６ｈ攪拌した。系をメチルｔｅｒｔ-ブチルエーテルで抽出し、有機相をＧＣに送って分析した結果、ｅｅ値は９９％を超えていて、転化率は９８％を超えていた。
５ｍＬの反応管において、３－ケトンテトラヒドロチオフェン ０．１ｇをイソプロピルアルコール １５０ｕｌに添加して均一に混合し、ｐＨを７．０～７．３に調節し、ＮＡＤ １ｍｇを添加し、ＳＥＱ４２ケトレダクターゼ全細胞 ０．０５ｇを０．１Ｍリン酸塩緩衝液 ０．６２ｍｌに溶解させ、総反応体積は１ｍｌで、系のｐＨは７．０～７．５であって、３０℃±３℃の一定温度で１６ｈ攪拌した。系をメチルｔｅｒｔ-ブチルエーテルで抽出し、有機相をＧＣに送って分析した結果、ｅｅ値は９９％を超えていて、転化率は９８％を超えていた。
［実施例７：ケトレダクターゼのＲ－３－ヒドロキシテトラヒドロチオフェンの調製への応用］
１０ｍＬの反応液で、３－ケトンテトラヒドロチオフェン １ｇをイソプロピルアルコール ４ｍｌに添加して均一に混合し、ｐＨを７．０～７．３に調製し、ＮＡＤ ０．０１ｇを添加し、ＳＥＱ４３ケトレダクターゼ粗酵素凍結乾燥粉末 ０．０１ｇ～０．０５ｇを０．１Ｍリン酸塩緩衝液に溶解させ、系のｐＨは７．０～７．３であり、３０℃で１６ｈ反応させた。系をメチルｔｅｒｔ-ブチルエーテルで抽出し、有機相をＧＣに送って検出した結果、転化率は９９％で、ｅｅ値は最大９９．７％であった。
１０ｍＬの反応液で、３－ケトンテトラヒドロチオフェン １ｇをイソプロピルアルコール ４ｍｌに添加して均一に混合し、ｐＨを７．０～７．３に調製し、ＮＡＤ ０．０１ｇを添加し、ＳＥＱ４３ケトレダクターゼ粗酵素凍結乾燥粉末 ０．０１ｇ～０．０５ｇを０．１Ｍリン酸塩緩衝液に溶解させ、系のｐＨは７．０～７．３であり、３０℃で１６ｈ反応させた。系をメチルｔｅｒｔ-ブチルエーテルで抽出し、有機相をＧＣに送って検出した結果、転化率は９９％で、ｅｅ値は最大９９．７％であった。
１０ｍＬの反応液で、３－ケトンテトラヒドロチオフェン １ｇをイソプロピルアルコール ４ｍｌに添加して均一に混合し、ｐＨを７．０～７．３に調節し、ＮＡＤ ０．０１ｇを添加し、ＳＥＱ４３ケトレダクターゼ粗酵素凍結乾燥粉末 ０．０２ｇ～０．１ｇを０．１Ｍリン酸塩緩衝液に溶解させて粗酵素液を調製し、系のｐＨは７．０～７．３であり、２５℃の一定温度で１６ｈ攪拌し、温度を３０℃まで上昇して継続して７ｈ～１０ｈ反応させた。系をメチルｔｅｒｔ-ブチルエーテルで抽出し、有機相をＧＣに送って検出した結果、転化率は９９％を超えており、ｅｅ値は９９．８％であった。
酵素の立体選択性が一定のレベルまで向上された時、特にキラルアルコールのｅｅ値が９９％以上に達した時、当該値を突破して継続して高めることは難しく、ｅｅ値を０．１％高めるに必要な努力はその前（例えば、８５％から８６％まで高める場合、８９％から９０％まで高める場合、９７％から９８％まで高める場合等）の数倍乃至数十倍に達する可能性がある。本発明の発明者は鋭意検討した結果、修飾して得た一部の変異体による酵素触媒反応によって得られるキラルアルコールのｅｅ値が９９．８％に達する予期せぬ効果を得て、大きな進歩であると言える。
［実施例８：本発明における三つの変異体のＲ－３－ヒドロキシテトラヒドロチオフェンの調製での比較］
反応系に３－ケトンテトラヒドロチオフェン １ｇ、ケトレダクターゼ組換え粗酵素乾燥粉末、イソプロピルアルコール終濃度３０％～５０％、０．１Ｍ ｐＨ７．０のリン酸塩緩衝液を含有する。反応系のｐＨは７．０～７．５であって、３０℃±３℃で反応させた。用いられた反応体積、各原料の使用量、反応結果を表４に示す。
反応系に３－ケトンテトラヒドロチオフェン １ｇ、ケトレダクターゼ組換え粗酵素乾燥粉末、イソプロピルアルコール終濃度３０％～５０％、０．１Ｍ ｐＨ７．０のリン酸塩緩衝液を含有する。反応系のｐＨは７．０～７．５であって、３０℃±３℃で反応させた。用いられた反応体積、各原料の使用量、反応結果を表４に示す。
