KR100266435B1 - Mutant strains producing anthracyclin system antibiotics and process for preparing doxorubicin with mixed culture - Google Patents

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Abstract

본 발명은 안트라사이클린계 항생제를 생산하는 변이 균주 및 이를 혼합 배양하여 독소루비신 (doxorubicin)을 대량 생산하는 방법에 관한 것이다. 구체적으로, 본 발명은 독소루비신의 생합성 과정 중에 돌연변이가 유발되어 독소루비신은 생산하지 못하지만 생합성 중간체인 ε-로도마이시논 (ε-rhodomycinone) 이후의 중간체들의 생합성에 필요한 효소들의 활성은 보유한 스트렙토마이세스 푸세티우스 변이 균주, 바우마이신 (baumycin)의 생합성 과정에 돌연변이가 유발되어 중간체인 ε-로도마이시논을 고수율로 생산하는 스트렙토마이세스 속 변이 균주, 상기 균주들 및 이들의 형질전환체를 혼합 배양하여 독소루비신을 생산하는 발효 방법에 관한 것으로서, 상기 방법을 이용하면 항암 효과가 우수한 독소루비신을 대량 생산하여 용이하게 정제할 수 있다. The present invention relates to a mutant strain producing anthracycline-based antibiotics and a method for mass production of doxorubicin by mixing and culturing the same. Specifically, in the present invention, a mutation is induced during the biosynthesis process of doxorubicin, which does not produce doxorubicin, but the activities of the enzymes necessary for the biosynthesis of intermediates after the biosynthetic intermediate ε-rhodomycinone retain Streptomyces fus Mutations in the biosynthesis process of the Setius mutant strain, baumycin, resulted in a high yield of the intermediate ε-rhodomycinone, a strain of the genus Streptomyces, a mixture of the strains and their transformants It relates to a fermentation method of culturing to produce doxorubicin, by using the method can be easily purified by mass production of doxorubicin excellent anti-cancer effect.

Description

안트라사이클린계 항생제를 생산하는 변이 균주 및 이를 혼합 배양하여 독소루비신을 생산하는 방법{Mutant strains producing anthracyclin system antibiotics and process for preparing doxorubicin with mixed culture}Mutant strains producing anthracyclin system antibiotics and process for preparing doxorubicin with mixed culture}

본 발명은 안트라사이클린계 항생제를 생산하는 변이 균주 및 이를 혼합 배양하여 독소루비신 (doxorubicin ; 일명 : 아드리아마이신, adriamycin) 및 그의 유도체를 대량 생산하는 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a mutant strain producing an anthracycline antibiotic and a method of mass production of doxorubicin (aka: adriamycin) and derivatives thereof by mixing and culturing the same.

보다 상세하게는, 본 발명은 독소루비신의 생합성 과정 중에 돌연변이가 유발되어 독소루비신은 생산하지 못하지만 생합성 중간체인 ε-로도마이시논 (ε-rhodomycinone) 이후의 중간체들의 생합성에 필요한 효소들의 활성은 보유한 스트렙토마이세스 푸세티우스 변이 균주, 바우마이신 (baumycin)의 생합성 과정에 돌연변이가 유발되어 중간체인 ε-로도마이시논을 고수율로 생산하는 스트렙토마이세스 속 변이 균주, 상기 균주들 및 이들의 형질전환체를 혼합 배양하여 독소루비신을 대량 생산하는 발효 방법에 관한 것이다.More specifically, the present invention does not produce doxorubicin due to mutations in the biosynthesis process of doxorubicin, but does not produce doxorubicin, but retains the activity of the enzymes necessary for the biosynthesis of intermediates after the biosynthetic intermediate ε-rhodomycinone. Mutations in the biosynthesis process of the Seth fusetius mutant strain, Baumycin, result in a high yield of intermediate ε-rhodomycinone, the strains and their transformants It relates to a fermentation method of mass production of doxorubicin by mixing and culturing.

안트라사이클린계 항생제는 7,8,9,10-테트라하이드로-5,12-나프타센퀴논 골격을 갖는 화합물로 유방암, 방광암, 호치킨 (Hodgkin's)병 및 백혈병 등의 치료에 효과가 우수한 것으로 보고되어 전세계적으로 항암제로서 널리 사용되고 있는 물질이다. 이들 중 다우노루비신 (daunorubicin ; 일명 : 다우노마이신, daunomycin)은 1963년에 처음 스트렙토마이세스 푸세티우스 균주 (Streptomyces peucetius ATCC 29050; 미국 특허 USP 제 3,092,550호; Int. J. Syst. Bact. 30: 396, 1980)로부터 분리되었고, 독소루비신은 다른 변이 균주인 스트렙토마이세스 푸세티우스 아속 카에시우스 ATCC 27952 균주 (Streptomyces peucetius subsp. caesius ATCC 27952)로부터 1969년에 처음 분리되었다 (미국 특허 USP 제 3,590,028호; Arcamone, F 외 5인, Biotech, Bioengineer., 11: 1101-1110, 1969).Anthracycline antibiotics are compounds with a 7,8,9,10-tetrahydro-5,12-naphthacequinone backbone, which have been reported to be effective in treating breast cancer, bladder cancer, Hodgkin's disease and leukemia. It is widely used as an anticancer agent around the world. Among these, daunorubicin (aka daunomycin) was first introduced in 1963 by Streptomyces peucetius ATCC 29050; US Pat . No. 3,092,550; Int. J. Syst. Bact. 30 : 396, 1980) and doxorubicin was first isolated in 1969 from another variant strain, Streptomyces peucetius subsp.caesius ATCC 27952 (US Pat. No. 3,590,028). Ho., Arcamone, F et al ., Biotech, Bioengineer., 11: 1101-1110, 1969).

이러한 독소루비신은 항암 효과가 탁월한 화학요법 치료제로서 현재 가장 많이 사용되고 있으나, 아직까지 그의 생산에 있어서 효율이 낮고 정제 과정이 까다로워 대량으로 생산하는데 많은 어려움이 있다. Such doxorubicin is most widely used as a chemotherapy treatment with excellent anticancer effects, but there are still many difficulties in mass production due to its low efficiency and difficulty in purification.

지금까지 독소루비신의 생산 공정은 독소루비신을 직접 발효하는 방법이 아니라 미생물을 이용하여 생산 수율이 높은 다우노루비신을 발효 공정으로 먼저 생산하여 분리한 다음, 이를 다시 화학 반응의 공정으로 옮겨 독소루비신으로 치환시키는 방법을 주로 이용하여 왔다 (미국특허 USP 제 3,803,124호, 1974). 따라서 상기 방법은 공정이 복잡하고 번거로운 단점이 있을 뿐만 아니라 독소루비신을 생산하는데 비용이 많이 들었다.Until now, the production process of doxorubicin is not a method of directly fermenting doxorubicin, but a method of producing and separating daunorubicin, which has a high yield of production, using microorganisms first by fermentation, separating it, and then transferring it to a chemical reaction process to substitute doxorubicin. Has been used primarily (US Pat. No. 3,803,124, 1974). Therefore, the process is not only complicated and cumbersome, but also expensive to produce doxorubicin.

이에 본 발명자들은 항암제로 유용한 독소루비신을 대량 생산하는 방법을 개발하기 위하여 연구를 계속한 결과, 독소루비신을 생산하는 스트렙토마이세스 푸세티우스 아속 카에시우스 균주 및 바우마이신을 생산하는 스트렙토마이세스 속 균주 C5 에 각각 돌연변이를 유발시켜 독소루비신의 생합성 과정 중의 생합성 중간체인 아크라비논 이후의 생합성에 필요한 효소 활성만을 보유하고 있는 변이 균주 및 바우마이신의 생합성 과정 중의 생합성 중간체인 ε-로도마이시논을 고수율로 생산하는 변이 균주를 얻고, 상기 변이 균주를 적절한 조건으로 혼합 배양하여 독소루비신을 효율적으로 생산하는 방법을 개발함으로써 본 발명을 완성하였다.Therefore, the present inventors continued research to develop a method for mass production of doxorubicin, which is useful as an anticancer agent. As a result, Streptomyces genus Asus Kaesius strain producing Doxorubicin and Streptomyces sp. Strain C5 producing Baumycin Mutation strains were induced at high yields of mutant strains possessing only the enzyme activity necessary for biosynthesis after acrobinone, a biosynthetic intermediate during doxorubicin, and ε-rhodomycinone, a biosynthetic intermediate during biosynthesis of bamycin. The present invention was completed by developing a method for obtaining a mutant strain to be produced and efficiently producing doxorubicin by mixing and culturing the mutant strain under appropriate conditions.

본 발명은 안트라사이클린계 항생제를 생산하는 생합성 과정이 유사한 돌연변이 균주를 혼합 배양하여 독소루비신의 대량 생산하는 방법을 제공함에 그 목적이 있다.It is an object of the present invention to provide a method for mass production of doxorubicin by mixing and culturing a mutant strain having a similar biosynthesis process for producing an anthracycline antibiotic.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 안트라사이클린계 항생제의 생합성 과정에 돌연변이가 유발되어 생합성 중간체만을 생산하는 변이 균주 및 그 중간체 이후의 생합성 효소들의 활성을 보유하고 있는 변이 균주를 혼합 배양하여 독소루비신 및 그의 유도체를 생산하는 방법을 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention is mixed with the mutant strains that produce mutations in the biosynthesis process of the anthracycline antibiotics to produce only biosynthetic intermediates and mutant strains retaining the activity of the biosynthetic enzymes after the intermediate doxorubicin and Provided are methods for producing derivatives thereof.

