KR101197026B1 - Tacrolimus producing strain and Tacrolimus biosynthetic genes obtained by the same - Google Patents

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Abstract

본 발명은 종래 면역억제 활성을 갖는 것으로 알려진 타크롤리무스 FK506를 고효율로 생산할 수 있는 신규한 Streptomyces sp. MJM7001 균주 및 상기 균주로부터 얻어진 타크롤리무스 생합성 유전자에 관한 것으로, 본 발명에 따른 타크롤리무스 생산 균주는 종래의 타크롤리무스 생산 균주에 비해 타크롤리무스를 고효율로 대량 생산이 가능하며, 고순도로 타크롤리무스를 분리할 수 있어 장기이식에 의한 거부반응, 골수이식에 의한 이식편대숙주 질환, 자가면역질환, 감염성 질환 등의 예방 및 치료에 사용되는 면역억제제의 생산에 유용하게 사용될 수 있고, 또한 이로부터 분리된 타크롤리무스 생합성 유전자는 산업적 및 의학적으로 유용한 생리활성 물질의 생산성 최적화 및 대량생산에 적합한 산업용 균주 개량 방법의 새로운 가능성을 제시할 수 있다.The present invention provides a novel Streptomyces sp. Which can produce tacrolimus FK506, which is known to have immunosuppressive activity, with high efficiency. MJM7001 strain and tacrolimus biosynthetic gene obtained from the strain, the tacrolimus producing strain according to the present invention is capable of mass production of tacrolimus in high efficiency, compared to the conventional tacrolimus producing strain, high purity Since it can be isolated, it can be useful for the production of immunosuppressive agents used for the prevention and treatment of rejection by organ transplantation, graft-versus-host disease, autoimmune disease, infectious disease, etc. Tacrolimus biosynthesis genes isolated from them may suggest new possibilities for industrial strain improvement methods suitable for the optimization and mass production of industrially and medically useful bioactive substances.

Description

타크롤리무스 생산 균주 및 이로부터 얻어진 타크롤리무스 생합성 유전자{Tacrolimus producing strain and Tacrolimus biosynthetic genes obtained by the same} Tacrolimus producing strain and Tacrolimus biosynthetic genes obtained by the same

본 발명은 타크롤리무스(Tacrolimus) 생산 균주 및 이로부터 얻어진 타크롤리무스 생합성 유전자에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 종래 면역억제 활성을 갖는 것으로 알려진 타크롤리무스(이하, '타크롤리무스 FK506' 또는 'FK506'이라고도 함)를 고효율로 생산할 수 있는 신규한 Streptomyces sp. MJM7001 균주 및 상기 균주로부터 얻어진 타크롤리무스 생합성 유전자에 관한 것이다.
The present invention relates to a tacrolimus producing strain and a tacrolimus biosynthetic gene obtained therefrom, and more specifically, tacrolimus (hereinafter, 'tacrolimus FK506' or 'known as having a conventional immunosuppressive activity. New Streptomyces sp. It relates to the MJM7001 strain and tacrolimus biosynthesis gene obtained from the strain.

장기이식이나 자가면역질환을 치료하기 위하여는 바람직하지 않은 면역반응을 억제하여야 하며, 이 경우 면역억제제가 필수적으로 이용되고 있다. 현재까지, 면역억제제로서 가장 많이 사용되고 있는 물질은 사이클로스포린 A(cyclosporin A)를 주성분으로 하는 사이클로스포린(cyclosporin)이다. 그러나, 상기 사이클로스포린 A는 신장독성, 고혈압, 당뇨병 및 이식후 림프세포 증식성 질환 등 부작용을 유발시킬 수 있는 문제점이 있다. 이러한 문제점으로 인해 최근 가장 각광받고 있는 물질이 타크롤리무스이다. In order to treat organ transplantation or autoimmune disease, undesirable immune response should be suppressed. In this case, immunosuppressive agents are essential. To date, the most used substance as an immunosuppressive agent is cyclosporin, which is mainly composed of cyclosporin A. However, the cyclosporin A has a problem that can cause side effects such as kidney toxicity, hypertension, diabetes mellitus and post-transplant lymph cell proliferative diseases. Due to this problem, tacrolimus is currently the most popular material.

이러한 타크롤리무스는 일본 북부지방 쯔꾸바 지역에서 채취된 흙 시료로부터 얻은 미생물인 스트렙토마이세스 쯔꾸바엔시스(Streptomyces tsukubaensis)의 발효액에서 발견되었으며, 면역억제 효과를 가지고 있는 마크로라이드(macrolide) 계에 속하는 항생물질이다. 타크롤리무스 또한 사람의 면역계에서 T-cell과 interleukin-2의 활성을 억제하여 면역력을 저하시키며, 아토피 피부염에 부작용 없이 탁월한 효능을 보이는 한편, 탁월한 면역억제 효능으로 장기이식 후 유발되는 거부반응을 억제할 수 있는 면역억제제로도 주목을 받고 있어, 장기간 복용시 부작용을 유발하는 스테로이드계 약제를 대체할 것으로 예상되고 있다.Tacrolimus was found in fermentation broth of Streptomyces tsukubaensis, a microorganism obtained from soil samples collected in the Tsukuba region of northern Japan, and is an antibiotic substance belonging to the macrolide system having an immunosuppressive effect. to be. Tacrolimus also inhibits the activity of T-cell and interleukin-2 in the human immune system, lowers immunity and shows excellent efficacy without adverse effects on atopic dermatitis, while suppressing rejection after organ transplantation with excellent immunosuppressive effects. It is also attracting attention as a possible immunosuppressive agent, and is expected to replace steroidal drugs causing side effects when taken for a long time.

타크롤리무스를 생산하는 공지된 미생물은 스트렙토마이세스 쯔꾸바엔시스(Streptomyces tsukubaensis) No.9993, 스트렙토마이세스 속(Streptomyces sp.) MA 6858, 스트렙토마이세스 클라불리저러스(Streptomyces clavuligerus) CKD 1119 등이 알려져 있으나, 이러한 미생물에 의한 타크롤리무스의 생산은 그 수율이 낮아 비경제적이라는 문제점이 있었다.Known microorganisms producing tacrolimus are known Streptomyces tsukubaensis No.9993, Streptomyces sp. MA 6858, Streptomyces clavuligerus CKD 1119, and the like. However, the production of tacrolimus by such microorganisms had a problem that the yield is low and uneconomical.

이에 본 발명자들은 분자생물학적 기법을 이용하여 타크롤리무스를 생산하는 균주를 선별 개량하고, 핵심 유전자의 변이를 통한 타크롤리무스의 고수율 생산균주를 창출하는 한편, 변이균주에서 생산 수율 증대의 분자 유전학적 증거를 제시하기 위해 예의 연구를 거듭한 결과 본 발명에 이르게 되었다.
Accordingly, the present inventors have screened and improved strains that produce tacrolimus using molecular biological techniques, create high-yield production strains of tacrolimus through mutations of key genes, and increase molecular yield of production yield in mutant strains. As a result of intensive research to present the scientific evidence, the present invention has been reached.

따라서, 본 발명의 목적은 타크롤리무스(Tacrolimus) 화합물을 고효율로 생산하는 신규한 균주를 제공하는 것이다.It is therefore an object of the present invention to provide novel strains that produce Tacrolimus compounds with high efficiency.

또한 본 발명의 다른 목적은 상기 신규한 타크롤리무스 생산 균주로부터 유도된 타크롤리무스 생합성 유전자를 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a tacrolimus biosynthesis gene derived from the novel tacrolimus producing strain.

또한 본 발명의 다른 목적은 Streptomyces sp. MJM7001 균주로부터 타크롤리무스를 합성하는데 필요한 알릴말로닐-에시피의 합성에 관여하는 단백질 도메인을 코딩하는 핵산을 포함한 재조합 벡터인 분리된 핵산을 제공하는 것이다.In addition, another object of the present invention is Streptomyces sp. It is to provide an isolated nucleic acid which is a recombinant vector comprising a nucleic acid encoding a protein domain involved in the synthesis of allylmalonyl-epi required to synthesize tacrolimus from the MJM7001 strain.

또한 본 발명의 다른 목적은 상기 알릴말로닐-에시피의 합성에 관여하는 효소의 재조합 유전자 코딩을 포함하는 재조합 숙주 세포를 제공하는 것이다.It is another object of the present invention to provide a recombinant host cell comprising a recombinant gene coding of the enzyme involved in the synthesis of the allylmalonyl- recipe.

또한 본 발명의 다른 목적은 상기 타크롤리무스 생합성 유전자를 코딩하는 핵산이 자가복제하거나 숙주 세포의 크로모좀으로 융합할 수 있는 재조합 벡터인 분리된 핵산을 제공하는 것이다.It is another object of the present invention to provide an isolated nucleic acid which is a recombinant vector capable of self-replicating or fusion to a chromosome of a host cell.

