JP7294672B2 - Method for producing unsaturated uronic acid reductase and alginic acid derivative - Google Patents

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Description

本発明は、不飽和ウロン酸である4-デオキシ-L-エリスロ-5-ヘキソセウロース・ウロン酸(4-deoxy-L-erythro-5-hexoseulose uronic acid:DEH)還元酵素の生産とアルギン酸からアルギン酸誘導体である2-ケト-3-デオキシ-D-グルコン酸(2-keto-3-deoxy-D-gluconate:KDG)の製造方法等に関する。 The present invention relates to the production of 4-deoxy-L-erythro-5-hexoseulose uronic acid (DEH) reductase, which is an unsaturated uronic acid, and alginic acid derivative from alginic acid. 2-keto-3-deoxy-D-gluconic acid (2-keto-3-deoxy-D-gluconate: KDG), etc.

世界の水生植物の種類別生産量の割合を見ると、700万トン中68.6%を褐藻類が占め、その構成多糖類はアルギン酸が最も多く、約30%である。褐藻類はコンブやワカメなど一部は食用として利用されているが、大部分は未利用資源である。褐藻類は、耕地や新鮮な水、肥料を必要とせず、天然でゲル状に存在しているため、陸生バイオマスに比べると容易に酵素反応を行えるなどの利点が注目されている。特に日本は国土が海に囲まれ、世界でも有数の海洋面積を誇ることから、褐藻類の利用ができれば安定した原料供給源と成り得る。また、褐藻類の構成多糖類としてはアルギン酸が最も多いことから、アルギン酸の利用が重要となってくる。 Looking at the percentage of world production by type of aquatic plants, brown algae account for 68.6% of the 7 million tons, and alginic acid is the largest constituent polysaccharide, which accounts for about 30%. Some brown algae, such as kelp and wakame seaweed, are used as food, but most of them are unused resources. Brown algae do not require arable land, fresh water, or fertilizer, and exist naturally in a gel-like state. Compared to terrestrial biomass, brown algae are attracting attention for their advantages such as easier enzymatic reactions. In particular, Japan is surrounded by the sea, boasting one of the largest ocean areas in the world. Moreover, since alginic acid is the most abundant polysaccharide constituting brown algae, the use of alginic acid is important.

アルギン酸はβ-D-マンヌロン酸とそのC5エピマーであるα-L-グルロン酸の2種のウロン酸がグリコシド結合で結合した直鎖状のポリマーであり、β-D-マンヌロン酸が結合したpoly(M)ブロック、α-L-グルロン酸が結合したpoly(G)ブロック、β-D-マンヌロン酸とα-L-グルロン酸が交互に結合したpoly(M・G)ブロックによって構成されており(図1)、その分子量は20万~200万程度である。アルギン酸は、エンド型とエキソ型のアルギン酸リアーゼによってアルギン酸単糖である不飽和ウロン酸にまで分解され、そのピラノース環が開裂した4-deoxy-L-erythro-5-hexoseulose uronic acid(DEH)を生成する。その後、DEHはDEH還元酵素(DehR ; DEH reductase)と、補酵素であるNADHまたはNADPHによってDEHを還元することで2-keto-3-deoxy-D-gluconate(KDG)を生成する(図2)。KDGは解糖系とよく似たEntner-Doudoroff経路によりピルビン酸にまで代謝される。一方、KDGは、陸上の植物の細胞壁や中葉に含まれるペクチンを代謝する微生物においても生成される。しかし、海中の褐藻類に含まれるアルギン酸からアルギン酸資化性微生物の代謝関連酵素を使用して生産するほうが、ペクチンから生産する場合に比べて、使用する酵素の種類が少なく、容易にKDGを生産できる。但し、研究報告数としては、ペクチンからKDGを生産する経路が圧倒的に多く、アルギン酸からKDGを生産する経路については極めて少なかった。 Alginic acid is a linear polymer in which two types of uronic acids, β-D-mannuronic acid and its C5 epimer α-L-guluronic acid, are linked by glycosidic bonds. It is composed of a (M) block, a poly (G) block bound with α-L-guluronic acid, and a poly (M G) block bound alternately with β-D-mannuronic acid and α-L-guluronic acid. (Fig. 1), its molecular weight is about 200,000 to 2,000,000. Alginic acid is degraded by endo-type and exo-type alginate lyases to unsaturated uronic acid, which is an alginate monosaccharide, and 4-deoxy-L-erythro-5-hexoseulose uronic acid (DEH) is generated by cleaving the pyranose ring. do. After that, DEH is reduced by DEH reductase (DehR; DEH reductase) and its coenzyme NADH or NADPH to produce 2-keto-3-deoxy-D-gluconate (KDG) (Fig. 2). . KDG is metabolized to pyruvate through the Entner-Doudoroff pathway, which is very similar to glycolysis. On the other hand, KDG is also produced by microorganisms that metabolize pectin contained in the cell walls and middle leaves of land plants. However, production from alginic acid contained in brown algae in the sea using metabolism-related enzymes of alginate-utilizing microorganisms requires fewer types of enzymes than production from pectin, making it easier to produce KDG. can. However, in terms of the number of research reports, the route to produce KDG from pectin was overwhelmingly numerous, and the route to produce KDG from alginic acid was very few.

本発明者の研究により、アルギン酸からDEHを生産することが可能となっている(特許文献1)。このため、DEH還元酵素の大量生産が可能となれば、KDGの大量生産が可能になると考えられる。DEHもKDGもアルギン酸資化性微生物の中間代謝物であり、天然物からこれらを取り出すことは困難である。また、DEHとKDGは単糖もしくは単糖からの誘導体であり希少糖である。現時点においてはDEHは販売されておらず、KDGは市販されているものの非常に高価である。アルギン酸からDEHに至る前のアルギン酸オリゴ糖は、ヒト表皮角化細胞賦活化作用、ET-1、MMP-9産生抑制作用、繊維芽細胞増殖促進剤などの様々な機能性を有しており、化粧品原料や機能性食品などアンチエージング効果として使用されている。DEHやKDGにおいても同様の効果が期待されているので、これらの物質を大量かつ安価に製造する方法が望まれていた。 The present inventor's research has made it possible to produce DEH from alginic acid (Patent Document 1). Therefore, it is considered that mass production of KDG will become possible if DEH reductase can be mass produced. Both DEH and KDG are intermediate metabolites of alginate-utilizing microorganisms, and it is difficult to extract them from natural products. DEH and KDG are monosaccharides or derivatives from monosaccharides and are rare sugars. DEH is not on the market at the moment, and KDG is very expensive although it is on the market. Alginic acid oligosaccharides before reaching DEH from alginic acid have various functionalities such as human epidermal keratinocyte activating action, ET-1 and MMP-9 production inhibitory action, and fibroblast proliferation promoting agent. It is used as an anti-aging effect in cosmetics raw materials and functional foods. Since DEH and KDG are also expected to have similar effects, a method for mass-producing these substances at low cost has been desired.

褐藻類からKDGの大量生産が可能になれば、バイオリファイナリーへの応用が期待できる。KDGはEntner-Doudoroff経路によってピルビン酸となり、ピルビン酸からは様々な有機酸やアルコール、脂肪酸の生成が可能になる。褐藻類の養殖には、広大な土地、水、肥料は必要ないので、バイオマスとして褐藻類を使用しても食糧や燃料の重大な衝突は起こらない。褐藻類からのKDG生産経路が確立されれば、国内調達が可能なバイオマスとしての利用が期待できる。アルギン酸やその代謝産物は、大腸菌や酵母の遺伝子組換えによるエタノール発酵のための炭素源としても使用されている。DEHと異なり多くの細菌がKDGを同化できるため、DEH還元酵素は細菌におけるアルギン酸代謝のための重要な酵素である。 If it becomes possible to mass-produce KDG from brown algae, it can be expected to be applied to biorefineries. KDG becomes pyruvate through the Entner-Doudoroff pathway, and from pyruvate, various organic acids, alcohols, and fatty acids can be produced. Farming brown algae does not require large areas of land, water, or fertilizer, so the use of brown algae as biomass does not pose a significant food or fuel conflict. If the KDG production route from brown algae is established, it can be expected to be used as biomass that can be procured domestically. Alginic acid and its metabolites are also used as a carbon source for ethanol fermentation by genetic recombination of E. coli and yeast. DEH reductase is a key enzyme for alginate metabolism in bacteria because, unlike DEH, many bacteria can assimilate KDG.

公知のDEH還元酵素は数例に過ぎず、KDGをLC/MSにより同定している論文は、A1-R(非特許文献1,2)、FlRed(非特許文献3)、HdRed(非特許文献4)の3例しかない。更に上記3個の酵素のうち、反応速度論的解析が行なわれているものはA1-Rのみである。このように、KDGを大量生産するためには、DEH還元酵素が必要不可欠であるが、DEH還元酵素に関する情報は限られていた。 There are only a few known DEH reductases, and papers identifying KDG by LC / MS are A1-R (Non-Patent Documents 1 and 2), FlRed (Non-Patent Document 3), HdRed (Non-Patent Document There are only 3 examples of 4). Furthermore, among the above three enzymes, only A1-R has been subjected to kinetic analysis. Thus, DEH reductase is essential for mass production of KDG, but information on DEH reductase has been limited.

WO2017/175694号公報WO2017/175694

Takase, R., Ochiai, A., Mikami, B., Hashimoto, W., and Murata, K. (2010) Molecular identification of unsaturated uronate reductase prerequisite for alginate metabolism in Sphingomonas sp. A1. Biochim. Biophys. Acta, 9, 27Takase, R., Ochiai, A., Mikami, B., Hashimoto, W., and Murata, K. (2010) Molecular identification of unsaturated uronate reductase prerequisite for alginate metabolism in Sphingomonas sp. A1. Biochim. Biophys. Acta, 9, 27 Takase, R., Mikami, B., Kawai, S., Murata, K., and Hashimoto, W. (2014) Structure-based conversion of the coenzyme requirement of a short-chain dehydrogenase/reductase involved in bacterial alginate metabolism. J. Biol. Chem., 289, 33198-33214Takase, R., Mikami, B., Kawai, S., Murata, K., and Hashimoto, W. (2014) Structure-based conversion of the coenzyme requirement of a short-chain dehydrogenase/reductase involved in bacterial alginate metabolism. J. Biol. Chem., 289, 33198-33214 Inoue, A., Nishiyama, R., Mochizuki, S., and Ojima, T. (2015) Identification of a 4-deoxy-L-erythro-5-hexoseulose uronic acid reductase, FlRed, in an alginolytic bacterium Flavobacterium sp. strain UMI-01. Mar. Drugs, 13, 493-508Inoue, A., Nishiyama, R., Mochizuki, S., and Ojima, T. (2015) Identification of a 4-deoxy-L-erythro-5-hexoseulose uronic acid reductase, FlRed, in an alginolytic bacterium Flavobacterium sp. strain UMI-01. Mar. Drugs, 13, 493-508. Mochizuki, S., Nishiyama, R., Inoue, A., and Ojima, T. (2015) A novel aldo-keto reductase, HdRed, from the pacific abalone Haliotis discus hannai, which reduces alginate-derived 4-Deoxy-L-erythro-5-hexoseulose uronic acid to 2-keto-3-deoxy-D-gluconate. J. Biol. Chem., 290, 30962-30974Mochizuki, S., Nishiyama, R., Inoue, A., and Ojima, T. (2015) A novel aldo-keto reductase, HdRed, from the pacific abalone Haliotis discus hannai, which reduces alginate-derived 4-Deoxy-L -erythro-5-hexoseulose uronic acid to 2-keto-3-deoxy-D-gluconate. J. Biol. Chem., 290, 30962-30974 Tanaka, R., Cleenwerck, I., Mizutani, Y., Iehata, S., Shibata, T., Miyake, H., Mori, T., Tamaru, Y., Ueda, M., Bossier, P., and Vandamme, P. (2015) Formosa haliotis sp. nov., a brown-alga-degrading bacterium isolated from the gut of the abalone Haliotis gigantea. Int. J Syst. Evo.l Microbiol., 65, 4388-4393Tanaka, R., Cleenwerck, I., Mizutani, Y., Iehata, S., Shibata, T., Miyake, H., Mori, T., Tamaru, Y., Ueda, M., Bossier, P., and Vandamme, P. (2015) Formosa haliotis sp. nov., a brown-alga-degrading bacterium isolated from the gut of the abalone Haliotis gigantea. Int. J Syst. Tanaka, R., Mizutani, Y., Shibata, T., Miyake, H., Iehata, S., Mori, T., Kuroda, K., and Ueda, M. (2016) Genome Sequence of Formosa haliotis Strain MA1, a Brown Alga-Degrading Bacterium Isolated from the Gut of Abalone Haliotis gigantea. Genome Announc., 4, 01312-01316Tanaka, R., Mizutani, Y., Shibata, T., Miyake, H., Iehata, S., Mori, T., Kuroda, K., and Ueda, M. (2016) Genome Sequence of Formosa haliotis Strain MA1 , a Brown Alga-Degrading Bacterium Isolated from the Gut of Abalone Haliotis gigantea. Genome Announc., 4, 01312-01316 Takase, R., Mikami, B., Kawai, S., Murata, K., and Hashimoto, W. (2014) Structure-based conversion of the coenzyme requirement of a short-chain dehydrogenase/reductase involved in bacterial alginate metabolism. J. Biol. Chem., 289, 33198-33214Takase, R., Mikami, B., Kawai, S., Murata, K., and Hashimoto, W. (2014) Structure-based conversion of the coenzyme requirement of a short-chain dehydrogenase/reductase involved in bacterial alginate metabolism. J. Biol. Chem., 289, 33198-33214

本発明者の一人である田中礼士により、アワビの消化管から新種の海藻体崩壊性細菌Formosa haliotis MA1株が単離され、高いアルギン酸資化能力を有していることが示された(非特許文献5)。この株の全ゲノム解析の結果、アルギン酸分解酵素遺伝子クラスターの中に2つのshort-chain dehydrogenases/reductases(SDR)と推定される遺伝子sdr1とsdr2が発見された(図3)。しかしながら、これらの遺伝子がタンパク質として発現された場合の機能については不明のままであった。そこで、sdr1がDEH還元酵素として働くかを調べるため、SDR1の組換え体を作製し、反応生成物の同定を行い、酵素化学的な諸性質を調べた。
本発明は、上記した事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、DEHを還元してKDGを生産する酵素を用いて、効率よくKDGを製産する方法等を提供することである。
Reiji Tanaka, one of the inventors of the present invention, isolated a new species of seaweed body-disintegrating bacterium Formosa haliotis MA1 strain from the digestive tract of abalone, and demonstrated that it has a high ability to assimilate alginic acid (non Patent document 5). As a result of whole genome analysis of this strain, two genes sdr1 and sdr2, which are presumed to be short-chain dehydrogenases/reductases (SDR), were discovered in the alginate degrading enzyme gene cluster (Fig. 3). However, the functions of these genes when expressed as proteins remained unclear. Therefore, in order to investigate whether sdr1 acts as a DEH reductase, we constructed a recombinant SDR1, identified the reaction products, and investigated their enzymatic properties.
The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a method for efficiently producing KDG using an enzyme that reduces DEH to produce KDG.