구체적으로, 본 발명은 변이 균주로서 생합성 중간체인 ε-로도마이시논을 고수율로 생산하는 변이 균주 및 ε-로도마이시논 이후의 생합성 효소 활성은 가지면서 독소루비신의 생합성 과정은 차단된 변이 균주를 사용한다. 이 때 ε-로도마이시논을 고수율로 생산하는 변이 균주를 독소루비신 내성 유전자 drr AB 로 형질전환시킨 형질전환체 및 독소루비신의 생합성 과정이 차단된 변이 균주를 다우노루비신 C-14 하이드록시레이즈 유전자 dox A 로 형질전환시킨 형질전환체를 사용할 수 있다.Specifically, the present invention is a mutant strain producing a high yield of the biosynthetic intermediate ε-rhodomycinone as a mutant strain and a mutant strain having a biosynthetic enzyme activity after ε-rhodomycinone while blocking the biosynthetic process of doxorubicin Use At this time, the transformants transformed with the doxorubicin resistance gene drr AB and the mutant strains which produced the ε-rhodomycinone in high yield and the doxorubicin C-14 hydroxylase gene were blocked. Transformants transformed with dox A can be used.

또한, 본 발명은 돌연변이 과정으로 제조된 아크라비논 이후의 생합성 효소 활성을 가지면서 독소루비신의 생합성 과정이 차단된 스트렙토마이세스 푸세티우스 변이 균주 Nu23 (수탁번호 : KCTC 0382 BP)을 제공한다.In addition, the present invention provides a Streptomyces fusettius mutant strain Nu23 (Accession No .: KCTC 0382 BP), which has a biosynthetic enzyme activity after acrobinone prepared by a mutation process and is blocked in the biosynthesis process of doxorubicin.

또한, 본 발명은 다우노루비신 C-14 하이드록시레이즈 유전자 dox A 를 발현할 수 있는 발현 벡터 및 상기 발현 벡터로 형질전환된 스트렙토마이세스 푸세티우스 변이 균주 Nu23 (dox A+)를 제공할 수 있다.In addition, the present invention can provide an expression vector capable of expressing the daunorubicin C-14 hydroxylase gene dox A and a Streptomyces fusettius variant strain Nu23 (dox A +) transformed with the expression vector. .

또한, 본 발명은 돌연변이 과정으로 제조된 ε-로도마이시논을 고수율로 생산하는 스트렙토마이세스 속 변이 균주 D5 (수탁번호 : KCTC 0383 BP)를 제공한다.In addition, the present invention provides a strain Streptomyces genus strain D5 (Accession No .: KCTC 0383 BP), which produces ε-rhodomycinone produced by a high yield in a high yield.

또한, 본 발명은 독소루비신 내성 유전자 drr AB 를 발현할 수 있는 발현 벡터 및 상기 발현 벡터로 형질전환된 스트렙토마이세스 속 변이 균주 D5 (drr AB+)를 제공할 수 있다.In addition, the present invention can provide an expression vector capable of expressing the doxorubicin resistance gene drr AB and a strain strain D5 (drr AB +) of Streptomyces transformed with the expression vector.

또한, 본 발명은 13-다이하이드로다우노루비신을 기질로 이용하고 dox A 유전자를 포함하는 발현 벡터를 이용하여 다우노루비신 C-14 하이드록시레이즈를 대량으로 발현하는 균주 또는 상기 효소를 직접 또는 적당한 담체에 부착시킨 효소를 이용하여 독소루비신을 대량 생산하는 방법을 제공할 수 있다.In addition, the present invention uses a 13-dihydrodaunorubicin as a substrate and the expression vector containing the dox A gene or a strain expressing a large amount of daunorubicin C-14 hydroxylase or the enzyme directly or appropriate Provided is a method for mass production of doxorubicin using an enzyme attached to a carrier.

이하 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, the present invention will be described in detail.

본 발명은 안트라사이클린계 항생제를 생산하는 생합성 과정이 유사하고 상기 과정에 돌연변이가 유발된 균주를 혼합 배양하여 항암제로서 유용한 독소루비신 (doxorubicin ; 일명 : 아드리아마이신) 및 그의 유도체를 생산한다. The present invention produces a doxorubicin (aka adriamycin) and derivatives thereof useful as an anticancer agent by mixing and culturing strains having a similar biosynthesis process to produce anthracycline-based antibiotics and mutating the same.

구체적으로, 상기 생합성 과정의 중간체만을 생산하는 변이 균주 및 그 중간체 이후의 생합성 효소만이 활성을 나타내는 변이 균주를 사용하여 독소루비신을 생산한다. Specifically, doxorubicin is produced using a mutant strain producing only the intermediate of the biosynthetic process and a mutant strain showing only the activity of the biosynthetic enzyme after the intermediate.

참고로 도 1 에서 보는 바와 같이, 안트라사이클린계 항생제인 독소루비신 및 바우마이신 (baumycin)은 미생물 내에서 아크라비논 (aklavinone), ε-로도마이시논 (ε-rhodomycinone), 다우노루비신 (daunorubicin) 등의 중간체를 거쳐 합성된다.For reference, as shown in Figure 1 , the anthracycline-based antibiotics doxorubicin and baumycin (aklavinone), ε-rhodomycinone (ε-rhodomycinone), daunorubicin (daunorubicin) in the microorganisms It is synthesize | combined via intermediates, such as these.

우선, 본 발명은 독소루비신 및 다우노루비신 (일명 : 다우노마이신, daunomycin)을 생산하는 스트렙토마이세스 푸세티우스 아속 카에시우스 (Streptomyces peucetius subsp. caesius) 균주를 이용하여 인공 돌연변이를 유발시킨다. 구체적으로, 스트렙토마이세스 푸세티우스 아속 카에시우스 ATCC 27952 균주를 자외선 및 엠엔엔지 (MNNG) 등을 이용하는 일반적인 과정으로 인공 돌연변이시킴으로 독소루비신은 생산하지 않지만 그 생합성 과정의 중간체인 아크라비논 이후의 생합성 효소 활성은 보유하는 변이 균주를 제조한다.First, the present invention doxorubicin and daunorubicin: causes an artificial mutation by using a (also known as daunomycin, daunomycin) producing Streptomyces Fu Shetty mouse subgenus siwooseu Car (Streptomyces peucetius subsp caesius.) Strain in which. Specifically, the biosynthesis of the streptomyces fusettius subgenus Kaesius ATCC 27952 strain by artificial mutagenesis by the general procedure using ultraviolet light and MNNG does not produce doxorubicin but is an intermediate of the biosynthesis process. Enzymatic activity produces variant strains that retain.

상기 변이 균주를 스트렙토마이세스 푸세티우스 아속 카에시우스 Nu23 균주로 명명하고 이를 한국과학기술연구원 부설 생명공학연구소 유전자은행에 1997년 9월 8일자로 기탁하였다 (수탁번호 : KCTC 0382 BP).The mutant strain was named Streptomyces Pusetius subgenus Kaesius Nu23 strain and was deposited on September 8, 1997 to the Genetic Bank of Korea Institute of Science and Technology (accession number: KCTC 0382 BP).

또한, 본 발명은 바우마이신을 생산하는 스트렙토마이세스 속 C5 (Streptomyces sp. C5) 균주 (Padney, R. C., Proc. Biochem., 13: 6-13, 1979, Bartel, P. L., J. Gen. Microbiol., 136: 1877-1886, 1990)를 일반적인 과정으로 인공 돌연변이시킴으로 바우마이신은 생산하지 않지만 그 생합성 과정의 중간체인 ε-로도마이시논은 고수율로 생산하는 변이 균주를 제조한다.The invention also relates to Streptomyces sp. C5 strain (Padney, RC, Proc. Biochem., 13: 6-13, 1979, Bartel, PL, J. Gen. Microbiol. , 136: 1877-1886, 1990), but mutant strains are produced by high yields of ε-rhodomycinone, which does not produce Baumycin but is an intermediate of its biosynthetic process.

상기 변이 균주를 스트렙토마이세스 속 D5 균주로 명명하고 이를 한국과학기술연구원 부설 생명공학연구소 유전자은행에 1997년 9월 8일자로 기탁하였다 (수탁번호 : KCTC 0383 BP).The mutant strain was named D5 strain of the genus Streptomyces and was deposited on September 8, 1997 to the Genetic Bank of Korea Research Institute of Science and Technology (accession number: KCTC 0383 BP).

상기 인공 돌연변이 균주를 선별하기 위하여, 스트렙토마이세스 속 균주를 R2YE 배지 및 NDYE 배지 등을 이용하고 이에 돌연변이 유발원을 첨가하여 배양한다. 상기에서 선별한 변이 균주의 특성을 각 균주의 기생균사의 생육 및 색상, 기질균사의 생육 및 색상, 배지 뒷면의 색상, 수용성 색소의 생성 여부 등으로 조사하였다.In order to select the artificial mutant strains, strains of Streptomyces genus are cultured using R2YE medium and NDYE medium, and by adding mutagen. The characteristics of the selected strains were examined by the growth and color of parasitic mycelia of each strain, the growth and color of the substrate mycelia, the color of the back side of the medium, the production of water-soluble pigments, and the like.

