JP7369705B2 - 固定化微生物の製造方法及びそれを用いたアミノ酸の製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は上記の様な事情に着目してなされたものであって、その目的は、ろ過性のよい固定化微生物を製造すること、及びそれを用いたアミノ酸の製造方法を提供することにある。
[1] 微生物とカルボキシメチルセルロースナトリウムとを接触させた後、
さらにポリエチレンイミン及びアルカンジアールを接触させることを特徴とする、固定化微生物の製造方法。
[2] 前記微生物とカルボキシメチルセルロースナトリウムとを接触させた後、
先にポリエチレンイミンを接触させ、次いでアルカンジアールを接触させる[1]に記載の製造方法。
[3] 水を含む分散媒の存在下、前記各接触を行う[1]又は[2]に記載の製造方法。
[4] 前記カルボキシメチルセルロースナトリウムの粘度が、下記方法で測定した時に、50mPa・s以下を示す[1]~[3]のいずれかに記載の製造方法。
粘度測定法:共栓付300mL三角フラスコに4.4gのカルボキシメチルセルロースナトリウムを精密にはかりとり、次の式によって求まる量(W)の水を加え、2%水溶液を調製する。
所要水量W(g)=カルボキシメチルセルロースナトリウム(g)×(98-水分(%))/2
(式中、水分(%)は、カルボキシメチルセルロースナトリウムの含水率を示し、105±2℃の定温乾燥器中で4時間乾燥した時の乾燥減量(%)と同じ値を指す。)
調製したカルボキシメチルセルロースナトリウムの2%水溶液を一夜間放置後、マグネチックスターラーで5分間かきまぜ、完全な溶液としたのち、口径45mm高さ145mmフタつき容器に移し、30分間25±0.2℃の恒温槽に入れ、溶液が25℃になればガラス棒でゆるくかきまぜて、BM型粘度計のローターおよびガードをとり付け、ローターを回転させ開始3分後の目盛りを読み取る(回転数は30rpm、あるいは60rpm)。ローターNo.と回転数によって定まる下記係数を目盛り読み取り値に乗じて粘度値(mPa・s)とする。
ローターNo.1、60rpm時の係数:1
ローターNo.2、60rpm時の係数:5
ローターNo.3、60rpm時の係数:20
ローターNo.4、60rpm時の係数:100
ローターNo.1、30rpm時の係数:2
ローターNo.2、30rpm時の係数:10
ローターNo.3、30rpm時の係数:40
ローターNo.4、30rpm時の係数:200
[5] 前記微生物が組換え大腸菌である[1]~[4]のいずれかに記載の製造方法。
[6] 前記組換え大腸菌が、アミノ酸脱水素酵素活性を有する形質転換体である[5]に記載の製造方法。
[7] 前記組換え大腸菌が、ロイシン脱水素酵素活性及びギ酸脱水素酵素活性を有する形質転換体である[5]に記載の製造方法。
[8] [1]~[7]のいずれかに記載の方法によって固定化微生物を製造し、
この固定化微生物をケト酸と接触させる、アミノ酸の製造方法。
[9] 前記固定化微生物をカラムに充填し、前記ケト酸を含む溶液をこのカラムの入口に給液し、カラムの出口から前記アミノ酸を含む溶液を排出する[8]に記載のアミノ酸の製造方法。
[10] 前記ケト酸が3,3-ジメチル-2-オキソブタン酸であり、前記アミノ酸がtert-ロイシンである[8]又は[9]に記載のアミノ酸の製造方法。
なお本明細書において「固定化」とは、微生物とポリエチレンイミンとが複合体を形成し、溶離液(特に水)で洗浄しても複合体から微生物が離れない状態になることを意味する。
固定化に供する微生物としては、大腸菌などの原核生物、酵母菌などの真核生物などが使用でき、大腸菌が好ましく、遺伝子組換え大腸菌がより好ましい。遺伝子組換え大腸菌は、所望の活性を有する固定化微生物を効率よく製造するのに適している。