上記課題を解決するための発明に係るKDGの製造方法は、不飽和ウロン酸である4-deoxy-L-erythro-5-hexoseulose uronic acid(DEH)に対し、配列番号2に記載のアミノ酸配列を備えたポリペプチド又は当該アミノ酸配列と少なくとも85%以上の相同性を有するアミノ酸配列を備えDEH還元活性を備えたポリペプチドを接触させることでアルギン酸誘導体である2-keto-3-deoxy-D-gluconate(KDG)を製造することを特徴とする。
この発明によれば、DEHから90%以上の高効率でKDGを製造することができる。
また、別の発明の係る4-deoxy-L-erythro-5-hexoseulose uronic acid(DEH)還元酵素発現用プラスミドは、配列番号1に記載の塩基配列を有するDNA、配列番号2に記載のアミノ酸配列をコードする塩基配列を有するDNA又は配列番号2に記載のアミノ酸配列と少なくとも85%以上の相同性を有するアミノ酸配列を備えDEH還元活性を備えたポリペプチドをコードするDNAを発現可能な形で組み込んだことを特徴とする。
この発明によれば、適当な宿主(微生物(大腸菌、酵母など)、培養細胞(動物細胞、植物細胞、昆虫細胞など)、生物個体など)を用いて、DEH還元酵素を生産することができる。
In the method for producing KDG according to the invention for solving the above problems, the amino acid sequence shown in SEQ ID NO: 2 is added to 4-deoxy-L-erythro-5-hexoseulose uronic acid (DEH), which is an unsaturated uronic acid. 2-keto-3-deoxy-D-gluconate, which is an alginic acid derivative, by contacting a polypeptide having the amino acid sequence or a polypeptide having an amino acid sequence having at least 85% homology with the amino acid sequence and having DEH reducing activity (KDG) is manufactured.
According to this invention, KDG can be produced from DEH with a high efficiency of 90% or more.
In addition, a plasmid for expressing 4-deoxy-L-erythro-5-hexoseulose uronic acid (DEH) reductase according to another invention comprises a DNA having the nucleotide sequence set forth in SEQ ID NO: 1, and the amino acid sequence set forth in SEQ ID NO: 2. or a DNA encoding a polypeptide having DEH-reducing activity and having an amino acid sequence having at least 85% homology with the amino acid sequence set forth in SEQ ID NO: 2 is incorporated in an expressible form. It is characterized by
According to the present invention, DEH reductase can be produced using appropriate hosts (microorganisms (Escherichia coli, yeast, etc.), cultured cells (animal cells, plant cells, insect cells, etc.), individual organisms, etc.).

また、別の発明に係るDEH還元酵素の製造方法は、上記DEH還元酵素発現用プラスミドが大腸菌用のものであり、当該プラスミドを大腸菌に組み込んだ後に、DEH還元酵素を発現させる酵素誘導工程、誘導されたDEH還元酵素を精製する酵素精製工程、を備えたことを特徴とする。
この発明によれば、大腸菌を用いて、DEH還元酵素を早期に大量かつ安価に製造できる。
また、別の発明に係るKDGの製造方法は、(a)アルギン酸に対し、(1)配列番号5に示されるアミノ酸配列を備えたポリペプチド又は当該アミノ酸配列と少なくとも90%以上の相同性を有するアミノ酸配列を備えエキソ型アルギン酸リアーゼ活性を有するポリペプチドと、(2)配列番号6に示されるアミノ酸配列を備えたポリペプチド又は当該アミノ酸配列と少なくとも90%以上の相同性を有するアミノ酸配列を備えエンド型アルギン酸リアーゼ活性を有するポリペプチドと、(3)配列番号2に記載のアミノ酸配列を備えたポリペプチド又は当該アミノ酸配列と少なくとも85%以上の相同性を有するアミノ酸配列を備え4-deoxy-L-erythro-5-hexoseulose uronic acid(DEH)還元活性を有するポリペプチドとを接触させる酵素添加工程と、(b)前記アルギン酸と三種類のポリペプチドの混合物を前記エキソ型アルギン酸リアーゼ活性とエンド型アルギン酸リアーゼ活性とDEH還元活性が働く温度で保持する酵素作用工程と、を備えることを特徴とする。
Further, in a method for producing DEH reductase according to another invention, the DEH reductase expression plasmid is for E. coli, and after incorporating the plasmid into E. coli, an enzyme induction step of expressing DEH reductase, induction and an enzyme purification step of purifying the DEH reductase that has been purified.
According to the present invention, using E. coli, DEH reductase can be rapidly produced in large amounts at a low cost.
In addition, a method for producing KDG according to another invention provides (a) to alginic acid, (1) a polypeptide having the amino acid sequence shown in SEQ ID NO: 5 or having at least 90% homology with the amino acid sequence a polypeptide having an amino acid sequence and exo-alginate lyase activity; and (2) a polypeptide having the amino acid sequence shown in SEQ ID NO: 6 or an amino acid sequence having at least 90% homology with the amino acid sequence. and (3) a polypeptide comprising the amino acid sequence set forth in SEQ ID NO: 2 or an amino acid sequence having at least 85% homology with said amino acid sequence, 4-deoxy-L- an enzyme addition step of contacting a polypeptide having erythro-5-hexoseulose uronic acid (DEH) reducing activity; and an enzymatic action step in which the activity is maintained at a temperature at which the DEH reduction activity works.

配列番号5に示すアミノ酸配列(MSTENKSRSNLFPLDEPKAGRLTIQYGPLETTTLIENPPRFSWLPVIEDGATYALRISTDPEYSAANTLLFSGIQLNFFTPDAPLAAGTWYWSYAQCDASGKPVTEWSTSRRITLDEGLPQTPLAPRKTRFDAATRAHPRLWMDGGRLEQFRKDVAADPTHCTWSTFFEGSVLPWMDRDIIEEPVGYPDHKRVAKIWRKVYIECQELMYAIRHLAVGGQVTQDAAMLARAKEWLLSAARWNPAGTTSRAYTDEWAFRVNLALAWGYDWLYDQLDEDERTLVRTALLERTRQTADHLMRHASIHLFPFDSHAVRAVSAVLIPACIALLDDEPEAEDWLNYAVEFLFTVYSPWGDHDGGWAEGPHYWMTGMAYLIDAANLLRGWSGIDLYQRPFFQKTGDFPLYTKAPDTRRATFGDDSTMGDLPAIKVGYNLRQYAGVTGNGAYQWYYDEILRTNPGTEMAFYNWGWWDFRFDEMLYRTDFPIVEAVPPADEDALRWFKGIGWVAIQHRMQAPDEHVQFVFKSSPYGSISHSHGDQNAFCLSAFGEDLAIQSGHYVAFNSTMHQNWRRQTLSKNAILIDGKGQYAGKDKAIAMQSTGKVNIAEDRGDHIFLQGDATEAYRTLSPEVRSVVRDVYFVNREYFVIVDAIDADTPVSIDWRLHANAPFNLGDSSFRYTGEKAGFYGQILWSEAGPAELTQETGFPDVDPSEIEGLPVSTCLTARFPKSTRHRIATLIVPYALDAPRRIFSFLDDQGYDCDLYFTDANDNSFRVIVPKTFDVGTPGIKNN)は、エキソ型アルギン酸リアーゼ活性を持つポリペプチドとして、特許文献1に開示されている。 Amino acid sequence shown in SEQ ID NO: 5 (MSTENKSRSNLFPLDEPKAGRLTIQYGPLETTTLIENPPRFSWLPVIEDGATYALRISTDPEYSAANTLLFSGIQLNFFTPDAPLAAGTWYWSYAQCDASGKPVTEWSTSRRITLDEGLPQTPLAPRKTRFDAATRAHPRLWMDGGRLEQFRKDVAADPTHCTWSTFFEGSVLPWMDRDIIEEPVGYPDHKRVAKIWRKVYIECQEL MYAIRHLAVGGQVTQDAAMLARAKEWLLSAARWNPAGTTSRAYTDEWAFRVNLALAWGYDWLYDQLDEDERTLVRTALLERTRQTADHLMRHASIHLFPFDSHAVRAVSAVLIPACIALLDDEPEAEDWLNYAVEFLFTVYSPWGDHDGGWAEGPHYWMTGMAYLIDAANLLRGWSGIDLYQRPFFQKTGDFPLYTKAPDTRRATFGDDSTMGDLPAIKVGYNLRQYAG VTGNGAYQWYYDEILRTNPGTEMAFYNWGWWDFRFDEMLYRTDFPIVEAVPPADEDALRWFKGIGWVAIQHRMQAPDEHVQFVFKSSPYGSISHSHGDQNAFCLSAFGEDLAIQSGHYVAFNSTMHQNWRRQTLSKNAILIDGKGQYAGKDKAIAMQSTGKVNIAEDRGDHIFLQGDATEAYRTLSPEVRSVVRDVYFVNREYFVIVDAID ADTPVSIDWRLHANAPFNLGDSSFRYTGEKAGFYGQILWSEAGPAELTQETGFPDVDPSEIEGLPVSTCLTARFPKSTRHRIATLIVPYALDAPRRIFSFLDQGYDCDLYFTDANDNSFRVIVPKTFDVGTPGIKNN) is disclosed in Patent Document 1 as a polypeptide having exo-alginate lyase activity.

また、配列番号6に示すアミノ酸配列(MSLKLRTFCLAGTATIFVALPSTYALAAGTGACTGVSQLAIVSASDDGTFDDIYAPEFAIDGEFGPSSRWSSLGEGKQLVLDLGEPQTVSEVGLAWYKGNERTSSFTLEASNDGENWMPLMDRTESAGKSEAVEKYSFDATEARYVRVTGMGNSASGWNSLYEAQVFGCGSGEIAATGDGSGEVKEADVSAYGLRTDVPPSENFDLTHWKLTLPADRDNDGKVDEIEEEELQGWSDPRFFYTDPATGGMVFRTAPDGKTTSGSHYTRSELREMIRGGDKSIATRVDDGTPNKNNWVFSTAPEEAQALAGGVDGTMTATLAVNHVTRTGESGKIGRVIIGQIHAMDDEPIRLYYRKLPTNKYGSIYFAHEPVGGDDDLVNVIGDRGSDIDNPADGIALDEVFSYEIKVTSEEKDGELHPILNVSITRDDGTVVKAEPYDMFESGYSTDKDFMYFKAGAYSQNNSITWPDDFDQVTFYALDVTHGE)は、エンド型アルギン酸リアーゼ活性を持つポリペプチドとして、特許文献1に開示されている。
この発明によれば、3種類の酵素を添加するだけで、アルギン酸からKDGを製造できる。
In addition, the amino acid sequence shown in SEQ ID NO: 6 (MSLKLRTFCLAGTATIFVALPSTYALAAGTGACTGVSQLAIVSASDDGTFDDIYAPEFAIDGEFGPSSRWSSLGEGKQLVLDLGEPQTVSEVGLAWYKGNERTSSFTLEASNDGENWMPLMDRTESAGKSEAVEKYSFDATEARYVRVTGMGNSASGWNSLYEAQVFGCGSGEIAATGDGSGEVKEADVSAYGLRTDVPPSENFDLTHWKLTLPADRDNDG KVDEIEEEELQGWSDPRFFYTDPATGGMVFRTAPDGKTTSGSHYTRSELREMIRGGDKSIATRVDDGTPNKNNWVFSTAPEEAQALAGGVDGTMTATLAVNHVTRTGESGKIGRVIIGQIHAMDDEPIRLYYRKLPTNKYGSIYFAHEPVGGDDDLVNVIGDRGSDIDNPADGIALDEVFSYEIKVTSEEKDGELHPILNVSITRDDGTVVKAEPYDMFESGYSTDKDF MYFKAGAYSQNNSITWPDFDQVTFYALDVTHGE) is disclosed in Patent Document 1 as a polypeptide having endo-alginate lyase activity.
According to this invention, KDG can be produced from alginic acid simply by adding three kinds of enzymes.

アミノ酸配列の相同性としては、少なくとも85%、86%、87%、88%、89%、90%、91%、92%、93%、94%、より好ましくは95%、96%、97%、98%若しくは99%、又は100%同一である。
配列番号2に示されるアミノ酸配列を備えたポリペプチド又は当該アミノ酸配列と少なくとも85%以上の相同性を有するアミノ酸配列を備えDEH還元活性を備えたポリペプチドは、当然にDEH還元活性を有する。
配列番号2に示すアミノ酸配列を持つポリペプチドは、SDR1として公知であるが、その活性は不明のままであった。今回、本発明者の研究によって初めて、DEHを還元してKDGとする活性を有することが明らかとなった。
配列番号2に示すアミノ酸配列と少なくとも85%以上の相同性を有するアミノ酸配列を持つポリペプチドは、配列番号2に示すアミノ酸配列を有するポリペプチドのDEH還元活性と比べて、30%以上、好ましくは50%以上又は70%以上のDEH還元活性を有する。
Amino acid sequence homology of at least 85%, 86%, 87%, 88%, 89%, 90%, 91%, 92%, 93%, 94%, more preferably 95%, 96%, 97% , 98% or 99%, or 100% identical.
A polypeptide comprising the amino acid sequence shown in SEQ ID NO: 2 or a polypeptide comprising an amino acid sequence having at least 85% or more homology with the amino acid sequence and having DEH-reducing activity naturally has DEH-reducing activity.
A polypeptide having the amino acid sequence shown in SEQ ID NO: 2 is known as SDR1, but its activity remained unknown. This time, the present inventor's research revealed for the first time that DEH has the activity of reducing to KDG.
A polypeptide having an amino acid sequence having at least 85% homology with the amino acid sequence shown in SEQ ID NO: 2 has a DEH reduction activity of 30% or more, preferably Has a DEH reduction activity of 50% or more or 70% or more.

上記アミノ酸配列を備えDEH還元活性を備えたポリペプチドをコードするDNAとは、配列番号1に記載の塩基配列そのもの、配列番号2に示されるアミノ酸配列を備えたポリペプチド又は当該アミノ酸配列と少なくとも85%以上の相同性を有するアミノ酸配列を備えDEH還元活性を備えたポリペプチドをコードするDNAを意味する。DNAは、3個の連続する塩基が一つのアミノ酸をコードしており、アミノ酸の種類によっては、複数のコードが対応しうる。DNA配列は、上記ポリペプチドをコードするものであれば、遺伝暗号を参照して、適当な配列を指定できる。但し、発現に用いる発現用ベクターの安定性・発現系に応じて、タンパク質発現性の良好なものを指定することが好ましい。細菌(大腸菌を含む)で発現するベクターを用いる場合には、配列番号2のアミノ酸配列をコードするDNAとして、配列番号1に示すものを使用できる。 The DNA encoding a polypeptide having the above amino acid sequence and having DEH-reducing activity includes the nucleotide sequence of SEQ ID NO: 1 itself, a polypeptide having the amino acid sequence of SEQ ID NO: 2, or at least 85% of the amino acid sequence. It means a DNA that encodes a polypeptide having an amino acid sequence with 10% or more homology and having DEH-reducing activity. In DNA, three consecutive bases code for one amino acid, and depending on the type of amino acid, multiple codes may correspond. As for the DNA sequence, an appropriate sequence can be designated by referring to the genetic code, as long as it encodes the above-mentioned polypeptide. However, it is preferable to designate a vector with good protein expression according to the stability and expression system of the expression vector used for expression. When using a vector that expresses in bacteria (including E. coli), the DNA shown in SEQ ID NO: 1 can be used as the DNA encoding the amino acid sequence of SEQ ID NO: 2.