또한 본 발명은 상기 변이 균주들이 생산하는 독소루비신 및 그의 생합성 중간체를 분석하여 돌연변이의 특성을 조사하기 위하여, 박층 크로마토그래피 (TLC : Thin layer chromatography) 및 고속 액체 크로마토그래피 (HPLC : High performance liquid chromatography) 등을 수행하고 이들 화합물을 정량 분석하였다.In addition, the present invention is to analyze the characteristics of the mutation by analyzing doxorubicin and its biosynthetic intermediates produced by the mutant strains, thin layer chromatography (TLC) and high performance liquid chromatography (HPLC), etc. Was performed and these compounds were quantitated.

구체적으로, 본 발명의 변이 균주 Nu23 를 배지에 아크라비논, ε-로도마이시논, 다우노루비신, 13-다이하이드로다우노루비신 등을 각각 첨가하여 배양한 결과, 이들 화합물이 각각 적정한 비율로 독소루비신으로 변환됨을 확인하여 상기 변이 균주가 상기 생합성 중간체를 직접 생산하지 않으면서도 이들 생합성 과정에 관여하는 효소 활성은 그대로 보유하고 있음을 알 수 있었다.Specifically, the mutant strain Nu23 of the present invention was cultured by adding acrobinone, ε-rhodomycinone, daunorubicin, 13-dihydrodaunorubicin, and the like to the medium, respectively, and these compounds were each in an appropriate ratio. It was confirmed that the mutant strain retained the enzyme activity involved in these biosynthetic processes without producing the biosynthetic intermediates directly.

또한, 본 발명의 변이 균주 D5 는 ε-로도마이시논을 배양 6일째까지 높은 농도로 생산하고 7일째 부터는 그 농도가 감소하고, 다우노루비신에 대한 내성이 전혀 없고, 독소루비신에 대해서도 40μg/ml 농도 이상에서는 내성이 없음을 확인하였다.In addition, the mutant strain D5 of the present invention produces ε-rhodomycinone at a high concentration until the 6th day of culture, and its concentration decreases from the 7th day, there is no resistance to daunorubicin, and 40 μg / ml also for doxorubicin. It was confirmed that there was no resistance above the concentration.

본 발명은 안트라사이클린계 항생제의 생합성 중간체인 ε-로도마이시논을 고수율로 생산하는 변이 균주 D5 및 ε-로도마이시논 이후의 생합성 효소 활성은 가지면서 독소루비신의 생합성 과정이 차단된 변이 균주 Nu23 을 혼합 배양하여 독소루비신을 대량 생산한다.In the present invention, the mutant strain D5 and the mutant strain D5 producing high yields of the biosynthetic intermediate of anthracycline antibiotics have the biosynthetic enzyme activity after ε-rhodomycinone, but the biosynthetic process of doxorubicin is blocked. Nu23 is mixed and cultured to mass produce doxorubicin.

이 때 ε-로도마이시논 이후의 생합성 효소 활성은 가지면서 독소루비신의 생합성 과정이 차단된 변이 균주로는 다우노루비신이 독소루비신으로 전환하는 과정의 촉매로 작용하는 중요한 효소인 다우노루비신 C-14 하이드록시레이즈의 유전자 dox A 를 대량 발현시킨 것을 사용함이 더욱 바람직하다.At this time, mutant strain having biosynthetic enzyme activity after ε-rhodomycinone and blocking the doxorubicin biosynthesis process, Daunorubicin C-14, an important enzyme that acts as a catalyst for the conversion of daunorubicin to doxorubicin. It is more preferable to use the thing which expressed the large amount of hydroxylase gene dox A.

본 발명은 상기 dox A 유전자를 포함하는 발현 벡터를 제조하고 이를 상기 변이 균주에 형질전환시킨 형질전환체 Nu23 (dox A+)를 이용할 수 있다.The present invention may use a transformant Nu23 (dox A +) which prepares an expression vector including the dox A gene and transforms it into the mutant strain.

또한, ε-로도마이시논을 고수율로 생산하는 변이 균주로는 독소루비신에 대한 내성을 강화시켜 계속하여 독소루비신 및 그의 유도체를 생산할 수 있는 것을 사용함이 더욱 바람직하다. In addition, it is more preferable to use a mutant strain that produces ε-rhodomycinone in a high yield to enhance resistance to doxorubicin and continue to produce doxorubicin and its derivatives.

본 발명은 독소루비신 내성 유전자 drr AB 를 포함하는 발현 벡터를 제조하고 이를 상기 변이 균주에 형질전환시킨 형질전환체 D5 (drr AB+)를 이용할 수 있다.The present invention can use the transformant D5 (drr AB +) to prepare an expression vector comprising the doxorubicin resistance gene drr AB and transformed it to the above-mentioned strain.

본 발명은 상기 변이 균주를 이용하여 각각의 배양액을 혼합해 주는 시간 및 혼합량 등을 조절하면서 발효함으로 독소루비신 및 그의 유도체를 대량 생산한다.이 때, ε-로도마이시논을 고수율로 생산하는 변이 균주로는 ε-로도마이시논의 생산량이 가장 많은 시기의 배양액을 이용하는 것이 바람직하고, ε-로도마이시논 이후의 생합성 효소 활성을 가지는 변이 균주로는 적당히 배양한 배양액을 이용하며 이들 균주를 혼합하여 배양한다.The present invention produces a large amount of doxorubicin and its derivatives by fermentation while controlling the mixing time and mixing amount of each culture medium using the above mutant strains. At this time, the mutant produces ε-rhodomycinone in high yield. As a strain, it is preferable to use a culture medium at a time when the yield of ε-rhodomycinone is the highest, and as a strain having a biosynthetic enzyme activity after ε-rhodomycinone, a culture medium suitably cultured is used, and these strains are mixed. Incubate by

구체적으로, 변이 균주 D5 의 경우는 ε-로도마이시논 생산량이 가장 높은 6일째의 배양액을 사용하는 것이 바람직하고, 변이 균주 Nu23 의 경우는 3일 정도 동안 배양한 배양액을 사용하는 것이 바람직하다.Specifically, in the case of the mutant strain D5, it is preferable to use the culture solution on the 6th day having the highest epsilon-rhodomycinone production, and in the case of the mutant strain Nu23, it is preferable to use the culture medium cultured for about 3 days.

또한 변이 균주 Nu23 의 배양액을 원심분리한 다음 혼합 배양하면 이 배양액 내에 존재할 수 있는 생합성 조절인자 또는 배양 부피의 영향을 최소화할 수 있지만 다우노루비신이 3배 이상 생산되어 상기 변이 균주 D5 균주의 생존 저해하여 ε-로도마이시논의 생산을 급격히 차단시킬 수 있다.In addition, centrifugation of the culture of the mutant strain Nu23 followed by mixed culture minimizes the effects of biosynthetic regulators or culture volumes that may exist in the culture, but more than three times more production of daunorubicin inhibits the survival of the mutant strain D5. This can radically block the production of ε-rhodomycinone.

따라서 상기에서 기술한 바와 같이, 변이 균주 D5 에 독소루비신 내성 유전자인 drr AB (홍영수 외 5인, J. Microbiol, Biotech., 2: 153-160, 1992)를 발현시킨 재조합 변이 균주 D5 (drr AB+)를 이용하면 발효 과정에서 생산되는 독소루비신 또는 다우노루비신에 대한 저항성이 높아지고 상기 균주가 증식을 계속하여 독소루비신 생합성 과정의 중간체인 ε-로도마이시논을 계속 공급하여 줄 수 있으므로 본 발명의 혼합 배양 방법에서 최종 목적 화합물인 독소루비신의 생산성을 향상시킬 수 있다. 또한 독소루비신으로 전환되지 않은 다우노루비신의 잔존으로 분리·정제 과정이 복잡하게 되는 문제를 해결할 수 있다.Thus, as described above, the recombinant variant strain D5 (drr AB +) expressing the drr AB (d.H. Youngbi et al ., J. Microbiol, Biotech., 2: 153-160, 1992), which is a doxorubicin resistance gene, is present in the variant strain D5. By using it, the resistance to doxorubicin or daunorubicin produced during fermentation increases, and the strain continues to proliferate, and thus it is possible to continuously supply ε-rhodomycinone, an intermediate of the doxorubicin biosynthesis process, and the mixed culture method of the present invention. It is possible to improve the productivity of doxorubicin, the final target compound in. In addition, it is possible to solve the problem that the separation and purification process is complicated by the remaining of daunorubicin that is not converted to doxorubicin.