粘度測定法:共栓付300mL三角フラスコに4.4gのカルボキシメチルセルロースナトリウムを精密にはかりとり、次の式によって求まる量(W)の水を加え、2%水溶液を調製する。
所要水量W(g)=カルボキシメチルセルロースナトリウム(g)×(98-水分(%))/2
(式中、水分(%)は、カルボキシメチルセルロースナトリウムの含水率を示し、105±2℃の定温乾燥器中で4時間乾燥した時の乾燥減量(%)と同じ値を指す。)
調製したカルボキシメチルセルロースナトリウムの2%水溶液を一夜間放置後、マグネチックスターラーで5分間かきまぜ、完全な溶液としたのち、口径45mm高さ145mmフタつき容器に移し、30分間25±0.2℃の恒温槽に入れ、溶液が25℃になればガラス棒でゆるくかきまぜて、BM型粘度計のローターおよびガードをとり付け、ローターを回転させ開始3分後の目盛りを読み取る(回転数は30rpm、あるいは60rpm)。ローターNo.と回転数によって定まる下記係数を目盛り読み取り値に乗じて粘度値(mPa・s)とする。
ローターNo.1、60rpm時の係数:1
ローターNo.2、60rpm時の係数:5
ローターNo.3、60rpm時の係数:20
ローターNo.4、60rpm時の係数:100
ローターNo.1、30rpm時の係数:2
ローターNo.2、30rpm時の係数:10
ローターNo.3、30rpm時の係数:40
ローターNo.4、30rpm時の係数:200
微生物とカルボキシメチルセルロースナトリウムとの混合物(微生物-CMC複合体)を第1工程で得た後、第2工程では、この微生物-CMC複合体をポリエチレンイミン及びアルカンジアールと接触させる。先にポリエチレンイミンを接触させ、次いでアルカンジアールを接触させることが好ましい。
ポリエチレンイミン液の添加時間(滴下時間)は、例えば、10分以上、好ましくは20分以上であり、例えば、2時間以下、好ましくは1時間以下、より好ましくは40分以下である。
微生物固定化液を、必要に応じて洗浄した後、ろ過することによって固定化微生物を単離できる。洗浄には、例えば、pHが5以上8以下の水や緩衝液を使用でき、緩衝剤としては、トリスヒドロキシメチルアミノメタン(Tris)が好ましい。洗浄の手順は特に限定されず、洗浄液によるパルプ化と沈殿分離(遠心分離を含む)又はろ過とを繰り返す作業等、公知の手順が採用できる。
上記のようにして得られる固定化微生物は、ろ過性に優れており、工業的規模での生産性に優れている。また微生物の活性も高く維持できる。通液性、体積維持性にも優れており、カラムに充填して反応に利用しても性能劣化が小さい。
前記固定化微生物は、固定化する微生物に応じて種々の反応に使用できる。例えば、該微生物(特に組換え大腸菌)が、アミノ酸脱水素酵素活性を有する場合、該固定化微生物とケト酸とを接触させることでアミノ酸を製造できる。
ギ酸脱水素酵素を大量に発現できるように設計されたプラスミドの製造:
チオバシラス エスピー(Thiobacillus sp.)KNK65MA株(FERM BP-7671)のゲノムを鋳型に、DNAプライマー(Primer-1:配列表の配列番号1、及び、Primer-2:配列表の配列番号2)を用い、下記PCR条件1に従ってPCRを行なった。
PCR条件1
鋳型DNA100ngにPyrobestDNAポリメラーゼ(タカラバイオ社製)1.25U(0.25μL)、10×Pyrobest BufferII(タカラバイオ社製)5μL、2.5mM各dNTP溶液4μL、20μMプライマー水溶液各2μLを添加し、さらに滅菌水を加えて総量が50μLになるように調製した反応液を作製し、熱変性(96℃、30秒)、アニーリング(50℃、30秒)、伸長反応(72℃、90秒)を25サイクル繰り返した後、4℃まで冷却する。
バチルス スファエリカス(Bacillus sphaericus)NBRC3341株のゲノムを鋳型に、DNAプライマー(Primer-3:配列表の配列番号3、及び、Primer-4:配列表の配列番号4)を用い、上記PCR条件1に従ってPCRを行なった。