配列番号2に示すアミノ酸配列を持つポリペプチドは、DEH還元活性を有する新規の酵素である。このアミノ酸配列は、公知のSDRのスーパーファミリーに属する多様な酵素のアミノ酸配列と比較して20~30%程度の相同性しか示さなかった。酵素活性は、従来のものに比べ、十分に強いものであった。
配列番号2に示すアミノ酸配列と少なくとも90%以上の相同性を有するアミノ酸配列を持つポリペプチドは、配列番号2に示すアミノ酸配列を有するポリペプチドのDEH還元活性と比べて、30%以上、好ましくは50%以上又は70%以上のDEH還元活性を有する。
配列番号7にはsdr2のDNA配列を、配列番号8にはSDR2のアミノ酸配列を示した。配列番号8に示すアミノ酸配列を持つポリペプチドは、SDR2として公知であるが、その活性は不明のままであった。当該ポリペプチドについても、DEHを還元してKDGとする活性を有する可能性が高い。配列番号8に記載のアミノ酸配列を備えたポリペプチド又は当該アミノ酸配列と少なくとも85%以上の相同性を有するアミノ酸配列を備えDEH還元活性を備えたポリペプチドは、SDR1またはSDR1と同様の活性を有するポリペプチドと同様に用いることができる。また、配列番号8に記載のアミノ酸配列をコードする塩基配列を有するDNA又は配列番号8に記載のアミノ酸配列と少なくとも85%以上の相同性を有するアミノ酸配列を備えDEH還元活性を備えたポリペプチドをコードするDNAは、sdr1と同様に、発現可能な形で微生物(大腸菌など)に組み込んで、DEH還元酵素発現用プラスミドとして利用できる。その場合に、配列番号8のアミノ酸配列をコードするDNAとして、配列番号7に示すものを使用できる。
A polypeptide having the amino acid sequence shown in SEQ ID NO: 2 is a novel enzyme having DEH reduction activity. This amino acid sequence showed only about 20-30% homology with the known amino acid sequences of various enzymes belonging to the SDR superfamily. The enzymatic activity was sufficiently strong compared with the conventional ones.
A polypeptide having an amino acid sequence having at least 90% homology with the amino acid sequence shown in SEQ ID NO: 2 has a DEH reduction activity of 30% or more, preferably Has a DEH reduction activity of 50% or more or 70% or more.
SEQ ID NO: 7 shows the DNA sequence of sdr2, and SEQ ID NO: 8 shows the amino acid sequence of SDR2. A polypeptide having the amino acid sequence shown in SEQ ID NO: 8 is known as SDR2, but its activity remained unknown. It is highly likely that this polypeptide also has the activity of reducing DEH to KDG. A polypeptide comprising the amino acid sequence set forth in SEQ ID NO: 8 or a polypeptide comprising an amino acid sequence having at least 85% homology with the amino acid sequence and having DEH reduction activity has SDR1 or an activity similar to that of SDR1. It can be used similarly to polypeptides. Alternatively, a DNA having a nucleotide sequence encoding the amino acid sequence set forth in SEQ ID NO: 8 or a polypeptide having an amino acid sequence having at least 85% homology with the amino acid sequence set forth in SEQ ID NO: 8 and having DEH reduction activity. As with sdr1, the encoding DNA can be used as a DEH reductase expression plasmid by incorporating it into a microorganism (such as E. coli) in an expressible form. In that case, the DNA shown in SEQ ID NO: 7 can be used as the DNA encoding the amino acid sequence of SEQ ID NO: 8.

本発明において、「アルギン酸」とは、KDGを製造するための出発材料として使用するものを意味し、褐藻類から得られたアルギン酸やエンド型アルギン酸リアーゼによって部分的に分解されたアルギン酸(例えばオリゴ糖)が含まれる。
本発明において、ポリペプチドを「接触させる」とは、ポリペプチドが有する酵素活性を示す状態で、基質(DEHまたはアルギン酸)とポリペプチドとを固体、水溶液又は懸濁液のいずれかの形態で混合することを意味する。基質と三種類のポリペプチドは、混合する前にそれぞれ異なる形態であっても良い。
In the present invention, "alginic acid" means a material used as a starting material for producing KDG. ) is included.
In the present invention, "contacting" the polypeptide means that the substrate (DEH or alginic acid) and the polypeptide are mixed in the form of a solid, an aqueous solution, or a suspension in a state in which the polypeptide exhibits an enzymatic activity. means to The substrate and the three polypeptides may be in different forms prior to mixing.

本発明において、「アルギン酸リアーゼ活性とDEH還元活性が働く温度」とは、ポリペプチドが持つアルギン酸リアーゼ活性とDEH還元活性が失われることなく、所定の時間(例えば、72時間以下、好ましくは24時間以下、更に好ましくは3時間以下)作用し得る温度のことを意味する。温度条件については、その他の反応条件(例えば、アルギン酸濃度、ポリペプチドの濃度、水溶液の種類(アルギン酸とポリペプチド以外の成分を含まない水、適当な塩を含む水溶液など)などの条件を含む)に応じて、適宜に決定できる。
アルギン酸に三種類のポリペプチド(エンド型アルギン酸リアーゼ、エキソ型アルギン酸リアーゼ、DEH還元酵素)を接触させる場合には、三種類のポリペプチドを同時に接触させることもできるし、適当な順序で接触させることもできる。適当な順序で接触させる場合には、(1)まず、アルギン酸とエンド型アルギン酸リアーゼとエキソ型アルギン酸リアーゼとを混合し、適当な反応条件(温度、pHなど)で処理することで、多くの(殆どの)アルギン酸をDEHとした後に、(2)DEH還元酵素を添加して、別の適当な反応条件(温度、pHなど)で処理することで、効率よくDEHをKDGに還元する。
In the present invention, the "temperature at which alginate lyase activity and DEH reduction activity work" refers to a predetermined time (e.g., 72 hours or less, preferably 24 hours) without losing the alginate lyase activity and DEH reduction activity of the polypeptide. hereinafter, more preferably 3 hours or less) means a temperature at which it can act. Temperature conditions include other reaction conditions (for example, conditions such as alginic acid concentration, polypeptide concentration, type of aqueous solution (water containing no components other than alginic acid and polypeptide, aqueous solution containing appropriate salt, etc.)). can be determined as appropriate.
When three types of polypeptides (endo-type alginate lyase, exo-type alginate lyase, and DEH reductase) are brought into contact with alginic acid, the three types of polypeptides can be brought into contact simultaneously or in an appropriate order. can also When they are brought into contact in an appropriate order, (1) first, alginic acid, endo-alginate lyase, and exo-alginate lyase are mixed and treated under appropriate reaction conditions (temperature, pH, etc.) to obtain a large number of ( After (most) alginic acid is converted to DEH, (2) DEH reductase is added and treated under other appropriate reaction conditions (temperature, pH, etc.) to efficiently reduce DEH to KDG.

本発明によれば、DEHからKDGを効率よく製造する方法を提供できる。また、アルギン酸に三種類の酵素を接触させることでKDGを製造することができる。このため、褐藻類から容易にバイオリファイナリー(エネルギー生産や有用物質の生産)を構築でき得る。 According to the present invention, it is possible to provide a method for efficiently producing KDG from DEH. KDG can also be produced by contacting alginic acid with three types of enzymes. Therefore, a biorefinery (energy production and production of useful substances) can be easily constructed from brown algae.

アルギン酸の化学構造を示す図である。1 is a diagram showing the chemical structure of alginic acid; FIG. DEHとKDGの化学構造を示す図である。FIG. 2 shows the chemical structures of DEH and KDG; Formosa haliotis MA1株が有しているアルギン酸分解酵素遺伝子クラスターの構造を示す図である。FIG. 2 shows the structure of the alginate-degrading enzyme gene cluster possessed by the Formosa haliotis MA1 strain. sdr1の塩基配列(上側)及びSDR1のアミノ酸配列(下側)を示す図である。FIG. 2 shows the base sequence of sdr1 (top) and the amino acid sequence of SDR1 (bottom). pET-22b(+)-SDR1のプラスミドマップ図である。FIG. 3 is a plasmid map of pET-22b(+)-SDR1. F. haliotis MA1株のゲノムDNAからPCR法でsdr1遺伝子を増幅した後、アガロースゲル電気泳動したときの写真図である。Lane Mは1 kb DNA Ladder (NEW ENGLAND Biolabs)、Lane 1は増幅したsdr1遺伝子を示す。FIG. 2 is a photograph of agarose gel electrophoresis after the sdr1 gene was amplified from the genomic DNA of the F. haliotis MA1 strain by PCR. Lane M indicates a 1 kb DNA Ladder (NEW ENGLAND Biolabs), Lane 1 indicates the amplified sdr1 gene. コロニーダイレクトPCRでsdr1遺伝子の有無を調べたときのアガロースゲル電気泳動写真図である。Lane Mは1 kb DNA Ladder (NEW ENGLAND Biolabs)、Lane 1,2はpET-22b(+)-SDR1を示す。Fig. 2 is an agarose gel electrophoresis photograph obtained by examining the presence or absence of the sdr1 gene by colony direct PCR. Lane M indicates 1 kb DNA Ladder (NEW ENGLAND Biolabs), and Lane 1 and 2 indicate pET-22b(+)-SDR1. SDR1形質転換体の培養を行い、IPTGでSDR1を誘導したときのSDS-PAGE写真図である。Lane Mはタンパク質マーカー(ナカライテスク)、Lane 1はpET-22b(+)形質転換体 +0mM IPTG (IPTGなし)、Lane 2はpET-22b(+)形質転換体 +0.1mM IPTG、Lane 3はpET-22b(+)形質転換体 +1mM IPTG、Lane 4はSDR1形質転換体 +0mM IPTG (IPTGなし)、Lane 5はSDR1形質転換体 +0.1mM IPTG、Lane 6はSDR1形質転換体 +1mM IPTGを示す。Fig. 10 is an SDS-PAGE photograph of SDR1 transformants cultured and SDR1 induced with IPTG. Lane M is a protein marker (Nacalai Tesque), Lane 1 is pET-22b (+) transformant +0 mM IPTG (no IPTG), Lane 2 is pET-22b (+) transformant +0.1 mM IPTG, Lane 3 is pET-22b(+) transformant +1mM IPTG, Lane 4 is SDR1 transformant +0mM IPTG (no IPTG), Lane 5 is SDR1 transformant +0.1mM IPTG, Lane 6 is SDR1 transformant +1mM IPTG indicate. 菌体画分、超音波破砕後の不溶性画分と可溶性画分をSDS-PAGEに供した結果を示す写真図である。Lane Mはタンパク質マーカー、Lane 1は菌体画分、Lane 2は不溶性画分、Lane 3は可溶性画分を示す。FIG. 3 is a photographic diagram showing the results of SDS-PAGE of the bacterial cell fraction, and the insoluble and soluble fractions after sonication. Lane M is a protein marker, Lane 1 is a bacterial cell fraction, Lane 2 is an insoluble fraction, and Lane 3 is a soluble fraction. SDR1をニッケルアフィニティークロマトグラフィーで精製した後のSDS-PAGE写真図である。Lane Mはタンパク質マーカー、Lane 1は素通し画分、Lane 2は洗浄画分、Lane 3~Lane22は溶出画分を示す。FIG. 3 is an SDS-PAGE photograph after SDR1 was purified by nickel affinity chromatography. Lane M is a protein marker, Lane 1 is a flow-through fraction, Lane 2 is a wash fraction, and Lane 3 to Lane 22 are elution fractions. SDR1の溶出画分を透析後、10倍希釈したものをSDS-PAGEに供した結果を示す写真図である。Lane Mはタンパク質マーカー、Lane 1は精製したSDR1を示す。FIG. 2 is a photographic diagram showing the results of subjecting an eluted fraction of SDR1 to SDS-PAGE after dialysis and 10-fold dilution. Lane M is a protein marker and Lane 1 is purified SDR1. SDR1をNADHまたはNADPHの存在下でDEHと反応させ、NADHまたはNADPHが持つ340 nmの吸収波長をモニタリングした結果を示すグラフである。FIG. 4 is a graph showing the results of reacting SDR1 with DEH in the presence of NADH or NADPH and monitoring the absorption wavelength of 340 nm possessed by NADH or NADPH. SDR1反応溶液をTLCに供した結果を示す写真図である。Lane MはDEH、Lane 1はNADH、Lane 2は反応溶液を示す。FIG. 4 is a photograph showing the results of subjecting the SDR1 reaction solution to TLC. Lane M is DEH, Lane 1 is NADH, and Lane 2 is the reaction solution. 反応生成物をLC/MSで解析したときのトータルイオンクロマトグラムである。It is a total ion chromatogram when the reaction product was analyzed by LC/MS. 反応生成物をLC/MSで解析したときのSIMクロマトグラム(m/z 177)である。It is a SIM chromatogram (m/z 177) when the reaction product was analyzed by LC/MS. 図15において、保持時間3.166分のピークのマススペクトルである。In FIG. 15, it is the mass spectrum of the peak with a retention time of 3.166 minutes. DehR活性とpHとの関係を調べた結果を示すグラフである。1 is a graph showing the results of examining the relationship between DehR activity and pH. DehR活性と温度との関係を調べた結果を示すグラフである。1 is a graph showing the results of examining the relationship between DehR activity and temperature.

次に、本発明の実施形態について、図表を参照しつつ説明するが、本発明の技術的範囲は、これらの実施形態によって限定されるものではなく、発明の要旨を変更することなく様々な形態で実施できる。
<Formosa haliotis由来SDR1の発現系・精製系の構築>
short-chain dehydrogenases/reductases(SDR)は、今日知られている最大のタンパク質スーパーファミリーの1つである。SDRのスーパーファミリーには、約250アミノ酸残基を有し、NAD(P)Hを利用する多様な酵素が含まれている。但し、スーパーファミリー間のアミノ酸残基の同一性は20~30%と低い。これまで構造的に知られている全てのSDRは、3つのαヘリックスの間に挟まれた6~7鎖の中央βシートを有し、Rossmanフォールドからなる1つのドメインを有する。現在、Universal Protein Resource(Uniprot)のデータベースに登録されているSDRのメンバーは18万以上である。これらのタンパク質の多くは、遺伝子から推測されたアミノ酸配列を有しており、その殆どは基質特性や酵素活性の評価が行われておらず、未知のままである。
Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. can be implemented in
<Construction of Formosa haliotis-derived SDR1 expression system and purification system>
Short-chain dehydrogenases/reductases (SDRs) are one of the largest protein superfamilies known today. The SDR superfamily has approximately 250 amino acid residues and includes diverse enzymes that utilize NAD(P)H. However, the identity of amino acid residues between superfamilies is low at 20-30%. All structurally known SDRs to date have a central β-sheet of 6-7 strands sandwiched between three α-helices and a single domain consisting of a Rossman fold. Currently, more than 180,000 SDR members are registered in the Universal Protein Resource (Uniprot) database. Many of these proteins have amino acid sequences deduced from genes, and most of them remain unknown because their substrate properties and enzymatic activities have not been evaluated.