또한, 상기 변이 균주 Nu23 에 다우노루비신 C-14 하이드록실레이즈 유전자 dox A (Dickens, M. L. & Strohl W. R., J. Bacteriol., 178: 3389-3395, 1996)를 발현시킨 재조합 변이 균주 Nu23 (dox A+)을 다른 재조합 균주인 D5 (drr AB+) 균주와 혼합하여 배양하면 독소루비신 생합성 과정의 중간체인 ε-로도마이시논의 공급이 원활해 질뿐만 아니라 배양액 중에 잔존하는 다우노루비신이 효과적으로 독소루비신으로 전환될 것이므로 독소루비신의 생산성이 현저하게 증대되고 정제 과정이 보다 간편해질 수 있다.In addition, the recombinant strain Nu23 expressing the daunorubicin C-14 hydroxylase gene dox A (Dickens, ML & Strohl WR, J. Bacteriol., 178: 3389-3395, 1996) on the mutant strain Nu23. ) Is mixed with other recombinant strain D5 (drr AB +), which will facilitate the supply of ε-rhodomycinone, an intermediate of the doxorubicin biosynthesis process, and effectively convert the remaining daunorubicin in the culture medium into doxorubicin. The productivity of doxorubicin can be significantly increased and the purification process can be made simpler.

이하 본 발명을 하기 실시예에 의하여 더욱 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the following examples.

하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것일뿐, 본 발명의 내용이 이들만으로 한정되는 것은 아니다.The following examples are only for illustrating the present invention, but the content of the present invention is not limited thereto.

<실시예 1> 독소루비신 생합성 과정에 돌연변이가 유발된 스트렙토마이세스 푸세티우스 아속 카에시우스 변이 균주의 생산Example 1 Production of Streptomyces Fusethius Subgenus Kaesius Mutant Strains Induced Mutations in Doxorubicin Biosynthesis

본 발명은 안트라사이클린계 항생제인 독소루비신 생합성 과정에 돌연변이가 유발되어 독소루비신은 생산하지 않지만 그 생합성 중간체인 아크라비논 이후의 생합성 효소들은 활성이 있는 돌연변이 균주를 생산하기 위하여, 모균주로서 스트렙토마이세스 푸세티우스 서브스페 카에시우스 ATCC 27592 균주를 선택하여 NDYE 배지 (조성은 하기에 기술함)에서 배양하였다. 이 때 상기 균주는 ε-로도마이시논을 10-15 μg/ml, 다우노루비신을 3-5 μg/ml, 독소루비신을 0.5-1 μg/ml 정도 생산하였다. In the present invention, mutations are induced in an anthracycline-based antibiotic doxorubicin biosynthesis process, but do not produce doxorubicin, but the biosynthetic enzymes after the biosynthetic intermediate acrobinone are mutant strains to produce an active mutant strain. Setius subspae Caesius ATCC 27592 strain was selected and cultured in NDYE medium (composition described below). At this time, the strain produced 10-15 μg / ml of ε-rhodomycinone, 3-5 μg / ml of daunorubicin, and 0.5-1 μg / ml of doxorubicin.

다음 상기 균주의 포자를 TM 완충용액 (TM : 50mM 트리스-염산, 50mM 말레이트, pH 8.5)에 현탁시키고 이에 돌연변이 유도체인 엠엔엔지 (MNNG : N-methyl-N'-nitro-N-nitrosoguanidine)를 최종농도가 1 mg/ml 이 되도록 첨가하여 약 40분 동안 처리하였다. 다음 이를 독소루비신이 300 μg/ml 농도로 첨가되어 있는 R2YE 고체 배지 (조성은 하기에 기술함)에 배양하여 생존한 콜로니를 선별하였다. 그 결과 독소루비신을 8-10μg/ml 농도로 생산하는 변이 균주 N13 을 얻었고, 다시 이 변이 균주 N13 를 돌연변이 유발원인 자외선으로 20-60초 동안 조사한 다음 포자의 색깔이 보라색인 변이 균주 Nu23 를 선별하였다. The spores of the strain were then suspended in TM buffer (TM: 50 mM Tris-hydrochloric acid, 50 mM maleate, pH 8.5) and the mutant derivative MNNG (MNNG: N-methyl-N'-nitro-N-nitrosoguanidine) The final concentration was added to 1 mg / ml and treated for about 40 minutes. Next, the viable colonies were selected by culturing in R2YE solid medium (composition described below) to which doxorubicin was added at a concentration of 300 μg / ml. As a result, a mutant strain N13 was produced that produced doxorubicin at a concentration of 8-10 μg / ml, and the mutant strain N13 was irradiated with ultraviolet light for 20-60 seconds for mutagenicity, and then mutant strain Nu23 having a purple spore was selected.

상기 변이 균주 Nu23 을 이용하여 하기 참조예의 방법으로 그의 대사 산물 중 독소루비신 및 그의 생합성 중간체를 조사한 결과, 이는 독소루비신은 물론이고 독소루비신 생합성 과정의 중간체인 다우노루비신, ε-로도마이시논 및 아클라비논(aklavinone) 등도 생산하지 않았다. 그러나 독소루비신 생합성 과정의 중간체인 다우노루비신, ε-로도마이시논, 아크라비논과 13-다이하이드로다우노루비신 (13-dihydrodaunorubicin)을 상기 변이 균주 Nu23 을 3일 동안 배양한 액체 배지에 각각 첨가하여 계속 배양하면 다시 독소루비신이 생산되는 것을 확인하였다. 이는 상기 변이 균주 Nu23 가 독소루비신 생합성 과정의 중간체인 아크라비논까지의 생합성은 차단되어 있으나, 아크라비논, ε-로도마이시논 및 다우노루비신을 기질로서 첨가하면 최종 목적물인 다우노루비신 및 독소루비신 등을 생산할 수 있는 상기 전환 과정의 효소 활성을 온전히 보유하고 있는 변이 균주임을 확인하여 주는 것이다.Doxorubicin and its biosynthetic intermediates in its metabolites were examined using the mutant strain Nu23 by the method of the following reference example, which is not only doxorubicin but also intermediates of the doxorubicin biosynthesis process, daunorubicin, ε-rhodomycinone and aclabinone (aklavinone) did not produce. However, the intermediates of doxorubicin biosynthesis, daunorubicin, ε-rhodomycinone, acrobinone and 13-dihydrodaunorubicin (13-dihydrodaunorubicin) were added to the liquid medium in which the mutant strain Nu23 was incubated for 3 days, respectively. Continued culture confirmed that doxorubicin is produced again. Although the biosynthesis of the mutant strain Nu23 up to acrobinone, which is an intermediate of the doxorubicin biosynthesis process, is blocked, the final targets of daunorubicin and doxorubicin are the final targets when acrobinone, ε-rhodomycinone, and daunorubicin are added as substrates. It is to confirm that it is a mutant strain that fully retains the enzyme activity of the conversion process that can produce such.

본 발명의 독소루비신 생합성 과정에 돌연변이가 유발된 스트렙토마이세스 푸세티우스 Nu23 균주를 한국과학기술연구원 부설 생명공학연구소 유전자 은행에 1997년 9월 8일자로 기탁하였다 (수탁번호 : KCTC 0382 BP).Streptomyces fusettius Nu23 strain mutated in the doxorubicin biosynthesis process of the present invention was deposited on September 8, 1997 to the Gene Technology Bank of Korea Institute of Science and Technology (Accession Number: KCTC 0382 BP).

<실시예 2> ε-로도마이시논을 고수율로 생산하는 스트렙토마이세스 속 변이 균주의 생산Example 2 Production of Streptomyces spp. Strains Producing High Yield of ε-Rhodomycinone

본 발명은 안트라사이클린계 항생제인 바우마이신의 생합성 과정 중에 돌연변이가 유발되어 그 생합성 중간체인 ε-로도마이시논을 고수율로 생산하는 돌연변이 균주를 생산하기 위하여, 모균주로서 스트렙토마이세스 속 C5 균주 (Streptomyces sp. C5 ; Padney, R. C., Proc. Biochem., 13: 6-13, 1979; Bartel, P. L., J. Gen. Microbiol., 136: 1877-1886, 1990)를 사용하였다. 상기 스트렙토마이세스 속 C5 의 포자 (109 cfu/ml)를 TM 완충용액 (TM : 1 M 트리스-염산, 50 mM 말레이트, pH 8.5)에 현탁시키고 이에 돌연변이 유도체인 엠엔엔지 (MNNG)를 최종농도가 1 mg/ml 이 되도록 첨가하여 50분 동안 37℃에서 처리하였다. 다음 R2YE 배지에 도말하여 7일 동안 배양하고 생존한 콜로니 중 포자의 색깔이 다른 콜로니인 변이 균주 D5 를 선별하였다.In the present invention, in order to produce a mutant strain producing a high yield of the biosynthetic intermediate ε-rhodomycinone during the biosynthesis process of the anthracycline-based antibiotic Baumycin, C5 strain of Streptomyces as a parent strain ( Streptomyces sp. C5; Padney, RC, Proc. Biochem., 13: 6-13, 1979; Bartel, PL, J. Gen. Microbiol., 136: 1877-1886, 1990). Spores of C5 genus C5 (10 9 cfu / ml) were suspended in TM buffer (TM: 1 M Tris-hydrochloric acid, 50 mM maleate, pH 8.5), and the mutant derivative MNNG (MNNG) was finalized. The concentration was added to 1 mg / ml and treated at 37 ° C. for 50 minutes. Next, the mutant strain D5, which was colonized with spores of different colors, was selected from the colonies surviving for 7 days by plating in R2YE medium.