또한 본 발명의 다른 목적은 Streptomyces sp. MJM7001 균주로부터 타크롤리무스를 합성하는데 필요한 알릴말로닐-에시피의 합성에 관여하는 단백질 도메인을 코딩하는 핵산을 포함한 재조합 벡터를 이용하여 숙주 세포를 형질 전환하고, 알릴말로닐-에시피 합성 효소가 과대생산되어 폴리케타이드의 합성을 촉매작용하는 조건하에 상기 숙주 세포를 배양하는 것을 특징으로 하는 폴리케타이드의 제조방법을 제공하는 것이다.
In addition, another object of the present invention is Streptomyces sp. Transform host cells using a recombinant vector comprising a nucleic acid encoding a protein domain involved in the synthesis of allylmalonyl-epi required to synthesize tacrolimus from the MJM7001 strain, and allylmalonyl-epi synthase It is to provide a method for producing a polyketide, characterized in that the host cell is cultured under conditions that are produced to catalyze the synthesis of the polyketide.

상기와 같은 본 발명의 목적은 타크롤리무스를 생산하는 신규한 균주를 선별하고, 선별한 균주를 돌연변이 유발에 의해 개량하여 그 형태적 특성을 조사하는 한편, 발효 배지조건 최적화 고체배양 및 보존법과 액체배양 방법을 확립하고, 발효조 조건을 최적화하며, 전구체의 첨가로 인한 타크롤리무스 생합성 연구와 타크롤리무스 생산 균주에서의 유전자 라이브러리 구축 및 FK506 생합성 유전자군을 탐색함으로서 달성되었다.
The object of the present invention as described above is to screen for novel strains that produce tacrolimus, improve the selected strains by mutagenesis and investigate their morphological properties, while optimizing fermentation medium conditions, solid culture and preservation methods and liquids. This was achieved by establishing culture methods, optimizing fermenter conditions, studying tacrolimus biosynthesis due to the addition of precursors, building a genetic library in tacrolimus producing strains, and searching for FK506 biosynthetic gene populations.

본 발명은 하기 화학식 1의 타크롤리무스(Tacrolimus) 화합물을 생산하는 Streptomyces sp. MJM7001 균주를 제공한다.The present invention is Streptomyces sp. To produce a tacrolimus compound of the formula (1). Provides the MJM7001 strain.

Figure 112010072439336-pat00001
Figure 112010072439336-pat00001

또한 본 발명은 상기 Streptomyces sp. MJM7001 균주 유래 서열번호 1의 타크롤리무스 생합성 유전자를 제공한다.In addition, the present invention is the Streptomyces sp. Provided is a tacrolimus biosynthesis gene of SEQ ID NO: 1 from MJM7001 strain.

또한 본 발명은 Streptomyces sp. MJM7001 균주로부터 타크롤리무스를 합성하는데 필요한 알릴말로닐-에시피의 합성에 관여하는 단백질 도메인을 코딩하는 핵산을 포함한 재조합 벡터인 분리된 핵산을 제공한다.In addition, the present invention Streptomyces sp. An isolated nucleic acid is provided that is a recombinant vector comprising a nucleic acid encoding a protein domain involved in the synthesis of allylmalonyl-epi required to synthesize tacrolimus from a MJM7001 strain.

또한 본 발명은 상기 알릴말로닐-에시피의 합성에 관여하는 효소의 재조합 유전자 코딩을 포함하는 재조합 숙주 세포를 제공한다.The present invention also provides a recombinant host cell comprising a recombinant gene coding of the enzyme involved in the synthesis of the allylmalonyl- recipe.

또한 본 발명은 상기 타크롤리무스 생합성 유전자를 코딩하는 핵산이 자가복제하거나 숙주 세포의 크로모좀으로 융합할 수 있는 재조합 벡터인 분리된 핵산을 제공한다.The present invention also provides an isolated nucleic acid which is a recombinant vector capable of self-replicating or fusion to a chromosome of a host cell.

또한 본 발명은 Streptomyces sp. MJM7001 균주로부터 타크롤리무스를 합성하는데 필요한 알릴말로닐-에시피의 합성에 관여하는 단백질 도메인을 코딩하는 핵산을 포함한 재조합 벡터를 이용하여 숙주 세포를 형질 전환하고, 알릴말로닐-에시피 합성 효소가 과대생산되어 폴리케타이드의 합성을 촉매작용하는 조건하에 상기 숙주 세포를 배양하는 것을 특징으로 하는 폴리케타이드의 제조방법을 제공한다.
In addition, the present invention Streptomyces sp. Transform host cells using a recombinant vector comprising a nucleic acid encoding a protein domain involved in the synthesis of allylmalonyl-epi required to synthesize tacrolimus from the MJM7001 strain, and allylmalonyl-epi synthase Provided is a method for producing a polyketide, characterized in that the host cell is cultured under conditions that are produced to catalyze the synthesis of the polyketide.

본 발명에 따른 타크롤리무스 생산 균주는 종래의 타크롤리무스 생산 균주에 비해 타크롤리무스를 고효율로 대량 생산할 수 있고, 고순도로 타크롤리무스를 분리할 수 있어 장기이식에 의한 거부반응, 골수이식에 의한 이식편대숙주 질환, 자가면역질환, 감염성 질환 등의 예방 및 치료에 사용되는 면역억제제의 생산에 유용하게 사용될 수 있고, 또한 이로부터 분리된 타크롤리무스 생합성 유전자는 산업적 및 의학적으로 유용한 생리활성 물질의 생산성 최적화 및 대량생산에 적합한 산업용 균주 개량 방법의 새로운 가능성을 제시할 수 있다.
Tacrolimus producing strain according to the present invention can produce a large amount of tacrolimus with high efficiency compared to the conventional tacrolimus producing strain, and can separate tacrolimus with high purity, rejection by organ transplantation, bone marrow transplantation Can be useful for the production of immunosuppressive agents used in the prevention and treatment of graft-versus-host disease, autoimmune diseases, infectious diseases, etc., and the tacrolimus biosynthesis gene isolated therefrom is a bioactive substance useful industrially and medically. It is possible to suggest new possibilities of industrial strain improvement methods suitable for the optimization of productivity and mass production.

도 1은 공시균주와 본 발명을 비교한 사진이다.
도 2는 본 발명 균주의 전자현미경 사진이다.
도 3은 서로 다른 3가지 색을 띤 콜로니를 나타낸 사진이다.
도 4는 FK506 함유된 고체배지에서 콜로니 별 형태 비교한 사진이다.
도 5는 출발균주 및 고생산 균주 Streptomyces sp. MJM7001 발효농도 비교한 그래프이다.
도 6은 Proline과 Lysine의 Feeding이 FK506 생산성에 대한 효과를 나타낸 도이다.
도 7은 FK506 및 FK520 구조를 나타낸 도이다.
도 8은 FK506 생합성 유전자 배열도를 나타낸 도이다.
도 9는 알릴말로닐-에시피 생합성에 관여할 것으로 예측되는 유전자 fkbV, fkbW, fkbX, fkbY가 삽입되어있는 재조합 플라스미드의 지도를 나타낸다.
도 10는 fkbV, fkbW, fkbX, fkbY가 전부 발현된 Streptomyces sp. MJM7001의 타크롤리무스 생산성증가 여부를 확인한 그래프이다.
1 is a photograph comparing the present invention with the test strain strain.
Figure 2 is an electron micrograph of the strain of the present invention.
3 is a photograph showing colonies having three different colors.
Figure 4 is a photograph comparing the form of colonies in the FK506-containing solid medium.
5 shows the starting strain and high producing strain Streptomyces sp. MJM7001 fermentation concentration is a graph comparing.
6 is a diagram showing the effect of the feeding of Proline and Lysine on FK506 productivity.
7 shows the structure of FK506 and FK520.
8 shows the sequence diagram of the FK506 biosynthesis gene.
FIG. 9 shows a map of recombinant plasmids with genes fkbV , fkbW , fkbX , fkbY inserted that are predicted to be involved in allylmalonyl- epi biosynthesis.
10 is Streptomyces sp. All expressed fkbV, fkbW, fkbX, fkbY. MJM7001 is a graph confirming the increase in tacrolimus productivity.

이하에서 본 발명의 바람직한 실시형태를 실시예를 참고로 보다 구체적으로 설명한다. 하지만 본 발명의 범위가 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니다.
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in more detail with reference to Examples. However, the scope of the present invention is not limited to these examples.

