JPWO2016088870A1 - 耐熱性イソアミラーゼ - Google Patents

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Abstract

耐熱性が向上したイソアミラーゼ、及びデンプンからマルトースの工業的生産方法の提供。配列番号1で表されるアミノ酸配列からなるイソアミラーゼ、又は配列番号1で表されるアミノ酸配列において1〜数個のアミノ酸残基が欠失、置換又は挿入されているイソアミラーゼにおいて、少なくともアミノ酸番号515のバリン及び570のメチオニンが他のアミノ酸に変異したイソアミラーゼ。

Description

本発明は、耐熱性が向上した変異イソアミラーゼ、及び変異イソアミラーゼを用いるマルトースの製造法に関する。
糖化工業において、デンプンやアミロペクチン中のα−1,6−グルコピラノシド結合を加水分解する酵素として、Klebsiella pneumoniaeなどが生産するプルラナーゼ及びイソアミラーゼが知られている。このうち、プルラナーゼは、20%(w/v)以上という高濃度基質存在下では、可逆的な反応、つまりマルトースを重合して4糖を生成したり、また、マルトースをアミロースに転移させたりするため、β−アミラーゼと併用してマルトースを製造する場合、高い純度のマルトースを製造することができない。
一方、イソアミラーゼは、デンプン、アミロペクチン、グリコーゲン中のα−1,6−グルコピラノシド結合を加水分解する酵素であり、可逆的な反応が見られないため、高純度のマルトースが生産できることが知られている。イソアミラーゼ生産菌としては、Pseudomonas amyloderamosa、Flavobacterium odoratum(現Naxibacter haematophilus)などが報告されているが、これらのイソアミラーゼは、至適pHや至適温度などが、併用される各種アミラーゼと合致しないため、十分な能力を発揮できなかった。一般にデンプン糖の生産は、他のアミラーゼの好適条件である50℃以上の高温でpH5.0〜6.0の弱酸性条件下で行われているが、Pseudomonas amyloderamosaが生産するイソアミラーゼは、至適pHが3.0〜4.0と酸性領域に片寄っており(非特許文献1)、耐酸性の弱い麦芽β−アミラーゼや細菌β−アミラーゼ及びα−アミラーゼとは併用が困難であった。また、Flavobacterium odoratum(現Naxibacter haematophilus)などが生産するイソアミラーゼは、至適pHは併用される各種アミラーゼと合致するものの、至適温度が40〜45℃と低く(非特許文献2、3)、各種アミラーゼとの併用が困難であった。
Starch(1996),48:295-300 Enzyme and Microbial Technology(1998),19(6),456−461 Applied and Environmental Microbiology(1999),65(9),4163−4170
デンプン等の多糖類から高純度のマルトースを工業的に製造するには、β−アミラーゼ等のアミラーゼとイソアミラーゼを併用することが望まれているが、Flavobacterium odoratumなどが生産するイソアミラーゼの至適温度は他のアミラーゼの至適温度よりも低く、併用できなかった。
従って、本発明の課題は、より至適温度が向上した、すなわち耐熱性が向上した新たなイソアミラーゼ、及びこれを用いたマルトースの製造法を提供することにある。
そこで本発明者は、前記のFlavobacterium odoratumなどが生産するイソアミラーゼのアミノ酸配列の一部を改変したタンパク質を製造し、その耐熱性を検討したところ、特定の位置の2ヶ所以上を他のアミノ酸に変異させることにより耐熱性が5℃〜10℃向上した変異イソアミラーゼが得られることを見出し、本発明を完成した。
すなわち、本発明は、以下の[1]〜[9]を提供するものである。
[1]配列番号1で表されるアミノ酸配列からなるイソアミラーゼ、又は配列番号1で表されるアミノ酸配列において1〜数個のアミノ酸残基が欠失、置換又は挿入されているイソアミラーゼにおいて、少なくともアミノ酸番号515のバリン及び570のメチオニンが他のアミノ酸に変異したイソアミラーゼ。
[2]アミノ酸変異が、V515P及びM570Lである[1]記載のイソアミラーゼ。
