JPH0678796A - Method for specifying organic compound - Google Patents

Method for specifying organic compound

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JPH0678796A
JPH0678796A JP26310292A JP26310292A JPH0678796A JP H0678796 A JPH0678796 A JP H0678796A JP 26310292 A JP26310292 A JP 26310292A JP 26310292 A JP26310292 A JP 26310292A JP H0678796 A JPH0678796 A JP H0678796A
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JP
Japan
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plasmid
luminescence
luciferase
escherichia coli
gene
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Application number
JP26310292A
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Japanese (ja)
Inventor
Masuo Aizawa
益男 相澤
Yoshito Ikariyama
義人 碇山
Akiko Nakazawa
晶子 中澤
Masataka Tsuda
雅孝 津田
Hidemichi Obata
英理 小畠
Seiji Nishiguchi
成司 西口
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TDK Corp
Original Assignee
TDK Corp
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Abstract

PURPOSE:To monitor the kind of an organic compound and its existing amount by transducing a luciferase gene below a promoter gene of a decomposition plasmid acting on an organic compound in a specimen, transforming Escherichia coli with the prepared luciferase manifesting type plasmid and dispersing the transformed Escherichia coli into the specimen. CONSTITUTION:A luciferase gene is transduced below a promoter gene of a decomposition plasmid (OCT acting on octane) acting on an organic compound. Escherichia coli is transformed with the prepared luciferase manifesting type plasmid and transformed Escherichia coli is dispersed into a specimen to measure an amount of emitted light. Consequently, the kind of the organic compound and its existing amount can be specified.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、有機化合物の特定方法
に関するものである。
FIELD OF THE INVENTION The present invention relates to a method for identifying an organic compound.

【0002】[0002]

【従来の技術】環境汚染物質、とりわけ芳香族化合物を
中心とした有機化合物の微生物による分解作用は古くか
ら知られている。しかしながら、芳香族化合物は一般に
微生物に対して強い毒性を示すことから、環境汚染物質
の除去目的のために微生物をそのままの形で用いようと
するには多くの難点がある。また多くの微生物は複雑な
化合物を部分的に分解できても、完全分解することはで
きない。ところで、これらの物質の分解に関与する遺伝
子の大部分は染色体上に存在するが、一部の芳香族化合
物や有毒物質の分解を担う遺伝子はプラスミド上に存在
する。そこで、分解プラスミドと染色体上の分解遺伝子
を組み合わせて、より複雑な化合物や難分解性の環境汚
染物質を分解できる微生物を育種する試みが行われてい
る。
2. Description of the Related Art The action of microorganisms to decompose environmental pollutants, particularly organic compounds centered on aromatic compounds, has been known for a long time. However, since aromatic compounds generally show strong toxicity to microorganisms, there are many difficulties in using microorganisms as they are for the purpose of removing environmental pollutants. Also, many microorganisms can partially decompose complex compounds, but cannot completely decompose them. By the way, most of the genes involved in the decomposition of these substances are present on the chromosome, while the genes responsible for the decomposition of some aromatic compounds and toxic substances are present on the plasmid. Therefore, attempts have been made to breed microorganisms capable of decomposing more complicated compounds and persistent environmental pollutants by combining a degrading plasmid and a degrading gene on the chromosome.

【0003】Chakrabarty らは3−クロロ安息香酸分解
菌にキシレン完全分解酵素系を有するTOL プラスミドを
導入して、4−クロロ安息香酸を分解できる微生物を分
離している (Kellog,S.T., Chatterjee,D.K., and Chak
rabarty,A.M., Science, 214, 1133(1981)。これは、 T
OLプラスミドが支配するトルイル酸オキシゲナーゼがき
わめて広い基質特異性をもつことを利用したものであ
る。したがって、化学物質分解を支配する遺伝子が新た
に同定されると、遺伝子工学による分子育種が可能とな
る。
Chakrabarty et al. Have isolated a microorganism capable of degrading 4-chlorobenzoic acid by introducing a TOL plasmid having a complete xylene degrading enzyme system into a 3-chlorobenzoic acid-degrading bacterium (Kellog, ST, Chatterjee, DK). , and Chak
rabarty, AM, Science, 214 , 1133 (1981). This is T
It takes advantage of the extremely broad substrate specificity of the toluic acid oxygenase dominated by the OL plasmid. Therefore, when a gene that controls chemical substance degradation is newly identified, molecular breeding by genetic engineering becomes possible.

【0004】ところで、シュードモナス属細菌は土壌や
下水中で生育する偏性好気性のグラム陰性桿菌であり、
芳香族化合物の完全分解径路を数多く有している。この
経路の特徴はベンゼン環の水酸化反応や開環反応など酸
素添加酵素による反応が含まれる点にある。シュードモ
ナスの物質分解に関与する遺伝子は、その大部分が染色
体上に存在するが、一部の芳香族化合物などの分解に関
与する遺伝子はプラスミド上に存在する。代表的な分解
プラスミドを表1に示す。
By the way, Pseudomonas bacteria are obligately aerobic gram-negative bacilli that grow in soil and sewage.
It has many paths for complete decomposition of aromatic compounds. The feature of this pathway is that it involves reactions by oxygenase such as hydroxylation reaction and ring-opening reaction of benzene ring. Most of the genes involved in the substance degradation of Pseudomonas are present on the chromosome, while some genes involved in the degradation of some aromatic compounds are present on the plasmid. Representative degradation plasmids are shown in Table 1.

【0005】[0005]

【表1】 [Table 1]

【0006】上記表1から分かるように、分解プラスミ
ドは大部分が P.putida から分離されたものである。分
解プラスミドは一般に大きく、自己伝達能をもつものが
多い。分解系遺伝子はオペロンを形成し、プラスミドの
複製や伝達を司る領域とは別に存在している。また、分
解系遺伝子の発現を制御する調節遺伝子も分解プラスミ
ド上に存在する。以下に発現制御機構が詳細に報告され
ている分解プラスミドについて述べる。
As can be seen from Table 1 above, most of the degradation plasmids were isolated from P. putida. Degraded plasmids are generally large and often have self-transmitting ability. Degradative genes form an operon, which exists separately from the region responsible for plasmid replication and transmission. In addition, a regulatory gene that controls the expression of degradation system genes is also present on the degradation plasmid. The degradation plasmid for which the expression control mechanism has been reported in detail is described below.

【0007】 NAH プラスミド NAHプラスミドの代表格であるNAH7は、83kbの大きさを
もつプラスミドである。このプラスミドはナフタレンか
らサリチル酸を生成するnahABCDEF ペロンと、サリチル
酸からメタ開裂経路を経てピルビン酸とアセトアルデヒ
ドを生成するsalGHIJKLMの2のオペロンを有している。
また、これらのオペロンを調節する正の調節領域nahR
が、2つのオペロンの間に存在しており、サリチル酸が
存在するときのみ、nahR遺伝子産物がそれぞれのオペロ
ンのプロモーター領域(Pnah,Psal) に結合し、転写を
促進していることが知られている。
NAH plasmid NAH7, which is a typical NAH plasmid, is a plasmid having a size of 83 kb. This plasmid has the nahABCDEF peron, which produces salicylic acid from naphthalene, and the two operons of salGHIJKLM, which produces pyruvic acid and acetaldehyde from salicylic acid via a meta-cleavage pathway.
In addition, the positive regulatory region nahR that regulates these operons
Is present between two operons, and it is known that the nahR gene product binds to the promoter region (Pnah, Psal) of each operon and promotes transcription only when salicylic acid is present. There is.

【0008】 CAN プラスミド カンファー(ショウノウ)からイソ酪酸を生成する CAN
プラスミド(240kb)上には、camDCAB とcamEG の2つの
オペロンと、調節領域camRが存在している。このcamR遺
伝子産物は、camDの上流のオペレーターに結合して、オ
ペロンの発現を抑制することが明らかにされている。シ
ュードモナスの分解遺伝子の発現は、ほとんどが正の調
節を受けているため、camRによる負の調節は特徴的であ
る。
CAN plasmid CAN that produces isobutyric acid from camphor (camphor)
Two operons, camDCAB and camEG, and the regulatory region camR are present on the plasmid (240 kb). This camR gene product has been shown to bind to an operator upstream of camD and suppress operon expression. Negative regulation by camR is characteristic because most Pseudomonas expression genes are positively regulated.

【0009】 OCT プラスミド オクタンを酸化し、アルコールを経てアルデヒドを生成
する酵素系を有することで知られる OCTプラスミド(45
kb) は、非伝達性プラスミドである。分解系遺伝子のオ
ペロンalkBAC と調節遺伝子のオペロンalkRSTの存在が
示めされており、alkBACはalkRSTにより正の発現調節を
受けていることが明らかにされている。
OCT plasmid OCT plasmid (45 which is known to have an enzyme system that oxidizes octane and produces aldehyde through alcohol)
kb) is a non-transmissible plasmid. The existence of the operon alkBAC, which is a degradative gene, and the operon alkRST, which is a regulatory gene, has been shown, and it has been revealed that alkBAC is positively regulated by alkRST.

【0010】 TOL プラスミド TOLプラスミドは、トルエンやm-キシレンから、安息香
酸やm-トルイル酸を生成するオペロンxylCABと、これら
をピルビン酸とアセトアルデヒドまたはプロピオンアル
デヒドまでに完全分解するオペロンxylDLEGFを有してい
る( 図1)このプラスミドはpWWOとも呼ばれるが、伝達
性の 117kbの大きさをもつプラスミドである。 TOLプラ
スミドの発現調節においても、正の調節遺伝子(xylR,x
ylS )が関与していることが明らかにされている。
TOL plasmid The TOL plasmid has an operon xylCAB that produces benzoic acid and m-toluic acid from toluene and m-xylene and an operon xylDLEGF that completely decomposes these into pyruvic acid and acetaldehyde or propionaldehyde. This plasmid, also called pWWO, has a transmissible size of 117 kb. In the regulation of TOL plasmid expression, positive regulatory genes (xylR, x
ylS) has been shown to be involved.

【0011】TOL プラスミドの制御メカニズムについて
は以下のことが明らかとなっている。
The following has been clarified regarding the control mechanism of the TOL plasmid.

【0012】TOLプラスミドが担っている酵素群は、56k
bの大きさをもつトランスポゾン上に局在化しており、
さらにこれらの酵素群は2つのオペロンを構成してい
る。
The enzyme group carried by the TOL plasmid is 56k.
localized on a transposon of size b,
Furthermore, these enzyme groups constitute two operons.