図3に示すように、Formosa haliotis MA1株が有しているアルギン酸分解酵素遺伝子クラスターの中から、SDRと推定される遺伝子sdr1、sdr2が見出された(非特許文献5,6)。sdr1及びsdr2のアミノ酸配列を、他のSDRのアミノ酸配列とのマルチプルアライメントに供した結果、SDRの特定配列モチーフである触媒四残基(Asn-Lys-Tyr-Ser(配列番号9))や、Rossmanフォールド中の補因子結合配列モチーフ(Thr-Gly-X-X-X-Gly-X-Gly)が保存されていた。これより、sdr1遺伝子はSDRの中でも、補因子結合配列モチーフ Thr-Gly-X-X-X-Gly-X-Glyが保存されている酸化還元酵素である、「古典的(Classical)」なCタイプに属していると推定された。NADPH依存型のDEH還元酵素は、活性部位でNADPHのアデノシンのヌクレオチドの2’位のリン酸基を安定化させる塩基性ポケットが存在することが報告されている。NADPH依存型のDEH還元酵素はポケットの部分には塩基性アミノ酸が存在する。sdr1遺伝子においてこの部分には酸性アミノ酸が、sdr2遺伝子においてこの部分には中性アミノ酸が、それぞれ存在しており、いずれも塩基性ポケットは存在しないと考えられた。これらの考察により、sdr1及びsdr2は、アデノシンのヌクレオチドの2’位の水酸基を持つNADHを補酵素とて用いるNADH依存型SDRとして働くのではないかと推測された。
そこでsdr1、sdr2遺伝子がDEH還元酵素として働くかを調べるため、SDR1、SDR2の発現系・精製系の構築を行い、SDR1、SDR2の組換え体を作製することを目的とした。また、組換え体のSDR1、SDR2とNADHとNADPHを用いて活性測定を行い、SDR1、SDR2がどちらの補酵素を用いるかを評価した。以下には、代表例としてSDR1のデータを記載する。
As shown in FIG. 3, genes sdr1 and sdr2 presumed to be SDR were found in the alginase gene cluster possessed by the Formosa haliotis MA1 strain (Non-Patent Documents 5 and 6). As a result of subjecting the amino acid sequences of sdr1 and sdr2 to multiple alignment with the amino acid sequences of other SDRs, catalytic four residues (Asn-Lys-Tyr-Ser (SEQ ID NO: 9)), which are specific sequence motifs of SDR A cofactor-binding sequence motif (Thr-Gly-XXX-Gly-X-Gly) in the Rossman fold was conserved. Thus, the sdr1 gene belongs to the 'classical' C-type SDR, an oxidoreductase with conserved cofactor-binding sequence motif Thr-Gly-XXX-Gly-X-Gly. presumed to be NADPH-dependent DEH reductase has been reported to have a basic pocket that stabilizes the 2' phosphate group of the adenosine nucleotide of NADPH at the active site. NADPH-dependent DEH reductase has basic amino acids in the pocket. This portion of the sdr1 gene contains acidic amino acids, while the portion of the sdr2 gene contains neutral amino acids. Based on these considerations, it was speculated that sdr1 and sdr2 act as NADH-dependent SDRs that use NADH, which has a hydroxyl group at the 2'-position of adenosine nucleotide, as a coenzyme.
Therefore, in order to investigate whether the sdr1 and sdr2 genes act as DEH reductase, we constructed an expression system and a purification system for SDR1 and SDR2, and prepared recombinants of SDR1 and SDR2. In addition, activities were measured using recombinant SDR1, SDR2, NADH and NADPH to evaluate which coenzyme SDR1 and SDR2 use. Data for SDR1 are described below as a representative example.

1.実験方法
(1)sdr1のサブクローニング
F. haliotis MA1株由来のゲノム解析に基づいて得られたSDR1のCoding Sequence領域の塩基配列とタンパク質の一次構造を図4に示した。また、sdr1の塩基配列を配列番号1に、タンパク質SDR1のアミノ酸配列を配列番号2に、それぞれ示した。大腸菌によるSDR1の大量発現系の構築を行うためPCR法を実施した。プライマーとして、Formosa_SDR1_F(配列番号3:gggCATATGagtaaagtagcagtaataaccggtgc)及びFormosa_SDR1_R(配列番号4:ggggCTCGAGgatacctaaagcttgaccaccaccaa)を用いた。配列番号3,4中の大文字は、制限酵素NdeI及びXhoIの認識配列をそれぞれ示す。
PCR反応溶液として、32μLの精製水、5μLの10×PCR buffer for KOD-Plus-Neo、5μLの2mM dNTPs、3μLの25mM MgSO4、1.5μLの10μM Formosa_SDR1_F、1.5μLの10μM Formosa_SDR1_R、1μLの鋳型DNA及び1μLのKOD-Plus-Neoを加えて、50μLとしたものを用いた。PCR反応条件として、94℃にて2分間の熱変性を行った後、「98℃にて10秒間の熱変性、50℃にて30秒間のアニーリング及び68℃にて23秒間の伸長反応」を1サイクルとする30サイクルの増幅反応を行い、目的遺伝子を増幅させた。DNAポリメラーゼにはKOD-Plus-Neo(TOYOBO)を用いた。鋳型DNAには、F. haliotis MA1株のゲノムDNA(田中礼士博士より供与)を用いた。プライマーとして、His-tagを用いたSDR1の精製を行うため、発現ベクターであるpET-22b(+)プラスミドベクター(Merck)内のHis-tag配列を利用した。SDR1の終止コドンを欠損させてHis-tagを付加した。鋳型DNAのセンス鎖にNdeI、アンチセンス鎖にXhoIの制限酵素サイトを付加した。Signal P 4.1 Serverによりシグナルペプチドの存在を解析した結果、SDR1にはシグナルペプチドは存在しなかった。
PCR産物をアガロースゲル電気泳動に供し、PCR産物が目的遺伝子の理論塩基数に相当していることを確認した後、ゲルからバンドを切り取ってWizard SV Gel and PCR Clean-up System(Promega)を用いて、PCR産物を精製した。
1. experimental method
(1) Subcloning of sdr1
FIG. 4 shows the base sequence of the coding sequence region of SDR1 and the primary structure of the protein obtained based on the genome analysis derived from the F. haliotis MA1 strain. The base sequence of sdr1 is shown in SEQ ID NO: 1, and the amino acid sequence of protein SDR1 is shown in SEQ ID NO: 2, respectively. A PCR method was performed to construct a large-scale expression system of SDR1 in E. coli. Formosa_SDR1_F (SEQ ID NO: 3: gggCATATGagtaaagtagcagtaataaccggtgc) and Formosa_SDR1_R (SEQ ID NO: 4: ggggCTCGAGgatacctaaagcttgaccaccaccaa) were used as primers. Capital letters in SEQ ID NOS: 3 and 4 indicate the recognition sequences of restriction enzymes NdeI and XhoI, respectively.
As a PCR reaction solution, 32 μL of purified water, 5 μL of 10×PCR buffer for KOD-Plus-Neo, 5 μL of 2 mM dNTPs, 3 μL of 25 mM MgSO 4 , 1.5 μL of 10 μM Formosa_SDR1_F, 1.5 μL of 10 μM Formosa_SDR1_R, 1 μL of template DNA. and 1 μL of KOD-Plus-Neo were added to make 50 μL. The PCR reaction conditions were heat denaturation at 94°C for 2 minutes, followed by "heat denaturation at 98°C for 10 seconds, annealing at 50°C for 30 seconds, and extension reaction at 68°C for 23 seconds". The target gene was amplified by performing 30 cycles of amplification reaction, which is regarded as one cycle. KOD-Plus-Neo (TOYOBO) was used as the DNA polymerase. Genomic DNA of the F. haliotis MA1 strain (provided by Dr. Reiji Tanaka) was used as the template DNA. To purify SDR1 using His-tag as a primer, the His-tag sequence in the expression vector pET-22b(+) plasmid vector (Merck) was used. The stop codon of SDR1 was deleted and His-tag was added. A NdeI restriction enzyme site was added to the sense strand of the template DNA, and an XhoI restriction enzyme site was added to the antisense strand. As a result of analyzing the presence of a signal peptide using Signal P 4.1 Server, no signal peptide was present in SDR1.
After subjecting the PCR product to agarose gel electrophoresis and confirming that the PCR product corresponds to the theoretical base number of the target gene, the band was excised from the gel and purified using Wizard SV Gel and PCR Clean-up System (Promega). to purify the PCR product.

(2)発現プラスミドの構築
精製したPCR産物およびpET-22b(+)プラスミドベクター(Merck)をNdeI(New England Biolabs)とXhoI(New England Biolabs)により、37℃で3時間、制限酵素処理を行った。反応後の溶液をアガロースゲル電気泳動に供し、切断後の各DNAのサイズを確認した後、ゲルからバンドを切り取ってWizard SV Gel and PCR Clean-up System(Promega)を用いて精製した。
ベクターとPCR産物であるインサートのモル比が1:5となるようにライゲーション反応溶液を調整し、Ligation high Ver.2(TOYOBO)を用いて16℃で3時間反応させた。ライゲーション産物1μLを大腸菌DH5αに形質転換し、100μg/mLのアンピシリンを含む5mLのLB寒天培地(1.0%(w/v)トリプトン、0.5%(w/v)酵母エキス、1.0%(w/v) NaCl)に植菌し、37℃で一晩静置培養した。
ライゲーションが成功しているか確認するため、プレート上のコロニーを鋳型として、コロニーダイレクトPCRを行った。PCR反応溶液として、79.4μLの精製水、2.8μLのT7 promoter primer、2.8μLのT7 terminater primer及び85μLの2×Quick taq HS DyeMixを加えて、170μLとし、それを17個のPCRチューブに分注した。滅菌済みの爪楊枝でコロニーを取り、各コロニーをそれぞれのPCRチューブに入れたものをコロニーダイレクトPCRに用いた。PCR反応条件として、94℃にて2分間の熱変性を行った後、「94℃にて30秒間の熱変性、50℃にて30秒間のアニーリング及び68℃にて45秒間の伸長反応」を1サイクルとする25サイクルの増幅反応を行い、目的遺伝子を増幅させた。プライマーとして、T7のユニバーサルプライマーを用いた。ポリメラーゼは、Quick taqTM HS DyeMix(TOYOBO)を用いた。コロニーダイレクトPCRと同時に、各コロニーのマスタープレートを作製した。
PCR産物をアガロースゲル電気泳動に供し、目的遺伝子が挿入されていたコロニーのマスタープレートから、100μg/mLのアンピシリンを含むLB液体培地に植菌し、37℃で一晩振盪培養した。Wizard Plus SV Minipreps DNA Purification System(Promega)を用いて、培養液からプラスミドを抽出した。このプラスミドをpET-22b(+)-SDR1とした(図5)。
(2) Construction of expression plasmid The purified PCR product and pET-22b(+) plasmid vector (Merck) were treated with NdeI (New England Biolabs) and XhoI (New England Biolabs) at 37°C for 3 hours with restriction enzymes. rice field. After the reaction solution was subjected to agarose gel electrophoresis to confirm the size of each DNA after cleavage, the band was excised from the gel and purified using Wizard SV Gel and PCR Clean-up System (Promega).
A ligation reaction solution was adjusted so that the molar ratio of the vector and the insert, which is a PCR product, was 1:5, and the mixture was reacted at 16°C for 3 hours using Ligation high Ver.2 (TOYOBO). Transform 1 μL of the ligation product into E. coli DH5α and add 5 mL of LB agar medium containing 100 μg/mL ampicillin (1.0% (w/v) tryptone, 0.5% (w/v) yeast extract, 1.0% (w/v) NaCl) and statically cultured overnight at 37°C.
In order to confirm whether the ligation was successful, colony direct PCR was performed using the colonies on the plate as templates. As a PCR reaction solution, add 79.4 μL of purified water, 2.8 μL of T7 promoter primer, 2.8 μL of T7 terminator primer and 85 μL of 2×Quick taq HS DyeMix to make 170 μL, and distribute it to 17 PCR tubes. bottom. A colony was picked with a sterilized toothpick, and each colony was placed in each PCR tube and used for colony direct PCR. As the PCR reaction conditions, after heat denaturation at 94°C for 2 minutes, "heat denaturation at 94°C for 30 seconds, annealing at 50°C for 30 seconds, and extension reaction at 68°C for 45 seconds" were performed. Twenty-five cycles of the amplification reaction were performed as one cycle to amplify the target gene. As a primer, a T7 universal primer was used. Quick taq™ HS DyeMix (TOYOBO) was used as the polymerase. A master plate of each colony was prepared at the same time as the colony direct PCR.
The PCR product was subjected to agarose gel electrophoresis, and the target gene-inserted colony master plate was inoculated into an LB liquid medium containing 100 µg/mL ampicillin and cultured overnight at 37°C with shaking. Plasmids were extracted from the cultures using the Wizard Plus SV Minipreps DNA Purification System (Promega). This plasmid was named pET-22b(+)-SDR1 (Fig. 5).

(3)SDR1の発現
pET-22b(+)-SDR1を大腸菌BL21(DE3)に形質転換し、100μg/mLのアンピシリンを含むLB寒天培地に植菌し、37℃で一晩静置培養した。形成された単一なコロニーを100μg/mLのアンピシリンを含む5mLのLB液体培地3本にそれぞれ植菌し、37℃、160rpmで振盪培養した。培養液の濁度(OD600)が0.4~0.6に達したところで、イソプロピル-β-チオガラクトピラノシド(IPTG)を培地中に0、0.1及び1mMとなるように添加し、一晩振盪培養した。
培養後、各培養液を200μLずつエッペンチューブに採取し、15,000×gで3分間の遠心分離を行った。上清を除去し、50mM Tris-HCl緩衝液を200μLずつ加え懸濁した後、同条件で再度遠心分離した。上清を除去し、50mM Tris-HCl緩衝液を20μLずつ加え懸濁した。2×SDSサンプル緩衝液を20μLずつ加え懸濁し、3分間煮沸した。サンプルを15%ポリアクリルアミドゲルで作製したSodium Dodecyl Sulfate-Poly Acrylamide Gel Electrophoresis(SDS-PAGE)に各サンプルを供し、目的タンパク質であるSDR1の発現を調べた。
(3) SDR1 expression
Escherichia coli BL21 (DE3) was transformed with pET-22b(+)-SDR1, inoculated onto LB agar medium containing 100 μg/mL ampicillin, and statically cultured overnight at 37°C. The formed single colony was inoculated into each of three 5 mL LB liquid media containing 100 μg/mL ampicillin and cultured with shaking at 37° C. and 160 rpm. When the turbidity (OD600) of the culture medium reached 0.4-0.6, isopropyl-β-thiogalactopyranoside (IPTG) was added to the medium to 0, 0.1 and 1 mM, and cultured overnight with shaking. .
After culturing, 200 μL of each culture solution was collected in an Eppendorf tube and centrifuged at 15,000×g for 3 minutes. The supernatant was removed, 200 μL of 50 mM Tris-HCl buffer was added to each suspension, and the cells were centrifuged again under the same conditions. The supernatant was removed, and 20 μL of 50 mM Tris-HCl buffer was added and suspended. 20 μL of 2×SDS sample buffer was added to suspend and boiled for 3 minutes. Each sample was subjected to Sodium Dodecyl Sulfate-Poly Acrylamide Gel Electrophoresis (SDS-PAGE) prepared on a 15% polyacrylamide gel to examine the expression of the target protein SDR1.