[3]さらに、アミノ酸番号239のセリン、241のスレオニン、534のグリシン及び601のセリンから選ばれる1又は2以上のアミノ酸残基が他のアミノ酸に変異した[1]又は[2]記載のイソアミラーゼ。
[4]アミノ酸変異が、S239N、T241A、G534D及びS601Tから選ばれる1又は2以上である[3]記載のイソアミラーゼ。
[5][1]〜[4]のいずれかに記載のイソアミラーゼをコードする遺伝子。
[6][5]記載の遺伝子を有する組み換えベクター。
[7][6]記載の組み換えベクターで形質転換した形質転換体。
[8][7]記載の形質転換体を培養して、該培養物からイソアミラーゼを採取することを特徴とするイソアミラーゼの製造法。
[9]デンプンに、β−アミラーゼ、α−アミラーゼから選ばれる酵素と、[1]〜[4]のいずれかに記載のイソアミラーゼとを作用させることを特徴とするマルトースの製造法。
本発明のイソアミラーゼは、耐熱性が5℃以上向上しており、他の各種アミラーゼの至適温度と重複する。従って、本発明のイソアミラーゼは、各種アミラーゼと併用してデンプン等に作用させることにより、高純度のマルトースを工業的に有利に生産することができる。
ネイティブおよび各変異体酵素の熱安定性を示す図である。 ネイティブおよび各変異体酵素の至適温度を示す図である。 ネイティブおよび六重変異体酵素のpH安定性を示す図である。 ネイティブおよび六重変異体酵素のカルシウム存在下での耐熱性向上を示す図である。
本発明のイソアミラーゼは、配列番号1で表されるアミノ酸配列からなるイソアミラーゼ、又は配列番号1で表されるアミノ酸配列において1〜数個のアミノ酸残基が欠失、置換又は挿入されているイソアミラーゼにおいて、少なくともアミノ酸番号515のバリン及び570のメチオニンが他のアミノ酸に変異したイソアミラーゼである。
ここで、配列番号1で表されるアミノ酸配列からなるイソアミラーゼは、非特許文献2及び3に記載された、Flavobacterium odoratum(現Naxibacter haematophilus)が産生するイソアミラーゼである。このイソアミラーゼには、同一のアミノ酸配列を有する限り、Flavobacterium odoratum由来でないイソアミラーゼが含まれる。また、同一アミノ酸配列を有する限り、ポリペプチドだけでなく、糖ペプチドも含まれる。なお、配列番号1は、成熟タンパク質のアミノ酸配列を示す。
配列番号1で表されるアミノ酸配列において1〜数個のアミノ酸残基が欠失、置換又は挿入されているイソアミラーゼにおける、アミノ酸残基の欠失、置換又は挿入の数は、配列番号1で表されるアミノ酸配列からなるイソアミラーゼと同等の酵素活性を示すものであれば限定されないが、1〜20個が好ましく、1〜10個がさらに好ましく、1〜8個がさらに好ましい。また、当該欠失、置換又は挿入されたイソアミラーゼと配列番号1のアミノ酸配列との同一性は、80%以上が好ましく、85%以上がより好ましく、90%以上がさらに好ましく、95%以上がさらに好ましい。このような配列の同一性パーセンテージは、基準配列を照会配列として比較するアルゴリズムをもった公開又は市販されているソフトウエアを用いて計算することができる。例として、BLAST、FASTA又はGENETYX(ソフトウエア開発社製)などを用いることができる。
本発明のイソアミラーゼは、少なくとも前記イソアミラーゼのアミノ酸番号515のバリン及び570のメチオニンが他のアミノ酸に変異したものである。なお、配列番号1のアミノ酸配列において1〜数個のアミノ酸残基が欠失、置換又は挿入されたイソアミラーゼの場合には、当該アミノ酸番号515及び570は、変化する場合があるが、その場合、515のバリンに相当するバリン、及び570のメチオニンに相当するメチオニンが、他のアミノ酸に変異したものである。これは、後記のアミノ酸番号239、241、534及び601についても同様であり、変異前のアミノ酸に相当するアミノ酸が存在する位置である。
ここで、他のアミノ酸としては、アミノ酸番号515については、プロリン、イソロイシン、ロイシン、グリシン、アラニンが挙げられ、プロリン、イソロイシンがより好ましく、プロリンがさらに好ましい。従って、アミノ酸番号515の変異としては、V515P、V515I、V515L、V515G、V515Aが挙げられ、V515P、V515Iがより好ましく、V515Pがさらに好ましい。