【0013】前述のように、2つのオペロン(upper op
eron;xylCAB,metaoperon;xylDLEGF) は、m-キシレン
などの誘導物質が存在するときに、xylRとxylSの2つの
制御遺伝子により正の発現調節を受ける。ここで、xylR
産物(XylR)は、xylCABとxylSのそれぞれの発現を活性化
している(図2(a))。この活性化は転写段階におい
て行われており、NtrA(RpoN) RANポリメラーゼの関与が
示されている。さらにこのxylS産物(XylS) は、xylDLE
GFオペロンの発現を活性化することで完全分解系を成立
させている( 図2(b)) 。NtrA自体は窒素固定細菌の遺伝
学的解析から、その機能が確認されたが、当初から遺伝
子の発現に関与する上流領域の塩基配列の類似からシュ
ードモナスの TOLプラスミドでの関与が指摘されてい
た。最近の研究によると、上流の活性化領域( URS:up
stream regulatory sequences )がXylRが介在する遺伝
子の完全誘導に必要であることが示されている。XylRの
DNAへの結合には共通配列 URS 5′-TGATGATTTGCTNAAATNCACNC-3′ を必要とし、上位オペロンのプロモーター(Pu) の転写
開始の上流とPsプロモーター上流に2回繰り返しがあ
る。さらにλファージの染色体組み込みで認められたIH
F(integration host factor)の関与が、Nifa/Ntra 依存
プロモーターPnifHとの塩基配列の類似性から示唆さ
れ、DNase 1 による解析から、IHF とXylRがPuプロモー
ター内で結合する部位と分布が同定されている。
As mentioned above, two operons (upper op
eron; xylCAB, metaoperon; xylDLEGF) is positively regulated by two regulatory genes, xylR and xylS, in the presence of inducers such as m-xylene. Where xylR
The product (XylR) activates the expression of each of xylCAB and xylS (Fig. 2 (a)). This activation is performed at the transcriptional stage, and the involvement of NtrA (RpoN) RAN polymerase has been shown. Furthermore, this xylS product (XylS) is xylDLE
A complete degradation system is established by activating the expression of the GF operon (Fig. 2 (b)). The function of NtrA itself was confirmed by genetic analysis of nitrogen-fixing bacteria, but from the beginning it was pointed out that NtrA was involved in Pseudomonas TOL plasmids due to the similarity in the nucleotide sequence of the upstream region involved in gene expression. Recent research shows that the upstream activation region (URS: up
have been shown to be required for complete induction of XylR-mediated genes. XylR
The consensus sequence URS 5'-TGATGATTTGCTNAAATNCACNC-3 'is required for binding to DNA, and there are two repeats upstream of the transcription start of the promoter (Pu) of the upper operon and upstream of the Ps promoter. Furthermore, IH found by chromosomal integration of λ phage
The involvement of F (integration host factor) was suggested by the similarity of the nucleotide sequence to the Nifa / Ntra-dependent promoter PnifH, and the analysis with DNase 1 identified the binding site and distribution of IHF and XylR in the Pu promoter. There is.

【0014】現在までの研究によると、 DNAの曲折化
(bending)が正の制御プロモーター上流でおこることで
転写開始が惹起されることが真核・原核生物で認識され
つつある。また、結合タンパク質がない場合にも自然に
生じた DNAの曲がりによって転写が活性化されることも
ある。この TOLプラスミドのPu配列について解析した結
果、かなり鋭い曲がりが見いだされ、それがXylRの働く
部位であることが解明されている( 図3)。
According to the studies to date, it is being recognized in eukaryotes and prokaryotes that transcription initiation is triggered by DNA bending upstream of a positive control promoter. Transcription may also be activated by the naturally occurring bending of DNA in the absence of a binding protein. As a result of analyzing the Pu sequence of this TOL plasmid, a fairly sharp bend was found, and it has been elucidated that it is a site where XylR acts (Fig. 3).

【0015】検出指標として生物発光、なかでもルシフ
ェラーゼを利用する方法は、高感度、迅速性、および非
破壊測定が容易であるという利点を有している。
The method utilizing bioluminescence as a detection index, especially luciferase, has the advantages of high sensitivity, rapidity, and easy nondestructive measurement.

【0016】ところで、生物発光としてはホタルの発光
が最もよく知られているが、微生物の中にも菌体内にル
シフェラーゼをもつものが存在する。これらの微生物は
総称して発光細菌とよばれているが、この発光反応には
補酵素の再生系や細胞としての生理機能が多様に関与し
ている。このことから、発光微生物の発光強度を指標し
た分析手法の開発も盛んに行われている。
By the way, firefly luminescence is the best known bioluminescence, but some microorganisms have luciferase in their cells. These microorganisms are generically called luminescent bacteria, and the luminescent reaction involves various regeneration functions of coenzymes and physiological functions as cells. For this reason, the development of analytical methods using the luminescence intensity of luminescent microorganisms as an index has been actively conducted.

【0017】また、発光微生物についてはルシフェラー
ゼおよびルシフェリンに関する研究が他の発光生物に比
べて詳しく調べられている。とくにVibrio harveyiのル
シフェラーゼは、その遺伝子配列を始めとして分子レベ
ルでの研究がなされている。V. harveyiの発光反応に
は、このルシフェラーゼとテトラデカナールのような飽
和長鎖脂肪族アルデヒドおよび還元型FMN(FMNH2)、酸素
が必要とされる。発光微生物のルシフェラーゼは、いず
れの起源のものも類似の分子量をもち、α、βの2個の
異なるサブユニットから構成されている。V. harveyiの
ルシフェラーゼではαサブユニット、βサブユニットの
分子量はそれぞれ42,000と37,000であり、他の成分を含
まない単純タンパク質である。
[0017] Regarding luminescent microorganisms, researches on luciferase and luciferin have been conducted in more detail than those of other luminescent organisms. In particular, Vibrio harveyi luciferase has been studied at the molecular level, including its gene sequence. The luciferase, saturated long-chain aliphatic aldehydes such as tetradecanal, reduced FMN (FMNH 2) and oxygen are required for the luminescence reaction of V. harveyi. The luciferase of a luminescent microorganism has a similar molecular weight regardless of its origin and is composed of two different subunits α and β. In V. harveyi luciferase, the α and β subunits have molecular weights of 42,000 and 37,000, respectively, and are simple proteins containing no other components.

【0018】上記のような発光微生物の発光強度を指標
とした分析手法の開発が、ホトンカウンティング法の進
歩と相まって急速に進展している。発光微生物の発光強
度変化をモニタリングすることで溶存酸素濃度を測定し
たり、発光性細菌のカタラーゼ活性を利用した過酸化水
素の測定などが既に報告されている。また、発光微生物
Photobacterium phosphoreumを膜に固定化することで、
糖の定量が可能となっている。これは、糖の添加によ
り、発光微生物のもつ FMNを還元するNAD(P)H-FMN 還元
酵素などの補酵素再生系が活性化されることに起因する
と考えられている。発光微生物の発光強度の減少を利用
して、毒性物質を検出する研究もなされている。Bulich
らはPhotobacterium leiognathi を用いて環境汚染物質
の計測を行っている。この例のように、発光強度の減少
から各種毒性物質の検出を行う研究も盛んに行われてい
る。
The development of the above-mentioned analytical method using the luminescence intensity of the luminescent microorganism as an index has been rapidly progressing together with the progress of the photon counting method. It has already been reported that the dissolved oxygen concentration is measured by monitoring the change in luminescence intensity of luminescent microorganisms, the measurement of hydrogen peroxide using the catalase activity of luminescent bacteria, and the like. Also, luminescent microorganisms
By immobilizing Photobacterium phosphoreum on the membrane,
It is possible to quantify sugar. It is considered that this is because the addition of sugar activates the coenzyme regeneration system such as NAD (P) H-FMN reductase that reduces FMN possessed by luminescent microorganisms. Studies have also been conducted to detect toxic substances by utilizing the decrease in luminescence intensity of luminescent microorganisms. Bulich
Et al. Use Photobacterium leiognathi to measure environmental pollutants. As in this example, researches for detecting various toxic substances from the decrease of luminescence intensity are being actively conducted.

【0019】発光微生物を用いることで、環境汚染物質
のモニタリングが可能であることは上述した。しかしな
がら、発光微生物しか利用し得ないことが、このモニタ
リングシステムの限界でもあった。
As described above, it is possible to monitor environmental pollutants by using luminescent microorganisms. However, the limitation of this monitoring system was that only luminescent microorganisms could be used.

【0020】ところで、近年の遺伝子工学技術の発達
は、これら生物発光を触媒する酵素ルシフェラーゼのク
ローニングを成功させている。実際、ホタルを始めとし
て発光微生物由来のルシフェラーゼ発現が遺伝子活性の
プローブとして、動植物細胞、微生物、酵母において確
認されている。そこで、代謝系などその性質が詳細に解
明されている大腸菌内でルシフェラーゼを発現させるこ
とで、生物発光が指標となりうるモニタリングシステム
を体系的に構築できると考えられる。
By the way, the recent development of genetic engineering technology has succeeded in cloning the enzyme luciferase which catalyzes the bioluminescence. In fact, luciferase expression derived from luminescent microorganisms including firefly has been confirmed as a gene activity probe in animal and plant cells, microorganisms, and yeast. Therefore, it is considered that by expressing luciferase in Escherichia coli whose properties such as metabolic system have been elucidated in detail, a monitoring system in which bioluminescence can be used as an index can be systematically constructed.

【0021】フィンランドのKorpela らは、V. harveyi
由来のルシフェラーゼ遺伝子を大腸菌内にクローニング
した発光大腸菌を構築することに成功している。(Korpe
la,M., Mantsala,P., Lilius,E.-M., and Karp,M., J.B
iolumi. Chemilume., 4, 551(1989)) さらに、この発光
大腸菌は、カドミウムイオンの添加により、発光強度の
減少を示すために環境汚染物質のモニタリングへの応用
が期待されている(西口成司 卒業論文(199
0))。
[0021] Korpela et al. Of Finland, V. harveyi
We have succeeded in constructing luminescent E. coli by cloning the luciferase gene derived from E. coli. (Korpe
la, M., Mantsala, P., Lilius, E.-M., and Karp, M., JB
iolumi. Chemilume., 4 , 551 (1989)) Furthermore, since this luminescent E. coli shows a decrease in luminescence intensity due to the addition of cadmium ions, it is expected to be applied to the monitoring of environmental pollutants (Seiji Nishiguchi). Graduation thesis (199
0)).

【0022】環境汚染物質の直接モニタリングとは異な
るが、このような発光大腸菌をもちいて、土壌中の大腸
菌数を計測する研究も、最近報告されている。
Although it is different from the direct monitoring of environmental pollutants, a study of measuring the number of Escherichia coli in soil using such luminescent Escherichia coli has been recently reported.

【0023】このように、大腸菌などの遺伝子解析が進
んだ宿主微生物にルシフェラーゼを導入することで、さ
まざまなモニタリングを行えることが明らかにされてい
る。しかしながら、以上の例では、菌体あたりのルシフ
ェラーゼ発現量は、モニタリング対象物質に依存しては
いないのである。
As described above, it has been clarified that various monitoring can be carried out by introducing luciferase into a host microorganism such as Escherichia coli in which gene analysis has been advanced. However, in the above examples, the luciferase expression level per cell does not depend on the substance to be monitored.

【0024】そこで、より高度のモニタリングを行うた
めには、標的物質感受性のプロモーター配列下に、ルシ
フェラーゼ遺伝子をクローニングすることが考えられ
る。現在までのところ、このような研究はわずかに1例
が報告されている。Kingらは、シュードモナス由来のNA
H7プラスミドを利用したナフタレンモニタリングを報告
している。
Therefore, for more advanced monitoring, it is conceivable to clone the luciferase gene under a promoter sequence sensitive to the target substance. To date, only one such study has been reported. King et al., NA from Pseudomonas
We have reported naphthalene monitoring using H7 plasmid.