실시예 1 : 타크롤리무스(Tacrolimus) 생산균주의 선별Example 1 Screening of Tacrolimus Producing Strains

본 실시예에서는 타크롤리무스 FK506을 생산하는 미생물을 분리하기 위해 평판 희석기술을 이용하였다. 본 발명자들이 보유하고 있는 희귀미생물은행에서 수집한 토양 약 1g을 멸균 시험관에 넣고 멸균수를 가하여 혼합한 후, 약 10분간 방치시켜 상등액을 수득하였다. 수득한 상등액을 멸균수로 약 105배 희석시킨 후, 상기 희석액 0.1㎖을 플레이트 내의 효모-맥아 한천배지(효모 엑기스 4 g/ℓ, 맥아즙 10 g/ℓ, 포도당 4 g/ℓ, 한천 20 g/ℓ, 증류수 1ℓ, pH 6.8 ~ 7.0로 제조된 배지) 상에 산포하였다. 이후, 28에서 약 21일간 배양시킨 후, 효모-맥아 한천 배지상에 증식한 콜로니를 멸균된 바늘을 이용하여 새로운 효모-맥아 한천 배지 상에 일정 간격을 두고 계대 배양하였다. In this example, a plate dilution technique was used to isolate the microorganisms producing tacrolimus FK506. About 1 g of the soil collected by the rare microorganism bank possessed by the present inventors was put in a sterile test tube, mixed by adding sterilized water, and left for about 10 minutes to obtain a supernatant. After about 10 5 times diluted with sterile water and the resultant supernatant, the yeast in the dilution plate 0.1㎖-malt agar (yeast extract 4 g / ℓ, wort 10 g / ℓ, glucose 4 g / ℓ, Agar 20 g / L, 1 L of distilled water, medium prepared at pH 6.8 to 7.0). Thereafter, after culturing for about 21 days at 28, colonies grown on yeast-malt agar medium were passaged at regular intervals on fresh yeast-malt agar medium using sterile needles.

상기에서 계대 배양되어 증식된 콜로니들을 다시 28에서 10일간 배양한 후, 콜로니가 증식된 배지위에 아스퍼질러스 퓨미가터스( Aspergillus fumigatus KCCM 60027)의 포자 현탁액을 0.5㎖씩 도포하였다. 이때, Aspergillus fumigatus KCCM 6002는 면역억제 물질에 의해 생육이 저해받는 균을 후보 균주로 이용하였다. 이들 균주를 도포한 후, 28에서 2일간 콜로니를 추가 배양하여 후보 균들이 아스퍼질러스 퓨미가터스의 생장을 많이 저해한 콜로니 350주를 선별하였다. The colonies grown by passage in the above culture were again incubated for 28 to 10 days, and then, aspergillus fumigatus on the medium where colonies were grown. Aspergillus 0.5 ml of spore suspension of fumigatus KCCM 60027) was applied. At this time, Aspergillus fumigatus KCCM 6002 was used as a candidate strain that inhibited growth by immunosuppressive substances. After applying these strains, colonies were further cultured for 28 days for 2 days to select 350 colonies whose candidates inhibited the growth of Aspergillus fumigators.

그 결과, 선별된 균주 중에서 곰팡이 및 세균을 제외한 방선균 108주를 1차 선발한 후, 협력업체인 BNC회사의 면역억제 활성 시험을 통해 면역억제 활성을 보이는 균주를 2차 선발하였다. 위에서 1차로 선발된 균주가 면역억제 활성을 가지는 물질을 생산하는지 확인하였다. 열처리에 의한 비활성의 10% fetal calf serum이 포함된 RPMI 1640 배지(GIBCO, GrandIsland, NY)를 함유하는 96-웰 플레이트에 쥐 비장의 T 세포(T-cell)를 0.5x106 세포/㎖의 농도로 각 200 ㎕씩 소분하였다. 그 후, 상기 1차 선발한 균주 108주 배양액의 메탄올 추출 농축물을 웰에 분배한 후, 250 ng/㎖의 이노마이신[이오노포어(ionophore)의 일종으로 Ca2 +이온 전도물질) 및 10 ng/㎖의 PMA(Peptonized Milk Agar; peptonized milk 1 g, 증류수 1 ℓ) 액체 배지를 첨가하였다. As a result, after selecting 108 strains of actinomycetes excluding fungi and bacteria from the selected strains, strains showing immunosuppressive activity were secondarily selected through an immunosuppressive activity test of a BNC company which is a partner company. It was confirmed whether the strain selected primarily from the above produces a material having immunosuppressive activity. Concentration of 0.5x10 6 cells / ml of T-cells in rat spleens in 96-well plates containing RPMI 1640 medium (GIBCO, GrandIsland, NY) containing 10% fetal calf serum inactive by heat treatment Each 200 μL was subdivided. Then, after the allocation of the methanol extract concentrate of the primary starter strain 108 weeks culture solution in the well, 250 ng / ㎖ of Ino azithromycin [EO No pore Ca 2 + ion-conducting material as a kind of (ionophore)) and 10 ng / ml PMA (Peptonized Milk Agar; 1 g of peptonized milk, 1 L of distilled water) was added.

이후, 약 5시간 동안 방사성 동위원소 3H-TdR(Thimidine deoxyribose)(S.A.(Specific activity) 5 Ci/mmol; 농도 1 μCi/㎖)에 반응시킨 후, 37℃에서 48시간 동안 배양하였다. 상기 배양액을 유리솜에 여과시켜 세포를 수확한 후, 분광광도계를 이용하여 방사능 분석을 하였다. 이때, 배양액 시료를 넣지 않은 대조군의 방사능을 100%로 하여 상기 실험군의 결과와 비교하였으며, 정확성을 높이기 위해 상기 실험을 3번 반복하였다. Thereafter, the mixture was reacted with radioisotope 3H-TdR (Thimidine deoxyribose) (S.A. (Specific activity) 5 Ci / mmol; concentration 1 μCi / ml) for about 5 hours, and then cultured for 48 hours at 37 ° C. The culture solution was filtered through glass wool to harvest the cells, and then subjected to radioactivity analysis using a spectrophotometer. At this time, the radioactivity of the control group without the culture solution was set to 100% and compared with the results of the experimental group, and the experiment was repeated three times to increase the accuracy.

그 결과, 배양액 시료가 첨가된 실험군의 경우, 방사능이 100% 이하로 감소되는 결과를 보인 균주 1주를 확인하였다. 즉, 이 균주의 특정 성분이 T 세포의 증식을 억제하였으며, 배양액 시료가 면역억제기능을 가진 물질을 포함하고 있음을 확인하였다. 상기에서 선별한 생산균주 Streptomyces sp. MJM7001를 출발균주로 이용하였다.
상기 균주는 한국미생물보존센타에 2010. 10. 18자로 기탁번호 KCCM11116P로 기탁하였다.
As a result, in the experimental group to which the culture medium sample was added, it was confirmed that strain 1 strain showed a result of reducing the radioactivity to 100% or less. That is, it was confirmed that specific components of the strain inhibited the proliferation of T cells, and that the culture sample contained a substance having an immunosuppressive function. Production strain Streptomyces sp. MJM7001 was used as starting strain.
The strain was deposited with the Korean microbiological conservation center with accession number KCCM11116P as of October 18, 2010.

실시예 2 : 타크롤리무스 생산 균주의 랜덤 돌연변이 유발에 의한 개량Example 2 improvement by random mutagenesis of tacrolimus producing strain

효모-맥아 한천 배지에서 28℃에서 7~14일간 배양한 출발균주 Streptomyces sp. MJM7001의 포자를 수집하기 위해 멸균수를 이용하여 포자현탁액을 만들었다. Starting strain Streptomyces sp. Was cultured in yeast-malt agar medium at 28 ° C. for 7-14 days. Spore suspension was made using sterile water to collect spores of MJM7001.