また、アミノ酸番号570の他のアミノ酸については、ロイシン、イソロイシン、バリン、アラニン、プロリンが挙げられ、ロイシン、イソロイシン、バリン、アラニンがより好ましく、ロイシンがさらに好ましい。従って、アミノ酸番号570の変異としては、M570L、M570I、M570V、M570A、M570Pが挙げられ、M570L、M570I、M570V、M570Aがより好ましく、M570Lがさらに好ましい。
本発明のイソアミラーゼは、少なくともアミノ酸番号515のバリンと570のメチオニンの2ヶ所が他のアミノ酸に変異していることにより5%以上の耐熱性向上が得られる。一方のみの変異では、耐熱性の向上は十分でない。
本発明のイソアミラーゼは、上記2ヶ所以外に、さらに、アミノ酸番号239のセリン、241のスレオニン、534のグリシン及び601のセリンから選ばれる1又は2以上のアミノ酸残基が他のアミノ酸に変異したものであるのが好ましい。
ここで、アミノ酸番号239のセリンの変異後の他のアミノ酸としては、アスパラギン、グルタミンが挙げられ、アスパラギンがより好ましい。従って、アミノ酸番号239の変異としては、S239N、S239Qが挙げられ、S239Nがより好ましい。
アミノ酸番号241のスレオニンの変異後の他のアミノ酸としては、アラニン、セリン、グリシンが挙げられ、アラニンがより好ましい。従って、アミノ酸番号241の変異としては、T241A、T241S、T241Gが挙げられ、T241Aがより好ましい。
アミノ酸番号534のグリシンの変異後の他のアミノ酸としては、アスパラギン酸、グルタミン酸、アスパラギン、グルタミンが挙げられ、アスパラギン酸、グルタミン酸がより好ましく、アスパラギン酸がさらに好ましい。従って、アミノ酸番号534の変異としては、G534D、G534E、G534N、G534Qが挙げられ、G534D、G534Eがより好ましく、G534Dがさらに好ましい。
アミノ酸番号601のセリンの変異後の他のアミノ酸としては、スレオニン、アラニン、グリシン、アスパラギン、バリンが挙げられ、スレオニン、アラニン、グリシンがより好ましく、スレオニンがさらに好ましい。従って、アミノ酸番号601の変異としては、S601T、S601A、S601G、S601N、S610Vが挙げられ、S601T、S601A、S601Gがより好ましく、S601Tがさらに好ましい。
また、アミノ酸番号239、241、534及び601のアミノ酸変異は、1又は2以上であればよいが、前記515及び570に加えて、241の変異;241及び601の変異;239、241及び601の変異;又は239、241、534及び601の変異がされているのが、耐熱性向上の点で好ましい。
より好ましい多重変異の例としては、V515P/M570L、T241A/V515P/M570L、T241A/V515P/M570L/S601T、S239N/T241A/V515P/M570L/S601T、S239N/T241A/V515P/G534D/M570L/S601Tが挙げられる。
本発明の変異イソアミラーゼは、配列番号1で表されるアミノ酸配列からなるイソアミラーゼ、又は配列番号1で表されるアミノ酸配列において1〜数個のアミノ酸残基が欠失、置換又は挿入されているイソアミラーゼにおいて、アミノ酸番号515のバリン及び570のメチオニンが他のアミノ酸に置換し、必要によりさらに239のセリン、241のスレオニン、534のグリシン及び601のセリンから選ばれる1又は2以上のアミノ酸残基が他のアミノ酸に置換することにより構築した遺伝子を用いて製造することができる。
本発明の変異イソアミラーゼを製造するための遺伝子は、前記の変異イソアミラーゼをコードする塩基配列を有する遺伝子であり、例えば前記の配列番号1で示されるアミノ酸配列をコードする遺伝子において、置換すべきアミノ酸配列をコードする塩基配列を、所望のアミノ酸残基をコードする塩基に置換することにより構築することができる。このような部位特異的塩基配列置換のための種々の方法は、当該技術分野においてよく知られており、例えば適切に設計されたプライマーを用いるPCRによって行うことができる。あるいは、改変型のアミノ酸配列をコードする遺伝子を全合成してもよい。
このようにして得た遺伝子を適当な発現ベクターに挿入し、これを適当な宿主(例えば大腸菌)に形質転換する。外来性蛋白質を発現させるための多くのベクター・宿主系が当該技術分野において知られている。変異イソアミラーゼ遺伝子を組み込むための発現ベクターとしては、プラスミドベクターが挙げられ、例えば大腸菌用としてはpET−14b、pBR322等が挙げられる。枯草菌用としては、pUB110等が挙げられる。糸状菌用としては、pPTRI等が挙げられる。また、酵母用としては、pRS403等が挙げられる。