【0025】[0025]

【発明が解決しようとする課題】[Problems to be Solved by the Invention]

【0026】ただし、この報告ではルシフェラーゼ発現
制御系は複数の領域に分散されているため、工学的な観
点からはよりシンプルな系の確立が望まれる。
However, in this report, since the luciferase expression control system is dispersed in a plurality of regions, establishment of a simpler system is desired from an engineering point of view.

【0027】そこで、本発明は、よりシンプルな系で有
機化合物を特定することのできる方法を提供することを
目的とするものである。
Therefore, an object of the present invention is to provide a method capable of specifying an organic compound with a simpler system.

【0028】[0028]

【課題を解決するための手段】本発明の有機化合物の特
定方法は、試料中の有機化合物を特定する方法であっ
て、前記有機化合物に作用する分解プラスミドのプロモ
ータ以下にルシフェラーゼ遺伝子を導入して得たルシフ
ェラーゼ発現型プラスミドで形質転換した大腸菌を、前
記試料中に分散させ、そのときの発光の状態により、有
機化合物を特定することを特徴としたものである。
The method for identifying an organic compound of the present invention is a method for identifying an organic compound in a sample, which comprises introducing a luciferase gene below a promoter of a degrading plasmid that acts on the organic compound. Escherichia coli transformed with the obtained luciferase-expressing plasmid is dispersed in the sample, and the organic compound is specified by the luminescence state at that time.

【0029】[0029]

【作用】本発明のルシフェラーゼ発現型プラスミド(図
5参照)で形質転換された大腸菌は、指標物質である有
機化合物が存在すると、これに対して作用すると同時
に、ルシフェラーゼを発現し、これにより発光する。こ
の発光量は、指標物質の種類および量によって変化する
ので、発光量を測定することにより、指標物質、すなわ
ち有機化合物の種類と存在量を特定することができる。
[Effect] Escherichia coli transformed with the luciferase-expressing plasmid of the present invention (see FIG. 5) acts on the organic compound which is an indicator substance, and acts on it at the same time as it expresses luciferase and emits light. . Since the amount of emitted light changes depending on the type and amount of the indicator substance, by measuring the amount of emitted light, the type and abundance of the indicator substance, that is, the organic compound can be specified.

【0030】[0030]

【発明の具体的な説明】発光計測を指標とするプラスミドの構築 例として、 TOLプラスミドの制御領域の支配下にホタル
ルシフェラーゼ遺伝子をクローニングした新規プラスミ
ドを設計ならびに構築する。そのためには、制御領域の
再構成を可能とする発現ベクター系の存在が不可欠であ
る。ここでは、TOLプラスミドの制御領域を再構成した
人工発現ベクター系として、プラスミドpTS301( 図6)
を利用した。このプラスミドは、 TOLプラスミドの制御
領域であるxylR,xylSのプロモーターPs(図7)、およ
び指標用酵素遺伝子xylE(カテコール2,3-ジオキシゲナ
ーゼ;C230) を保持している。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION As an example of constructing a plasmid using luminescence measurement as an index, a novel plasmid in which the firefly luciferase gene is cloned under the control of the control region of the TOL plasmid is designed and constructed. For that purpose, the presence of an expression vector system that enables the reconstitution of the control region is essential. Here, the plasmid pTS301 (Fig. 6) was used as an artificial expression vector system in which the control region of the TOL plasmid was reconstructed.
Was used. This plasmid carries the promoters Ps of xylR and xylS (Fig. 7), which are the regulatory regions of the TOL plasmid, and the indicator enzyme gene xylE (catechol 2,3-dioxygenase; C230).

【0031】プラスミドpTS301は、pTS1144 にpTS174の
xylR遺伝子を含むHpal断片を挿入したものである。pTS3
01の各領域の由来は次の通りである。 Region A:RSF1010 のoriV近傍にTn1 が転移したRlb679
A 由来である。oriVの位置を記入しているが確認されて
はいない。Eco RIサイトにxylRを含むHpal断片を挿入し
たので、 EcoRIサイトは存在しない。 Region b:pACYC177のXholにxylEを含むXhol断片(2.2k
b)を挿入後、その BamHIにxylSとxylRのプロモーターを
挿入したので BamHIサイトは存在しない。また、この際
pACYC177の一部が欠失している。
The plasmid pTS301 contains pTS1144 and pTS174.
The Hpal fragment containing the xylR gene was inserted. pTS3
The origin of each area of 01 is as follows. Region A: Rlb679 with Tn1 transferred near oriV of RSF1010
It comes from A. I have entered the location of oriV but it has not been confirmed. Since the Hpal fragment containing xylR was inserted into the Eco RI site, the Eco RI site does not exist. Region b: Xhol fragment containing xylE in Xhol of pACYC177 (2.2k
After insertion of b), the xylS and xylR promoters were inserted into the BamHI, so there is no BamHI site. Also at this time
A part of pACYC177 is deleted.

【0032】ホタル(Photinus pyralis)のルシフェラーゼ 生物発光物質としては、例えば、ホタル(Photinus pyr
alis)のルシフェラーゼが知られており、本例において
も、このホタルルシフェラーゼを用いる。このホタルル
シフェラーゼは、発光反応が優れた量子効率(0.88±0.
25) であるとともに、ルシフェラーゼ遺伝子の全塩基配
列が決定されていて、遺伝子設計に好都合であるからで
ある。
Examples of the luciferase bioluminescent substance of firefly (Photinus pyralis) include, for example, firefly (Photinus pyralis).
alis) luciferase is known, and this firefly luciferase is also used in this example. This firefly luciferase has an excellent quantum efficiency (0.88 ± 0.
25) and the whole nucleotide sequence of the luciferase gene has been determined, which is convenient for gene design.

【0033】ホタルルシフェラーゼは分子量62,000の酵
素であり、ATP 、酵素、Mg2+の存在下、ホタルルシフェ
リンを酸化することで、発光反応を触媒している(図
4)。以下にその反応式を示す。 luciferin + ATP + luciferase→ luciferase ・lucife
ryl-AMP+PPi Mg2+ luciferase・luciferyl-AMP + O2→ luciferase + oxyl
uciferin + AMP + CO2+hν(560nm)
Firefly luciferase is an enzyme having a molecular weight of 62,000, and catalyzes a luminescence reaction by oxidizing firefly luciferin in the presence of ATP, the enzyme and Mg 2+ (FIG. 4). The reaction formula is shown below. luciferin + ATP + luciferase → luciferase ・ lucife
ryl-AMP + PPi Mg 2+ luciferase ・ luciferyl-AMP + O 2 → luciferase + oxyl
uciferin + AMP + CO 2 + hν (560nm)

【0034】BTX類の存在によりホタルルシフェラーゼ
遺伝子の活性発現が増大するためには、XylRタンパク質
により発現制御されているxylS領域のプロモーターPs以
下にルシフェラーゼをクローニングすることが必要であ
る。そこで、ここでは、制限酵素地図を考慮して、プラ
スミドpTS301を制限酵素 KpnIで処理して生じる13.8kb
断片を利用することとした。このpTS301の KpnI断片
(13.8Kb)には、目的とするxylRとxylSのプロモーター
Psおよび RSF1010の複製領域が存在しており、自立複製
可能なプラスミドを構築することができる。
In order to increase the active expression of the firefly luciferase gene due to the presence of BTXs, it is necessary to clone luciferase under the promoter Ps of the xylS region whose expression is controlled by the XylR protein. Therefore, here, in consideration of the restriction map, the 13.8 kb generated by treating the plasmid pTS301 with the restriction enzyme KpnI.
We decided to use fragments. The KpnI fragment (13.8 Kb) of pTS301 contains the target xylR and xylS promoters.
The replication regions of Ps and RSF1010 are present, and a plasmid capable of autonomous replication can be constructed.

【0035】したがって、pTS301の KpnI断片のPs下流
にホタルルシフェラーゼをクローニングするには、以下
の3つの方法が考えられる。 KpnIにホタルルシフェラーゼを挿入する。 HpaI で部分消化し、Ps下流にホタルルシフェラー
ゼを挿入する。 SstIIがxylRの下流にあるかどうかを確認後、なけ
れば SstIIに挿入する。
Therefore, in order to clone firefly luciferase into the Ps downstream of the KpnI fragment of pTS301, the following three methods can be considered. Insert firefly luciferase into KpnI. It is partially digested with HpaI and firefly luciferase is inserted downstream of Ps. After checking whether SstII is downstream of xylR, insert it into SstII if it is not present.

【0036】実際のプラスミドの構築 ここでは、1例として上記の方法により、プラスミド
を構築した。
Construction of Actual Plasmid Here, as an example, a plasmid was constructed by the above method.

【0037】試薬 プラスミドの構築には次の試薬を使用した。制限酵素は
宝酒造(株)あるいはBethesda Research Laboratorie
s,Incより購入した。Bacterial Alkaline Phosphatase
は東洋紡(株)のものを使用した。T4DNA Ligaseは東洋
紡(株)より、DNA Ligation Kitは宝酒造(株)より購
入したものを使用した。その他の試薬はすべて特級を用
いた。
The following reagents were used to construct the reagent plasmids. The restriction enzyme is Takara Shuzo Co., Ltd. or Bethesda Research Laboratorie.
Purchased from s, Inc. Bacterial Alkaline Phosphatase
Was a product of Toyobo Co., Ltd. The T4 DNA Ligase used was purchased from Toyobo Co., Ltd., and the DNA Ligation Kit purchased from Takara Shuzo Co., Ltd. was used. All other reagents were of special grade.

【0038】菌株およびプラスミド 大腸菌 JM109は宝酒造(株)より購入した。また大腸菌
20SOおよび HB101は山口大学医学部微生物学講座より譲
り受けたものを使用した。
Strain and plasmid Escherichia coli JM109 was purchased from Takara Shuzo Co., Ltd. Also E. coli
20SO and HB101 were used from the Department of Microbiology, Yamaguchi University School of Medicine.