구체적으로 상기 배양 플레이트에 1개당 3mL 생리염수를 가하고 백금이로 포자를 수집하였다. 포자를 포함한 생리염수를 유리 비드가 담긴 삼각플라스크에 넣어 30분간 진탕하였다. 그 후 탈지면을 통과하여 단일포자현탁액을 획득하였다. 포자농도를 확인하기 위해 상기 포자현탁액 0.1mL를 0.9mL 생리식염수에 연속 희석한 후 0.1mL을 취하여 플레이트에 도말하였다. 포자농도를 ml당 106개로 맞춰주고 UV, HNO3 등 돌연변이 방법으로 변이를 유도한 후 효모-맥아 한천 배지 상에 도말하여 28℃에서 10일간 배양하였다. UV 변이 조건은 파장 253nm인 15W UV 등으로 30cm 거리에서 30초 조사하였다. HNO3 변이 조건은 0.1mol/L 의 NaNO2 용액을 이용하여 10~60분간 처리하였다. 이렇게 얻은 단일 콜로니를 다시 효모-맥아 한천 사면배지에 접종하여 28℃에서 7~14일간 배양한 후 삼각플라스크에 접종하여 액체배양 실시하여 최종역가를 확인하였다. 위에서 얻은 고생산 균주를 사면배지에 여러 차례 계대 배양을 통해 발효역가 및 안정성을 검정하여 유전성능이 좋은 고생산 균주 MJM7001를 확보하였다.
Specifically, 3 mL of physiological saline was added to the culture plate and spores were collected by platinum. Physiological saline containing spores was put in a Erlenmeyer flask containing glass beads and shaken for 30 minutes. It was then passed through cotton wool to obtain a single spore suspension. To determine the spore concentration, 0.1 mL of the spore suspension was serially diluted in 0.9 mL physiological saline, and 0.1 mL was taken and plated on a plate. Spore concentration was adjusted to 10 6 per ml and induced mutation by UV, HNO 3 and other mutation methods, and then plated on yeast-malt agar medium and incubated at 28 ° C. for 10 days. UV transition conditions were irradiated for 30 seconds at a distance of 30cm with 15W UV having a wavelength of 253nm. HNO 3 Mutation condition is 0.1 mol / L of NaNO 2 The solution was treated for 10 to 60 minutes. The single colony thus obtained was inoculated again in yeast-malt agar medium, incubated at 28 ° C. for 7-14 days, and then inoculated in a Erlenmeyer flask to carry out liquid culture to confirm final potency. The high production strain MJM7001 with good genetic performance was obtained by assaying the fermentation potency and stability through passage of the high-producing strain obtained several times in slope medium.

실시예 3 : 생산균주의 형태적 특성 조사 Example 3 Investigation of Morphological Characteristics of Production Strains

상기에서 개발한 FK506 생산균주인 Streptomyces sp. MJM7001 생산균주도 방선균이지만 배양학적 특성, 형태학적 특성, 생리학적 특성 및 탄소원 이용성을 살펴본 결과, FK506 생산의 공지균주인 스트렙토마이세스 쯔꾸바엔시스(Streptomyces tsukubaensis) No.9993 및 스트렙토마이세스 속(Streptomyces sp.)ATCC 55098과 전혀 다른 것을 알 수 있다. Streptomyces sp. Although the MJM7001 producing strains were actinomycetes, the culture, morphological, physiological and carbon source availability were examined. As a result, the known strain of FK506 production, Streptomyces tsukubaensis No.9993 and Streptomyces sp .) This is very different from ATCC 55098.

구체적으로, 효모-맥아 한천배지, 감자 한천배지, 오트밀 한천배지, 자펙 글루코스 한천배지, 글루코스-아스파라긴 한천배지, 펩톤-글루코스 한천배지 및 탈지분유 한천배지에 분리된 균주를 각각 식균하고, 28℃에서 7 ~ 14일 동안 배양한 다음, 생육정도, 포자형성, 콜로니 색 및 수용성 색소를 관찰하였다. 그 결과, 효모-맥아 한천배지에서 그 생육정도 및 포자형성이 상대적으로 왕성하였으며, 이때 콜로니 색상에 있어서 Streptomyces sp. ATCC55098(MA6858) 균주는 황갈색 내지는 흰색인 반면, Streptomyces sp. MJM7001 생산균주는 오렌지 색을 띄었으며, 공지균주는 색소를 생성하지 않는 반면, 본 발명의 생산균주는 어두운 주황색의 수용성 색소를 분비하였다(도 1 참조). Specifically, the strains isolated on yeast-malt agar medium, potato agar medium, oatmeal agar medium, zappe glucose agar medium, glucose-asparagine agar medium, peptone-glucose agar medium and skim milk powder agar medium, respectively, and then, at 28 ℃ After culturing for 7-14 days, growth, spore formation, colony color and water-soluble pigment were observed. As a result, the growth and spore formation of yeast-malt agar medium were relatively strong, and Streptomyces sp. ATCC55098 (MA6858) strains were tan to white, while Streptomyces sp. The MJM7001 producing strain had an orange color, and the known strain did not produce a pigment, whereas the producing strain of the present invention secreted a dark orange water-soluble pigment (see FIG. 1).

생산균주의 형태적 특성을 살펴보기 위해, MJM7001 균주를 효모-맥아 한천배지에서 28, 14일 동안 배양한 후, 광학 및 전자현미경을 통해 관찰하였다(도 2 참조). 한편, 3종 균주 모두 세포벽 조성은 타입 I 이면서, LL 형태의 다이아미노피멜릭산(diaminopimelic acid)이 관찰된 점은 동일하나, 유전적 유사성을 측정하기 위한 분자생물학적 기법인 DNA 혼성화 시험을 이용하였다. 상기 3균주로부터 게놈 DNA를 분리하여 실시한 DNA-DNA 혼성화 실험을 통해 비교한 결과 MJM7001 균주는 상기 타크롤리무스 생산의 공지균주들과 동일 속에 속하나, 염기서열 상동성이 70%이하임으로 다른 종에 해당함을 알 수 있다. In order to examine the morphological characteristics of the production strain, MJM7001 strains were cultured in yeast-malt agar medium for 28 to 14 days, and observed through optical and electron microscopy (see FIG. 2). On the other hand, the cell wall composition of all three strains, type I, LL-type diaminopimelic acid (diaminopimelic acid) was observed the same point, but the DNA hybridization test, a molecular biological technique for measuring genetic similarity was used. MJM7001 strains belong to the same genus as the known strains of tacrolimus production, but they correspond to other species because their sequence homology is 70% or less. It can be seen.

MJM7001과 공시균주들과의 DNA-DNA 혼성화DNA-DNA Hybridization of MJM7001 with Test Strains 균주Strain 표식DNA와의 재혼성도(%)% Recombination with Marked DNA 본 발명의 균주Strains of the Invention 스트렙토마이세스 쯔꾸바엔시스 No.9993Streptomyces Tsukuba Ensis No.9993 스트렙토마이세스 속 ATCC 55098Streptomyces in ATCC 55098 본 발명의 균주Strains of the Invention 100100 6060 5050 스트렙토마이세스 쯔꾸바엔시스(Streptomyces tsukubaensis) No.9993Streptomyces tsukubaensis No.9993
65

65

100

100

55

55
스트렙토마이세스 속(Streptomyces sp.) ATCC 55098Streptomyces sp. ATCC 55098
48

48

53

53

100

100

실시예 4 : 타크롤리무스 생산균주의 안정화 및 선별Example 4 Stabilization and Screening of Tacrolimus Producing Strains

타크롤리무스 고생산성 균주의 개발 및 발효조건 최적화시험을 실시하였다. Streptomyces sp. MJM7001 균주에 의한 타크롤리무스 FK506 생산성은 발효조건에 의해 많은 영향을 받는다. 우량 균주 선별에 있어서 매번 돌연변이를 실시한 후 여러 차례 계대 배양을 통해 고체배지에서 서로 다른 형태의 콜로니로 나타나는 빈도수를 줄일 수 있으며 보다 안정적인 변이균주를 획득 할 수 있었다. 또한 FK506을 (200mg/l)정도 첨가된 고체 배지에서 자란 콜로니를 택하여 발효배양을 수행하였다(도 3 참조). 콜로니 색상으로 주로 연노랑색, 회색, 오렌지색 3가지를 형성하는데 액체배양에서 초기 생장 속도는 연노랑색 콜로니가 빠르지만 FK506 생산성에서 오렌지색 콜로니 보다 못하다(표 2 참조). 3가지 콜로니가 FK506에 대한 내성을 확인한 결과 상기 생산성 패턴과 일치하게 오렌지색 콜로니가 제일 강한 내성을 나타냈다(도 4 참조). Development of high tacrolimus strains and optimization of fermentation conditions were performed. Streptomyces sp. Tacrolimus FK506 productivity by MJM7001 strain is greatly influenced by fermentation conditions. In the selection of good strains, each time mutation was performed, multiple passages were used to reduce the frequency of different types of colonies in solid medium and to obtain more stable strains. In addition, the fermentation culture was performed by selecting colonies grown in a solid medium to which FK506 (200 mg / l) was added (see FIG. 3). The colony forms three main colors, light yellow, gray and orange. In liquid culture, the initial growth rate is faster than the yellow colony, but not as much as the orange colony in FK506 productivity (see Table 2). Three colonies confirmed resistance to FK506, orange orange colonies showed the strongest resistance consistent with the productivity pattern (see Fig. 4).