(4)SDR1の大量培養・可溶化確認
上記(3)でSDR1の発現を調べるために作製したLB寒天培地上のコロニーを、100μg/mLのアンピシリンを含む5mLのLB液体培地に植菌し、37℃、160rpmで一晩振盪培養した。これを前培養液とした。
1L容のバッフル付き三角フラスコに、100μg/mLのアンピシリンを含む400mLの2×YT培地(1.6%(w/v)ハイポリペプトン、1.0%(w/v)乾燥酵母エキス、0.5%(w/v)NaCl)を2本作製した。滅菌済みの50%(w/v)グルコース溶液を8mL、前培養液を400μLずつ加え、37℃、160 rpmで旋回方式による振盪培養を行った。培養液の濁度(OD600)が0.5~0.6に達したところで、培養液を氷冷した。その後IPTGを培地中に0.1mMとなるように添加し、40時間振盪培養した。培養後、培養液を4℃、6,800×gで15分間培養液を遠心分離し、上清を除去し湿菌体を得た。
湿菌体3.0gに500mM NaClと20mMイミダゾールを含む20mM リン酸ナトリウム緩衝液(pH 7.4)を3mL加えて懸濁した。DNaseを少量加え、室温で1時間静置した。その後上記と同じ緩衝液を27mL加え、計30mLとし、懸濁させた。懸濁液を氷上で3分間超音波破砕し(OUTPUT:4, DUTY:40, TOMMY ULTRASONIC DISRUPTOR UD-201)、2分間静置し冷却した。この操作を5回行うことで菌体を破砕した。
SDS-PAGE用に菌体破砕液を菌体画分として10μL採取し、残りの破砕液を4℃、9,700×gで15分間遠心分離した。上清を回収し、同条件で再度遠心分離した上清を可溶性画分とした。また、1回目の遠心分離にて得られた沈殿を少量だけ取り分け、菌体破砕に用いた緩衝液で懸濁させたものを不溶性画分とした。
菌体画分、可溶性画分、不溶性画分それぞれに2×SDSサンプル緩衝液を加え、3分間煮沸した。煮沸後のサンプルを15%(w/v)ポリアクリルアミドゲルで作製したSDS-PAGEに供し、目的タンパク質の有無を調べた。
(4) Mass culture of SDR1 and confirmation of its solubilization The colonies on the LB agar medium prepared for examining the expression of SDR1 in (3) above were inoculated into 5 mL of LB liquid medium containing 100 µg/mL ampicillin, Shaking culture was carried out overnight at 37°C and 160 rpm. This was used as a pre-culture solution.
400 mL of 2xYT medium (1.6% (w/v) high polypeptone, 1.0% (w/v) dry yeast extract, 0.5% (w/v) containing 100 μg/mL ampicillin in a 1 L baffled Erlenmeyer flask. ) NaCl) were prepared. 8 mL of a sterilized 50% (w/v) glucose solution and 400 μL of the pre-culture medium were added to each, and shaking culture was performed at 37° C. and 160 rpm by a rotation method. When the turbidity (OD600) of the culture reached 0.5-0.6, the culture was ice-cooled. After that, IPTG was added to the medium to a concentration of 0.1 mM, and cultured with shaking for 40 hours. After culturing, the culture solution was centrifuged at 4° C. and 6,800×g for 15 minutes, and the supernatant was removed to obtain wet cells.
3 mL of 20 mM sodium phosphate buffer (pH 7.4) containing 500 mM NaCl and 20 mM imidazole was added to 3.0 g of wet cells and suspended. A small amount of DNase was added, and the mixture was allowed to stand at room temperature for 1 hour. After that, 27 mL of the same buffer solution as above was added to make a total of 30 mL, and suspended. The suspension was sonicated on ice for 3 minutes (OUTPUT: 4, DUTY: 40, TOMMY ULTRASONIC DISRUPTOR UD-201) and allowed to stand for 2 minutes to cool. By performing this operation five times, the cells were disrupted.
10 μL of the cell lysate was taken as a cell fraction for SDS-PAGE, and the remaining cell lysate was centrifuged at 4° C. and 9,700×g for 15 minutes. The supernatant was collected and centrifuged again under the same conditions, and the supernatant was used as the soluble fraction. In addition, a small amount of the precipitate obtained by the first centrifugation was collected and suspended in the buffer solution used for cell disruption to obtain an insoluble fraction.
2×SDS sample buffer was added to each of the cell fraction, soluble fraction, and insoluble fraction, and boiled for 3 minutes. The sample after boiling was subjected to SDS-PAGE prepared with 15% (w/v) polyacrylamide gel to examine the presence or absence of the target protein.

(5)SDR1の精製
ニッケルアフィニティークロマトグラフィーの担体として、Ni SepharoseTM 6 Fast Flow(GE Healthcare)をPD-10エンプティーカラム(GE Healthcare)に3mLほど詰めた。カラムの洗浄後、500mM NaClと20mMイミダゾールを含む20mM リン酸ナトリウム緩衝液(pH 7.4)で担体を平衡化させた。超音波破砕により得た可溶性画分に平衡化した担体を加え、4℃で1時間スターラーで攪拌し、目的タンパク質であるSDR1を担体に吸着させた。この担体を含む溶液をPD-10エンプティーカラムに詰め、カラムから出てきた溶液を素通し画分として回収した。カラム平衡化の際に使用したものと同じ緩衝液を20mL流しカラムを洗浄した。この画分を洗浄画分として回収した。その後、500mM NaClと500mMイミダゾールを含む20mM リン酸ナトリウム緩衝液(pH 7.4)を20mL流し、1mLずつ回収し、これらの画分を溶出画分として回収した。
溶出画分を15%(w/v)ポリアクリルアミドゲルで作製したSDS-PAGEに供し、SDR1を含む画分を調べた。SDR1を検出した画分をまとめ、透析膜であるダイアライシスメンブラン, サイズ36(Wako)に入れた。この透析膜を100mM NaClを含む10mM リン酸ナトリウム緩衝液(pH 7.4)に浸し、4℃で一晩透析した。透析後タンパク質が凝集したため、4℃、9,700×gで15分間遠心分離し、上清を得た。この上清を10倍希釈し、15%(w/v) ポリアクリルアミドゲルで作製したSDS-PAGEに供し、SDR1の精製を確認した。
SDR1のタンパク質濃度を、波長280nmにおける吸光度を測定し、下記式(1)から得られたモル吸光係数εを用いて算出した。
式(1) ε= (#Trp)×5,500+(#Tyr)×1,490+(#cyctine)×125
(5) Purification of SDR1 As a carrier for nickel affinity chromatography, about 3 mL of Ni Sepharose™ 6 Fast Flow (GE Healthcare) was packed in a PD-10 empty column (GE Healthcare). After washing the column, the carrier was equilibrated with 20 mM sodium phosphate buffer (pH 7.4) containing 500 mM NaCl and 20 mM imidazole. The equilibrated carrier was added to the soluble fraction obtained by sonication, and the mixture was stirred with a stirrer at 4°C for 1 hour to allow the target protein, SDR1, to be adsorbed onto the carrier. A solution containing this carrier was packed in a PD-10 empty column, and the solution coming out of the column was collected as a flow-through fraction. 20 mL of the same buffer as used for column equilibration was flowed to wash the column. This fraction was collected as the wash fraction. After that, 20 mL of 20 mM sodium phosphate buffer (pH 7.4) containing 500 mM NaCl and 500 mM imidazole was flowed, 1 mL each was recovered, and these fractions were recovered as eluted fractions.
The eluted fraction was subjected to SDS-PAGE prepared on a 15% (w/v) polyacrylamide gel to examine fractions containing SDR1. Fractions in which SDR1 was detected were combined and placed in a dialysis membrane, size 36 (Wako), which is a dialysis membrane. This dialysis membrane was immersed in 10 mM sodium phosphate buffer (pH 7.4) containing 100 mM NaCl and dialyzed overnight at 4°C. After dialysis, the protein aggregated, so centrifugation was performed at 9,700 xg at 4°C for 15 minutes to obtain a supernatant. This supernatant was diluted 10-fold and subjected to SDS-PAGE prepared on a 15% (w/v) polyacrylamide gel to confirm the purification of SDR1.
The protein concentration of SDR1 was calculated by measuring the absorbance at a wavelength of 280 nm and using the molar extinction coefficient ε obtained from the following formula (1).
Equation (1) ε = (#Trp) x 5,500 + (#Tyr) x 1,490 + (#cyctine) x 125

(6)SDR1の活性測定
精製したSDR1の活性測定を行った。基質として使用したDEHは、本発明者が属する研究室内で作製したものを用いた。SDR1がDEH還元酵素として働く場合、補酵素として還元型NADHもしくはNADPHを必要とすると考えられた。そこで、DEHと精製したSDR1をNADHもしくはNADPH存在下で反応させ、NADHもしくはNADPHが持つ340 nmの吸収波長をモニタリングすることで活性を評価した。
1.0mM DEH、0.20mM NADHまたはNADPH、50mMリン酸ナトリウム緩衝液(pH 7.0)となるように調整した反応溶液を石英セルに入れ、分光光度計のセルホルダーに設置し、25℃で3分インキュベートした。そこへ3分間25℃でインキュベートしたSDR1を反応液中で5.2μMとなるように添加し、ピペッティングを行った後、すばやく分光光度計の蓋を閉め、340nmの吸光度の減少をモニタリングした。コントロールとして、反応溶液にDEHのみを含まないサンプル、同様にSDR1のみを含まないサンプルの測定を行った。
(6) Measurement of SDR1 Activity The activity of purified SDR1 was measured. DEH used as a substrate was prepared in the laboratory to which the present inventor belongs. When SDR1 acts as a DEH reductase, it is thought that it requires reduced NADH or NADPH as a coenzyme. Therefore, DEH and purified SDR1 were reacted in the presence of NADH or NADPH, and activity was evaluated by monitoring the absorption wavelength of 340 nm possessed by NADH or NADPH.
Place the reaction solution adjusted to 1.0 mM DEH, 0.20 mM NADH or NADPH, and 50 mM sodium phosphate buffer (pH 7.0) in a quartz cell, place it in the cell holder of the spectrophotometer, and incubate at 25°C for 3 minutes. bottom. SDR1, which had been incubated at 25°C for 3 minutes, was added to 5.2 µM in the reaction solution, and after pipetting, the lid of the spectrophotometer was quickly closed and the decrease in absorbance at 340 nm was monitored. As controls, a sample containing only DEH in the reaction solution and a sample containing only SDR1 were measured.

2.実験結果
(1)発現プラスミドの構築
F. haliotis MA1由来のゲノムDNAを鋳型とし、PCRで増幅したsdr1遺伝子をアガロースゲル電気泳動に供した結果を図6に示した。この結果から、sdr1遺伝子の理論塩基数(750 bp)に相当する位置にバンドを検出し、sdr1遺伝子の増幅を確認した。
sdr1遺伝子の増幅を確認した後、PCR産物とpET-22b(+)プラスミドベクターを制限酵素処理を行い、ライゲーションを行った。ライゲーション産物を大腸菌に形質転換させ、コロニーである形質転換体がsdr1遺伝子を含むプラスミドを保持しているかを確認するために、コロニーダイレクトPCRでsdr1遺伝子を調べた。sdr1遺伝子を保持しているコロニーを選択して培養を行い、プラスミドを抽出した。抽出したプラスミドをアガロースゲル電気泳動に供した結果を図7に示した。この結果から、プラスミドの構築を確認できた。
2. Experimental result
(1) Construction of expression plasmid
FIG. 6 shows the results of subjecting the sdr1 gene amplified by PCR using the F. haliotis MA1-derived genomic DNA as a template to agarose gel electrophoresis. From this result, a band was detected at a position corresponding to the theoretical base number (750 bp) of the sdr1 gene, confirming amplification of the sdr1 gene.
After confirming the amplification of the sdr1 gene, the PCR product and the pET-22b(+) plasmid vector were treated with restriction enzymes and ligated. The ligation product was transformed into Escherichia coli, and the sdr1 gene was examined by colony direct PCR in order to confirm whether the transformant, which was a colony, retained the plasmid containing the sdr1 gene. A colony retaining the sdr1 gene was selected and cultured to extract the plasmid. The results of subjecting the extracted plasmid to agarose gel electrophoresis are shown in FIG. This result confirmed the construction of the plasmid.

(2)SDR1の発現
pET-22b(+)-SDR1をBL21(DE3)に形質転換したSDR1形質転換体の培養を行い、IPTG誘導によるSDR1の発現の有無をSDS-PAGEで確認した。SDS-PAGEの結果を図8に示した。遺伝子を挿入していないpET-22b(+)ベクターを形質転換した大腸菌をコントロールとして用い、同様の操作を行ったものを同時に泳動した。目的タンパク質であるSDR1の分子量は26kDaである。培養液中のIPTG濃度が0mM、0.1mM、1mMのすべてにおいて、SDR1の分子量に相当する位置にバンドを検出し、0.1mM、1 mMで太いバンドを検出した。コントロールであるpET-22b(+)ベクターの形質転換体では、このバンドは検出されなかった。
(3)SDR1の大量培養・可溶化確認
400mLの2×YT培地2つで40時間培養した結果、計21.05gの湿菌体が得られた。菌体画分および超音波破砕後の不溶性画分と可溶性画分をSDS-PAGEに供し、SDR1の発現と超音波破砕による可溶化を確認した(図9)。SDR1の分子量は26kDaであり、すべての画分においてSDR1の分子量に相当する位置にバンドが検出された。可溶性画分は不溶性画分よりもバンドが太く、発現したSDR1の大部分が可溶化していた。
(2) SDR1 expression
SDR1 transformants obtained by transforming pET-22b(+)-SDR1 into BL21(DE3) were cultured, and the presence or absence of IPTG-induced SDR1 expression was confirmed by SDS-PAGE. The results of SDS-PAGE are shown in FIG. As a control, Escherichia coli transformed with a pET-22b(+) vector into which no gene had been inserted was used as a control, and those subjected to the same operation were electrophoresed simultaneously. The target protein, SDR1, has a molecular weight of 26 kDa. A band was detected at the position corresponding to the molecular weight of SDR1 at all IPTG concentrations of 0, 0.1 and 1 mM in the culture medium, and a thick band was detected at 0.1 and 1 mM. This band was not detected in the control pET-22b(+) vector transformant.
(3) Mass culture and solubilization of SDR1
A total of 21.05 g of wet cells were obtained as a result of 40 hours of culture in two 400 mL 2×YT media. The bacterial cell fraction and the insoluble and soluble fractions after sonication were subjected to SDS-PAGE to confirm the expression of SDR1 and solubilization by sonication (Fig. 9). The molecular weight of SDR1 is 26 kDa, and a band was detected at a position corresponding to the molecular weight of SDR1 in all fractions. The soluble fraction had a thicker band than the insoluble fraction, and most of the expressed SDR1 was solubilized.