【0039】ホタルルシフェラーゼ遺伝子をコードした
プラスミドpT3/T7-lucは東洋紡(株)より購入した。プ
ラスミドpTS301およびpTH3は山口大学医学部微生物学講
座より譲り受けた。 E.coli JM109 recAl endAl gyrA96 thi-1 supE44 relAl λ- Δ(lac-proAB) 〔F'traD36 proAB lacIq Z ΔM15 〕 mcrA- mcrB+ HB101 F- hsds20 reaA13 ara14 proA2 lacY1 galK2 rpsL20 x15 mtll supE44 mcrA+ mcrB- 20SO thi lac mal mtl ara xyl rpsL Plasmids pT3/T7-luc luciferase expression vector pTS301 XylR+ xylS promoter Ampr PTH3 Km r
The plasmid pT3 / T7-luc encoding the firefly luciferase gene was purchased from Toyobo Co., Ltd. The plasmids pTS301 and pTH3 were obtained from the Department of Microbiology, Yamaguchi University School of Medicine. E.coli JM109 recAl endAl gyrA96 thi-1 supE44 relAl λ - Δ (lac-proAB) [F'traD36 proAB lacI q Z ΔM15] mcrA - mcrB + HB101 F - hsds20 reaA13 ara14 proA2 lacY1 galK2 rpsL20 x15 mtll supE44 mcrA + mcrB - 20SO thi lac mal mtl ara xyl rpsL Plasmids pT3 / T7-luc luciferase expression vector pTS301 XylR + xylS promoter Amp r PTH3 Km r

【0040】プラスミドの構築 プラスミドpTS301の KpnI断片(13.8kb) に、ホタルル
シフェラーゼ遺伝子(1.9kb) を導入するためには、各遺
伝子断片の末端を平滑化したうえでそれぞれを連結する
方法が考えられる。本法は、T4 DNA Polymerase が5′
→3′ポリメラーゼ活性と3′→5′エキソヌクレアー
ゼ活性の双方を有することを利用した方法であり、切断
端末の塩基配列に影響されない汎用性の高い手法であ
る。しかしながら、平滑末端化を経る方法は、付着末端
同士のライゲーション反応より効率が低いため、目的の
プラスミドを得るうえで、いくつかの困難をともいえ
る。そこで、プラスミドpTS301の KpnI切断末端にMult
i Cloning Site(MCS) を導入したプラスミドをはじめに
構築し、これにホタルルシフェラーゼ遺伝子をクローニ
ングすることが好ましい。 MCSの導入は以下の通りに行
った。
Construction of plasmid In order to introduce the firefly luciferase gene (1.9 kb) into the KpnI fragment (13.8 kb) of the plasmid pTS301, it is conceivable to blunt the ends of each gene fragment and then ligate each of them. . This method uses T4 DNA Polymerase 5 '
This is a method that utilizes both having a 3'-polymerase activity and a 3 '->5' exonuclease activity, and is a highly versatile method that is not affected by the nucleotide sequence of the cleavage terminal. However, the method of blunting is less efficient than the ligation reaction between sticky ends, and thus may be said to cause some difficulties in obtaining the desired plasmid. Therefore, Mult was added to the KpnI-cut end of the plasmid pTS301.
It is preferable to first construct a plasmid into which i Cloning Site (MCS) has been introduced, and clone the firefly luciferase gene into this. MCS was introduced as follows.

【0041】 Multi Cloning Site(MCS) の導入(図8) プラスミドpTS301を制限酵素 KpnIで切断処理後、その
13.8kb断片を回収精製した。同様にしてプラスミドpTH3
を制限酵素 KpnIで処理し、1.3kb 断片を得た。常法に
従いそれぞれを T4 DNA Ligaseを用い連結し、この新規
プラスミドにより大腸菌 HB101を形質転換した。目的株
のスクリーニングに際しては、プラスミドpTS301の13.8
kb断片がアンピシリン耐性を、プラスミドpTH の 1.3kb
断片がカナマイシン耐性を有することを利用した。
Introduction of Multi Cloning Site (MCS) (FIG. 8) After cutting the plasmid pTS301 with the restriction enzyme KpnI,
The 13.8 kb fragment was recovered and purified. Similarly, plasmid pTH3
Was treated with the restriction enzyme KpnI to obtain a 1.3 kb fragment. E. coli HB101 was transformed with this new plasmid by ligating them with T4 DNA Ligase according to a conventional method. For screening the target strain, 13.8 of plasmid pTS301 was selected.
The kb fragment confers ampicillin resistance to the 1.3 kb plasmid pTH.
It was taken advantage of that the fragment has kanamycin resistance.

【0042】 MCSへのホタルルシフェラーゼ遺伝子
の導入(図9) の段階において構築した MCS導入プラスミドの MCS部
位内の BamHIサイトに、ホタルルシフェラーゼ遺伝子
(1.9kb)を導入することで目的プラスミドを構築した。
その方法を以下に記しておく。
At the BamHI site in the MCS site of the MCS-introduced plasmid constructed in the step of introducing the firefly luciferase gene into MCS (FIG. 9), the firefly luciferase gene was introduced.
The target plasmid was constructed by introducing (1.9 kb).
The method is described below.

【0043】MCS導入プラスミドを制限酵素 BamHIで切
断処理後、その13.8kb断片を回収精製した。この13.8kb
断片の5′末端リン酸基をBacterial Alkaline Phospha
taseにより除去して水酸基を生成させることで、ベクタ
ーの再環化を防止した。ついでプラスミドpT3/T7-lucを
制限酵素 BamHIとKhoIで切断処理し、 1.9kbの BamHI断
片を回収した。この断片にはホタルルシフェラーゼの全
塩基配列がコードされている。したがって、これらの断
片をDNA Ligation Kitにより連結し目的プラスミドの構
築を行った。このプラスミドで大腸菌 HB101を形質転換
した。スクリーニングに際しては、アンピシリン耐性を
利用した。
The MCS-introduced plasmid was digested with the restriction enzyme BamHI, and the 13.8 kb fragment was recovered and purified. This 13.8kb
The 5'-terminal phosphate group of the fragment was changed to Bacterial Alkaline Phospha
By removing with tase to generate a hydroxyl group, recyclization of the vector was prevented. Then, the plasmid pT3 / T7-luc was digested with the restriction enzymes BamHI and KhoI to recover a 1.9 kb BamHI fragment. This fragment encodes the entire base sequence of firefly luciferase. Therefore, these fragments were ligated with the DNA Ligation Kit to construct the target plasmid. Escherichia coli HB101 was transformed with this plasmid. Ampicillin resistance was used for the screening.

【0044】実験結果 MCSの導入 MCSが導入されたと考えられるプラスミドを制限酵素処
理し、既知の遺伝子地図によって、その確認を行った。
プラスミドpTS301のKpn I断片内には、制限酵素 BglII
切断サイトが4ヵ所存在している。また、プラスミドpT
H3の KpnI断片内には BglIIサイトが1ヵ所存在するこ
とが知られている。そこで、 MCSが導入された思われる
プラスミドについて、 BglIIによる制限酵素処理を行っ
た。
Experimental Results Introduction of MCS The plasmid into which MCS was introduced was treated with a restriction enzyme and confirmed by a known genetic map.
The restriction enzyme BglII is contained in the KpnI fragment of plasmid pTS301.
There are four cutting sites. Also, the plasmid pT
It is known that there is one BglII site in the KpnI fragment of H3. Therefore, restriction enzyme treatment with BglII was performed on the plasmid into which MCS had been introduced.

【0045】その結果、 MCSの導入が確認され、同時に
挿入方向も決定することができた(図10)。これらプ
ラスミドを、 pTSN9およびpTSN12とする。
As a result, the introduction of MCS was confirmed, and at the same time the insertion direction could be determined (FIG. 10). These plasmids are designated as pTSN9 and pTSN12.

【0046】MCSへのホタルルシフェラーゼ遺伝子の導入 プラスミド pTSN9あるいはpTSN12を BamHIで処理し、こ
こにホタルルシフェラーゼ遺伝子を導入し、目的プラス
ミドの構築を行うこととした。プラスミド構造解析に際
しては、制限酵素 KpnIと SacIを同時に用いた。これ
により、プラスミドpTS301の KpnI断片内に存在すると
考えられた SacIサイトの位置を確認することができ
る。
Introduction of Firefly Luciferase Gene into MCS The plasmid pTSN9 or pTSN12 was treated with BamHI, and the firefly luciferase gene was introduced into the plasmid to construct the target plasmid. When analyzing the plasmid structure, restriction enzymes KpnI and SacI were used at the same time. This makes it possible to confirm the position of the SacI site that was considered to exist in the KpnI fragment of plasmid pTS301.

【0047】さらに、ホタルルシフェラーゼ遺伝子内に
存在することが明かな SacIサイトを利用することで、
ルシフェラーゼの導入方向を決定することも可能とな
る。
Furthermore, by using the SacI site which is clearly present in the firefly luciferase gene,
It is also possible to determine the introduction direction of luciferase.

【0048】その結果、ルシフェラーゼ遺伝子の挿入の
有無を含めて3種類のプラスミドが新たに得られたこと
がわかった(図11)。そこで、これらのプラスミドを
それぞれpTSN 302,pTSN304,pTSN316とした。 pTSN302
は、ホタルルシフェラーゼ遺伝子が挿入されていないプ
ラスミドである。また、 pTSN304はルシフェラーゼ遺伝
子がPsに対し逆向きに挿入されたものであり、 pTSN316
が目的のプラスミドである。以上により、次のような新
規プラスミドが得られた。
As a result, it was found that three types of plasmids were newly obtained, including the presence or absence of the luciferase gene insertion (FIG. 11). Therefore, these plasmids were designated as pTSN 302, pTSN304 and pTSN316, respectively. pTSN302
Is a plasmid in which the firefly luciferase gene has not been inserted. In addition, pTSN304 has the luciferase gene inserted in the opposite direction to Ps.
Is the desired plasmid. From the above, the following novel plasmid was obtained.

【0049】 MCSを有するベクター系プラスミド pTSN9 XylR+ xylS promoter(Ps) Ampr Kmr pTSN12 XylR+ xylS promoter(Ps) Ampr Kmr MCSにホタルルシフェラーゼ遺伝子(luc)を導入した
プラスミド pTSN304 XylR+ xylS promoter(Ps) luc Ampr pTSN316 XylR+ xylS promoter(Ps) luc Ampr プラスミドpTS301の KpnI断片の再環化 pTSN301 XylR+ xylS promoter(Ps) Ampr
Vector system plasmid having MCS pTSN9 XylR + xylS promoter (Ps) Amp r Km r pTSN12 XylR + xylS promoter (Ps) Amp r Km r A plasmid obtained by introducing a firefly luciferase gene (luc) into MCS pTSN304 XylR + xylS promoter (Ps) luc Amp r pTSN316 XylR + xylS promoter (Ps) luc Amp r Recyclization of KpnI fragment of plasmid pTS301 pTSN301 XylR + xylS promoter (Ps) Amp r

【0050】マーカー微生物としての基本特性プラスミドpTSN316 により形質転換した大腸菌による有
機化合物の検出 以下に、上記プラスミドpTS301により形質転換された大
腸菌HB101(pTSN316)を用いての BTX類の発光モニタリン
グの具体的実験例について説明する。
Basic characteristics as marker microorganisms E. coli transformed with the plasmid pTSN316
Detection of organic compounds Hereinafter, specific experimental examples of luminescence monitoring of BTXs using Escherichia coli HB101 (pTSN316) transformed with the above plasmid pTS301 will be described.

【0051】本実験で指標酵素として用いたホタルルシ
フェラーゼ遺伝子は、北米産ホタルPhotinus pyralisか
らカリフォルニア大学のDeLucaらによってクローニング
されたものである。プラスミドpT3/T7-luc では、ホタ
ルルシフェラーゼをコードする遺伝子領域が1.9kb から
なるBamHI 断片内に存在している。また、この領域は55
0アミノ酸残基よりなるホタルルシフェラーゼの全合成
を可能とする1650塩基対のオープンリーディングフレー
ム(ORF) を有している。
The firefly luciferase gene used as an indicator enzyme in this experiment was cloned from North American firefly Photinus pyralis by DeLuca et al. Of the University of California. In the plasmid pT3 / T7-luc, the gene region encoding firefly luciferase is present in the BamHI fragment consisting of 1.9 kb. Also, this area is 55
It has an open reading frame (ORF) of 1650 base pairs that enables total synthesis of firefly luciferase consisting of 0 amino acid residues.