액체배양에서 색이 다른 3가지 콜로니의 FK506 생산성 비교FK506 Productivity Comparison of Three Different Color Colonies in Liquid Cultures Sample nameSample name PMV(%)PMV (%) Final pHFinal pH Volume activity(mg/l)Volume activity (mg / l) Red colony-1Red colony-1 3838 6.86.8 220220 Red colony-2 Red colony-2 3333 6.86.8 225225 Red colony-3Red colony-3 3333 6.86.8 250250 Yellow colony-1Yellow colony-1 3131 6.76.7 180180 Yellow colony-2Yellow colony-2 3333 6.86.8 200200 Yellow colony-3Yellow colony-3 3535 6.86.8 195195 Grey colony-1Gray colony-1 2222 6.76.7 170170 Grey colony-2Gray colony-2 1717 6.76.7 6565 Grey colony-3Gray colony-3 2323 6.76.7 145145

실시예 5: 타크롤리무스 생산균주의 발효 배지조건 최적화Example 5: Optimization of Fermentation Medium Condition of Tacrolimus Producing Strains

타크롤리무스 생산균주인 Streptomyces sp. MJM7001 균주의 탄소원 대체 실험을 통해 전분 이외의 다른 탄소원을 이용하면 타크롤리무스 FK506 생산이 현저히 감소되는 것을 확인하였다. 하지만 가용성 녹말을 탄소원으로 사용할 경우 배양액의 고점도 현상이 나타나 산소 공급을 유지하기 위해 더 높은 교반속도가 필요하다. 배양액 점도를 감소시키기 위해 덱스트린을 탄소원으로 이용하여 같은 발효조건에서 가용성 녹말 보다 더 많은 FK506을 생산하는 것을 확인했다. 그래서 전배양에서 가용성 녹말을 사용하고 본배양에서는 덱스트린을 사용했다. 질소원으로는 전배양에서는 yeast extract와 corn steep powder 본배양에서는 yeast extract 대신 dried yeast powder와 corn steep powder를 이용했다. 그 외에 glucose, ammonium, phosphate 등에 의한 FK506 생합성 조절을 보았다. 2% 이상의 glucose를 탄소원으로 포함된 배지에서는 대사저해에 의해 FK506 생산이 억제된 것을 확인하였다. 높은 농도의 인산 배지는 일반적으로 항생물질의 생산에 있어 불리하다. 다수의 항생물질은 생산균주의 생육에 무기 인산이 풍부한 배지에서는 생산하지 않는다는 것이 알려져 있기 때문이다. 그러나 인산염 첨가된 배지(인산염의 농도가 0.5%)를 이용하여 FK506 생산성이 증대된 것을 볼 수 있었다. 적합한 탄소원, 질소원이 들어간 배지에 K2HPO4 (대조구 배지조성일 경우 0.2%, 고농도 인산배지조성일 경우 0.5%)를 첨가하며 실험한 결과 FK506 생합성을 대조구보다 50% 정도 증가시켰다.
Tacrolimus producing strain Streptomyces sp. Substituted carbon source experiments of the MJM7001 strain confirmed that the use of a carbon source other than starch significantly reduced tacrolimus FK506 production. However, when soluble starch is used as a carbon source, a high viscosity phenomenon of the culture medium is required, and a higher stirring speed is required to maintain the oxygen supply. Dextrin was used as a carbon source to reduce the viscosity of the cultures and was found to produce more FK506 than soluble starch under the same fermentation conditions. So soluble starch was used in the preculture and dextrin was used in the main culture. As a nitrogen source, yeast extract and corn steep powder were used in preculture instead of yeast extract in this culture. In addition, the regulation of FK506 biosynthesis by glucose, ammonium, phosphate, etc. was observed. In medium containing 2% or more glucose as a carbon source, it was confirmed that FK506 production was inhibited by metabolic inhibition. High concentrations of phosphate medium are generally disadvantageous for the production of antibiotics. It is known that many antibiotics do not produce in medium rich in inorganic phosphate for the growth of production strains. However, it was found that the productivity of FK506 was increased by using a phosphate added medium (phosphate concentration of 0.5%). K 2 HPO 4 (0.2% for control medium composition and 0.5% for high phosphate medium composition) was added to a medium containing a suitable carbon source and nitrogen source to increase FK506 biosynthesis by 50% compared to the control.

실시예 6 : 생산균주의 고체배양 및 보존법 확립Example 6 Establishment of Solid Culture and Preservation Methods of Production Strains

구체적으로, 생산균주를 30 의 효모-맥아 한천배지(전분 10 g/ℓ, 효모엑기스 4 g/ℓ, 맥아즙 10 g/ℓ, 한천 20 g/ℓ, 증류수 1 ℓ, 살균 후 pH 6.8 ~ 7.0)가 함유된 사면배지에서 28℃로, 7 ~ 14일간 단일 콜로니(monocolony)로 배양하였다. 그 후, 1.5 ㎖의 생리식염수에서 배양된 단일 콜로니를 현탁한 후, 상기 고체배지가 함유된 수개의 plate에 도말하고, 다시 28℃에서 7 ~ 14일간 배양하였다. 상기 배양한 plate에 1개당 살균된 15%(w/v) skim milk solution 5㎖씩을 가한 후, 화염살균한 루프(loop)로 긁어서 포자와 일부 균사체 현탁액을 수확하였다. 그 후, 살균된 주사기를 이용하여 포자 현탁액을 유리솜에 통과시켜 균사체가 제거된 포자 현탁액을 제조하였다. 단기적으로 보존할 경우 냉동고(-70℃)에 넣어 보관한다. 장기적으로 보존할 경우 동결건조 법으로 ampoule을 만드는 것이 바람직하다. 0.2ml의 현탁액을 pasture pipette로 ampoule에 넣고 입구를 원래 멸균된 솜으로 막은 후 동결건조기(-70℃)에서 30~40분간 진공건조를 행하였다.
Specifically, the production strain 30 yeast-malt agar medium (starch 10 g / l, yeast extract 4 g / l, malt juice 10 g / l, agar 20 g / l, distilled water 1 l, after sterilization pH 6.8 ~ 7.0 ) Was incubated at 28 ℃ in a medium containing a single colony (monocolony) for 7 to 14 days. Thereafter, single colonies incubated in 1.5 ml of saline were suspended, then plated onto several plates containing the solid medium, and incubated at 28 ° C. for 7-14 days. 5 ml of sterilized 15% (w / v) skim milk solution was added to each of the cultured plates, and then, spores and some mycelium suspensions were harvested by scraping with a flame sterilized loop. Thereafter, the spore suspension was passed through the glass wool using a sterile syringe to prepare a spore suspension from which the mycelium was removed. In case of short-term storage, store in freezer (-70 ℃). In the case of long-term preservation, it is desirable to make ampoule by lyophilization method. 0.2 ml of the suspension was put into an ampoule with a pasture pipette, and the inlet was closed with the original sterilized cotton, and vacuum dried in a freeze dryer (-70 ° C.) for 30 to 40 minutes.

실시예 7 : 생산균주의 액체배양 확립Example 7 Establishment of Liquid Culture of Production Strains

종균배양을 위해 100㎖들이 삼각 플라스크에 종균배양 배지(Glucose 1.0%, Soluble starch 1.0%, Yeast extract 1%, Corn steep powder 0.5%, CaCO3 0.1%, pH 6.6) 25㎖ 를 첨가하여 121℃, 20분 동안 살균하였다. 상기 제조된 포자 현탁액을 효모-맥아 한천배지에 접종하여 28℃로, 4~5일간 단일 콜로니(monocolony)가 생길 때까지 배양하였다. 그 후, 색소나 콜로니 형태를 관찰하여 경험적으로 선택한 콜로니 하나를 화염살균한 루프(loop)로 따서 종균배양 배지에 식균하여 28℃에서 220 rpm으로 48시간 동안 배양하여 종균 배양액을 제조하였다. 이후, 본배양을 위해 250㎖들이 삼각 플라스크에 본배양 배지(Glucose 1.0%, Dextrin 10%, Dried Yeast 1%, Corn steep powder 0.5%, K2HPO4 2%, CaCO3 0.1%, pH 6.8) 50㎖를 첨가하여 121℃, 20분 동안 살균하였다. 그 후, 상기 제조된 종균 배양액(2%(v/v))을 본배양 배지에 식균하여 25℃에서 220rpm으로 6~9일 동안 배양하여 본배양 배양액을 제조하였다. 산업성을 고려하여 주로 저가의 공업용 원료를 사용하였다. 배양액에 합성 고분자인 Neorin 같은 Anti forming regent를 첨가하면(농도는 0.1%(v/v)) 발효가 상대적으로 안정화되었다.
For spawn culture, 25 ml of spawn culture medium (Glucose 1.0%, Soluble starch 1.0%, Yeast extract 1%, Corn steep powder 0.5%, CaCO 3 0.1%, pH 6.6) was added to a 100 ml Erlenmeyer flask at 121 ° C. Sterilized for 20 minutes. The prepared spore suspension was inoculated in yeast-malt agar medium and incubated at 28 ° C. until a single colony (monocolony) was formed for 4-5 days. Subsequently, one of the colonies selected empirically by observing the pigment or colony form was inoculated with a flame sterilized loop and inoculated in the seed culture medium, followed by culturing at 28 ° C. at 220 rpm for 48 hours to prepare a seed culture. Subsequently, the main culture medium (250 glucose 1.0%, Dextrin 10%, Dried Yeast 1%, Corn steep powder 0.5%, K 2 HPO 4 2%, CaCO 3 0.1%, pH 6.8) in a 250 ml Erlenmeyer flask for the main culture 50 ml was added and sterilized at 121 ° C. for 20 minutes. Thereafter, the prepared seed culture solution (2% (v / v)) was inoculated in the main culture medium and cultured for 6-9 days at 25 ℃ 220rpm to prepare a main culture culture. In consideration of industrial properties, low-cost industrial raw materials were mainly used. Fermentation was relatively stabilized by adding anti forming regent such as Neorin, a synthetic polymer (concentration was 0.1% (v / v)).