以上の反応に用いられた反応体積数が小さいので、反応バッチ数が減少され、反応釜の利用率が向上されたともに、後処理における有機溶媒の使用量が減少され、生産コストが大幅に削減された。
本発明において、改良手段で得た変異体は、高温（例えば、３０℃、３１℃、３２℃、またはさらに高い温度）で反応するとｅｅ値が最大９９．８％に達するキラルアルコールを得ることができ、さらに、ｅｅ値がさらに高いキラルアルコールを得ることができ、既存技術に比べ優れる。
以上の説明からわかるように、本発明の上記実施例によると以下の技術効果を実現できる：
以上の説明からわかるように、本発明の上記実施例によると以下の技術効果を実現できる：
１）本発明によると、ケトレダクターゼの安定性を顕著に向上させ、特にアセトン及びイソプロピルアルコール有機溶媒に対する耐性を向上させ、ケトレダクターゼ変異体が高濃度のイソプロピルアルコール環境でも高い触媒活性を維持することができる。また、これにより、キラル水酸基複素環式類物質を調製する際にイソプロピルアルコールのみを添加するで補因子の再生を完成でき、反応系の成分を簡略化し、コストを低減する。
２）本発明のケトレダクターゼ変異体は、高度の立体選択性を有して、ほぼ単一の純度のキラルアルコールを調製可能であり、基質の利用率を高め、製造後処理工程を削減し、一部のケトレダクターゼ変異体による触媒反応によって得たキラルアルコールのｅｅ値は最大９９．８％に達し、既存技術よりもはるかに優れた。
３）本発明において、酵素の使用量が既存技術における酵素の使用量より大幅に低減され、生産コストを低減した。
３）本発明において、酵素の使用量が既存技術における酵素の使用量より大幅に低減され、生産コストを低減した。
以上は、本発明の好適な実施例に過ぎず、本発明を限定するものではなく、当業者は本発明に対して様々な修正や変形をすることが可能である。本発明の主旨や原則内での全ての修正、置換、改良などはいずれも本発明の保護範囲内に含まれる。
Claims (21)
- アミノ酸配列が、配列番号２、配列番号３、配列番号４、配列番号５、配列番号６、配列番号７、配列番号８、配列番号９、配列番号１０、配列番号１１、配列番号１２、配列番号１３、配列番号１４、配列番号１５、配列番号１６、配列番号１７、配列番号１８、配列番号１９、配列番号２０、配列番号２１、配列番号２２、配列番号２３、配列番号２４、配列番号２５、配列番号２６、配列番号２７、配列番号２８、配列番号２９、配列番号３０、配列番号３１、配列番号３２、配列番号３３、配列番号３４、配列番号３５、配列番号３６、配列番号３７、配列番号３８、配列番号３９、配列番号４０、配列番号４１、配列番号４２または配列番号４３に示すアミノ酸配列であることを特徴とするケトレダクターゼ変異体。
- 請求項１に記載のケトレダクターゼ変異体をコードすることを特徴とするＤＮＡ分子。
- 配列が、配列番号４４、配列番号４５、配列番号４６、配列番号４７、配列番号４８、配列番号４９、配列番号５０、配列番号５１、配列番号５２、配列番号５３、配列番号５４、配列番号５５、配列番号５６、配列番号５７、配列番号５８、配列番号５９、配列番号６０、配列番号６１、配列番号６２、配列番号６３、配列番号６４、配列番号６５、配列番号６６、配列番号６７、配列番号６８、配列番号６９、配列番号７０、配列番号７１、配列番号７２、配列番号７３、配列番号７４、配列番号７５、配列番号７６、配列番号７７、配列番号７８、配列番号７９、配列番号８０、配列番号８１、配列番号８２、配列番号８３、配列番号８４、配列番号８５または配列番号８６に示す配列であることを特徴とする請求項２に記載のＤＮＡ分子。
- 請求項３に記載のＤＮＡ分子を含有することを特徴する組換えプラスミド。