【0052】上記したように、ホタルの発光反応には、
酵素ルシフェラーゼと基質であるルシフェリン、 ATP、
Mg2+、それにO2が必要である。ところで、ホタルルシフ
ェラーゼを大腸菌内で発現させた場合には、これら基質
の供給に問題が生じる。環境汚染物質の発光モニタリン
グを目的とする場合、分子育種した発光微生物を用いる
うえでの最大の難点は、基質であるルシフェリンの産生
系が宿主細胞に存在しないことである。発光細菌V.harv
eyi では、ルシフェラーゼ遺伝子とともに基質となる飽
和長鎖アルデヒドを合成する酵素群がクローニングされ
ており、生物発光系の再構築が比較的容易である。一方
ホタルの発光系においては、ルシフェリン合成酵素群は
未だ同定されておらず、ホタルルシフェリンはあくまで
も菌体外部から供給する必要がある。
As described above, the luminescent reaction of firefly is
The enzyme luciferase and the substrate luciferin, ATP,
Mg 2+ and O 2 are required. By the way, when firefly luciferase is expressed in Escherichia coli, a problem occurs in the supply of these substrates. For the purpose of luminescence monitoring of environmental pollutants, the biggest difficulty in using a molecularly bred luminescent microorganism is that the production system of luciferin as a substrate does not exist in the host cell. Luminescent bacteria V.harv
At eyi, a group of enzymes that synthesize a saturated long-chain aldehyde that serves as a substrate has been cloned together with the luciferase gene, and the bioluminescence system can be reconstructed relatively easily. On the other hand, in the firefly luminescence system, the luciferin synthase group has not been identified yet, and the firefly luciferin must be supplied from the outside of the cells.

【0053】また、上述のように、 TOLプラスミドの調
節遺伝子xyl 産物R(XylRタンパク質) は、有機化合物
中、特定の芳香族化合物に対し親和性を示し、TOL プラ
スミドにおける遺伝子発現制御を行っている。芳香族化
合物のうちでは環境汚染物質としてベンゼン、トルエ
ン、キシレンなどの工業的に大規模に使用されている B
TX類が最も汎用性のある対象である。分子育種した微生
物による、これらベンゼン誘導体の濃度あるいは種類に
応じたモニタリング系の実際については後述する。
Further, as described above, the regulatory gene xyl product R (XylR protein) of the TOL plasmid exhibits affinity for a specific aromatic compound in an organic compound, and controls gene expression in the TOL plasmid. . Among aromatic compounds, benzene, toluene, xylene, etc. are used industrially on a large scale as environmental pollutants B
TXs are the most versatile targets. The actual condition of the monitoring system depending on the concentration or type of these benzene derivatives by the molecularly-bred microorganism will be described later.

【0054】まず上記で構築したプラスミドにより形質
転換した大腸菌HB101(pTSN316)の誘導物質存在下での発
光を確認した後、誘導物質濃度および誘導物質種に対す
る発光応答を調べた。また、菌体による発光が菌体内部
のルシフェラーゼ産生量に対応するかについての実験を
おこなった。
First, the luminescence of Escherichia coli HB101 (pTSN316) transformed with the above constructed plasmid in the presence of the inducer was confirmed, and then the luminescent response to the inducer concentration and the inducer species was examined. In addition, an experiment was conducted to determine whether the luminescence produced by the cells corresponds to the amount of luciferase produced inside the cells.

【0055】実験方法試薬 D-(-)-ルシフェリンはBoehringer Mannheim GmbHより購
入した。Yeast ExtratおよびBacto Trypton は Difco社
製を使用した。アンピシリンナトリウムは和光純薬
(株)のものを使用した。誘導物質として用いた、ベン
ゼン、トルエン、 o- , m- , p- キシレンなどの芳香
族化合物は全て特級を使用した。その他の試薬も全て特
級を使用した。
Experimental Method Reagent D-(-)-luciferin was purchased from Boehringer Mannheim GmbH. Yeast Extrat and Bacto Trypton used were manufactured by Difco. The ampicillin sodium used was that of Wako Pure Chemical Industries, Ltd. Aromatic compounds such as benzene, toluene, o-, m-, and p-xylene used as inducers were all of special grade. All other reagents were of special grade.

【0056】培養方法 Culture method

【0057】大腸菌HB101 の培養には、L broth(1% t
rypton 0.5% yeast extract,0.5%NaCl,pH7.4)を用
い、培地中には終濃度100 μg/mlになるようにアンピシ
リンを加えた。培養温度は30℃に、振とう速度は毎分 1
40回転に設定した。前培養した菌液(2%濃度)を培地
中に播種し、この時点を培養開始とした。
For culturing E. coli HB101, L broth (1% t
rypton 0.5% yeast extract, 0.5% NaCl, pH 7.4) was used, and ampicillin was added to the medium to a final concentration of 100 μg / ml. Culture temperature is 30 ° C, shaking speed is 1 minute
I set it to 40 rpm. The precultured bacterial solution (2% concentration) was inoculated into the medium, and the culture was started at this point.

【0058】ルシフェラーゼ誘導に際しては、Nakazawa
らの方法を参考にした。すなわち、ベンゼンやトルエン
を誘導物質として用いるにあたり、50mlのL broth を含
む 200mlの三角フラスコを密閉し、このフラスコ内に
0.2mlの各芳香族化合物を入れた試験管( 直径10mm、長
さ 100mm) を固定することとした。これにより培地中に
芳香族化合物が気液平衡関係を保ちながら溶け込むこと
になる。また、 m- メチルベンジルアルコール(m-MBA)
は直接L broth 中に溶解した。
For the induction of luciferase, Nakazawa
These methods were referenced. That is, when using benzene or toluene as the inducer, a 200 ml Erlenmeyer flask containing 50 ml of L broth was sealed and placed in this flask.
A test tube (diameter 10 mm, length 100 mm) containing 0.2 ml of each aromatic compound was fixed. As a result, the aromatic compound is dissolved in the medium while maintaining a gas-liquid equilibrium relationship. In addition, m-methylbenzyl alcohol (m-MBA)
Dissolved directly in L broth.

【0059】測定装置および方法 測定装置 発光測定には、フォトンカウンティングシステムを用い
た。測定装置の概略を図13にそれぞれ示した。測定装
置は図に示したように、暗箱1、フォトマルチプライヤ
ーチューブ(光電子増倍管)2、フォトンカウンター
3、サーリングユニット4、デジタルストレージオシロ
スコープ5、 X-Y レコーダー6から構成されている。
暗箱内には恒温セルホルダーを設置してあり、発光測定
を30℃の一定条件で行うことができる。
Measuring Device and Method Measuring Device A photon counting system was used for luminescence measurement. The outline of the measuring device is shown in FIG. As shown in the figure, the measuring device is composed of a dark box 1, a photomultiplier tube (photomultiplier tube) 2, a photon counter 3, a selling unit 4, a digital storage oscilloscope 5, and an XY recorder 6.
A constant temperature cell holder is installed in the dark box, and luminescence measurement can be performed at a constant condition of 30 ° C.

【0060】フォトマルチプライヤーチューブ(R464)、
フォトンカウンター(C1230) は浜松ホトニクス(株)製
を、デジタルストレージオシロスコープ(DS-6612C)は岩
崎通信機(株)製を、 X-Y レコーダー(WX2400)はグラ
フテック(株)製を使用した。大腸菌の菌密度の測定に
は紫外可視分光光度計(日本分光Ubest-30) を用いた。
Photomultiplier tube (R464),
The photon counter (C1230) was manufactured by Hamamatsu Photonics Co., Ltd., the digital storage oscilloscope (DS-6612C) was manufactured by Iwasaki Tsushinki Co., Ltd., and the XY recorder (WX2400) was manufactured by Graphtec Co., Ltd. An ultraviolet-visible spectrophotometer (JASCO Ubest-30) was used to measure the bacterial density of E. coli.

【0061】 大腸菌による発光測定 L brothで培養した大腸菌を所定時間後にサンプリング
し、紫外可視分光光度計で菌密度を測定した。(A660)。
この菌体1mlを遠心集菌後、1mlの STE緩衝液(100mM N
aCl,10mM Tris-Cl pH7.8, 1mM EDTA)で2回洗浄(4
℃)する。集菌した菌体を 1.8mlの同じ緩衝液に懸濁
し、5分間、30℃でインキュベートする。これに終濃度
が 0.1mMになるようにD-(-)-ルシフェリン溶液 0.2mlを
加え、セル内の液量を 2.0mlとする。このとき、フォト
マルチプライヤーチューブの受光窓前面の液量変化は無
視できる。D-(-)-ルシフェリン溶液を添加した時点を反
応開始時間として、一定時間経過後の発光量を一秒間あ
たりの光子数(cps) で評価する。
Luminescence measurement by E. coli E. coli cultured in L broth was sampled after a predetermined time, and the bacterial density was measured by an ultraviolet-visible spectrophotometer. (A660).
After centrifuging 1 ml of these cells, 1 ml of STE buffer (100 mM N
Wash twice with aCl, 10mM Tris-Cl pH7.8, 1mM EDTA (4
℃). The collected cells are suspended in 1.8 ml of the same buffer and incubated at 30 ° C for 5 minutes. To this, add 0.2 ml of D-(-)-luciferin solution to a final concentration of 0.1 mM, and make the volume in the cell 2.0 ml. At this time, the change in the liquid amount in front of the light receiving window of the photomultiplier tube can be ignored. The reaction start time was defined as the time when the D-(-)-luciferin solution was added, and the amount of luminescence after a certain period of time is evaluated by the number of photons (cps) per second.

【0062】 可溶性画分におけるルシフェラーゼ活性の測定 可溶性画分の調製およびルシフェラーゼ活性測定はDeLu
caらの方法に改良を加えた。以下、その方法を説明す
る。
Measurement of luciferase activity in soluble fraction DeLu was used for the preparation of soluble fraction and measurement of luciferase activity.
Improvements were made to the method of ca et al. The method will be described below.

【0063】大腸菌の菌密度(A660)を測定後、培養液1
mlを遠心集菌し、上清をデカンテーションにより除く。
菌体を 0.8mlのlysis buffer(10mM Tris-Cl,pH8.0/1.0
mM EDTA/lysozyme(1mg/ml))に懸濁し、氷上で15分
間放置後、 -80℃で凍結した。次いで25℃で融解し、15
000rpmで15分間遠心操作を行い、沈澱物を除いた。上澄
液を発光大腸菌の可溶性画分とした。
After measuring the bacterial density (A660) of E. coli, culture medium 1
Centrifuge the cells in ml and remove the supernatant by decantation.
Add 0.8 ml of lysis buffer (10 mM Tris-Cl, pH8.0 / 1.0
The cells were suspended in mM EDTA / lysozyme (1 mg / ml), left for 15 minutes on ice, and then frozen at -80 ° C. Then melt at 25 ° C, 15
The precipitate was removed by centrifugation at 000 rpm for 15 minutes. The supernatant was used as the soluble fraction of luminescent E. coli.