실시예 8 : 생산균주를 이용한 발효조 조건 최적화Example 8 Optimization of Fermenter Condition Using Production Strains

Streptomyces sp. MJM7001를 이용하여 발효조에서의 FK506 생산성을 관찰하였다. 구체적으로, 500㎖들이 둥근 플라스크에 50㎖의 전배양 배지를 가하여 121℃에서 40분 동안 살균한 다음, 포자 현탁액을 1%(v/v)되게 식균하였다. 그 후, 식균된 균주를 28℃, 120회 왕복으로 48시간 동안 배양하여, 1단 전배양액(gemination culture)을 수득하였다. 상기 1단 전배양액을 2.0%(v/v)되게 전배양액이 1ℓ 들어있는 2.5ℓ 발효조에 식균하였다. 그 후, 24시간 동안 28℃, 400rpm, 1vvm의 조건으로 2단 전배양(seed culture)한 다음, 4ℓ의 본배양액이 들어있는 7.5ℓ 발효조에 2단 전배양액을 10%(v/v)되게 식균하여 28℃, 300~500rpm, 1vvm의 조건으로 7~8일 동안 배양하였다. 이렇게 얻은 배양액을 상기 서술한 추출법을 이용하여 HPLC법에 의한 분석결과, 약700mg/ℓ의 FK506가 생산됨을 확인하였다(도 5 참조). Streptomyces sp. FK506 productivity in the fermenter was observed using MJM7001. Specifically, 50 ml of preculture medium was added to a 500 ml round flask and sterilized at 121 ° C. for 40 minutes, and then the spore suspension was grown to 1% (v / v). Thereafter, the cultured strains were incubated for 48 hours at 28 ° C. and 120 round trips to obtain a single stage culture medium. The first stage preculture was inoculated in a 2.5 L fermenter containing 1 L of the preculture to 2.0% (v / v). Then, two-stage preculture at 28 ° C., 400 rpm, and 1 vmv for 24 hours, and then the two-stage pre-culture solution was added to 10% (v / v) in a 7.5-l fermentation tank containing 4 L of the main culture solution. Phagocytosis was incubated for 7-8 days at 28 ℃, 300 ~ 500rpm, 1vvm conditions. The culture solution thus obtained was analyzed by HPLC using the extraction method described above, and it was confirmed that about 700 mg / L of FK506 was produced (see FIG. 5).

특히 3일째까지의 생장기 과정에서 산소를 충분히 공급해 주는 것이 중요하다. 방선균의 항생제 생산에서 일부 균주는 발효과정 중 호기성에서 혐기성으로 바꿔주면 생산성이 증가된다는 보고가 있다. 방선균은 쉽게 이용할 수 있는 탄소원, 인, 질소 등과 같은 영양분이 풍부할 때, 대부분의 불필요한 생합성 기작을 억제함으로써 최적의 성장을 이룬다. 따라서, 대부분의 항생제 생산은 주된 영양분이 고갈된 후, 주요 대사물질에 의한 항생제 생합성 기작의 억제가 해소되는 정체기 동안에 이루어진다. Streptomyces sp. MJM7001 균주의 경우 배양 3일째까지 생육기이며, 그 후 FK506 생산이 시작된다. 이러한 성장 특징을 고려해서 호기성(대조구)과 반 혐기성(호기성 배양 3일 후 파라핀으로 플라스크 입구 밀봉) 조건의 FK506 생산성을 조사한 결과 반 혐기성 조건하에서 Streptomyces sp. MJM7001의 성장을 현저하게 억제시켰고 따라서 2차 대사산물인 FK506 생산도 대조구보다 Volumetric production (mg/ℓ)이 50%정도 감소하였으나, FK506 생산의 Specific production (ug/ml mycelium) 은 큰 차이가 없었다. 따라서 생산증대한 발효조에서 생육기 지난 생산기의 산소 농도를 조절하면 생산성을 높일 수 있을 것이다.
In particular, it is important to provide sufficient oxygen during the growing season up to the third day. In antibiotic production of actinomycetes, some strains have been reported to increase productivity by changing from aerobic to anaerobic during fermentation. Actinomycetes achieve optimal growth by inhibiting most of the unnecessary biosynthetic mechanisms when nutrients such as carbon sources, phosphorus and nitrogen are readily available. Thus, most antibiotic production occurs during stagnant periods after major nutrient depletion and the inhibition of antibiotic biosynthetic mechanisms by major metabolites is eliminated. Streptomyces sp. For the MJM7001 strain, it is growing until the 3rd day of culture, after which the production of FK506 begins. In view of these growth characteristics, FK506 productivity under aerobic (control) and semi-anaerobic conditions (sealing the flask inlet with paraffin after 3 days of aerobic culture) was investigated. Streptomyces sp. The growth of MJM7001 was significantly suppressed, and thus the production of FK506, the secondary metabolite, was reduced by 50% compared to the control, but there was no significant difference in specific production (ug / ml mycelium) of FK506 production. Therefore, by adjusting the oxygen concentration in the production period at the end of the growing fermenter will increase productivity.

실시예 9 : 전구체의 첨가로 인한 FK506 생합성 연구Example 9 FK506 Biosynthesis Study by Addition of Precursor

항생제 생합성은 방선균의 주요 대사기작의 불균형에 의해서도 유발될 수 있다. 방선균 모델균주인 S. coelicolor가 생성하는 붉은 색소인 undecylprodigiosin의 생합성은 아미노산 proline에서 일부 유도된다. proline 수송과 proline 이화작용에 이상이 있는 S. coelicolor 돌연변이주는 undecylprodigiosin을 대량생산함으로써, 세포 내에 축적된 여분의 proline을 소비한다고 한다. 이 같은 연구결과는 비록 proline의 축적이 undecylprodigiosin의 생합성의 시기를 얼마나 앞당기는지와 어떤 유전자의 조절이 이에 관련되었는지는 아직 알 수 없으나, 주요 대사기작의 불균형도 항생제 생합성 조절을 유발시킬 수 있다는 가능성을 보여주고 있다. Antibiotic biosynthesis can also be caused by imbalances in the major metabolic mechanisms of actinomycetes. Biosynthesis of the red pigment undecylprodigiosin produced by the actinomycetes model strain S. coelicolor is partially derived from the amino acid proline. S. coelicolor mutants, which have abnormalities in proline transport and proline catabolism, produce large amounts of undecylprodigiosin, consuming extra proline accumulated in cells. Although these findings do not yet indicate how proline accumulation accelerates the timing of undecylprodigiosin biosynthesis and which gene regulation is involved, the imbalance of major metabolic mechanisms may also lead to antibiotic biosynthesis regulation. Is showing.

따라서 최소 생산배지에 FK506 생합성 과정에서 전구체로 예상되는 두 가지 아미노산(Lysine, Proline)을 첨가하여 FK506 생산에 미치는 영향을 조사하였다. 상기 서술한 발효조건하에서 배양시킨 Streptomyces sp. MJM7001 세포 추출물에서 FK506의 생합성을 확인한 결과 Proline은 1g/ℓ의 농도에서 생합성을 대조군보다 최대 30% 정도 증가시켰으나, 2g/ℓ의 농도에서는 생합성을 50% 정도 감소시켰다. 한편, Lysine은 1g/ℓ의 농도에서 대조군과 비슷한 생합성을 보였으나, 2g/ℓ 농도에서는 생합성을 20% 정도 증가시켰다(도 6 참조). 물론 이러한 아미노산의 첨가로 인해 생산배지에서의 영향을 보기 위해서 일단 배지성분에 포함된 아미노산의 농도를 계산하여 적절한 아미노산 농도를 결정해야 한다. 이외에 다른 여러 가지 아미노산 첨가 실험도 진행 중이다.
Therefore, the effects of FK506 production were investigated by adding two amino acids (Lysine, Proline) which are expected to be precursors in FK506 biosynthesis. Streptomyces sp. Cultured under the fermentation conditions described above. As a result of confirming the biosynthesis of FK506 in MJM7001 cell extract, Proline increased the biosynthesis up to 30% than the control at the concentration of 1g / ℓ, but reduced the biosynthesis by 50% at the concentration of 2g / ℓ. Lysine showed similar biosynthesis to the control at the concentration of 1 g / l, but increased biosynthesis by 20% at the concentration of 2 g / l (see FIG. 6). Of course, in order to see the effect on the production medium due to the addition of these amino acids, the concentration of the amino acid contained in the medium components must be calculated first to determine the appropriate amino acid concentration. Several other amino acid addition experiments are also in progress.