- ｐＥＴ－２２ｂ（＋）、ｐＥＴ－３ａ（＋）、ｐＥＴ－３ｄ（＋）、ｐＥＴ－１１ａ（＋）、ｐＥＴ－１２ａ（＋）、ｐＥＴ－１４ｂ（＋）、ｐＥＴ－１５ｂ（＋）、ｐＥＴ－１６ｂ（＋）、ｐＥＴ－１７ｂ（＋）、ｐＥＴ－１９ｂ（＋）、ｐＥＴ－２０ｂ（＋）、ｐＥＴ－２１ａ（＋）、ｐＥＴ－２３ａ（＋）、ｐＥＴ－２３ｂ（＋）、ｐＥＴ－２４ａ（＋）、ｐＥＴ－２５ｂ（＋）、ｐＥＴ－２６ｂ（＋）、ｐＥＴ－２７ｂ（＋）、ｐＥＴ－２８ａ（＋）、ｐＥＴ－２９ａ（＋）、ｐＥＴ－３０ａ（＋）、ｐＥＴ－３１ｂ（＋）、ｐＥＴ－３２ａ（＋）、ｐＥＴ－３５ｂ（＋）、ｐＥＴ－３８ｂ（＋）、ｐＥＴ－３９ｂ（＋）、ｐＥＴ－４０ｂ（＋）、ｐＥＴ－４１ａ（＋）、ｐＥＴ－４１ｂ（＋）、ｐＥＴ－４２ａ（＋）、ｐＥＴ－４３ａ（＋）、ｐＥＴ－４３ｂ（＋）、ｐＥＴ－４４ａ（＋）、ｐＥＴ－４９ｂ（＋）、ｐＱＥ２、ｐＱＥ９、ｐＱＥ３０、ｐＱＥ３１、ｐＱＥ３２、ｐＱＥ４０、ｐＱＥ７０、ｐＱＥ８０、ｐＲＳＥＴ－Ａ、ｐＲＳＥＴ－Ｂ、ｐＲＳＥＴ－Ｃ、ｐＧＥＸ－５Ｘ－１、ｐＧＥＸ－６ｐ－１、ｐＧＥＸ－６ｐ－２、ｐＢＶ２２０、ｐＢＶ２２１、ｐＢＶ２２２、ｐＴｒｃ９９Ａ、ｐＴｗｉｎ１、ｐＥＺＺ１８、ｐＫＫ２３２－１８、ｐＵＣ－１８またはｐＵＣ－１９であることを特徴する請求項４に記載の組換えプラスミド。
- 請求項４または５に記載の組換えプラスミドを含有することを特徴とする宿主細胞。
- 原核細胞または真核細胞を含むことを特徴とする請求項６に記載の宿主細胞。
- 前記原核細胞が大腸菌ＢＬ２１細胞または大腸菌ＤＨ５αコンピテントセルであり、前記真核細胞が酵母であることを特徴とする請求項７に記載の宿主細胞。
- ケトレダクターゼがケトン類化合物に対して触媒還元反応を行う工程を含むＲ－３－ヒドロキシ複素環式化合物を生産する方法であって、
前記ケトレダクターゼが、請求項１に記載のケトレダクターゼ変異体であることを特徴とするＲ－３－ヒドロキシ複素環式化合物を生産する方法。 - 前記ケトン類化合物が
- Ｒ－３－ヒドロキシテトラヒドロフランの転化率＞９９％であり、ｅｅ値が９９．６％であり、Ｒ－３－ヒドロキシテトラヒドロチオフェン中の転化率＞９９％であり、ｅｅ値が９９．８％であることを特徴とする請求項１０に記載の方法。
- 前記ケトレダクターゼが、請求項１に記載のケトレダクターゼ変異体の溶液、凍結乾燥粉末、固定化酵素または固定化細胞であることを特徴とする請求項９に記載の方法。
- 前記触媒還元反応の反応系に、イソプロピルアルコールである補因子をさらに含み、他の補酵素は添加されていないことを特徴とする請求項９に記載の方法。
- 前記触媒還元反応の反応系に、ＮＡＤ／ＮＡＤＨ及び／またはＮＡＤＰ／ＮＡＤＰＨである補因子をさらに含み、補因子循環系は、グルコースとグルコース脱水素酵素、ギ酸塩とギ酸脱水素酵素、グルコース６－リン酸とグルコース６－リン酸脱水素酵素、または第二級アルコールと第二級アルコール脱水素酵素を含むことを特徴とする請求項９に記載の方法。
- 前記触媒還元反応の反応系において、前記ケトレダクターゼの添加量は５ｍｇ～０．１ｇ粗酵素凍結乾燥粉末／１ｇ基質であることを特徴とする請求項９に記載の方法。
- 前記触媒還元反応の温度は１０～３７℃であることを特徴とする請求項９に記載の方法。
- 前記触媒還元反応の温度は１５～３５℃であることを特徴とする請求項１６に記載の方法。
- 前記触媒還元反応の時間は３～４８ｈであることを特徴とする請求項９に記載の方法。
- 前記触媒還元反応の時間は６～２７ｈであることを特徴とする請求項１８に記載の方法。
- 前記触媒還元反応が、ｐＨが６．０～９．５である条件で行われることを特徴とする請求項９に記載の方法。
- 前記触媒還元反応が、ｐＨが７．０～７．５である条件で行われることを特徴とする請求項２０に記載の方法。
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