【0064】上記の可溶性画分 0.2mlをルシフェラーゼ
活性測定に用いることとした。可溶性画分 0.2mlを25mM
のグリシルグリシン緩衝液(pH7.8)1.2mlで希釈し、さら
に20mMの ATP溶液(pH7.8) を 0.2ml加えておく。この溶
液に、基質混合液(0.1mM D-(-)-luciferin/5mM MgCl2
/25mM glycylglycine) を 0.4ml加えることで発光反応
を開始た。酵素活性の評価は反応開始直後に見られるピ
ークの高さで行うことにした。
0.2 ml of the above soluble fraction was used for measuring luciferase activity. Soluble fraction 0.2 ml to 25 mM
Dilute with 1.2 ml of glycylglycine buffer solution (pH 7.8), and add 0.2 ml of 20 mM ATP solution (pH 7.8). Substrate mixture (0.1 mM D-(-)-luciferin / 5 mM MgCl 2 ) was added to this solution.
The luminescence reaction was started by adding 0.4 ml of / 25 mM glycylglycine). It was decided to evaluate the enzyme activity based on the height of the peak observed immediately after the start of the reaction.

【0065】結果 発光の経時変化 TOLプラスミドのxylR,xylS 遺伝子領域に作用する代表
的な誘導物質としてm-キシレンを用いた。このとき、図
14よりm-キシレンを飽和させた気相に接触させた条件
下で培養した大腸菌は、非誘導状態で培養した大腸菌と
比較すると、増殖速度にほとんど影響を受けないことが
わかった。
Results Time-dependent changes in luminescence m-xylene was used as a typical inducer acting on the xylR and xylS gene regions of the TOL plasmid. At this time, it was found from FIG. 14 that Escherichia coli cultivated under the condition of being brought into contact with the gas phase saturated with m-xylene was hardly affected by the growth rate as compared with Escherichia coli cultivated in the non-induced state. .

【0066】また各増殖段階における発光量変化を測定
したところ、図15、図16および図17に示すような
結果を得た。
When the change in the luminescence amount at each growth stage was measured, the results shown in FIGS. 15, 16 and 17 were obtained.

【0067】図18、図19には、各増殖段階でサンプ
リングした大腸菌の発光反応開始5分後の発光量を培養
時間および菌密度に対して示す。m-キシレンを誘導物質
として用いた場合、非誘導状態で培養した菌体からの発
光を10倍程度上回るルミネッセンスが観察された。した
がって、上記のように設計・構築したプラスミドpTSN31
6 で形質転換した大腸菌HB101 により、芳香族化合物を
検出することができる。
FIGS. 18 and 19 show the amount of luminescence of Escherichia coli sampled at each growth stage after 5 minutes from the start of the luminescence reaction with respect to the culture time and the bacterial density. When m-xylene was used as the inducer, the luminescence was observed about 10 times higher than the luminescence from the cells cultured in the non-induced state. Therefore, plasmid pTSN31 designed and constructed as described above.
Aromatic compounds can be detected by Escherichia coli HB101 transformed with 6.

【0068】ルシフェラーゼ活性の相関 誘導物質にm-キシレンを用いたときの菌体の発光変化は
先に述べた。ところで、大腸菌を含むグラム陰性菌で
は、疎水性化合物あるいは分子量の大きな化合物の菌体
内への取り込みは、外膜(OM)が障壁となり困難である。
一方、親水性化合物は比較的容易に菌体内に取り込まれ
るとされている。これらは、生体膜の疎水性に起因する
現象であるが、図16に示すように、発光反応の応答速
度の遅れはルシフェリンの膜透過性の悪さ、すなわちル
シフェリンの疎水性に由来している。したがって、本実
験ではルシフェリンを添加する前に菌体をEDTAを含む緩
衝液で洗浄した。これにより、大腸菌のリポ多糖類膜(L
PS) の破壊を引き起こし、外膜の疎水性を高めることに
よって疎水性化合物の細胞内透過を促進した。
The change in luminescence of bacterial cells when m-xylene was used as a correlative inducer of luciferase activity was described above. By the way, in Gram-negative bacteria including Escherichia coli, it is difficult for a hydrophobic compound or a compound having a large molecular weight to be taken up into the cells by the outer membrane (OM) as a barrier.
On the other hand, it is said that the hydrophilic compound is taken into the microbial cells relatively easily. Although these are phenomena caused by the hydrophobicity of the biological membrane, as shown in FIG. 16, the delay in the response rate of the luminescence reaction is due to the poor membrane permeability of luciferin, that is, the hydrophobicity of luciferin. Therefore, in this experiment, the cells were washed with a buffer solution containing EDTA before adding luciferin. This allows the E. coli lipopolysaccharide membrane (L
It promoted the intracellular permeation of hydrophobic compounds by causing the destruction of PS) and increasing the hydrophobicity of the outer membrane.

【0069】ここでは、菌体からの発光と菌体内部のル
シフェラーゼ量との間の相関関係を調べることにより、
大腸菌における環境汚染物質のルシフェラーゼ誘導を検
討した。その結果を、図20と図21に示す。ここで、
菌体内ルシフェラーゼ量は、図20における最初のピー
クの高さに対応していることを利用した。
Here, by examining the correlation between the luminescence from the bacterial cells and the amount of luciferase inside the bacterial cells,
We examined the luciferase induction of environmental pollutants in E. coli. The results are shown in FIGS. 20 and 21. here,
The amount of intracellular luciferase used that corresponds to the height of the first peak in FIG.

【0070】以上の結果より、菌体による発光は菌体内
ルシフェラーゼ量と良好に相関するこが明らかになっ
た。また、菌体を用いた発光量評価に際しては、発光反
応開始5分後の発光量を基準値にすることにした。
From the above results, it was clarified that the luminescence by the bacterial cells correlates well with the intracellular luciferase amount. Further, in the evaluation of the luminescence amount using the bacterial cells, the luminescence amount 5 minutes after the start of the luminescence reaction was set as the reference value.

【0071】誘導物質濃度に対する発光 ここでは、誘導物質としてm-メチルベンジルアルコール
(m-MBA) を用いた。m-MBA は、 TOLプラスミドの調節遺
伝子xylR,xyls に作用することが明らかにされており、
水溶液系に可溶なため培地中濃度と発光量を容易に定量
化できるものと考えられる。しかし、培地中に直接m-MB
A を添加することによって、大腸菌の生育が影響を受け
ることも考えられる。また、一般的にはm-MBA などの芳
香族化合物は微生物の外膜を破壊するとされている。そ
のため、ルシフェリンの膜透過性に対しても何らかの変
化が生じると考えられる。そこで、ここでは、各増殖段
階における菌体による発光を測定すると同時に、可溶性
画分による発光との間の相関関係を調べた。その結果
を、図22、図23、図24および図25に示した。
Luminescence vs. Inducer Concentration Here, m-methylbenzyl alcohol was used as the inducer.
(m-MBA) was used. m-MBA has been shown to act on the TOL plasmid regulatory genes xylR and xyls,
Since it is soluble in an aqueous system, it is considered that the concentration in the medium and the amount of luminescence can be easily quantified. However, m-MB directly in the medium
The addition of A may affect the growth of E. coli. It is generally said that aromatic compounds such as m-MBA destroy the outer membrane of microorganisms. Therefore, it is considered that some change occurs in the membrane permeability of luciferin. Therefore, here, the luminescence by the bacterial cells at each growth stage was measured, and at the same time, the correlation with the luminescence by the soluble fraction was examined. The results are shown in FIGS. 22, 23, 24 and 25.

【0072】図22より、m-MBA が存在するとその濃度
に応じて大腸菌の生育に抑制がかかることが明らかとな
った。表2に、各設定濃度に対する大腸菌の増殖速度を
示した。
From FIG. 22, it was revealed that the presence of m-MBA suppressed the growth of E. coli depending on the concentration thereof. Table 2 shows the growth rate of Escherichia coli for each set concentration.

【0073】[0073]

【表2】 [Table 2]

【0074】また、図25によりm-MBA 濃度に対し菌体
の発光が増大すること分かった。さらに、図25から菌
体による発光とその可溶性画分による発光との間に相関
関係があることが明らかとなった。以上の結果より、本
実験で分子育種した微生物、大腸菌HB101(pTSN316)を用
いると環境中に存在するベンゼン誘導体の濃度を測定す
ることができる。
Further, it was found from FIG. 25 that the luminescence of the cells increased with the concentration of m-MBA. Furthermore, it was revealed from FIG. 25 that there is a correlation between the luminescence by the bacterial cells and the luminescence by the soluble fraction thereof. From the above results, it is possible to measure the concentration of the benzene derivative existing in the environment by using Escherichia coli HB101 (pTSN316), which is a microorganism bred in this experiment.

【0075】誘導物質種の検索 次に、大腸菌HB101(pTSN316)のルシフェラーゼ発現の誘
導物質となり得る他の芳香族化合物の検索を行った。こ
の検索は、xylRタンパク質と芳香族化合物の親和性評価
でもある(図3参照)。誘導物質の選択基準は、xylRタ
ンパク質によるオペロン1およびオペロン2の転写活性
評価に関する報文(abril,M.-A., Michan,C., Timmis,
K.N. and Ramos, J. L., J.Bacteriol., 171, 6782(1
989)) を参考にした。この文献によれば、xylRタンパク
質と相互作用を及ぼし合う芳香族化合物の構造には、 -CH3ないし-CH2OH基がベンゼン環に一つ結合してい
ることが必要。 これに対する-o,m-,p-位の炭素にアルキル基ないし
クロロ基は存在しても差し支えない。 xylRタンパク質の芳香族化合物認識部位は対称性を
有しており、o-位あるいはm-位に置換基が存在しても差
し支えない。 p-位の炭素にクロロ基が導入されているときに限
り、1位への-CHO基の導入が許される。 という原則がある。ただし、ここで問題にしているのは
オペロン1 とオペロン2のプロモーター領域、すなわちP
uとPmに対するxylRタンパク質による転写活性の誘導で
ある。上記で構築したプラスミドpTSN316 では、ホタル
ルシフェラーゼ遺伝子はxylsのプロモーターPs 下流に
クローニングされているため、xylRタンパク質の結合す
る遺伝子配列の微妙な違いが、転写活性の相違となって
表れる可能性がある。したがって、本節においては前述
した原則の再検討を行うことにした。そこで、以下の芳
香族化合物について誘導物質としての可能性を検討する
こととし、はじめに TOLプラスミドの強力な誘導物質で
あるm-キシレンの異性体構造について発光測定を行っ
た。
Search for Inducer Species Next, another aromatic compound that could be an inducer of luciferase expression in Escherichia coli HB101 (pTSN316) was searched. This search is also an affinity evaluation of xylR protein and aromatic compounds (see FIG. 3). The selection criterion for the inducer is a report on the evaluation of transcriptional activity of operon 1 and operon 2 by xylR protein (abril, M.-A., Michan, C., Timmis,
KN and Ramos, JL, J. Bacteriol., 171 , 6782 (1
989)). According to this document, the structure of an aromatic compound that interacts with the xylR protein requires that one -CH 3 or -CH 2 OH group be attached to the benzene ring. On the other hand, an alkyl group or a chloro group may be present on the carbons at the -o, m-, p-positions. The aromatic compound recognition site of the xylR protein has symmetry, and a substituent may be present at the o-position or m-position. Only when the chloro group is introduced at the carbon at the p-position, introduction of the -CHO group at the 1-position is allowed. There is a principle. However, the issue here is the promoter region of operon 1 and operon 2, namely P
Induction of transcriptional activity by xylR protein for u and Pm. In the plasmid pTSN316 constructed above, the firefly luciferase gene was cloned downstream of the promoter Ps of xyls, so a subtle difference in the gene sequence to which the xylR protein binds may appear as a difference in transcription activity. Therefore, in this section, we decided to reexamine the above-mentioned principles. Therefore, we decided to investigate the possibility of the following aromatic compounds as inducers, and first performed luminescence measurements on the isomer structure of m-xylene, which is a strong inducer of TOL plasmid.