실시예 10 : 타크롤리무스 생산 균주에서의 유전자 라이브러리 구축 및 FK506 생합성 유전자군 탐색Example 10 Gene Library Construction and Tapping of FK506 Biosynthetic Gene Group in Tacrolimus Producing Strains

FK520(Ascomycin)은 FK506의 C-21에서 알릴기가 결여되고 대신 그 위치에 에틸기를 갖는 점에서 FK506과 구별되고, 감소된 면역억제 활성이긴 하나 FK506과 유사한 활성을 갖는다(도 7 참조). FK520 (Ascomycin) is distinguished from FK506 in that it lacks an allyl group at C-21 of FK506 and instead has an ethyl group at that position, and has similar activity to FK506, although it is a reduced immunosuppressive activity (see FIG. 7).

사실적으로 FK506생산균주에서 작은 양의 FK520도 생산된다. 상술한 방법으로부터 균주 유전체의 분자생물학적 특성을 고려하지 않고 단지 반복적인 돌연변이 방법에 의한 FK506 생산 균주 개량으로 인해 생산성 향상에 한계를 드러난 균주의 단점을 극복하기 위해 방선균 조절유전자의 발현제어시스템을 개발하였다. 하지만 이 방법으로 인해 구조적으로 유사한 FK520이 동반 생성되어 분리과정의 어려움이 초래될 수 있다. 따라서, 보다 획기적으로 생산-분리공정을 최적화하기 위해서는 FK506 생산균주 유전체 활용기술을 이용한 창의적 분자유전학적 균주개량 방법이 절실하게 요구되고 있다. In fact, a small amount of FK520 is produced from the FK506 production strain. In order to overcome the shortcomings of strains that showed a limitation in productivity due to the improvement of FK506 production strains by repeated mutation methods without considering the molecular biological characteristics of the strain genome, the expression control system of actinomycetes regulatory gene was developed. . However, this method also creates structurally similar FK520s, which can lead to separation difficulties. Therefore, in order to further optimize the production-separation process, creative molecular genetic strain improvement method using the FK506 production strain genome utilization technology is urgently required.

따라서, 본 발명에서는 생산균주에서 FK506 전체생합성 유전자 서열을 찾고자 한다. 현재까지 FK506 생산의 야생균주인 Streptomyces sp. MA6548의 FK506 생합성 유전자군은 부분적으로만 밝혀졌다. FK506의 생합성은 여러개의 효소 작용을 수반한다. fkbA , fkbB , fkbC , fkbP 유전자 생성물로 구성된 FK506 폴리케타이드 생합성(PKS) 효소는 분자의 핵심 구조를 합성한다. 또한 fkbO 유전자 생성물에 의해 산화되어서 C-9에서 케토기의 형성을 야기하고 fkbD 유전자 생성물인 P450 hydroxylase가 매개하는 C-9 hydroxylation이 일어난다. 또한 fkbM 유전자 생성물인 O-methytransferase에 의해 매개되는 C-31에서의 methylation이 이루어진다. 하지만 보통 양쪽 끝에 있는 조절유전자들은 아직 밝혀지지 않았다.Therefore, the present invention is to find the FK506 whole biosynthetic gene sequence in the production strain. To date, wild strains of FK506 production, Streptomyces sp. The FK506 biosynthetic gene family of MA6548 was only partially identified. Biosynthesis of FK506 involves several enzymatic actions. The FK506 polyketide biosynthesis (PKS) enzyme, consisting of the fkbA , fkbB , fkbC and fkbP gene products, synthesizes the core structure of the molecule. Also takes place not be oxidized by the fkbO gene product leading to the formation of the cake in earthenware C-9 and C-9 of the hydroxylation fkbD gene product, P450 hydroxylase parameters. Methylation at C-31 is also mediated by O-methytransferase, the fkbM gene product. But usually the regulatory genes at both ends are still unknown.

이러한 배경에서 FK506 생합성 유전자를 다음 방법으로 분리하였다. Practical Streptomyces Genetics의 기술대로 lysozyme/proteinase K protocal를 이용하여 Streptomyces sp. MJM7001로부터 분리하였다. DNA의 평균 크기는 0.3% agarose gel상에서 전기영동에 의해 80-120kb으로 추정된다. Against this background, FK506 biosynthesis genes were isolated by the following method. As described by Practical Streptomyces Genetics, Streptomyces sp. Was isolated using lysozyme / proteinase K protocal. It was isolated from MJM7001. The average size of DNA was estimated to be 80-120 kb by electrophoresis on 0.3% agarose gel.

Library 제조를 위해 시판되는 SuperCos 1 Cosmid Vector Kit(Stratagene)를 사용하였다. 약 100ug의 genomic DNA와 Sau3AI효소를 1000mU에서 1mU까지 가하여 37℃에서 5분간 부분적으로 분쇄한 다음 0.7% agrarose gel상에서 전기영동 하여 30-50kb의 DNA만을 모아 탈인산화한 후 SuperCos vector arms에 ligation하였다. A commercial SuperCos 1 Cosmid Vector Kit (Stratagene) was used for library preparation. About 100ug of genomic DNA and Sau3AI enzyme were added at 1000mU to 1mU, and partially pulverized at 37 ° C for 5 minutes, followed by electrophoresis on a 0.7% agrarose gel to collect only 30-50kb of DNA, and then ligation to SuperCos vector arms.

이렇게 얻은 ligation mixture를 Gigapack III Plus Packaging Extract Kit(Stratagene)의 packaging extract와 잘 섞은 다음 숙주인 E.coli XL1-Blue MR 세포를 감염시킨다. 이로부터 독립적인 Cosmid clone 약 10,000의 library를 얻었다. 구축된 genomic library 중 FK506 생합성에 관여하는 유전자군을 찾기 위하여 공개된 FK506 생합성 유전자 서열에 기초하여 오른쪽 측면에 위치한 fkbM 유전자를 이용하여 1차 screening을 위한 primer를 제작하였다. [Forward] 5'-gagtgacgtggtggagacct-3' [Reverse] 5'-cttctccacgtcgatcttcag-3'. 위와 같은 primer를 갖는 PCR 반응을 이용하여 Streptomyces sp. MJM7001로부터 fkbM에 대한 probe를 분리하였다. 이 probe를 사용하여 Southern hybridization 하였다. Southern hybridization을 통하여 2개의 Cosmid를 library로부터 분리하였다. 이들 Cosmid의 양쪽 끝부분을 서열화하였다. 또한 몇몇 제한효소에 의해 지도화하였다. The resulting ligation mixture is mixed with the packaging extract of the Gigapack III Plus Packaging Extract Kit (Stratagene) and then infected with the host E. coli XL1-Blue MR cells. From this, a library of approximately 10,000 independent cosmid clones was obtained. In order to find gene groups involved in FK506 biosynthesis among the constructed genomic libraries, primers for primary screening were prepared using fkbM gene located on the right side based on the published FK506 biosynthetic gene sequence. [ Forward ] 5'-gagtgacgtggtggagacct-3 '[ Reverse ] 5'-cttctccacgtcgatcttcag-3'. Streptomyces sp. Using a PCR reaction with the above primer. A probe for fkbM was isolated from MJM7001 . Southern hybridization was performed using this probe. Two cosmids were separated from the library by Southern hybridization. Both ends of these Cosmids were sequenced. It was also mapped by several restriction enzymes.