製造例1で得られた菌体培養液1740g(湿菌体質量は35g)を遠心分離し、上清1160gを除去した。残った濃縮培養液580gを室温で攪拌しながら、濃度5質量%のカルボキシメチルセルロースナトリウム(第一工業製薬社製、セロゲン6A)水溶液145gを20分間かけて添加し、そのまま30分間攪拌した。次に、同溶液を室温で攪拌しながら、塩酸でpH7に調製した濃度20質量%のポリエチレンイミン((株)日本触媒社製;エポミン(登録商標)P-1000;分子量:70000[カタログ値])水溶液66gを、20分間かけて添加し、そのまま30分間攪拌した。同溶液を室温で攪拌しながら、濃度50質量%のグルタルアルデヒド水溶液24gを、20分間かけて添加し、そのまま30分間攪拌した。攪拌を停止し、約5分間静置することで沈殿を生成させ、上清をピペットで除去した後、50mM Tris-HCl(pH7.5)290mLを加えて、室温で30分間攪拌した。この操作をさらに2回繰り返した。
pH7.3に調製した反応液1mL(トリメチルピルビン酸200mg、NAD+1.45mg、硫酸亜鉛7水和物20mg、ギ酸アンモニウム150mg、硫酸アンモニウム60mgを含む50mMリン酸カリウム緩衝液)に、前記で得られた固定化菌体200mg、又は前記で得られた濃縮培養液9.2mLを超音波破砕したものを加え、30℃で1時間攪拌して反応した。残存したトリメチルピルビン酸、及び生成したL-tert-ロイシンの収率・光学純度を高速液体クロマトグラフィー(HPLC)を用いて分析したところ、固定化菌体の活性収率(固定化菌体の総活性÷固定化に用いた培養液の総活性)は0.4であった。
カラム:COSMOSIL 5C18-AR(4.6mm×250mm、ナカライテスク社製)、移動相:10mMリン酸カリウム緩衝液(pH2.0)/アセトニトリル=95/5(V/V)、流速:1mL/分、カラム温度:40℃、検出:210nm。
カラム:SUMICHIRAL OA-5000(4.6mm×250mm、住化分析センター社製)、移動相:2mM硫酸銅水溶液/メタノール=95/5(V/V)、流速:1mL/分、カラム温度:35℃、検出:254nm。
製造例1で得られた菌体培養液1740g(湿菌体質量は35g)を遠心分離し、上清1160gを除去した。残った濃縮培養液580gを室温で攪拌しながら、塩酸でpH7で調製した濃度20質量%のポリエチレンイミン(日本触媒社製エポミン)水溶液66gを、20分間かけて添加し、そのまま30分間攪拌した。同溶液を室温で攪拌しながら、濃度50質量%のグルタルアルデヒド水溶液24gを、20分間かけて添加し、そのまま30分間攪拌した。攪拌を停止し、約5分間静置することで沈殿を生成させ、上清をピペットで除去した後、50mM Tris-HCl(pH7.5)290mLを加えて、室温で30分間攪拌した。この操作をさらに2回繰り返した。
ガラス製反応容器に、比較例1で得られた固定化菌体102.1mgと溶液A、溶液Bそれぞれ10mlずつとを混合し、室温下で16時間攪拌後、反応液をサンプリングしHPLCにより分析したところ、トリメチルピルビン酸からL-tert-ロイシンへのモル変換率は20.3%であった。
トリメチルピルビン酸水溶液(5.80g、66wt%)に、6N-NaOH水溶液と50mMリン酸カリウム緩衝液を入れて当該溶液をpH7に調整後、50mMリン酸カリウム緩衝液にて20mLにメスアップした。
溶液B調製方法
NAD+(2.9mg)、硫酸亜鉛7水和物(4.0mg)、ギ酸アンモニウム(3.0g)、硫酸アンモニウム(1.2g)及び1Mリン酸カリウム緩衝液(pH=7,1mL)を混合した後に、蒸留水で20mLにメスアップした。