【0076】測定芳香族化合物 ベンゼン、トルエン、エチルベンゼン o-,m-, p-キシレン o-,m-, p-エチルトルエン o-,m-, p-クロロトルエン 1,2,3-,1,2,4-,1,3,5- トリメチルベンゼンベンズアル
デヒド
Measurement Aromatic compounds Benzene, toluene, ethylbenzene o-, m-, p-xylene o-, m-, p-ethyltoluene o-, m-, p-chlorotoluene 1,2,3-, 1, 2,4-, 1,3,5-Trimethylbenzenebenzaldehyde

【0077】誘導物質種の検索 o-,m-, p-キシレンによる誘導 各誘導物質存在下の増殖曲線は図26に示したようなも
のが得られた。この図より、大腸菌の生育に違いは見ら
れなかった。
Search for inducer species Induction with o-, m-, p-xylene The growth curves in the presence of each inducer were as shown in FIG. 26. From this figure, there was no difference in the growth of E. coli.

【0078】つぎに各増殖段階における発光の経時変化
を観測した。その結果を図27、図28、図29に示し
た。その結果、増殖段階によりキシレンの発光誘導効果
が異なることが示された。すなわち、対数増殖期中期か
ら後期にかけては、m-キシレンによる発光が、他の異性
体構造による発光より大きいことが明らかになった。そ
こで、図30に菌密度に対する発光量をプロットした。
その結果、各キシレン異性体による発光の誘導が微妙に
異なり、とりわけ大腸菌の増殖段階による発光挙動の相
違が観察できた。大腸菌HB101(pTSN316)においては、ル
シフェラーゼ活性は TOLプラスミドの調節遺伝子産物xy
lRタンパク質により制御されている。したがってこの大
腸菌による発光は、ルシフェラーゼ産生がxylRタンパク
質にのみ制御されるならば、xylRタンパク質自体の産生
量を反映するものと考えられる。また、初めに述べたよ
うに IHFなどの補助的な因子の関連を反映するものと考
えられる。
Next, the time-dependent change in luminescence at each growth stage was observed. The results are shown in FIGS. 27, 28 and 29. As a result, it was shown that the luminescence-inducing effect of xylene differs depending on the growth stage. That is, it was revealed that the emission from m-xylene was larger than the emission from other isomeric structures from the middle to the late logarithmic growth phase. Then, the amount of luminescence with respect to the bacterial density was plotted in FIG.
As a result, the induction of luminescence by each xylene isomer was slightly different, and in particular, the difference in luminescence behavior depending on the growth stage of Escherichia coli could be observed. In Escherichia coli HB101 (pTSN316), the luciferase activity is the regulatory gene product xy of the TOL plasmid.
It is regulated by the lR protein. Therefore, if the luciferase production is controlled only by the xylR protein, this luminescence by Escherichia coli is considered to reflect the production amount of the xylR protein itself. It is also considered to reflect the relationship between auxiliary factors such as IHF, as mentioned earlier.

【0079】次いで、誘導物質非存在下で培養した大腸
菌HB101(pTSN316)の発光に対する相対評価を、キシレン
の各異性体について行った。その結果を図31に示し
た。図31は、各誘導物質による菌体からの相対発光量
が反応時間にほとんど依存しないことを意味している。
Next, relative evaluation of luminescence of Escherichia coli HB101 (pTSN316) cultured in the absence of an inducer was carried out for each isomer of xylene. The result is shown in FIG. FIG. 31 means that the relative amount of light emitted from the bacterial cells by each inducer hardly depends on the reaction time.

【0080】そこで、以後の発光測定は、これらの有機
化合物を気相に含む条件下で培養した大腸菌HB101(pTSN
316)を菌密度A660=1.0のときにサンプリングすることで
行った。また発光量の評価は、発光反応開始5分後の発
光量を非誘導状態の菌体からの発光量に対して比較する
ことで行うことにした。
Therefore, the subsequent luminescence measurement was carried out by using Escherichia coli HB101 (pTSN) cultured under conditions containing these organic compounds in the gas phase.
316) was sampled when the bacterial density was A 660 = 1.0. Further, the evaluation of the luminescence amount was made by comparing the luminescence amount 5 minutes after the initiation of the luminescence reaction with the luminescence amount from the non-induced cells.

【0081】誘導物質種の検索 a トルエン、エチルベンゼン、ベンズアルデヒド b ベンゼン、o-,m-,p-エチルトルエン c o-,m-,p-クロロトルエン d 1,2,3-,1,2,4-,1,3,5-トリメチルベンゼン Search for inducer species a Toluene, ethylbenzene, benzaldehyde b benzene, o-, m-, p-ethyltoluene co-, m-, p-chlorotoluene d 1,2,3-, 1,2, 4-, 1,3,5-trimethylbenzene

【0082】以上の13種類の芳香族化合物について発光
測定を行い、各化合物について菌体による発光量を相対
評価した。 a 図32、図33 b 図34、図35 c 図36、図37 d 図38、図39 に結果を
示した。
Luminescence was measured for the above 13 kinds of aromatic compounds, and the amount of luminescence by the fungus body was relatively evaluated for each compound. a The results are shown in FIGS. 32, 33 b 34, 35 c 36, 37 d 38 and 39.

【0083】また、発光量の相対評価の結果を表3にま
とめた。
Table 3 shows the results of relative evaluation of the amount of emitted light.

【0084】[0084]

【表3】 [Table 3]

【0085】これらの結果より、xylRタンパク質が認識
し得る(親和性を有する)構造の芳香族化合物に前述の
原則が適用できることが明らかである。
From these results, it is clear that the above-mentioned principle can be applied to an aromatic compound having a structure which can be recognized by the xylR protein (has an affinity).

【0086】また、菌体による相対発光量の変動は図3
3、図35、図37、図39に示したように、時間変化
の影響を受けにくい。したがって、環境汚染物質の迅速
かつ非破壊な発光測定が大腸菌HB101(pTSN316)により示
唆された。
The fluctuation of the relative luminescence amount due to the bacterial cells is shown in FIG.
As shown in FIG. 3, FIG. 35, FIG. 37 and FIG. Therefore, a rapid and non-destructive luminescence measurement of environmental pollutants was suggested by E. coli HB101 (pTSN316).

【0087】以上のように、発光計測を指標とするプラ
スミドにより形質転換した大腸菌を用いることによっ
て、環境汚染物質となる BTX類の検出が可能となる。す
なわち、キシレンの完全分解酵素系を有する TOLプラス
ミドの調節遺伝子領域 xylsのプロモーター(Ps)制御下
にホタルルシフェラーゼ遺伝子をクローニングしたプラ
スミドpTSN316 により形質転換した大腸菌HB101 が、特
定の芳香族化合物の種類と濃度に応じてルミネッセンス
を発生することが明らかになった。
As described above, by using Escherichia coli transformed with a plasmid whose luminescence measurement is used as an index, it becomes possible to detect BTXs which are environmental pollutants. That is, Escherichia coli HB101 transformed with the plasmid pTSN316 in which the firefly luciferase gene was cloned under the control of the promoter (Ps) of the regulatory gene region xyls of the TOL plasmid that has a complete degrading enzyme system for xylene was used, and the specific aromatic compound type and concentration were It has been revealed that luminescence is generated in response to.

【0088】[0088]

【効果】 分子育種した大腸菌HB101(pTSN316)を用いて、環境
汚染物質としての芳香族化合物等の有機化合物の発光モ
ニタリングを行なうことができる。 構築した微生物による発光光量は有機化合物濃度に
応じて増大するので、この発光光量を測定することによ
り、環境中に存在する誘導物質の量の測定が可能であ
る。また、菌体による発光は、ルシフェラーゼ産生量に
対応するものである。 芳香族化合物の構造、とりわけ官能基の種類と位置
がルシフェラーゼ活性の誘導を制御している。これは調
節遺伝子xylR産物であるxylRタンパク質の有機化合物認
識の特異性に起因すると考えられる。
[Effects] Escherichia coli HB101 (pTSN316) subjected to molecular breeding can be used for luminescence monitoring of organic compounds such as aromatic compounds as environmental pollutants. Since the amount of emitted light by the constructed microorganism increases according to the concentration of the organic compound, the amount of the inducer present in the environment can be measured by measuring the amount of emitted light. Luminescence by the bacterial cells corresponds to the amount of luciferase produced. The structure of the aromatic compound, especially the type and position of the functional group, controls the induction of luciferase activity. This is thought to be due to the specificity of the xylR protein, which is a regulatory gene xylR product, for recognizing organic compounds.

【0089】以上のように、構築した発光大腸菌はベン
ゼン誘導体の種類と濃度に応じてルミネッセンスを発生
するため、生物発光を指標とする微生物の分子育種によ
る環境汚染物質の選択的検出を行なうことができる。こ
の際、TOL プラスミドの他、上記〜の各種分解プラ
スミドを同様に用いることにより、対応する各種分解有
機化合物の検出を行うことができる。
As described above, since the constructed luminescent Escherichia coli emits luminescence depending on the type and concentration of the benzene derivative, it is possible to selectively detect environmental pollutants by molecular breeding of microorganisms using bioluminescence as an index. it can. At this time, in addition to the TOL plasmid, the corresponding various degradative plasmids can be used in the same manner to detect the corresponding various degrading organic compounds.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】TOLプラスミドによる分解経路を示す説明図で
ある。
FIG. 1 is an explanatory diagram showing a degradation pathway by a TOL plasmid.

【図2】TOLプラスミドにおける遺伝子制御機構を示す
図である。
FIG. 2 is a diagram showing a gene control mechanism in a TOL plasmid.

【図3】m−キシレン存在下におけるXy1Rタンパク質に
よる転写活性化モデルを示す図である。
FIG. 3 is a diagram showing a transcription activation model by Xy1R protein in the presence of m-xylene.

【図4】ルシフェリン−ルシフェラーゼ反応機構(ホタ
ル)を示す図である。
FIG. 4 is a diagram showing a luciferin-luciferase reaction mechanism (firefly).

【図5】発光計測用マーカー微生物の概念を示す図であ
る。
FIG. 5 is a diagram showing the concept of luminescent measurement marker microorganisms.

【図6】プラスミドpTS301を示す図である。FIG. 6 shows the plasmid pTS301.

【図7】xy1R,xy1Sプロモーター領域の塩基配列を示す
図である。
FIG. 7 shows the nucleotide sequences of xy1R and xy1S promoter regions.