(4)SDR1の精製
ニッケルアフィニティークロマトグラフィー後のSDS-PAGEを図10に示した。図10において最も多くSDR1が含まれていた溶出画分を集め透析した。透析後の溶液を10倍希釈したものをSDS-PAGEに供した結果を図11に示した。SDR1の分子量は26kDaであり、それに相当する位置に単一なバンドを検出した。よってこの溶液をSDR1の精製酵素とした。SDR1の収量は、培地1Lあたり295mgであった。
(5)SDR1の活性測定
SDR1をNADHまたはNADPHの存在下で基質であるDEHと反応させ、NADHまたはNADPHが持つ340nmの吸収波長をモニタリングした結果を図12に示した。コントロールとして、DEHを含まないサンプル、SDR1を含まないサンプルの結果を示した。SDR1とDEHを含むNADH反応溶液は、時間の経過とともにNADHの減少が観測できた。これに対し、NADPH反応溶液では、そのような変化は観測されなかった。
(4) Purification of SDR1 FIG. 10 shows SDS-PAGE after nickel affinity chromatography. The eluted fraction containing the largest amount of SDR1 in FIG. 10 was collected and dialyzed. FIG. 11 shows the results of subjecting the dialyzed solution diluted 10-fold to SDS-PAGE. The molecular weight of SDR1 is 26 kDa, and a single band was detected at the corresponding position. Therefore, this solution was used as the purified enzyme of SDR1. The yield of SDR1 was 295 mg/L medium.
(5) Measurement of SDR1 activity
FIG. 12 shows the results of reacting SDR1 with the substrate DEH in the presence of NADH or NADPH and monitoring the absorption wavelength of 340 nm possessed by NADH or NADPH. As controls, the results of a sample containing no DEH and a sample containing no SDR1 are shown. NADH reaction solution containing SDR1 and DEH was able to observe a decrease in NADH over time. In contrast, no such change was observed in the NADPH reaction solution.

3.考察
SDR1のサブクローニングを行い、大腸菌用の発現プラスミドの構築と精製方法を確立した。作製したプラスミドは、sdr1遺伝子の3’末端にHis-tagをコードする塩基配列を付加するように設計した。菌体を超音波破砕した後、SDR1の大部分が可溶性画分に存在し、その溶液をニッケルアフィニティークロマトグラフィーに供することで精製できた。収量は、培地1 Lあたり295mgのSDR1であった。SDR1と同じDEH還元酵素であるFlRedの大腸菌組換え体は、培地1 Lあたり40mgであったと報告されている(特許文献1)。また、同様にDEH還元酵素であるA1-Rの大腸菌組換え体は培地1 Lあたり82mg、A1-R’の大腸菌組換え体は培地1 Lあたり91mgが得られたと報告されている(非特許文献7)。これに対し、SDR1は他のDEH還元酵素と比較して、3倍以上の精製酵素を得ることができた。
SDR1をNADHまたはNADPH存在下で基質であるDEHと反応させた結果、340nmの吸光度(NADHの濃度)が時間の経過とともに減少したことから、NADHの減少が観測できた。これに対し、NADPHの場合には、吸光度の減少が観測されなかった。これらの結果から、SDR1はNADH依存型還元酵素であることが分かった。またDEHを含む反応液でNADHの減少を観測したことからSDR1はDEH還元酵素であることが示唆された。このため、この反応用液の生成物の同定を試みた。
3. consideration
We subcloned SDR1 and established a method for constructing and purifying an expression plasmid for Escherichia coli. The prepared plasmid was designed to add a base sequence encoding His-tag to the 3' end of the sdr1 gene. After sonicating the cells, most of SDR1 was present in the soluble fraction and could be purified by subjecting the solution to nickel affinity chromatography. Yield was 295 mg of SDR1 per liter of medium. It has been reported that the E. coli recombinant of FlRed, which is the same DEH reductase as SDR1, was 40 mg per 1 L of medium (Patent Document 1). In addition, it is reported that 82 mg of DEH reductase A1-R E. coli recombinant was obtained per 1 L of medium, and 91 mg of A1-R' E. coli recombinant was obtained per 1 L of medium (non-patent Reference 7). On the other hand, SDR1 yielded three times more purified enzyme than other DEH reductases.
As a result of reacting SDR1 with the substrate DEH in the presence of NADH or NADPH, the absorbance at 340 nm (concentration of NADH) decreased over time, indicating a decrease in NADH. In contrast, no decrease in absorbance was observed with NADPH. These results indicate that SDR1 is an NADH-dependent reductase. In addition, SDR1 was suggested to be a DEH reductase from the observation of a decrease in NADH in the reaction solution containing DEH. Therefore, an attempt was made to identify the product of this reaction solution.

<SDR1の反応生成物の同定>
図2には、DEHからKDGへの反応式を示した。DEHのアルデヒド基が、DEH還元酵素によりNADHもしくはNADPHとプロトンを用いて還元され、ヒドロキシメチル基となることでKDGが生成する。このとき、NADHはNAD+に、NADPHはNAPD+に酸化される。従って、DEHはKDGより分子量が2大きいことになる。上記<Formosa haliotis由来SDR1の発現系・精製系の構築>の結果から、SDR1はNADH依存型還元酵素であることが分かった。SDR1がDEH還元酵素として働くかを調べるために、反応生成物がKDGであることを確認するための試験を行った。すなわち、SDR1、DEH及びNADHを含む反応溶液を作製し、薄層クロマトグラフィー(TLC)分析を行うことで反応生成物を評価した。さらにLC/MS分析を行うことで反応生成物の同定を行った。
<Identification of reaction products of SDR1>
FIG. 2 shows the reaction formula from DEH to KDG. The aldehyde group of DEH is reduced by DEH reductase using NADH or NADPH and a proton to form a hydroxymethyl group, thereby generating KDG. At this time, NADH is oxidized to NAD + and NADPH to NAPD + . Therefore, DEH has a molecular weight 2 higher than KDG. From the results of <Formosa haliotis-derived SDR1 expression/purification system construction>, SDR1 was found to be an NADH-dependent reductase. In order to investigate whether SDR1 works as a DEH reductase, a test was performed to confirm that the reaction product was KDG. That is, a reaction solution containing SDR1, DEH and NADH was prepared, and the reaction product was evaluated by thin layer chromatography (TLC) analysis. Furthermore, the reaction product was identified by LC/MS analysis.

1.実験方法
(1)薄層クロマトグラフィー分析による反応生成物の評価
反応初濃度が0.35μM SDR1、10mM DEH、10mM NADHとなるように、反応溶液を500μL調製した。溶液を25℃で41時間回転させながら反応させた。その後-80℃で冷凍することで反応を停止させた。一晩冷凍後、解凍したものをTLCに供した。展開溶媒は1-ブタノール:酢酸:水=2:1:1(v/v)の組成とした。TLC分析において、KDGのスポットはDEHのスポットよりも低い位置に検出されたとの報告がある(非特許文献3,4)。本研究では、糖により異なる色が検出されるジフェニルアミン・アニリン試薬(DPA試薬)を用いることで、DEHと反応生成物の区別を試みた。DPA試薬は、以下のように調製したものを使用した。ジフェニルアミン1.0gをアセトンに溶かし、アセトンで25mLにメスアップし、これをA液とした。アニリン1.0mLをアセトンに溶かし、アセトンで25mLにメスアップし、これをB液とした。85%リン酸をC液とした。A液:B液:C液=5:5:1(v/v)で混合したものをDPA試薬とした。
マーカーとして基質である17.5mg/mL DEH水溶液を1μL、反応溶液と同濃度のNADH水溶液を10μL及び反応溶液を10μL、それぞれTLC板にスポットした。展開溶媒が入った展開層にTLC板を浸し、1回展開を行った。展開終了後、TLC板を乾燥させ、DPA試薬を噴霧した。TLC板を再度乾燥した後、ホットプレートで加熱し、反応生成物の検出を行った。
1. experimental method
(1) Evaluation of Reaction Products by Thin Layer Chromatography Analysis A reaction solution of 500 μL was prepared so that the initial reaction concentrations were 0.35 μM SDR1, 10 mM DEH and 10 mM NADH. The solution was reacted with rotation at 25° C. for 41 hours. The reaction was then terminated by freezing at -80°C. After freezing overnight, the thawed product was subjected to TLC. The developing solvent had a composition of 1-butanol:acetic acid:water=2:1:1 (v/v). It has been reported that in TLC analysis, KDG spots were detected at lower positions than DEH spots (Non-Patent Documents 3 and 4). In this study, we attempted to distinguish between DEH and reaction products by using a diphenylamine-aniline reagent (DPA reagent), which detects different colors depending on the sugar. The DPA reagent used was prepared as follows. 1.0 g of diphenylamine was dissolved in acetone, and the volume was made up to 25 mL with acetone. 1.0 mL of aniline was dissolved in acetone, and the solution was made up to 25 mL with acetone, and this was used as B solution. 85% phosphoric acid was used as solution C. A solution A: solution B: solution C was mixed at a ratio of 5:5:1 (v/v) to obtain a DPA reagent.
As markers, 1 μL of a 17.5 mg/mL DEH aqueous solution as a substrate, 10 μL of an NADH aqueous solution having the same concentration as the reaction solution, and 10 μL of the reaction solution were spotted on a TLC plate. A TLC plate was immersed in a developing layer containing a developing solvent, and developed once. After completion of development, the TLC plate was dried and sprayed with the DPA reagent. After drying the TLC plate again, it was heated on a hot plate and the reaction product was detected.

(2)LC/MS分析による反応生成物の同定
質量分析の際には、試料分子を構成する各元素の主同位体のみからの精密質量「モノアイソトピック質量」が用いられる。KDGモノアイソトピック質量は178.0である。LC/MSの負イオン分析では、脱プロトン化イオンが検出される。KDGの脱プロトン化イオンの質量は177.0であり、この場合m/zはイオンの質量と同じになる。よって反応生成物がKDGであるならば、DEHのm/z 175でなく、m/z 177にイオンが検出されるはずである。したがってLC/MS分析において、選択的イオンモニタリング(SIM)でm/z 177に設定した。上記(1)の反応溶液を計5つ用意した。LC/MSに供するには酵素を除去する必要があるため、Amicon Ultra-4 3000MWCOを用いて5つをまとめて限外濾過した。フィルターを通過し、酵素が除去された溶液をLC/MSを用いて負イオン分析を行った。カラムはShodex IC NI-424を、移動相は0.1%ギ酸含有40mMギ酸アンモニウム緩衝液を使用し、エレクトロスプレーイオン化法(ESI)と大気圧化学イオン化法(APCI)のマルチモードで測定した。選択的イオンモニタリング(SIM)では、理想反応生成物であるKDGの脱プロトン化イオン[M-H]-の質量に相当するm/z 177を選択した。
(2) Identification of Reaction Products by LC/MS Analysis In mass spectrometry, the accurate mass “monoisotopic mass” from only the main isotope of each element composing the sample molecule is used. The KDG monoisotopic mass is 178.0. LC/MS negative ion analysis detects deprotonated ions. The mass of the deprotonated ion of KDG is 177.0, in which case the m/z is the same as the mass of the ion. Therefore, if the reaction product is KDG, an ion should be detected at m/z 177, not at m/z 175 for DEH. Therefore, selective ion monitoring (SIM) was set to m/z 177 for LC/MS analysis. A total of five reaction solutions of the above (1) were prepared. Five were collectively ultrafiltered using an Amicon Ultra-4 3000 MWCO as the enzyme had to be removed for LC/MS. Negative ion analysis was performed using LC/MS on the solution from which the enzyme was removed after passing through the filter. A Shodex IC NI-424 column was used, and a mobile phase of 40 mM ammonium formate buffer containing 0.1% formic acid was used. For selective ion monitoring (SIM), we chose m/z 177, which corresponds to the mass of the ideal reaction product, the deprotonated ion [MH]- of KDG.

2.実験結果
(1)薄層クロマトグラフィー分析による反応生成物の評価
SDR1反応溶液を薄層クロマトグラフィー(TLC)に供した結果を図13に示した。Lane MではDEH(符号D)の赤褐色に近い色のスポットがテーリング状に見られた。Lane 1では、NADH(符号N)が藍色のテーリングとなっていた。Lane 2の反応溶液では、DEHと思われる上側のスポットが薄くなり、その下にLane 1では見られなかったピンク色のスポット(符号K)が現れ、その下部にLane 2と同様の藍色のテーリングが見られた。この結果から、SDR1の作用により、DEHとは異なる物質が生成したものと考えられた。
(2)LC/MS分析による反応生成物の同定
反応生成物のLC/MSのトータルイオンクロマトグラムを図14に、理想反応生成物であるKDGの脱プロトン化イオン[M-H]-の質量に相当するm/z 177を選択したSIMクロマトグラムを図15に、それぞれ示した。トータルイオンクロマトグラム上で保持時間3.178分に顕著なピークが1つ検出された。また、SIMクロマトグラム上でもほぼ同じ保持時間3.166分において顕著なピークが1つ検出された。図16に示すように、当該ピークのマススペクトルにおいて、m/z 177.0にKDGの[M-H]-に相当するピーク(相対強度100%)が観察され、DEHのピーク(m/z 175)は消失した。つまりSDR1は基質であるDEHを還元することでKDGを生成することがわかった。これらの結果から、sdr1はDEH還元酵素として働くことがわかった。また、マススペクトルのピークからDEHの反応収率を求めたところ、90%以上のものがKDGに還元されていることがわかった。
2. Experimental result
(1) Evaluation of reaction products by thin-layer chromatography analysis
FIG. 13 shows the results of subjecting the SDR1 reaction solution to thin layer chromatography (TLC). In Lane M, DEH (symbol D) spots with a color close to reddish brown were seen in a tailing pattern. In Lane 1, NADH (code N) had an indigo tail. In the reaction solution of Lane 2, the upper spot that seems to be DEH became faint, and below that, a pink spot (marked K) that was not seen in Lane 1 appeared. Tailing was seen. From this result, it was considered that a substance different from DEH was produced by the action of SDR1.
(2) Identification of reaction products by LC/MS analysis Figure 14 shows the LC/MS total ion chromatogram of the reaction products, which corresponds to the mass of the deprotonated ion [MH]- of KDG, which is the ideal reaction product. SIM chromatograms with m/z 177 selected are shown in FIG. 15, respectively. One prominent peak was detected at a retention time of 3.178 minutes on the total ion chromatogram. In addition, one prominent peak was detected at almost the same retention time of 3.166 minutes on the SIM chromatogram. As shown in FIG. 16, in the mass spectrum of the peak, a peak corresponding to [MH]-of KDG (relative intensity 100%) was observed at m / z 177.0, and the DEH peak (m / z 175) disappeared. bottom. In other words, SDR1 was found to produce KDG by reducing its substrate DEH. These results indicate that sdr1 acts as a DEH reductase. Moreover, when the reaction yield of DEH was determined from the peak of the mass spectrum, it was found that 90% or more of DEH was reduced to KDG.