実施例1で得られた固定化菌体2.98gを耐圧ガラスカラム(オムニフィット、内径10mm)に詰めて30℃に温調したカラムオーブン内に入れ、垂直に立てて固定した。次に蒸留水をシリンジポンプ(YMC社製)を用いて流速0.05ml/分の速度でカラム内に送液した。続いて、原料溶液(溶液B、溶液Cをそれぞれ19mlずつを混合したもの)をシリンジポンプ(YMC社製)を用いて流速0.03ml/分(SV:0.45hr-1)の速度でカラム内に送液し(総送液時間:68hrs)、カラムの出口から目的のL-tert-ロイシンを含有する反応液を取得した(HPLC収率:99%)。なお、23、46、68時間の時点でサンプリングした反応液のモル変換率は、各々97%、99%、97%であった。
トリメチルピルビン酸水溶液(2.90g、66wt%)に蒸留水(2.9g)を加えた。次に、6N-NaOH水溶液と50mMリン酸カリウム緩衝液を用いて当該溶液をpH7に調整し、最後に50mMリン酸カリウム緩衝液にて20mLにメスアップした。
実施例1で得られた固定化菌体8.94gを耐圧ガラスカラム(オムニフィット、内径10mm)に詰めて30℃に温調したカラムオーブン内に入れ、垂直に立てて固定した。次に蒸留水をプランジャーポンプ(FLOM社製)を用いて流速0.1ml/分の速度でカラム内に送液した。続いて、原料溶液(溶液D、溶液Eをそれぞれ140mlずつを混合したもの)をプランジャーポンプ(FLOM社製)を用いて流速0.09ml/分(SV:0.45hr-1)の速度でカラム内に送液後(総送液時間:56hrs)、蒸留水を同速度で送液することでカラム内に滞留している反応液を押し出した。その結果、目的のL-tert-ロイシンを11.9g含有する反応液を取得した(モル変換率:99%、HPLC収率:87%)。また、20、26、44時間の時点で取得したサンプリング液のモル変換率はいずれの場合も99%であった。さらには、ガラスカラムに詰めた固定化菌体のカラム中での高さは、反応開始時の5.1cmから変化していないため、固体化菌体の体積も変化しておらず、固定化菌体からの顕著な菌体の溶出や固定化担体の溶解等は無いと考えられた。
トリメチルピルビン酸水溶液(20.3g、70wt%)に蒸留水(20.3g)を加えた。次に、6N-NaOH水溶液と50mMリン酸カリウム緩衝液を用いて当該溶液をpH7に調整し、総液量が140mLとなるように50mMリン酸カリウム緩衝液を加えた。
溶液E調製方法
NAD+(20.3mg)、硫酸亜鉛7水和物(28.0mg)、ギ酸アンモニウム(21.0g)、硫酸アンモニウム(8.4g)及び1Mリン酸カリウム緩衝液(pH=7,7mL)を混合した後に、総液量が140mLとなるように蒸留水を加えた。
Claims (12)
- 微生物とカルボキシメチルセルロースナトリウムとを接触させた後、
さらにポリエチレンイミン及び炭素数4~6の直鎖状アルカンジアールを接触させること、
前記微生物が組換え大腸菌であることを特徴とする、固定化微生物の製造方法。 - 前記微生物とカルボキシメチルセルロースナトリウムとを接触させた後、
先にポリエチレンイミンを接触させ、次いで炭素数4~6の直鎖状アルカンジアールを接触させる請求項1に記載の製造方法。 - 前記微生物とカルボキシメチルセルロースナトリウムとの接触が、
微生物に、カルボキシメチルセルロースナトリウムの分散液又は溶解液を滴下により混合することによる接触である請求項1又は2に記載の製造方法。 - 水を含む分散媒の存在下、前記各接触を行う請求項1~3のいずれか1項に記載の製造方法。
- 前記カルボキシメチルセルロースナトリウムの粘度が、下記方法で測定した時に、50mPa・s以下を示す請求項1~4のいずれか1項に記載の製造方法。
粘度測定法:共栓付300mL三角フラスコに4.4gのカルボキシメチルセルロースナトリウムを精密にはかりとり、次の式によって求まる量(W)の水を加え、2%水溶液を調製する。