【図8】Multi Cloning Site(MCS)の導入を示す図であ
る。
FIG. 8 is a diagram showing the introduction of a Multi Cloning Site (MCS).

【図9】MCSへのホタルルシフェラーゼの導入を示す図
である。
FIG. 9 is a diagram showing the introduction of firefly luciferase into MCS.

【図10】アガロースゲル電気泳動による解析を示す図
面代用写である。
FIG. 10 is a drawing-substitute copy showing an analysis by agarose gel electrophoresis.

【図11】アガロースゲル電気泳動による解析を示す図
面代用写真である。
FIG. 11 is a drawing-substituting photograph showing analysis by agarose gel electrophoresis.

【図12】各プラスミドの制限酵素地図を示す図であ
る。
FIG. 12 is a diagram showing a restriction enzyme map of each plasmid.

【図13】本発明方法を実施するための測定装置を示す
概略図である。
FIG. 13 is a schematic view showing a measuring apparatus for carrying out the method of the present invention.

【図14】m-Xylene存在条件下での大腸菌HB101(pTSN31
6)の増殖曲線を示すグラフ図である。
FIG. 14: Escherichia coli HB101 (pTSN31 in the presence of m-Xylene
It is a graph which shows the growth curve of 6).

【図15】m-Xylene存在条件下での大腸菌HB101(pTSN31
6)の増殖曲線(対数初期)を示すグラフ図である。
FIG. 15: Escherichia coli HB101 (pTSN31 in the presence of m-Xylene
It is a graph which shows the growth curve (logarithmic initial stage) of 6).

【図16】m-Xylene存在条件下での大腸菌HB101(pTSN31
6)の増殖曲線(対数中期)を示すグラフ図である。
FIG. 16: Escherichia coli HB101 (pTSN31 in the presence of m-Xylene
It is a graph which shows the growth curve (mid logarithm) of 6).

【図17】m-Xylene存在条件下での大腸菌HB101(pTSN31
6)の増殖曲線(対数後期)を示すグラフ図である。
FIG. 17: Escherichia coli HB101 (pTSN31 in the presence of m-Xylene
It is a graph which shows the growth curve (late log phase) of 6).

【図18】m-Xylene存在条件下での大腸菌HB101(pTSN31
6)の発光挙動(Luciferin 滴下5min.経過後)を示すグ
ラフ図である。
FIG. 18: Escherichia coli HB101 (pTSN31 in the presence of m-Xylene
It is a graph which shows the light emission behavior of 6) (Luciferin dripping 5min. Progress).

【図19】m-Xylene存在条件下での大腸菌HB101(pTSN31
6)の菌体数とその発光挙動(Luciferin 滴下5min.経過
後)を示すグラフ図である。
FIG. 19: Escherichia coli HB101 (pTSN31 in the presence of m-Xylene
FIG. 6 is a graph showing the number of cells of 6) and its luminescence behavior (after 5 minutes of Luciferin dropping).

【図20】L-Lase反応を示すグラフ図である。FIG. 20 is a graph showing an L-Lase reaction.

【図21】m-Xylene存在条件下での大腸菌HB101(pTSN31
6)およびそのリゼートの発光挙動(Luciferin 滴下5mi
n.経過後)を示すグラフ図である。
FIG. 21. Escherichia coli HB101 (pTSN31 in the presence of m-Xylene.
6) and its lysate emission behavior (Luciferin drop 5 mi
It is a graph figure which shows n.

【図22】m-MBAによる誘導と大腸菌HB101(pTSN316)の
菌体数を示すグラフ図である。
FIG. 22 is a graph showing the induction by m-MBA and the number of Escherichia coli HB101 (pTSN316) cells.

【図23】m-MBAによる誘導と大腸菌HB101(pTSN316)の
発光挙動(Luciferin 滴下5min.経過後)を示すグラフ
図である。
FIG. 23 is a graph showing induction by m-MBA and luminescence behavior of Escherichia coli HB101 (pTSN316) (after 5 minutes of dropping Luciferin).

【図24】m-MBAによる誘導と大腸菌HB101(pTSN316)お
よびそのリゼートの発光挙動(Luciferin 滴下5min.経
過後)を示すグラフ図である。
FIG. 24 is a graph showing induction by m-MBA and luminescence behavior of Escherichia coli HB101 (pTSN316) and its lysate (after 5 minutes of Luciferin dropping).

【図25】m-MBA濃度と大腸菌HB101(pTSN316)の発光挙
動(Luciferin 滴下5min.経過後)を示すグラフ図であ
る。
FIG. 25 is a graph showing the m-MBA concentration and the luminescence behavior of Escherichia coli HB101 (pTSN316) (after 5 minutes of dropping Luciferin).

【図26】o-Xylene,m-Xylene,p-Xyleneによる大腸菌HB
101(pTSN316)の誘導を示すグラフ図である。
FIG. 26: Escherichia coli HB with o-Xylene, m-Xylene, p-Xylene
FIG. 6 is a graph showing induction of 101 (pTSN316).

【図27】o-Xylene,m-Xylene,p-Xyleneによる誘導と大
腸菌HB101(pTSN316)の発光挙動を示すグラフ図である。
FIG. 27 is a graph showing induction by o-Xylene, m-Xylene, p-Xylene and luminescence behavior of Escherichia coli HB101 (pTSN316).

【図28】o-Xylene,m-Xylene,p-Xyleneによる誘導と大
腸菌HB101(pTSN316)の発光挙動を示すグラフ図である。
FIG. 28 is a graph showing induction by o-Xylene, m-Xylene, p-Xylene and luminescence behavior of Escherichia coli HB101 (pTSN316).

【図29】o-Xylene,m-Xylene,p-Xyleneによる誘導と大
腸菌HB101(pTSN316)の発光挙動を示すグラフ図である。
FIG. 29 is a graph showing induction by o-Xylene, m-Xylene, p-Xylene and luminescence behavior of Escherichia coli HB101 (pTSN316).

【図30】o-Xylene,m-Xylene,p-Xyleneによる誘導と大
腸菌HB101(pTSN316)の増殖および発光挙動を示すグラフ
図である。
FIG. 30 is a graph showing induction by o-Xylene, m-Xylene, p-Xylene and proliferation and luminescence behavior of Escherichia coli HB101 (pTSN316).

【図31】o-Xylene,m-Xylene,p-Xyleneによる大腸菌HB
101(pTSN316)の発光誘導とその相対強度を示すグラフ図
である。
FIG. 31: E. coli HB with o-Xylene, m-Xylene, p-Xylene
FIG. 4 is a graph showing the luminescence induction of 101 (pTSN316) and its relative intensity.

【図32】Toluene,Ethylbenzene,Benzaldehydeによる
大腸菌HB101(pTSN316)の発光挙動を示すグラフ図であ
る。
FIG. 32 is a graph showing the luminescence behavior of Escherichia coli HB101 (pTSN316) by Toluene, Ethylbenzene and Benzaldehyde.

【図33】Toluene,Ethylbenzene,Benzaldehydeによる
大腸菌HB101(pTSN316)の発光誘導とその相対強度を示す
グラフ図である。
FIG. 33 is a graph showing luminescence induction of Escherichia coli HB101 (pTSN316) by Toluene, Ethylbenzene, and Benzaldehyde and its relative intensity.

【図34】Bezene,o-Ethylbenzene, m-Ethylbenzeneお
よびp-Ethylbenzeneによる大腸菌HB101(pTSN316)の発光
誘導を示すグラフ図である。
FIG. 34 is a graph showing luminescence induction of Escherichia coli HB101 (pTSN316) by Bezene, o-Ethylbenzene, m-Ethylbenzene and p-Ethylbenzene.

【図35】Bezene,o-Ethylbenzene, m-Ethylbenzeneお
よびp-Ethylbenzeneによる大腸菌HB101(pTSN316)の発光
誘導とその相対強度を示すグラフ図である。
FIG. 35 is a graph showing luminescence induction of Escherichia coli HB101 (pTSN316) by Bezene, o-Ethylbenzene, m-Ethylbenzene and p-Ethylbenzene and its relative intensity.

【図36】o-Chlorotoluene,m-Chlorotolueneおよび p-
Chlorotolueneによる大腸菌HB101(pTSN316)の発光誘導
を示すグラフ図である。
FIG. 36: o-Chlorotoluene, m-Chlorotoluene and p-
FIG. 3 is a graph showing luminescence induction of Escherichia coli HB101 (pTSN316) by Chlorotoluene.

【図37】o-Chlorotoluene,m-Chlorotolueneおよび p-
Chlorotolueneによる大腸菌HB101(pTSN316)の発光誘導
とその相対強度を示すグラフ図である。
FIG. 37: o-Chlorotoluene, m-Chlorotoluene and p-
FIG. 3 is a graph showing luminescence induction of Escherichia coli HB101 (pTSN316) by Chlorotoluene and its relative intensity.

【図38】1,2,3-Trimethylbenzene,1,2,4-Trimethylbe
nzeneおよび1,3,5-Trimethylbenzeneによる大腸菌HB101
(pTSN316)の発光誘導を示すグラフ図である。
Figure 38: 1,2,3-Trimethylbenzene, 1,2,4-Trimethylbe
Escherichia coli HB101 by nzene and 1,3,5-Trimethylbenzene
It is a graph which shows the light emission induction of (pTSN316).

【図39】1,2,3-Trimethylbenzene,1,2,4-Trimethylbe
nzeneおよび1,3,5-Trimethylbenzeneによる大腸菌HB101
(pTSN316)の発光誘導とその相対強度を示すグラフ図で
ある。
Figure 39: 1,2,3-Trimethylbenzene, 1,2,4-Trimethylbe
Escherichia coli HB101 by nzene and 1,3,5-Trimethylbenzene
FIG. 4 is a graph showing the luminescence induction of (pTSN316) and its relative intensity.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 暗箱 2 フォトマルチプライヤーチューブ 3 フォトカウンタ 4 サーリングユニット 5 デジタルストレージオシロスコープ 6 X−Yレコーダ 1 Dark Box 2 Photo Multiplier Tube 3 Photo Counter 4 Suring Unit 5 Digital Storage Oscilloscope 6 XY Recorder

フロントページの続き (72)発明者 小畠 英理 北海道札幌市中央区南18条西14丁目1−8 (72)発明者 西口 成司 和歌山県和歌山市塩屋4−6−30Front page continuation (72) Inventor Eri Kobata 1-18, Minami 18-jo Nishi, Chuo-ku, Sapporo-shi, Hokkaido (72) Inventor Seiji Nishiguchi 4-6-30 Shioya, Wakayama, Wakayama Prefecture

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 試料中の有機化合物を特定する方法であ
って、前記有機化合物に作用する分解プラスミドのプロ
モータ以下にルシフェラーゼ遺伝子を導入して得たルシ
フェラーゼ発現型プラスミドで形質転換した大腸菌を、
前記試料中に分散させ、そのときの発光の状態により、
有機化合物を特定する有機化合物の特定方法。
1. A method for identifying an organic compound in a sample, which comprises transforming E. coli transformed with a luciferase-expressing plasmid obtained by introducing a luciferase gene below a promoter of a degradation plasmid that acts on the organic compound,
Dispersed in the sample, depending on the state of light emission at that time,
A method for identifying an organic compound for identifying an organic compound.
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