상기 변이 균주 D5 를 이용하여 하기 참조예의 방법으로 이들이 생산하는 대사 산물을 분석한 결과, 이 변이 균주는 바우마이신을 생산하지 않고 NDYE 배지에서 6일 동안 배양한 경우 ε-로도마이시논을 166μg/ml 농도까지 생산하는 것을 확인하였다. 상기 대사 산물의 생산과 같은 양상으로 균체의 양도 배양 6일째 까지는 15 g/L 농도까지 증가한 다음 7일째 부터는 감소하기 시작하였으며, 이 기간 동안에 pH 의 변화는 7.5 내지 8.5 사이로 거의 변화하지 않았지만 점차로 증가함을 확인할 수 있었다 (도 2 참조).As a result of analyzing the metabolites produced by the method of the following reference example using the mutant strain D5, the mutant strain 166μg / rho-myinone when cultured for 6 days in NDYE medium without producing baumycin It was confirmed to produce to ml concentration. In the same manner as the production of the metabolite, the cell mass was increased to the concentration of 15 g / L until the 6th day of culture, and then began to decrease from the 7th day. During this period, the pH was little changed between 7.5 and 8.5, but gradually increased. It could be confirmed (see FIG. 2 ).

본 발명의 ε-로도마이시논을 고수율로 생산하는 스트렙토마이세스 속 균주 D5 를 한국과학기술연구원 부설 생명공학연구소 유전자은행에 1997년 9월 8일자로 기탁하였다 (수탁번호 : KCTC 0383 BP).Streptomyces sp. D5, which produces ε-rhodomycinone of the present invention in high yield, was deposited on September 8, 1997, to the Genetic Bank of Korea Institute of Science and Technology (Accession No .: KCTC 0383 BP). .

상기 변이 균주의 선별에 사용한 R2YE 배지 및 NDYE 배지의 조성은 다음과 같다. 각 배지에 있어서 액체 배지는 한천을 첨가하지 않은 상태로 조제하였고, 고체 배지는 같은 조성에 한천만을 1.5 % 농도로 첨가하여 사용하였다.The composition of R2YE medium and NDYE medium used for the selection of the variant strains is as follows. In each medium, the liquid medium was prepared without adding agar, and the solid medium was used by adding only agar at a concentration of 1.5% in the same composition.

(1) R2YE 배지(1) R2YE medium

설탕 103 g 103 g of sugar

K2SO4 0.25 gK 2 SO 4 0.25 g

MgCl2·6H2O 10 gMgCl 2 · 6H 2 O 10 g

카사미노산 0.1 g 0.1 g of casamino acid

효모 추출물 5.0 g5.0 g of yeast extract

TES (N-tris(hydroxymethyl)methyl-2-aminoethane sulfonic acid) TES (N-tris (hydroxymethyl) methyl-2-aminoethane sulfonic acid)

5.73 g                                             5.73 g

증류수 790 ml790 ml of distilled water

를 용해하여 멸균하고, 여기에 별도로 멸균한 1 M NaOH 5ml, 0.5 % KH2PO4 10 ml, 1 M CaCl2 20 ml, 20 % 프롤린 (proline) 15 ml, 미량원소 (Trace elements) 2 ml 를 첨가하여 사용한다. 이 때 사용한 미량원소의 조성은 ZnCl2 40 mg, FeCl3·6H2O 200 mg, CuCl2·2H2O 10 mg, MnCl2·4H2O 10 mg, Na2B4O7·10H2O 10 mg, (HN4)6Mo7O24·4H2O 10 mg 이고 이들을 증류수 1 L 에 용해시켜 조제한다.Dissolve and sterilize, and 5 ml of 1 M NaOH, 10 ml of 0.5% KH 2 PO 4 , 20 ml of 1 M CaCl 2, 15 ml of 20% proline, and 2 ml of trace elements Add to use. The trace elements used at this time were ZnCl 2 40 mg, FeCl 3 · 6H 2 O 200 mg, CuCl 2 · 2H 2 O 10 mg, MnCl 2 · 4H 2 O 10 mg, Na 2 B 4 O 7 · 10H 2 O 10 mg, (HN 4 ) 6 Mo 7 O 24 .4H 2 O 10 mg, which are prepared by dissolving them in 1 L of distilled water.

(2) NDYE 배지(2) NDYE badge

말토오스 45 g Maltose 45 g

NaNO3 4.28 gNaNO 3 4.28 g

K2HPO4·3H2O 0.18 gK 2 HPO 4 3 H 2 O 0.18 g

MgSO4·7H2O 0.12 gMgSO 4 7H 2 O 0.12 g

효모 추출물 5 g 5 g of yeast extract

하이드록시에틸 피페라진 에탄설폰산 (HEPES) 5.22 g 5.22 g of hydroxyethyl piperazine ethanesulfonic acid (HEPES)

미량원소 2 ml 을 증류수에 용해시켜 pH 7.2 로 조정한 다음 최종 부피를 1 L 로 조제하여 멸균한다.2 ml of trace elements are dissolved in distilled water, adjusted to pH 7.2, and the final volume is prepared to 1 L and sterilized.

<실시예 3> 본 발명의 변이 균주의 배양학적 특성Example 3 Culture Characteristics of Mutant Strains of the Invention

상기 실시예에서 선별한 변이 균주의 배양학적 특성을 조사하기 위하여, 이들 균주를 각종 배지를 이용하여 28℃에서 14일 동안 배양함으로 그들의 특성을 확인하였다. 구체적으로, 각 균주의 기생균사의 생육 및 색상, 기질균사의 생육 및 색상, 배지 뒷면의 색상, 수용성 색소의 생성 여부 등을 중심으로 배양학적 특성을 조사하여 표 1 에 나타내었다.In order to investigate the culture characteristics of the mutant strains selected in the above examples, these strains were cultivated at 28 ° C. for 14 days using various media to confirm their characteristics. Specifically, the growth and color of the parasitic mycelia of each strain, the growth and color of the substrate mycelia, the color of the back side of the medium, the culture characteristics were investigated by focusing on the generation of water-soluble pigments and the like are shown in Table 1.

변이 균주의 형태학적 특성 비교Comparison of Morphological Characteristics of Mutant Strains 배지의 종류Type of badge 균주의 종류Type of strain 기생균사의 생육 및 색상Growth and Color of Parasitic Mycelia 기질균사의 생육 및 색상Growth and color of substrate mycelia 배지뒷면의 색상Color on the back of the badge 수용성 색소Water soluble pigment 생육정도 Growth 색 상color 생육정도Growth 색 상color 오트밀한천(ISP3)Oatmeal Agar (ISP3) 2795227952 보통usually 연황색Light yellow 양 호Good 연황색Light yellow 연황색Light yellow radish Nu23Nu23 보통,무포자Normal, no spores 황 색yellow 양 호Good 황 색yellow 황적색Yellow red radish C5C5 양 호Good 백회색White gray 양 호Good 진황색Dark yellow 황적색Yellow red radish D5D5 양 호Good 백회색White gray 양 호Good 적갈색maroon 적갈색maroon radish NDYENDYE 2795227952 양 호Good 진한살색Dark skin 양 호Good 연황색Light yellow 고등색High color radish Nu23Nu23 보통,무포자Normal, no spores 연황색Light yellow 양 호Good 연황색Light yellow 연황색Light yellow radish C5C5 양 호Good 백 색White 양 호Good 갈 색Brown 갈 색Brown radish D5D5 양 호Good 백 색White 양 호Good 갈 색Brown 갈 색Brown radish R2YER2YE 2795227952 보 통usually 황백색Yellowish white 보 통usually 연황백색Light white 연황백색Light white radish Nu23Nu23 보통,무포자Normal, no spores 연황백색Light white 보 통usually 연황백색Light white 연황백색Light white radish C5C5 양 호Good 백 색White 보 통usually 적갈색maroon 적갈색maroon radish D5D5 양 호Good 백 색 White 보 통usually 적갈색maroon 적갈색maroon radish 효모전분 한천(YS)Yeast Starch Agar (YS) 2795227952 보 통usually 진회색Dark gray 보 통usually 연황색Light yellow 연황색Light yellow radish Nu23Nu23 보통,무포자Normal, no spores 연황색Light yellow 보 통usually 연황색Light yellow 연황색Light yellow radish C5C5 보 통usually 회 색grey 보 통usually 연황색Light yellow 연황색Light yellow radish D5D5 보 통usually 회 색grey 보 통usually 연황색Light yellow 연황색Light yellow radish

<참조예> 독소루비신 및 그의 생합성 중간체의 정량 방법Reference Example Method for Quantifying Doxorubicin and its Biosynthetic Intermediates

본 발명은 상기 변이 균주들이 생산하는 독소루비신 및 그의 생합성 중간체를 분석하기 위하여, 박층 크로마토그래피 (TLC : Thin layer chromatography) 및 고속 액체 크로마토그래피 (HPLC : High performance liquid chromatography) 등을 사용하여 이들을 정량하였다.In the present invention, in order to analyze doxorubicin and its biosynthetic intermediates produced by the mutant strains, they were quantified using thin layer chromatography (TLC) and high performance liquid chromatography (HPLC).