得られた組み換えプラスミドは、大腸菌、枯草菌、糸状菌、酵母等の微生物に形質転換し、当該形質転換体を培養すれば、本発明変異イソアミラーゼが得られる。
本発明のイソアミラーゼは、Flavobacterium odoratumなどが生産するイソアミラーゼに比べて耐熱性が5℃〜10℃向上しており、かつ至適pH、イソアミラーゼ活性、 カルシウム依存性等はFlavobacterium odoratumなどが生産するイソアミラーゼと同等である。従って、デンプンに、β−アミラーゼ、α―アミラーゼから選ばれる酵素と、本発明イソアミラーゼとを作用させれば、高純度のマルトースが容易に得られる。ここでβ−アミラーゼとしては、GODO−GBA2(合同酒精株式会社)、オプチマルトBBA(ダニスコジャパン株式会社)、β−アミラーゼL/R(ナガセケムテックス株式会社)、ハイマルトシンGL(エイチビィアイ株式会社)等を用いることができる。また、α−アミラーゼとしては、例えばクライスターゼT10(大和化成株式会社)を用いることができる。
反応は、例えばデンプンおよびアミラーゼ等のデンプン糖化酵素に前記酵素を添加し、当該酵素が作用するpH、温度条件にて混合撹拌することにより行なわれる。本発明方法によれば、高純度のマルトースを工業的に有利に製造することができる。
次に実施例を挙げて本発明をより詳細に説明するが、本発明は何らこれに限定されるものではない。
実施例1(イソアミラーゼの部分特異的変異導入)
pHSG398(タカラバイオ株式会社)をテンプレートとして、プライマーMLUPHSG398-F(CGACGCGTGGCCAGGAACCGTAAAAAG(配列番号2))およびXBAPHSG398-R(GCTCTAGATTTAAGGGCACCAATAACTGC(配列番号3))を用いて約1.5kbの断片を取得した。この断片を制限酵素Xba I及びMlu Iで消化し、Flavobacterium odoratumゲノム上のイソアミラーゼ遺伝子を含む約2.5kbのXba I及びMlu I断片とライゲーションすることにより、p−MLを取得した。ネイティブのイソアミラーゼの発現プラスミドであるプラスミドp−MLに部位特異的変異導入を行い、二重変異体(V515P/M570L)発現プラスミドp−Wを取得した。さらにこれに部位特異的変異導入を行い、四重変異体(T241A/V515P/M570L/S601T)発現プラスミドp−Q及び六重変異体(S239N/T241A/V515P/G534D/M570L/S601T)発現プラスミドp−Sを取得した。
実施例2(酵素の生成)
ネイティブイソアミラーゼ発現プラスミドp−ML、二重変異体発現プラスミドp−W、四重変異体発現プラスミドp−Q、及び六重変異体発現プラスミドp−Sにより大腸菌DH5α株を形質転換し、それぞれのイソアミラーゼを生産する大腸菌株を取得した。これらの大腸菌を30μg/mlのクロラムフェニコールを含むLB培地(酵母エキス 0.5%、トリプトン1.0%、塩化ナトリウム 0.5% pH 7.2)で、30℃ 3日培養し、培養液1Lを得た。遠心分離(10,000g、10分間)により菌体を除去した後、UF濃縮(旭化成社製 AIPモジュール)により、10,000U/mlとなるように濃縮した。これらを0.2μmのポアサイズの膜で除菌することにより、ネイティブイソアミラーゼ、二重変異体イソアミラーゼ、四重変異体イソアミラーゼ、六重変異体イソアミラーゼの酵素溶液とした。
実施例3(各変異体の熱安定性向上)
これらを45℃、47.5℃、50℃、52.5℃、55℃、57.5℃、60℃、62.5℃、65℃、67.5℃、70℃に10分間保ったのちに急冷し、残存活性を測定した。
<活性測定方法>
イソアミラーゼの活性測定法は、以下のとおりである。
0.5%ワキシーコーンスターチ溶液0.35mlに、0.5Mの酢酸緩衝液(pH6.0)0.1mlを混合し、適時希釈した酵素液を0.1ml加え、45℃で15分間反応させる。その後、0.1N HCl にて5倍希釈したヨード溶液(0.05Mヨウ素を含む0.5Mヨウ化カリウム溶液)0.5mlを加えて酵素反応を止め、10mlの水を加えて十分に撹拌した後、分光光度計を用いて610nmで測定する。酵素活性の単位は、上記条件下で1分間に0.01吸光度を増加する酵素量を1単位とした。
その結果、図1に示すように、二重変異体で約5℃、四重変異体で約8℃、六重変異体で約10℃の耐熱性の向上が確認された。
実施例4(至適温度の上昇)