3.考察
DEHはウロン酸であり、KDGはグルコン酸である。DPA試薬により、ウロン酸は明るい赤褐色のスポットとして現れる。グルコン酸である2-keto-D-gluconateは赤褐色に、5-keto-D-gluconateは濃い紫色のスポットとして現れると報告されている。図13に示すように、TLCにおける反応生成物のスポットはピンク色に近かったが、LC/MSの結果からも、グルコン酸であるKDGのスポットであると考えられた。
Lane 2の反応溶液において、DEHのスポットが薄くなったが、完全には消失しなかったため、SDR1はDEHを完全には還元できていなかったことが分かった。今回の反応溶液では、LC/MSに供するにあたり、緩衝液を加えなかったため活性が低くなり、反応しきれなかった可能性がある。また、SDR1の酵素化学的諸性質が明らかとなっていないため、温度などの反応条件は既報のDEH還元酵素の論文を参考にして設定したので、反応条件が至適領域から外れていた可能性がある。SDR1を用いた研究を進めるにあたり、酵素化学的諸性質を調べることは重要であると考えた。
LC/MSの結果(図16)で、m/z 175において小さなピークが見られたが、これは基質であるDEHの残りではなく、KDGの同位体によるものであると考えられた。KDGに相当するイオンが検出されたことから、SDR1はDEH還元酵素として働くことがわかった。また、DEHの残りは殆ど検出されなかったことから、SRD1の反応収率は90%以上であると考えられた。こうして、F. haliotis MA1株から初めてDEH還元酵素の存在を示し、NADHの存在下でKDGを生産することが示された。次に、本酵素の酵素化学的諸性質を調べた。
3. consideration
DEH is uronic acid and KDG is gluconic acid. With the DPA reagent, uronic acid appears as bright reddish-brown spots. Gluconic acid, 2-keto-D-gluconate, is reported to appear as a reddish-brown spot and 5-keto-D-gluconate as a dark purple spot. As shown in FIG. 13, the spot of the reaction product in TLC was nearly pink, but it was considered to be a spot of KDG, which is gluconic acid, also from the results of LC/MS.
In the reaction solution of Lane 2, the DEH spot became lighter, but did not disappear completely, indicating that SDR1 could not completely reduce DEH. In the reaction solution used this time, there is a possibility that the activity was low and the reaction could not be completed because the buffer solution was not added in the LC/MS. In addition, since the enzymatic chemical properties of SDR1 have not been clarified, the reaction conditions such as temperature were set with reference to the previous paper on DEH reductase, so it is possible that the reaction conditions were outside the optimal range. There is We thought that it was important to investigate the enzymatic properties of SDR1 in our research.
The LC/MS results (Fig. 16) showed a small peak at m/z 175, which was thought to be due to the KDG isotope rather than the rest of the DEH substrate. Since the ion corresponding to KDG was detected, it was found that SDR1 works as a DEH reductase. In addition, almost no residue of DEH was detected, suggesting that the reaction yield of SRD1 was 90% or more. Thus, the F. haliotis strain MA1 was the first to demonstrate the presence of DEH reductase and to produce KDG in the presence of NADH. Next, various enzymatic properties of this enzyme were investigated.

<SDR1のpHと温度の影響>
F. haliotisのSDR1が、DEH還元酵素であることを示した。しかし、その酵素化学的諸性質は明らかとなっていない。現在報告されている全てのDEH還元酵素の至適pHと至適温度を[酵素名, 至適pH, 至適温度]で示すと、[PDEHR, pH7.0~7.5、-]、[A1-R, pH6.5-7.5, 50℃]、[A1-R’, pH6.5, 51℃]、[FlRed, pH7.2, 25℃]、[HdRed, pH7.0, 50℃]である。このうち、FlRedとA1-R’は、SDR1と同じNADH依存性SDR酵素である。各酵素間には、至適温度にかなりの差違があり、至適pHも異なっていた。そこで、SDR1の至適pHと至適温度を明らかにするための試験を行った。
1.実験方法
(1)pHの影響
緩衝液はイオン強度が0.5MになるようにNaClを加えた250mM MES緩衝液(pH 5.5, 6.0, 6.5, 7.0)、250mM HEPES緩衝液(pH 7.0, 7.5, 8.0)、250mM Tricine緩衝液(pH 8.0, 8.5, 9.0)及び250mM Glycine-NaOH緩衝液(pH 9.0, 9.5, 10.0)を作製した。基質として使用したDEHは、本発明者が属する研究室内で作製したものを用いた。
1.0mM DEH、0.20mM NADH、50mM 各緩衝液(イオン強度0.1M)となるように調整した混合溶液を石英セルに入れ、分光光度計 (Simadzu UV-1800) の恒温セルホルダーに設置し、15℃に達するまで4分30秒プレインキュベートした。そこに15℃にて3分間プレインキュベートしたSDR1を5.2μMとなるように加えた後、ピペッティングを行い、すばやく分光光度計の蓋を閉め、340nmの吸光度の減少をモニタリングした。横軸に時間、縦軸に340nmの吸光度でプロットし、その傾きを反応速度とした。この操作をpHを変えて行い、各pHにおける反応速度を求めた。その後、横軸にpH、縦軸に反応速度の相対活性(%)をプロットし、SDR1のpHの影響を調べた。
<Effect of pH and temperature on SDR1>
We have shown that F. haliotis SDR1 is a DEH reductase. However, its enzymatic properties have not been elucidated. The optimal pH and optimal temperature for all DEH reductases currently reported are shown as [enzyme name, optimal pH, optimal temperature]: [PDEHR, pH7.0-7.5, -], [A1- R, pH6.5-7.5, 50°C], [A1-R′, pH6.5, 51°C], [FlRed, pH7.2, 25°C], [HdRed, pH7.0, 50°C]. Among these, FlRed and A1-R' are NADH-dependent SDR enzymes like SDR1. There were considerable differences in temperature optima and pH optima among the enzymes. Therefore, we conducted experiments to clarify the optimum pH and temperature of SDR1.
1. experimental method
(1) Effect of pH The buffer solutions were 250mM MES buffer (pH 5.5, 6.0, 6.5, 7.0) to which NaCl was added so that the ionic strength was 0.5M, 250mM HEPES buffer (pH 7.0, 7.5, 8.0), 250 mM Tricine buffers (pH 8.0, 8.5, 9.0) and 250 mM Glycine-NaOH buffers (pH 9.0, 9.5, 10.0) were prepared. DEH used as a substrate was prepared in the laboratory to which the present inventor belongs.
A mixed solution adjusted to 1.0 mM DEH, 0.20 mM NADH, and 50 mM each buffer solution (ionic strength 0.1 M) was placed in a quartz cell, placed in a constant temperature cell holder of a spectrophotometer (Simadzu UV-1800), and 15 Preincubated for 4 min 30 sec until reaching °C. After adding SDR1 preincubated at 15° C. for 3 minutes to 5.2 μM, pipetting was performed, the lid of the spectrophotometer was quickly closed, and the decrease in absorbance at 340 nm was monitored. Time was plotted on the horizontal axis and the absorbance at 340 nm was plotted on the vertical axis, and the slope was defined as the reaction rate. This operation was performed while changing the pH, and the reaction rate at each pH was determined. Then, pH was plotted on the horizontal axis and the relative activity (%) of the reaction rate was plotted on the vertical axis to investigate the effect of pH on SDR1.

(2)温度の影響
1.0mM DEH、0.20mM NADH、50mM Tricine緩衝液(pH 8.0、イオン強度0.1M)となるように調整した混合溶液を石英セルに入れ、分光光度計(Simadzu UV-1800)の恒温セルホルダーに設置した。セルホルダーの温度を10℃、15℃、20℃、25℃、30℃、35℃、40℃及び45℃となるように調整し、それぞれの温度に達するまで混合溶液をプレインキュベートした。そこに各温度になるまでプレインキュベートしたSDR1を5.2μMとなるように加えた後、ピペッティングを行い、すばやく分光光度計の蓋を閉め、340nmの吸光度の減少をモニタリングした。横軸に時間、縦軸に340nmの吸光度でプロットし、その傾きを反応速度とした。横軸に温度、縦軸に反応速度の相対活性(%)をプロットし、SDRの温度の影響を調べた。
(2) Effects of temperature
Put the mixed solution adjusted to 1.0mM DEH, 0.20mM NADH, and 50mM Tricine buffer (pH 8.0, ionic strength 0.1M) into a quartz cell and place it in the constant temperature cell holder of the spectrophotometer (Simadzu UV-1800). bottom. The temperature of the cell holder was adjusted to 10°C, 15°C, 20°C, 25°C, 30°C, 35°C, 40°C and 45°C, and the mixed solution was preincubated until each temperature was reached. After adding 5.2 μM of SDR1 preincubated to each temperature, pipetting was performed, the lid of the spectrophotometer was quickly closed, and the decrease in absorbance at 340 nm was monitored. Time was plotted on the horizontal axis and the absorbance at 340 nm was plotted on the vertical axis, and the slope was defined as the reaction rate. Plotting the temperature on the horizontal axis and the relative activity (%) of the reaction rate on the vertical axis, the effect of temperature on SDR was investigated.

2.実験結果
(1)pHの影響
上記1(1)に記載した方法にて作成したグラフを図17に示した。この結果から、DehRの至適pHはpH5.5~10.5(好ましくはpH6.0~10.0、更に好ましくはpH7.0~9.0、最も好ましくはpH8.0)であることがわかった。
(2)温度の影響
上位1(2)に記載した方法にて作成したグラフを図18に示した。この結果から、DehRの至適温度は10℃~44℃(好ましくは10℃~35℃、更に好ましくは15℃~30℃、最も好ましくは20℃~25℃)であり、45℃でほぼ失活することがわかった。
(3)時間の影響
反応時間として、5分~72時間の間で様々に変更しつつ、反応させることができる。上記至適pH及び至適温度の範囲では、反応開始から5分程度でKDGが生産され始めることがわかった。十分な反応収率を得るためには、数十分(20分、30分、40分)~数時間(1時間、2時間、3時間、6時間)程度の反応を行うことが好ましい。このため、好ましい反応時間としては、5分間、10分間、20分間、30分間、40分間、1時間、2時間、3時間、6時間、12時間、18時間、24時間、48時間、72時間などから適当な時間を選択できる。
3.考察
SDR1は、公知のDEH還元酵素と比較して、至適pHはやや大きく、至適温度は最も低いことが分かった。至適温度が低い理由として、本酵素の由来であるF. haliotisが海に生息するアワビの消化管から単離された細菌であるため、特段熱に強い必要はなく、その中に存在する本酵素もあまり熱に強くない可能性が考えられた。F. haliotisが単離されたメガイアワビは、19℃が養殖適水温であるとの報告があり、SDR1の至適温度に極めて近かった。
しかし、エゾアワビの肝すい臓抽出物に存在したDEH還元酵素であるHdRedは、至適温度が50℃であったことから、微生物が生息する環境温度が酵素の至適温度を決めるか否かは不明である。
2. Experimental result
(1) Effect of pH A graph prepared by the method described in 1(1) above is shown in FIG. From this result, it was found that the optimum pH of DehR is pH 5.5-10.5 (preferably pH 6.0-10.0, more preferably pH 7.0-9.0, most preferably pH 8.0).
(2) Influence of Temperature A graph prepared by the method described in Top 1 (2) is shown in FIG. From these results, the optimum temperature for DehR is 10°C to 44°C (preferably 10°C to 35°C, more preferably 15°C to 30°C, most preferably 20°C to 25°C), and almost disappears at 45°C. found to live.
(3) Effect of time The reaction time can be varied between 5 minutes and 72 hours for the reaction. It was found that KDG production began about 5 minutes after the start of the reaction within the optimum pH and optimum temperature ranges described above. In order to obtain a sufficient reaction yield, it is preferable to carry out the reaction for several tens of minutes (20 minutes, 30 minutes, 40 minutes) to several hours (1 hour, 2 hours, 3 hours, 6 hours). Therefore, preferred reaction times are 5 minutes, 10 minutes, 20 minutes, 30 minutes, 40 minutes, 1 hour, 2 hours, 3 hours, 6 hours, 12 hours, 18 hours, 24 hours, 48 hours and 72 hours. You can choose a suitable time from
3. consideration
It was found that SDR1 has a slightly higher pH optimum and the lowest optimum temperature than the known DEH reductases. The reason for the low optimum temperature is that F. haliotis, the origin of this enzyme, is a bacterium isolated from the digestive tract of abalone that lives in the sea. It was thought that the enzyme may not be very heat resistant. It has been reported that 19°C is the optimum water temperature for aquaculture of giant abalone, from which F. haliotis was isolated, which is very close to the optimum temperature for SDR1.
However, HdRed, a DEH reductase present in Ezo abalone liver and pancreas extracts, had an optimum temperature of 50°C. is.