상기 변이 균주 Nu23 과 변이 균주 D5 를 NDYE 배지를 사용하여 호기적 조건에서 온도 27-32℃ 범위로 7-8일 동안 진탕 배양 (250-300 rpm)하였다. 상기 배양액에 옥살산 (oxalic acid)을 30 mg/ml 농도로 첨가하여 55℃에서 45분 동안 가수분해시키고 10 N NaOH 를 사용하여 배지의 pH 를 8.5 로 조정하였다. 상기 반응액에 9 : 1 비율로 혼합한 클로로포름 : 메탄올 (chloroform : methanol) 혼합용매를 동량 첨가하여 잘 혼합시킨 다음 용매층으로 대사산물을 추출하여 3,000 rpm (revolution per minute)에서 30분 동안 원심분리하고 용매층을 회수하여 감압 농축하였다. 이를 다시 소량의 메탄올에 녹여 박층 크로마토그래피 (TLC) 또는 고속 액체 크로마토그래피 (HPLC)를 수행함으로 분석하였다. The mutant strain Nu23 and mutant strain D5 were shaken in culture (250-300 rpm) for 7-8 days in a range of temperature 27-32 ° C. under aerobic conditions using NDYE medium. Oxalic acid (oxalic acid) was added to the culture solution at a concentration of 30 mg / ml, hydrolyzed at 55 ° C. for 45 minutes, and the pH of the medium was adjusted to 8.5 using 10 N NaOH. The reaction mixture was mixed well by adding the same amount of chloroform: methanol mixed solvent mixed in a 9: 1 ratio, and then extracted with a solvent layer and centrifuged at 3,000 rpm (revolution per minute) for 30 minutes. The solvent layer was recovered and concentrated under reduced pressure. It was again dissolved in a small amount of methanol and analyzed by thin layer chromatography (TLC) or high performance liquid chromatography (HPLC).

이 때 TLC 분석의 경우, 당 (glycoside)이 결합된 상태의 생합성 중간체를 분석하기 위한 전개용매로는 클로로포름 : 메탄올 : 포름산 (formic acid)이 80 : 20 : 2 비율로 혼합된 것을 사용하고, 당이 결합되지 않은 생합성 중간체 (aglycone)를 분석하기 위한 전개용매로는 헥산 (hexane) : 클로로포름 : 메탄올이 5 : 5 : 1 비율로 혼합된 것을 사용하였다. TLC 분석에 사용된 플레이트 (Plate)로는 메르크(Merck)사 제품인 시리카 겔 60 에푸-254 (silica gel 60 F-254)를 사용하였다. In this case, in the case of TLC analysis, a developing solvent for analyzing a biosynthetic intermediate in a sugar-coated state is a mixture of chloroform: methanol: formic acid in an 80: 20: 2 ratio. As a developing solvent for analyzing this unbound biosynthetic intermediate, a mixture of hexane, chloroform, and methanol in a 5: 5: 1 ratio was used. As a plate used for the TLC analysis, a silica gel 60 F-254 manufactured by Merck was used.

또한, HPLC 분석의 경우 토소 (Tosoh)사 제품인 오디에스-120 티 시-18 칼럼(ODS-120T C-18 column)을 이용하였고, 이 때 전개 용매로는 아세토니트릴 : 20 mM 인산용액 (acetonitrile : 20 mM phosphoric acid)이 42 : 58 비율로 혼합된 용매에 소디움 도데실 설페이트 (SDS)를 최종농도 10 mM 으로 첨가한 것을 사용하였다.In the case of HPLC analysis, an ODS-120T C-18 column manufactured by Tosoh Co., Ltd. was used, and as a developing solvent, acetonitrile: 20 mM phosphate solution (acetonitrile: Sodium dodecyl sulfate (SDS) was added at a final concentration of 10 mM in a solvent mixed with 20 mM phosphoric acid in a 42:58 ratio.

<실시예 3> 스트렙토마이세스 푸세티우스 균주 Nu23 의 대사 특성 조사Example 3 Investigation of Metabolic Properties of Streptomyces Fusethius Strain Nu23

본 발명의 변이 균주 Nu23 에서 독소루비신 생합성 과정의 돌연변이 특성을 분석하기 위하여, 상기 변이 균주 Nu23 을 250 ml 플라스크에 50 ml의 NDYE 액체 배지를 넣어 28℃에서 3일 동안 배양하였다. 다음 상기 배지에 아크라비논, ε-로도마이시논, 다우노루비신, 13-다이하이드로다우노루비신을 각각 10μg/ml 농도로 첨가하여 72시간 동안 더 배양한 다음 상기 참조예의 방법으로 각 생합성 중간체와 독소루비신을 양을 측정하였다.In order to analyze the mutation characteristics of the doxorubicin biosynthesis process in the mutant strain Nu23 of the present invention, the mutant strain Nu23 was incubated at 28 ° C. for 50 days in 50 ml of NDYE liquid medium in a 250 ml flask. Next, each of the biosynthetic intermediates was further incubated for 72 hours by adding 10 μg / ml of acrobinone, ε-rhodomycinone, daunorubicin, and 13-dihydrodaunorubicin to the medium. And doxorubicin were measured in amounts.

그 결과 표 2 에 나타난 바와 같이, 아크라비논은 독소루비신으로 35 % 정도변환되고, ε-로도바이시논은 49 % 정도로 변환되었다. 그러나 다우노루비신과 13-다이하이드로다우노루비신은 각각 16 % 및 34 % 정도가 독소루비신으로 변화되었다. 이 때 13-다이하이드로다우노루비신이 다우노루비신보다 변환율이 높은 사실은 특히 흥미로우며, 이는 13-다이하이드로다우노루비신이 독소루비신 생합성 과정의 마지막 효소인 다우노루비신 C-14 하이드록시레이즈의 기질일 가능성을 시사하는 것이다. 또한 상기 중간체들의 변환율은 배지의 변화나 배양 조건의 변화에 따라 다소 차이가 나타날 수 있음은 당해 분야의 전문가에게는 자명한 사실이지만, 이 변이 균주가 이들 중간체를 생산하지 않으면서 이들 변환 과정에 관여하는 효소 활성을 보유함은 중요하다.As a result, as shown in Table 2, acrobinone was converted to doxorubicin by 35% and ε-rhodobycinone was converted by 49%. However, about 16% and 34% of daunorubicin and 13-dihydrodaunorubicin were converted to doxorubicin, respectively. Of particular interest is the fact that 13-dihydrodaunorubicin has a higher conversion rate than daunorubicin, and that 13-dihydrodaunorubicin is the last enzyme in the doxorubicin C-14 hydroxylase, the final enzyme in the doxorubicin biosynthesis process. It suggests the possibility of temperament. In addition, it is obvious to those skilled in the art that the conversion rate of the intermediates may vary according to the change of the medium or the change of culture conditions, but this variant strain is involved in the conversion process without producing these intermediates. Retaining enzyme activity is important.

변이 균주 Nu23 에서 각각 중간체들의 변환율Conversion Rate of Intermediates in Mutant Strain Nu23 첨가된 중간체Added intermediates 농 도1(μg/ml)Concentration 1 (μg / ml) 변환율Conversion ε-로도마이시논ε-rhodomycinone 다우로루비신Daurorubicin 13-다이하이드로다우로루비신13-dihydrodaurorubicin 독소루비신Doxorubicin 아크라비논** Accrabinon ** 1010 5 %5% 25 %25% 30 %30% 35 %35% ε-로도마이시논ε-rhodomycinone 1010 9 %* 9% * 20 %20% 22 %22% 49 %49% 13-다이하이드로다우로루비신13-dihydrodaurorubicin 1010 -- 25 %25% 41 %* 41% * 34 %34% 다우로루비신Daurorubicin 1010 -- 45 %* 45% * 39 %39% 16 %16% 1 : NDYE 액체 배지에서 3일 동안 배양한 배지에 첨가된 중간체의 최종농도 * : 중간체를 첨가하여 72시간 더 배양한 다음 남아 있는 중간체의 퍼센트 ** : 아크라비논은 첨가후 5 % 이하로 남는다 1 : Final concentration of intermediate added to medium incubated for 3 days in NDYE liquid medium * : Percentage of intermediate remaining after 72 hours of incubation with intermediate added ** : Accrabinone remains below 5% after addition

<실시예 4> 스트렙토마이세스 속 균주 D5 의 대사 특성 조사Example 4 Investigation of Metabolic Characteristics of Streptomyces Strain D5

본 발명의 변이 균주 D5 의 바우마이신 생합성 과정의 돌연변이 특성을 분석하기 위하여, 상기 변이 균주 D5 의 포자를 250 ml 플라스크에 50 ml의 NDYE 액체 배지를 넣어 접종하고 28℃에서 3일 동안 배양한 다음 상기 참조예의 방법으로 각 생합성 중간체 등을 분석하였다. 그 결과, 상기 변이 균주 D5 는 ε-로도마이시논을 배양 6일째 166μg/ml 농도까지 생산하고 7일째 부터는 그 농도가 점차 감소됨을 확인하였고, 균체의 양도 대사 산물의 생산과 같은 양상으로 배양 6일째 15 g/L 농도까지 증가하고 7일째 부터는 감소되기 시작함을 확인하였다. 이 기간 동안 pH 의 변화는 7.5 내지 8.5 사이로 거의 변화가 없었으나 점차 증가함을 확인할 수 있었다. In order to analyze the mutation characteristics of the Baumycin biosynthesis process of the mutant strain D5 of the present invention, the spores of the mutant strain D5 were inoculated into a 250 ml flask with 50 ml of NDYE liquid medium and incubated at 28 ° C. for 3 days. Each biosynthetic intermediate and the like were analyzed by the reference example. As a result, the mutant strain D5 produced ε-rhodomycinone up to a concentration of 166 μg / ml on the 6th day of culture, and the concentration was gradually decreased from the 7th day. It was confirmed that it increased to the concentration of 15 g / L on day 1 and began to decrease from day 7. During this period, the change in pH was found to increase gradually, with little change between 7.5 and 8.5.