所要水量W(g)=カルボキシメチルセルロースナトリウム(g)×(98-水分(%))/2
(式中、水分(%)は、カルボキシメチルセルロースナトリウムの含水率を示し、105±2℃の定温乾燥器中で4時間乾燥した時の乾燥減量(%)と同じ値を指す。)
調製したカルボキシメチルセルロースナトリウムの2%水溶液を一夜間放置後、マグネチックスターラーで5分間かきまぜ、完全な溶液としたのち、口径45mm高さ145mmフタつき容器に移し、30分間25±0.2℃の恒温槽に入れ、溶液が25℃になればガラス棒でゆるくかきまぜて、BM型粘度計のローターおよびガードをとり付け、ローターを回転させ開始3分後の目盛りを読み取る(回転数は30rpm、あるいは60rpm)。ローターNo.と回転数によって定まる下記係数を目盛り読み取り値に乗じて粘度値(mPa・s)とする。
ローターNo.1、60rpm時の係数:1
ローターNo.2、60rpm時の係数:5
ローターNo.3、60rpm時の係数:20
ローターNo.4、60rpm時の係数:100
ローターNo.1、30rpm時の係数:2
ローターNo.2、30rpm時の係数:10
ローターNo.3、30rpm時の係数:40
ローターNo.4、30rpm時の係数:200 - 前記微生物とカルボキシメチルセルロースナトリウムとを接触させた後、
前記カルボキシメチルセルロースナトリウムを硬化する工程を含ませずに、
前記ポリエチレンイミン及び炭素数4~6の直鎖状アルカンジアールを接触させる請求項1~5のいずれか1項に記載の製造方法。 - 前記固定化微生物のろ過比抵抗が、固定化微生物を含むTris緩衝液を面積15.2cm 2 のろ紙5A(桐山製作所製)を用いて、濾過圧1.0kgf/m 3 、ケーキ厚3cmでろ過した時に、5×10 11 m/kg以下である請求項1~6のいずれか1項に記載の製造方法。
- 前記組換え大腸菌が、アミノ酸脱水素酵素活性を有する形質転換体である請求項1~7のいずれか1項に記載の製造方法。
- 前記組換え大腸菌が、ロイシン脱水素酵素活性及びギ酸脱水素酵素活性を有する形質転換体である請求項1~7のいずれか1項に記載の製造方法。
- 請求項8又は9に記載の方法によって固定化微生物を製造し、
この固定化微生物をケト酸と接触させる、アミノ酸の製造方法。 - 前記固定化微生物をカラムに充填し、前記ケト酸を含む溶液をこのカラムの入口に給液し、カラムの出口から前記アミノ酸を含む溶液を排出する請求項10に記載のアミノ酸の製造方法。
- 前記ケト酸が3,3-ジメチル-2-オキソブタン酸であり、前記アミノ酸がtert-ロイシンである請求項10又は11に記載のアミノ酸の製造方法。
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ITOH, N. et al.,Continuous production of chiral 1,3-butanediol using immobilized biocatalysts in a packed bed reacto,Appl Microbiol Biotechnol,2007年,Vol. 75,pp. 1249-1256 |
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Publication number | Publication date |
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JPWO2020059480A1 (ja) | 2021-08-30 |
US20220025351A1 (en) | 2022-01-27 |
WO2020059480A1 (ja) | 2020-03-26 |
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