また、通常ネイティブの酵素の至適温度は45℃であるが、ネイティブおよび得られた各変異体酵素について、47.5℃、50℃、52.5℃、55℃、57.5℃、60℃、62.5℃、65℃、67.5℃、70℃での活性を実施例3に記載の方法で測定した。
その結果、図2に示すように、二重変異体、四重変異体、六重変異体と変異を多重化するにつれて至適温度の上昇が認められた。
実施例5(至適pH)
ネイティブ及び六重変異体についてpH安定性を調べた。ネイティブ及び六重変異体をpH4.0、4.5、5.0、5.5、6.0、6.5、7.0の各pHで六重変異体60℃、ネイティブ52.5℃で10分間保持後、急冷し残存活性を実施例3に記載の方法で測定した。
その結果、図3に示すように、アミノ酸の改変による至適pH域の大きな変動は認められなかった。
実施例6(カルシウム依存性)
ネイティブ及び六重変異体について、耐熱性に関するカルシウム依存性を調べた。ネイティブ及び六重変異体を、10mM塩化カルシウムを含んだ20mM酢酸緩衝液(pH 6.0)もしくは塩化カルシウムを含まない20mM酢酸緩衝液(pH 6.0)中で、35℃、40℃、45℃、50℃、55℃、60℃で10分間保温後、急冷し残存活性を実施例3に記載の方法で測定した。
その結果、図4に示すように、ネイティブおよび六重変異体ともにカルシウム存在下で耐熱性が高いことが認められた。
実施例7(マルトースシロップの製造)
デキストリンからのマルトース精製試験を行った。10mM酢酸緩衝液(pH6.0)にBrix30となるようにデキストリンとしてパインデックス#100(松谷化学工業社製)を溶解し、(1)GODO−GBA2(合同酒精株式会社製)をデキストリン1gあたり0.2mg添加したもの、(2)GODO−GBA2をデキストリン1gあたり0.2mgおよびネイティブイソアミラーゼをデキストリン1gあたり400U添加したもの、(3)GODO−GBA2をデキストリン1gあたり0.2mgおよび六重変異体イソアミラーゼをデキストリン1gあたり400U添加したもの、それぞれを60℃で24時間反応させた。
100℃、5分間加熱し反応を停止させ、生成したマルトース量について、高速液体クロマトグラフィー(ウォーターズ社製2695)を用い、RI検出器(ウォーターズ社製2414)、CARBOSep CHO−620CA(トランスジェノミック社製)カラム温度85℃、水を溶離液として流速0.5ml/分にて測定した。
その結果、マルトース濃度は(1)15.4%、(2)23.4%、(3)25.4%となり、六重変異体イソアミラーゼを使用した場合に最もマルトース生成量が高かった。
また、反応中の雑菌汚染をより防止するために反応温度を62℃で行ったところ、マルトース濃度は(1)14.0%、(2)14.7%、(3)21.1%となり、ネイティブイソアミラーゼでは枝切り効果がほとんど認められなかったのに対して、六重変異体イソアミラーゼでは枝切り効果が認められ、歩留まりの向上が認められた。

Claims (9)

  1. 配列番号1で表されるアミノ酸配列からなるイソアミラーゼ、又は配列番号1で表されるアミノ酸配列において1〜数個のアミノ酸残基が欠失、置換又は挿入されているイソアミラーゼにおいて、少なくともアミノ酸番号515のバリン及び570のメチオニンが他のアミノ酸に変異したイソアミラーゼ。
  2. アミノ酸変異が、V515P及びM570Lである請求項1記載のイソアミラーゼ。
  3. さらに、アミノ酸番号239のセリン、241のスレオニン、534のグリシン及び601のセリンから選ばれる1又は2以上のアミノ酸残基が他のアミノ酸に変異した請求項1又は2記載のイソアミラーゼ。
  4. アミノ酸変異が、S239N、T241A、G534D及びS601Tから選ばれる1又は2以上である請求項3記載のイソアミラーゼ。
  5. 請求項1〜4のいずれかに記載のイソアミラーゼをコードする遺伝子。
  6. 請求項5記載の遺伝子を有する組み換えベクター。
  7. 請求項6記載の組み換えベクターで形質転換した形質転換体。
  8. 請求項7記載の形質転換体を培養して、該培養物からイソアミラーゼを採取することを特徴とするイソアミラーゼの製造法。
  9. デンプンに、β−アミラーゼ、α―アミラーゼから選ばれる酵素と、請求項1〜4のいずれかに記載のイソアミラーゼとを作用させることを特徴とするマルトースの製造法。
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