<SDR1の基質特異性>
SDR酵素の基質特異性はかなりの多様性を示すことから、SDR1がDEHと基質特異的に反応するか否かを調べた。DEHは炭素数6のウロン酸である。ウロン酸は糖の誘導体のうち、主鎖の末端のヒドロキシメチル基がカルボキシ基に変わったカルボン酸である。したがって、炭素数が近い6糖および5糖、また糖の誘導体を基質として選択した。DEHはアルデヒド基、カルボキシ基、ケトン基など、様々な官能基を持つことから、アルデヒド、ケトン、カルボン酸などの化合物を選択し、基質特異性の解明を試みた。
1.実験方法
基質としてDEHに加え、α-keto acidとしてα-ketoglutaric acid、pyruvic acidを、AldoseとしてD-glucose, D-mannose, D-galactose, D-ribose, L-arabinose, D-xyloseを、KetoseとしてD-fructoseを、Sugar alcoholとしてD-mannitol, D-sorbitolを、Deoxy sugarとして2-deoxy-D-ribose, D-fucoseを、Uronic acidとしてD-glucuronic acidを、Carboxylic acidとしてmaleic acid, citric acidを、AldehydeとしてDL-glyceraldehyde, benzaldehydeを、Ketoneとして4-methy-w-pentanone, 2,5-hexanedioneを、Esterとしてethyl pyruvate, ethyl benzoylacetate, methyl pyruvateを、それぞれ用いて、SDR1の基質特異性を調べた。
1.0mM 各基質、0.20mM NADH、50mM Tricine緩衝液(pH 8.0、イオン強度0.1M)となるように調整した混合溶液を石英セルに入れ、分光光度計の恒温セルホルダーに設置し、15℃に達するまで4分30秒プレインキュベートした。別に15℃になるよう3分プレインキュベートしたSDR1を5.2μMとなるよう加えた後、ピペッティングを行い、すばやく分光光度計の蓋を閉め、340nmの吸光度の減少をモニタリングした。横軸に時間、縦軸に340nmの吸光度でプロットし、その傾きを反応速度とした。DEHの場合の反応速度を100%として、各基質に対して相対活性を求めた。
<Substrate specificity of SDR1>
Since the substrate specificity of SDR enzymes shows considerable diversity, we investigated whether SDR1 reacts with DEH in a substrate-specific manner. DEH is a 6-carbon uronic acid. Among sugar derivatives, uronic acid is a carboxylic acid in which the hydroxymethyl group at the end of the main chain is changed to a carboxy group. Therefore, hexasaccharides and pentasaccharides with similar carbon numbers, and sugar derivatives were selected as substrates. Since DEH has various functional groups such as aldehyde group, carboxyl group and ketone group, we selected compounds such as aldehyde, ketone and carboxylic acid and attempted to elucidate the substrate specificity.
1. Experimental method In addition to DEH as a substrate, α-ketoglutaric acid and pyruvic acid as α-keto acids, D-glucose, D-mannose, D-galactose, D-ribose, L-arabinose and D-xylose as aldoses, and Ketose D-fructose as sugar alcohol, D-mannitol, D-sorbitol as sugar alcohol, 2-deoxy-D-ribose, D-fucose as deoxy sugar, D-glucuronic acid as uronic acid, maleic acid, citric acid as carboxylic acid Using DL-glyceraldehyde and benzaldehyde as acid, 4-methy-w-pentanone and 2,5-hexanedione as ketone, and ethyl pyruvate, ethyl benzoylacetate and methyl pyruvate as esters, we investigated the substrate specificity of SDR1. examined.
A mixed solution adjusted to 1.0 mM each substrate, 0.20 mM NADH, and 50 mM Tricine buffer (pH 8.0, ionic strength 0.1 M) was placed in a quartz cell, placed in the constant temperature cell holder of the spectrophotometer, and heated to 15°C. Pre-incubated for 4 min 30 sec until reached. Separately, SDR1 preincubated for 3 minutes at 15° C. was added to 5.2 μM, followed by pipetting, quickly closing the lid of the spectrophotometer, and monitoring the decrease in absorbance at 340 nm. Time was plotted on the horizontal axis and the absorbance at 340 nm was plotted on the vertical axis, and the slope was defined as the reaction rate. The relative activity was determined for each substrate, with the reaction rate for DEH set to 100%.

2.実験結果
DEHの活性を100%とした場合、それぞれの基質の相対活性は、全てND(not determined)であった。このように、調べた基質についてDEH以外のものに対しては、SRD1の酵素活性は観測されなかった。
3.考察
SDR1について、DEHと類似する構造を持つ化合物、共通する官能基を持つ化合物を選択し、活性測定を行った結果、DEH以外には酵素活性が観測されなかった。従って、SDR1は基質としてDEHと特異的に反応することがわかった。
本研究ではsdr1遺伝子がDEH還元酵素として働くかを調べるため、SDR1の組換え体を作製し、反応生成物の同定を行い、酵素化学的な諸性質を調べた。発現プラスミドとして、sdr1遺伝子をpET-22b(+)プラスミドベクターに挿入することで大量発現系を構築できた。これを大腸菌BL21(DE3)に形質転換し、大量培養したものを超音波破砕および可溶化し、ニッケルアフィニティークロマトグラフィーによって単一になるまで精製できた。組換え体SDR1は培地1 Lあたり295mgと、既報のDehRと比較して大量に生産できた。SDR1をNADH存在下でDEHと反応させた結果、酵素活性が観察されたため、SDR1はNADH依存型還元酵素であることが分かった。
TLCとLC/MSによるSDR1反応生成物の分析を行った結果、反応生成物はKDGであると同定され、SDR1はDehRであることが分かった。MSの結果、DEHのピークは消失したので、ほぼ全てのDEHがKDGに変換されたと考えられた(反応収率として90%以上)。pHの影響について調べた結果、至適pHは8であり、既報のDehRと比較してやや大きかった。温度の影響について調べた結果、至適温度は20℃であり、既報のDEH還元酵素の中では最も低かった。SDR1の基質特異性について調べた結果、DEHのみ特異的に反応することが分かった。
SDR2もSDR1と同様の結果となることが予想される。
2. Experimental result
When the activity of DEH was defined as 100%, the relative activity of each substrate was ND (not determined). Thus, no enzymatic activity of SRD1 was observed for substrates other than DEH examined.
3. consideration
For SDR1, we selected compounds with structures similar to those of DEH and compounds with functional groups in common. Therefore, SDR1 was found to react specifically with DEH as a substrate.
In this study, in order to investigate whether the sdr1 gene acts as a DEH reductase, we constructed a recombinant SDR1, identified the reaction products, and investigated their enzymatic properties. A large-scale expression system was constructed by inserting the sdr1 gene into the pET-22b(+) plasmid vector as an expression plasmid. This was transformed into E. coli BL21(DE3), and the mass culture was sonicated, solubilized, and purified to homogeneity by nickel affinity chromatography. Recombinant SDR1 was able to be produced in a large amount of 295 mg per 1 L of medium, compared with previously reported DehR. When SDR1 was reacted with DEH in the presence of NADH, enzymatic activity was observed, suggesting that SDR1 is an NADH-dependent reductase.
Analysis of the SDR1 reaction product by TLC and LC/MS identified the reaction product as KDG and revealed that SDR1 was DehR. As a result of MS, the peak of DEH disappeared, so it was considered that almost all DEH was converted to KDG (reaction yield of 90% or more). As a result of examining the effect of pH, the optimum pH was 8, which was slightly larger than the previously reported DehR. As a result of investigating the effect of temperature, the optimum temperature was 20°C, which was the lowest among the reported DEH reductases. As a result of examining the substrate specificity of SDR1, it was found that only DEH reacts specifically.
SDR2 is expected to have similar results as SDR1.

<アルギン酸からKDGを製造する方法>
次に、アルギン酸に三種類の酵素を混合することで、容易にKDGを製造する方法について検討する。
1.試験方法
(1)酵素を順次に添加する方法
12.5mg/mLのアルギン酸ナトリウム水溶液の基質溶液7mL(20mM Tris-HCl buffer pH 7.5)に対し、配列番号5に示されるアミノ酸配列を備えたポリペプチド(エキソ型アルギン酸リアーゼ)2.0mg/mL(20mM Tris-HCl buffer pH 7.5)の水溶液を1mL、配列番号6に示されるアミノ酸配列を備えたポリペプチド(エンド型アルギン酸リアーゼ)2.0mg/mL(20mM Tris-HCl buffer pH 7.5)の水溶液を1mL添加する。この反応溶液を37℃で6時間~24時間インキュベートする。次いで、4.0mg/mLのSDR1(100mM NaClを含む10mM リン酸ナトリウム緩衝液pH7.4)の水溶液を0.5mLと精製水に溶かした2.0mg/mL NADHの水溶液を0.5mLとを添加し、20℃にて2時間~24時間インキュベートする。反応後の溶液を<SDR1の反応生成物の同定>1(1)に記載の方法に従って、TLCにより解析する。
その結果、アルギン酸からKDGが生産されていることがわかる。
なお、上記方法において、アルギン酸に配列番号5、6に示されるアミノ酸配列を備えたポリペプチドを添加し、45℃以下で6時間以上反応させた後、温度を変えることなくSDR1を追加してもよい。温度を一定のままで処理できるので、より簡易な反応方法とできる。
(2)酵素を同時に添加する方法
12.5mg/mLのアルギン酸ナトリウム水溶液の基質溶液7mL(20mM Tris-HCl buffer pH 7.5)に対し、配列番号5に示されるアミノ酸配列を備えたポリペプチド(エキソ型アルギン酸リアーゼ)2.0mg/mL(20mM Tris-HCl buffer pH 7.5)の水溶液を1mL、配列番号6に示されるアミノ酸配列を備えたポリペプチド(エンド型アルギン酸リアーゼ)2.0mg/mL(20mM Tris-HCl buffer pH 7.5)の水溶液を1mL、4.0mg/mL のSDR1 (100mM NaClを含む10mM リン酸ナトリウム緩衝液pH7.4)の水溶液を0.5mLの三種類の酵素と、精製水に溶かした2.0mg/mL NADHの水溶液を0.5mLを添加し、20℃~30℃にて6時間~72時間インキュベートする。その後、反応溶液を<SDR1の反応生成物の同定>1(1)に記載の方法に従って、TLCにより解析する。
その結果、アルギン酸からKDGが生産されていることがわかる。
SDR2もSDR1と同様の結果となることが予想される。
<Method for producing KDG from alginic acid>
Next, a method for easily producing KDG by mixing three types of enzymes with alginic acid is examined.
1. Test method
(1) Method of sequentially adding enzymes
2.0 mg/mL (20 mM Tris 1 mL of an aqueous solution of -HCl buffer pH 7.5) and 1 mL of an aqueous solution of 2.0 mg/mL (20 mM Tris-HCl buffer pH 7.5) of a polypeptide (endo-alginate lyase) having the amino acid sequence shown in SEQ ID NO: 6 are added. This reaction solution is incubated at 37° C. for 6 to 24 hours. Next, 0.5 mL of an aqueous solution of 4.0 mg/mL SDR1 (10 mM sodium phosphate buffer containing 100 mM NaCl, pH 7.4) and 0.5 mL of an aqueous solution of 2.0 mg/mL NADH dissolved in purified water were added. Incubate at °C for 2-24 hours. The solution after the reaction is analyzed by TLC according to the method described in <Identification of reaction products of SDR1> 1(1).
As a result, it was found that KDG was produced from alginic acid.
In the above method, the polypeptides having the amino acid sequences shown in SEQ ID NOs: 5 and 6 are added to alginic acid, reacted at 45°C or lower for 6 hours or longer, and then SDR1 is added without changing the temperature. good. Since the temperature can be kept constant, the reaction method can be simplified.
(2) Method of adding enzymes at the same time
2.0 mg/mL (20 mM Tris -HCl buffer pH 7.5) 1 mL of aqueous solution, 1 mL of aqueous solution of 2.0 mg / mL (20 mM Tris-HCl buffer pH 7.5) of polypeptide (endo-type alginate lyase) having the amino acid sequence shown in SEQ ID NO: 6, 4.0 mg 0.5 mL of an aqueous solution of SDR1 (10 mM sodium phosphate buffer containing 100 mM NaCl, pH 7.4) at 1/mL of the three enzymes and 0.5 mL of an aqueous solution of 2.0 mg/mL NADH dissolved in purified water were added. Incubate at 20-30°C for 6-72 hours. After that, the reaction solution is analyzed by TLC according to the method described in <Identification of reaction products of SDR1> 1(1).
As a result, it was found that KDG was produced from alginic acid.
SDR2 is expected to have similar results as SDR1.

本研究によって、F. haliotis MA1株から新規のDEH還元酵素を得ることができた。これはF. haliotis MA1株において初めて同定されたタンパク質である。DEH還元酵素に関する情報は非常に限られており、本研究によりDEH還元酵素の新たな知見を得ることができた。本研究室で開発されたDEHの生産方法を応用することにより、アルギン酸から容易かつ高効率にKDGを生産できることがわかった。
このように、本実施形態によれば、DEHからKDGを効率よく製造する方法を提供できた。また、アルギン酸に三種類の酵素を接触させることでKDGを製造することができた。このため、褐藻類から容易にバイオリファイナリー(エネルギー生産や有用物質の生産)を構築でき得る。
In this study, we obtained a novel DEH reductase from F. haliotis MA1 strain. This is the first protein identified in F. haliotis strain MA1. Information on DEH reductase is very limited, and this study provided new knowledge about DEH reductase. It was found that KDG can be produced easily and efficiently from alginic acid by applying the DEH production method developed in this laboratory.
Thus, according to this embodiment, a method for efficiently producing KDG from DEH could be provided. In addition, KDG could be produced by contacting alginic acid with three kinds of enzymes. Therefore, a biorefinery (energy production and production of useful substances) can be easily constructed from brown algae.

Claims (4)

4-deoxy-L-erythro-5-hexoseuloseuronic acid(DEH)に対し、配列番号2に記載のアミノ酸配列を備え、DEH還元活性を備えたポリペプチドを接触させることで2-keto-3-deoxy-D-gluconate(KDG)を製造するKDGの製造方法。 4-deoxy-L-erythro-5-hexoseuloseuronic acid (DEH) is contacted with a polypeptide having the amino acid sequence set forth in SEQ ID NO: 2 and having DEH reducing activity to convert 2-keto-3-deoxy- A KDG manufacturing method for producing D-gluconate (KDG). 配列番号1に記載の塩基配列を有するDNA、配列番号2に記載のアミノ酸配列をコードする塩基配列を有するDNAを発現可能な形で組み込んだ4-deoxy-L-erythro-5-hexoseuloseuronic acid(DEH)還元酵素発現用プラスミド。 4-deoxy-L-erythro-5-hexoseuloseuronic acid (DEH ) plasmid for expression of reductase. 請求項2に記載のDEH還元酵素発現用プラスミドが大腸菌用のものであり、当該プラスミドを大腸菌に組み込んだ後に、DEH還元酵素を発現させる酵素誘導工程、誘導されたDEH還元酵素を精製する酵素精製工程、を備えたDEH還元酵素の製造方法。 The plasmid for DEH reductase expression according to claim 2 is for E. coli, and after incorporating the plasmid into E. coli, an enzyme induction step of expressing DEH reductase, an enzyme purification of purifying the induced DEH reductase A method for producing DEH reductase, comprising the steps of: (a)アルギン酸に対し、(1)配列番号5に示されるアミノ酸配列を備え、エキソ型アルギン酸リアーゼ活性を有するポリペプチドと、(2)配列番号6に示されるアミノ酸配列を備え、エンド型アルギン酸リアーゼ活性を有するポリペプチドと、(3)配列番号2に記載のアミノ酸配列を備え、4-deoxy-L-erythro-5-hexoseulose uronic acid(DEH)還元活性を有するポリペプチドとを接触させる酵素添加工程と、(b)前記アルギン酸と三種類のポリペプチドの混合物を前記エキソ型アルギン酸リアーゼ活性とエンド型アルギン酸リアーゼ活性とDEH還元活性が働く温度で保持する酵素作用工程と、を備える2-keto-3-deoxy-D-gluconate(KDG)の製造方法。 (a) for alginic acid, (1) a polypeptide having the amino acid sequence shown in SEQ ID NO: 5 and having exo-type alginate lyase activity, and (2) an endo-type alginate lyase having the amino acid sequence shown in SEQ ID NO: 6 Enzyme addition step of contacting a polypeptide having activity with (3) a polypeptide having an amino acid sequence set forth in SEQ ID NO: 2 and having 4-deoxy-L-erythro-5-hexoseulose uronic acid (DEH) reducing activity and (b) an enzymatic action step of maintaining a mixture of the alginic acid and the three polypeptides at a temperature at which the exo-type alginate lyase activity, the endo-type alginate lyase activity, and the DEH reduction activity work. -Method for producing deoxy-D-gluconate (KDG).
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