또한 상기 변이 균주 D5 를 이용하여 최종산물인 독소루비신과 그의 생합성 중간체인 다우노루비신에 대한 내성을 확인하기 위하여, 독소루비신과 다우노루비신이 각각 10, 20, 30, 40, 50 μg/ml 농도로 첨가된 R2YE 고체 배지에 상기 변이 균주 D5 의 포자 (1.3×108cfu/ml)를 도말하여 28℃에서 5일 동안 배양하고 이 때 생존한 콜로니의 수를 측정하였다. 그 결과 표 3 에 나타난 바와 같이, 상기 변이 균주 D5 의 경우 다우노루비신에 대해서는 전혀 내성을 나타내지 못했고, 독소루비신에 대해서도 40μg/ml 농도 이상에서는 내성을 나타내지 않았다.In addition, in order to confirm resistance to the final product doxorubicin and its biosynthetic intermediate daunorubicin using the mutant strain D5, doxorubicin and daunorubicin are added at concentrations of 10, 20, 30, 40, and 50 μg / ml, respectively. Spores (1.3 × 10 8 cfu / ml) of the mutant strain D5 were smeared on the prepared R2YE solid medium and cultured at 28 ° C. for 5 days, and the number of colonies surviving was measured. As a result, as shown in Table 3, the mutant strain D5 did not show any resistance to daunorubicin, and did not show resistance to doxorubicin at a concentration of 40 μg / ml or more.

변이 균주 D5 의 다우노루비신과 독소루비신에 대한 약제 내성Drug Resistance of Mutant Strain D5 to Daunorubicin and Doxorubicin 항암제농도(μg/ml)         Anticancer concentration (μg / ml) 다우노루비신Daunorubicin 독소루비신Doxorubicin 생존 콜로니 수Survival Colony Count %% 생존 콜로니 수Survival Colony Count %% 0μg/ml0 μg / ml 1.3 × 108 1.3 × 10 8 100100 1.3 × 108 1.3 × 10 8 100100 10μg/ml10 μg / ml 00 00 0.4 × 108 0.4 × 10 8 3131 20μg/ml20 μg / ml 00 00 0.2 × 108 0.2 × 10 8 1717 30μg/ml30 μg / ml 00 00 0.06 × 108 0.06 × 10 8 4.54.5 40μg/ml40 μg / ml 00 00 0.02 × 108 0.02 × 10 8 1.51.5 50μg/ml50 μg / ml 00 00 00 00

<실시예 5> 독소루비신을 생산하는 변이 균주의 혼합 배양 방법Example 5 Mixed Culture Method of Mutant Strain Producing Doxorubicin

본 발명은 독소루비신을 대량 생산하기 위하여, 상기 변이 균주 D5 와 변이 균주 Nu23 을 각각 500ml 의 베이플드 플라스크 (baffled flask)에 100ml 의 NDYE 액체 배지를 넣어 접종하고 28℃에서 배양한 다음 각각의 배양액을 혼합해 주는 시간 및 혼합량을 조절하여 세가지 상이한 조건에서 다시 발효 배양하였다. In the present invention, in order to mass produce doxorubicin, 100 ml of NDYE liquid medium is inoculated into 500 ml baffled flasks of the mutant strain D5 and the mutant strain Nu23, respectively, incubated at 28 ° C., and then mixed with each culture solution. Fermentation was again carried out under three different conditions by adjusting the time and amount of mixing.

우선 변이 균주 D5 가 ε-로도마이시논을 생산하기 시작하는 단계인 3일째 배양액을 3일 동안 배양한 변이 균주 Nu23 의 배양액과 동일한 부피로 혼합하여 배양하였다. 상기 변이 균주 D5가 ε-로도마이시논을 20μg/ml 정도 생산하기 시작하는 3일째 배양액에 3일간 배양한 변이 균주 Nu23 의 배양액을 동일 부피로 혼합하는 A 형의 혼합 배양을 수행한 결과, 혼합 1일째에 2μg/ml 의 다우로루비신이 확인되었고 혼합 2일째에는 독소루비신도 미량 관찰되었다. 그리고 3일째에는 독소루비신이 17μg/ml 정도 관찰되었고 혼합 4일째에는 가장 많은 8μg/ml 의 다우노루비신이 합성되었다. 따라서, 상기 두 균주의 혼합 배양에 의하여 변이 균주 D5 에서 생산된 ε-로도마이시논이 변이 균주 Nu23 에 이용되어 ε-로도마이시논 이후의 생합성 반응이 진행됨을 확인할 수 있었다. 그러나 혼합 배양 초기의 ε-로도마이시논 생성량은 변이 균주 D5 를 단독 배양하는 때와 같은 양상으로 증가하지 않아 독소루비신이 제대로 생산되지 않았다 (도 3 참조).First, the culture medium was mixed at the same volume as the culture solution of the mutant strain Nu23 cultured for 3 days, on the third day at which the mutant strain D5 started producing ε-rhodomycinone. As a result of performing a mixed culture of type A in which the culture medium of the mutant strain Nu23, which had been cultured for three days, was cultured on the third day of the mutant strain D5 starting to produce 20 μg / ml of ε-rhodomycinone, and then mixed. On day 1, 2 μg / ml of daurorubicin was confirmed, and on day 2 of the mixing, trace amounts of doxorubicin were also observed. On the third day, doxorubicin was observed at about 17 μg / ml, and on the fourth day of mixing, most 8 μg / ml of daunorubicin was synthesized. Therefore, it was confirmed that the biosynthesis reaction after ε-rhodomycinone proceeded by using the ε-rhodomycinone produced by the mutant strain D5 by the mixed culture of the two strains in the mutant strain Nu23. However, the amount of epsilon-rhodomycinone production in the initial stage of mixed culture did not increase in the same manner as when culturing the mutant strain D5 alone, and doxorubicin was not produced properly (see FIG. 3 ).

<실시예 6> 독소루비신을 생산하는 변이 균주의 혼합 배양 방법Example 6 Mixed Culture Method of Mutant Strain Producing Doxorubicin

본 발명은 독소루비신을 대량 생산하기 위하여, 상기 변이 균주 D5 와 변이 균주 Nu23 을 각각 500ml 의 베이플드 플라스크 (baffled flask)에 100ml 의 NDYE 액체 배지를 넣어 접종하고 28℃에서 배양한 다음 변이 균주 D5 에서 ε-로도마이시논의 생산량이 가장 많은 6일째 배양액과 3일 동안 배양한 변이 균주 Nu23 의 배양액을 동일한 부피로 혼합하여 배양하였다. In order to mass produce doxorubicin, the present invention is inoculated with 100 ml of NDYE liquid medium in 500 ml baffled flasks of the mutant strain D5 and mutant strain Nu23, respectively, and incubated at 28 ° C., followed by ε in mutant strain D5. On day 6, the highest amount of rhodomycinone production and the culture solution of mutant strain Nu23 cultured for 3 days were mixed and cultured in the same volume.

이와 같이 ε-로도마이시논의 생산량이 가장 많은 변이 균주 D5 의 6일째 배양액과 3일 동안 배양한 변이 균주 Nu23 의 배양액을 동일한 부피로 혼합하는 B 형의 혼합 배양을 수행한 결과, 혼합 4일째의 배양액에서 독소루비신이 104μg/ml 정도 생성되었고, 다우노루비신은 혼합 1일째 최고 33μg/ml 까지 생성되었다. 이 경우 변이 균주 D5 에 의해 생산된 ε-로도마이시논의 90 % 이상이 다우노루비신과 독소루비신으로 전환됨을 관찰할 수 있었다 (도 4 참조). 이는 기질 생산성이 더 높은 변이 균주와 혼합 배양시에 더 많은 산물을 생성할 수 있는 가능성을 시사한다.As a result, a mixed culture of type B was carried out by mixing the culture medium of the mutant strain D5 having the highest yield of ε-rhodomycinone with the same volume of the culture medium of the mutant strain Nu23 cultured for three days. Doxorubicin was produced in the culture medium at 104 μg / ml, and daunorubicin was produced up to 33 μg / ml on the first day of mixing. In this case, more than 90% of the ε-rhodomycinone produced by the mutant strain D5 was observed to be converted to daunorubicin and doxorubicin (see FIG. 4 ). This suggests the possibility of producing more products in mixed culture with variant strains with higher substrate productivity.

<실시예 7> 독소루비신을 생산하는 변이 균주의 혼합 배양 방법Example 7 Mixed Culture Method of Mutant Strain Producing Doxorubicin

본 발명은 독소루비신을 대량 생산하기 위하여, 상기 변이 균주 D5 와 변이 균주 Nu23 을 각각 500ml 의 베이플드 플라스크 (baffled flask)에 100ml 의 NDYE 액체 배지를 넣어 접종하고 28℃에서 배양한 다음 3일 동안 배양한 변이 균주 Nu23 을 원심분리하여 균체만을 변이 균주 D5 의 3일 배양액 또는 6일 배양액에 첨가하였다. 이는 변이 균주 Nu23 의 배양액 내에 존재할 수 있는 생합성 조절인자나 배양 부피의 변화로 인한 영향을 최소화 하기 위한 것이다. In order to mass-produce doxorubicin, the present invention was inoculated with 100 ml of NDYE liquid medium in 500 ml baffled flasks of the mutant strain D5 and mutant strain Nu23, respectively, and incubated at 28 ° C. for 3 days. Variant strain Nu23 was centrifuged to add only cells to the three-day culture or six-day culture of variant strain D5. This is to minimize the effects of biosynthetic regulators or changes in culture volume that may be present in the culture of the mutant strain Nu23.

이와 같이 혼합 배양을 수행한 결과, 변이 균주 D5 의 3일 배양액에서는 도 3 과 같은 양상으로 아주 적은 양의 다우로루비신과 독소루비신이 생성되었고, 6일 배양액에서는 다우노루비신이 최고 97μg/ml 까지 생산되었고 독소루비신은 47μg/ml 정도가 생성되었다. 이는 본 발명의 혼합 배양 조건에서 독소루비신이 생산되는데 있어서 중간체인 ε-로도마이시논의 계속적인 공급이 중요한 인자임을 나타낸다. 또한, 변이 균주 D5 의 6일 배양액에서는 혼합 배양 2일 경과 후에 B 형의 혼합 배양 보다 3배 많은 80μg/ml 의 다우노루비신이 생성됨을 확인할 수 있었다 (도 5 참조). 그러나 이렇게 과량 생성된 다우노루비신은 변이 균주 D5 균주의 생존을 저해하여 ε-로도마이시논의 생산을 급격히 차단시킬 뿐 아니라 과량의 다우노루비신이 독소루비신으로 빠른 전환이 일어나지 않고 축적되게 한다.As a result of the mixed culture, a very small amount of daurorubicin and doxorubicin was produced in the three-day culture medium of the mutant strain D5 as shown in FIG. 3, and up to 97 μg / ml of daunorubicin was produced in the six-day culture medium. Doxorubicin produced about 47 μg / ml. This indicates that the continuous supply of the intermediate epsilon-rhodomycinone is an important factor in the production of doxorubicin in the mixed culture conditions of the present invention. In addition, it was confirmed that 80 μg / ml of daunorubicin was produced in the 6-day culture of the mutant strain D5 three times more than the mixed culture of type B after 2 days of mixed culture (see FIG. 5). However, this excessive production of daunorubicin inhibits the survival of the mutant strain D5 strain, which not only rapidly blocks the production of ε-rhodomycinone, but also causes the excess daunorubicin to accumulate without rapid conversion to doxorubicin.

상기에서 살펴본 바와 같이, 본 발명의 발효 방법은 안트라사이클린계 항생제를 생산하는 변이 균주를 혼합 배양하여 효율적으로 독소루비신을 생산함으로 지금까지 항암 효과가 우수하면서도 그의 생산에 있어서 효율이 낮고 정제 과정이 까다로왔던 독소루비신을 용이하고 경제적으로 대량 얻을 수 있다. As described above, the fermentation method of the present invention by producing a mixed culture of mutant strains producing anthracycline-based antibiotics efficiently to produce doxorubicin, so far has excellent anti-cancer effect, but its efficiency is low and the purification process is difficult. Doxorubicin that has come can be obtained easily and economically in large quantities.

도 1 은 본 발명의 독소루비신 및 바우마이신의 생합성 과정을 나타낸 것이고, Figure 1 shows the biosynthesis process of doxorubicin and baumycin of the present invention,

도 2 는 본 발명의 스트렙토마이세스 속 변이 균주 D5 의 성장에 따른 ε-로도마이시논의 생산량의 증가를 나타낸 것이고, Figure 2 shows the increase in the production of ε- rhodomycin with the growth of Streptomyces genus strain D5 of the present invention,

○ : pH ; ▽ : 건조 세포 무게 ; ◆ : ε-로도마이시논○: pH; ▽: dry cell weight; ◆: ε-rhodomycinone

도 3 은 상기 변이 균주 D5 를 3일 동안 배양한 배양액 및 스트렙토마이세스 푸세티우스 변이 균주 Nu23 를 3일 동안 배양한 배양액을 혼합 배양하여 항암제인 독소루비신이 생산되는 양상을 나타낸 것이고, Figure 3 shows the culture of the culturing the strain strain D5 culture for 3 days and the culture medium cultured Streptomyces Pusetius mutant strain Nu23 for 3 days to produce a doxorubicin, an anticancer agent,

◇ : ε-로도마이시논; ● : 독소루비신; ■ : 다우노루비신◇: ε-rhodomycinone; ●: doxorubicin; ■: Daunorubicin

도 4 은 상기 변이 균주 D5 를 6일 동안 배양한 배양액 및 상기 변이 균주 Nu23 를 3일 동안 배양한 배양액을 혼합 배양하여 항암제인 독소루비신이 생산되는 양상을 나타낸 것이고, Figure 4 shows the culture of the culture medium cultured the mutant strain D5 culture for 6 days and the culture medium cultured the mutant strain Nu23 for 3 days mixed culture of doxorubicin is produced,

도 5 은 상기 변이 균주 D5 를 6일 동안 배양한 배양액 및 상기 변이 균주 Nu23 를 3일 동안 배양한 배양액을 원심분리하여 얻은 균체를 혼합 배양하여 항암제인 독소루비신이 생산되는 양상을 나타낸 것이다. Figure 5 shows the culture of the culture medium obtained by centrifugation of the culture medium in which the mutant strain D5 was cultured for 6 days and the culture medium in which the mutant strain Nu23 was cultured for 3 days, the doxorubicin is produced as an anticancer agent.

Claims (6)

돌연변이 과정으로 제조된 생합성 중간체인 아크라비논 이후의 생합성 효소 활성을 가지면서 독소루비신의 생합성 과정이 차단된 스트렙토마이세스 푸세티우스 변이 균주 Nu23 (수탁번호 : KCTC 0382 BP).Streptomyces fusettius mutant strain Nu23 (accession number: KCTC 0382 BP), which has a biosynthetic enzyme activity after acrobinone, a biosynthetic intermediate produced by the mutation process, and has blocked the biosynthetic process of doxorubicin. 제 1 항에 있어서, 변이 균주 Nu23은 다우노루비신 C-14 하이드록시레이즈 유전자 dox A 를 발현하는 발현 벡터를 포함할 수 있는 것을 특징으로 하는 스트렙토마이세스 푸세티우스 변이 균주 Nu23.The Streptomyces fusetius mutant strain Nu23 according to claim 1, wherein the variant strain Nu23 may comprise an expression vector expressing the daunorubicin C-14 hydroxylase gene dox A. 돌연변이 과정으로 제조된 ε-로도마이시논을 고수율로 생산하는 스트렙토마이세스 속 변이 균주 D5 (수탁번호 : KCTC 0383 BP).Mutant strain D5 genus Streptomyces producing high yield of ε-rhodomycinone prepared by the mutation process (Accession No .: KCTC 0383 BP). 제 3항에 있어서, 변이 균주 D5는 독소루비신 내성 유전자 drr AB 를 발현할 수 있는 발현 벡터를 포함할 수 있는 것을 특징으로 하는 스트렙토마이세스 속 변이 균주 D5.The variant strain of Streptomyces genus D5 according to claim 3, wherein the variant strain D5 may comprise an expression vector capable of expressing the doxorubicin resistance gene drr AB . 제 2항의 변이 균주를 이용하여 13-다이하이드로다우노루비신을 기질로 하여 독소루비신을 생산하는 방법.A method for producing doxorubicin using 13-dihydrodaunorubicin as a substrate using the mutant strain of claim 2. ⅰ) 제 1항의 ε-로도마이시논 이후의 생합성 효소 활성은 가지면서 독소루비신의 생합성 과정이 차단된 변이 균주 Nu23을 배양하는 단계;Iii) culturing the mutant strain Nu23 having the biosynthetic enzyme activity after ε-rhodomycinone of claim 1 and blocking the biosynthetic process of doxorubicin; ⅱ) 제 3항의 생합성 중간체인 ε-로도마이시논을 고수율로 생산하는 변이 균주 D5를 배양하는 단계;Ii) culturing the mutant strain D5 to produce ε-rhodomycinone, the biosynthetic intermediate of claim 3, in high yield; ⅲ) 상기 단계 ⅰ)에서 배양한 변이균주 Nu23을 단계 ⅱ)의 배양액에 첨가하는 단계; 및 Iii) adding the mutant strain Nu23 cultured in step iii) to the culture solution of step ii); And ⅳ) 변이균주 Nu23 및 D5를 혼합 배양하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 독소루비신 및 그의 유도체를 대량 생산하는 방법Iii) a method for mass production of doxorubicin and its derivatives comprising the step of culturing the mutant strains Nu23 and D5
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