그 결과 이 두 Cosmid가 서로 중첩되는 DNA 삽입체를 포함하는 것으로 보였다. 이들 두 Cosmid 서열 자료는 FK506 PKS 유전자 cluster상에서 얻은 것임을 지적하면서, FK520 및 Rapamycin 생합성 cluster의 서열과 유사한 서열을 생성하였다. 보다 광범위한 서열을 함유하는 Cosmid를 얻기 위하여, 공개된 FK506 생합성 서열 영역의 가운데 및 왼쪽 측면상의 서열을 기초하여 가운데 있는 fkbP 유전자, 그리고 왼쪽에 위치한 fkbC 유전자를 대표하는 probe를 분리하였다. 이렇게 추가적인 library의 screening으로 인접하는 chromosome의 DNA 단편에서 3개의 Cosmid를 얻었다. 최종적으로 총 5개의 Cosmid를 선정하여 전체 서열 해독하고 유전자 기능을 예상하였다(도 8 및 표 3 참조).
The results showed that these two cosmids contained DNA inserts that overlap each other. Pointing out that these two Cosmid sequence data were obtained on the FK506 PKS gene cluster, sequences similar to those of the FK520 and Rapamycin biosynthetic clusters were generated. In order to obtain Cosmid containing a broader sequence, probes representing the middle fkbP gene and the left fkbC gene were isolated based on sequences on the middle and left side of the published FK506 biosynthetic sequence region. Three additional cosmids were obtained from the DNA fragments of adjacent chromosomes by screening additional libraries. Finally, a total of five Cosmids were selected to decode the entire sequence and predict gene function (see FIG. 8 and Table 3).

실시예 11: 실시예 10로부터 분리된 알릴-모이티(allyl-moiety) 생합성 유전자 단편의 클로닝 및 과발현 형질전환체 획득Example 11 Cloning and Overexpressing Transformants of Allyl-Moiety Biosynthetic Gene Fragments Isolated from Example 10

FK506의 C-21에 있는 알릴기가 면역억제 활성을 나타나는데 아주 중요한 역할을 한다. 현재까지 유일하게 알릴기를 가진 폴리케타이드로써 FK506이 유일하다. 지금까지 밝혀진 FK506 생합성 유전자는 부분적으로만 알려졌다. FK520은 C-21에 에틸기를 가짐으로 면역억제 활성이 현저하게 줄어들며 또한 FK506 발효과정에서 부산물로 생성되어 분리과정에서 큰 어려움을 준다. 그리하여 FK520 생합성 유전자군과 비교하여 상동성이 없는 4개의 유전자 (fkbV , fkbW, fkbX , fkbY)를 FK506 생합성 유전자 군에서 새로 발견하였다. 이들은 각각 acyl transferase, crotonyl-CoA reductase, ketosynthase 및 dehydrogenese를 encoding 하고 있는 유전자로 예상된다. 이러한 알릴모이티 생합성에 관여되는 유전자들을 과발현 시켜 FK506 생합성과정에서의 알릴모이티 풀이 증가되어 최종적으로 FK506 생산성이 증대하고 FK520 등 유연물질(analogue)의 비율이 감소하였다. 본 실시예에서는 알릴말로닐-에시피의 생합성에 관여하는 유전자를 과발현 벡터인 pWHM3에 클로닝 하기 위하여 PCR(Forward 5'-gaggaattc cggcccgagctgt-3; Reverse 5'-cacaagcttcctgacgcgggact-3')을 통하여 수득된 genomic DNA를 이용하여 fkbV , fkbW , fkbX , fkbY 유전자를 포함하는 단편을 획득하였으며, DNA 단편의 말단에는 제한효소 EcoR1과 HindIII 인식서열을 포함하였다.The allyl group in C-21 of FK506 plays a very important role in the immunosuppressive activity. To date, FK506 is the only polyketide with an allyl group. The FK506 biosynthetic genes so far identified are only partially known. Since FK520 has an ethyl group in C-21, the immunosuppressive activity is markedly reduced, and it is produced as a by-product during FK506 fermentation, which causes great difficulty in the separation process. Thus, four genes ( fkbV , fkbW, fkbX , fkbY ) with no homology compared to the FK520 biosynthetic gene group were newly discovered in the FK506 biosynthetic gene group. These are expected to be genes encoding acyl transferase, crotonyl-CoA reductase, ketosynthase and dehydrogenese, respectively. By overexpressing the genes involved in allylmoty biosynthesis, the allylmotiful pool in the FK506 biosynthesis process was increased, resulting in increased FK506 productivity and a decrease in the proportion of analogues such as FK520. In this Example, the gene involved in the biosynthesis of allylmalonyl- epi is obtained by PCR (Forward 5'-gag gaattc cggcccgagctgt-3; Reverse 5'-cac aagctt cctgacgcgggact-3 ') to clone the gene involved in the biosynthesis of allylmalonyl- epi into the overexpression vector pWHM3. FkbV , fkbW , fkbX , fkbY using genomic DNA A fragment containing the gene was obtained, and the ends of the DNA fragment contained restriction enzymes EcoR1 and HindIII recognition sequences.

fkbV , fkbW , fkbX , fkbY 유전자를 포함한 DNA 단편(6,353 bp)을 에스케리시아 콜라이 (E. coli) 방선균 셔틀 벡터인 pWHM3에 클로닝하였으며, 과발현하는 벡터는 통상의 유전자 조작법으로 타크롤리무스 균주에 도입하여 형질전환체를 얻었다. 도 9는 DNA 단편이 삽입된 과발현벡터의 지도이다.
fkbV , fkbW , fkbX , fkbY Was cloned DNA fragment (6,353 bp) containing the gene for Escherichia coli cyano (E. coli) Streptomyces shuttle vector pWHM3 which, over-expression vector that is the other by conventional gene Instruction introduced in Crawley mousse strain to obtain a transformant. 9 is a map of the overexpression vector inserted DNA fragment.

실시예 12: 형질전환된 Streptomyces sp. MJM7001에서 타크롤리무스 생산량 증가 확인Example 12 Transformed Streptomyces sp. Increased tacrolimus production at MJM7001

상기 실시예에서 제작된 과발현벡터를 Streptomyces sp. MJM7001에 도입하여 형질전환하였다. 또한 대조군으로는 pWHM3 공벡터를 도입한 형질전환체를 제작하였다. 그 후 스트렙토마이세스 쯔쿠바엔시스 야생형과 공벡터 대조군, 유전자 과발현 형질전환체의 타크롤리무스 생산량을 측정하였다(도 10 참조).
The overexpression vector prepared in the above Example was Streptomyces sp. It was introduced into MJM7001 and transformed. In addition, a transformant having a pWHM3 empty vector was prepared as a control. Thereafter, tacrolimus production of Streptomyces Tsukubaensis wild type, empty vector control, and gene overexpressing transformants was measured (see FIG. 10).

FK506 생합성 유전자 크기 및 기능FK506 Biosynthesis Gene Size and Function DNA coordinatesDNA coordinates amino acidamino acid Proposed functionProposed function fkbA
fkbB
fkbC
fkbO
fkbP
fkbD
fkbM
fkbN
fkbQ
fkbR
fkbL
fkbK
fkbJ
fkbI
fkbH
fkbG
fkbF
fkbE
fkbS
fkbT
fkbU
fkbV
fkbW
fkbX
fkbY
fkbA
fkbB
fkbC
fkbO
fkbP
fkbD
fkbM
fkbN
fkbQ
fkbR
fkbL
fkbK
fkbJ
fkbI
fkbH
fkbG
fkbF
fkbE
fkbS
fkbT
fkbU
fkbV
fkbW
fkbX
fkbY
63347-82600
34568-57535
23770-34584
57715-58746
58746-63341
82600-83766
83763-84545
84560-87331
87386-88165
89085-90029
22629-23666
21757-22632
21500-21760
20407-21507
19308-20396
18662-19330
17738-18490
16538-17722
15124-16350
14553-15020
13339-14493
12166-13326
10832-12169
8455-10835
7142-8437
63347-82600
34568-57535
23770-34584
57715-58746
58746-63341
82600-83766
83763-84545
84560-87331
87386-88165
89085-90029
22629-23666
21757-22632
21500-21760
20407-21507
19308-20396
18662-19330
17738-18490
16538-17722
15124-16350
14553-15020
13339-14493
12166-13326
10832-12169
8455-10835
7142-8437
6418
7655
3604
343
1531
388
260
923
259
314
345
291
86
366
362
222
250
394
408
155
384
386
445
793
431
6418
7655
3604
343
1531
388
260
923
259
314
345
291
86
366
362
222
250
394
408
155
384
386
445
793
431
FK506 polyketide synthase
FK506 polyketide synthase
FK506 polyketide synthase
C9 hydroxyl oxidase
Pipecolate-incorporating peptide synthetase
C9 hydroxylase
31-O-Methyl transferase
Transcription regulator
Type II thioesterase
LysR family transcription regulator
Lysine cyclodeaminase
Hydroxyacyl-CoA dehydrogenase
Acyl Carrier protein
Formation of glyceryl-ACP
Acyl-ACP dehydrogenase
O-Methyl transferase
3-oxoacyl-[acyl-carrier protein] reductase
Acyl-CoA dehydrogenase
Cytochrome P450
AsnC family transcriptional regulator
Methionine gamma-lyase
Acyl-CoA dehydrogenase
Crotonyl-CoA reductase
Polyketide synthase domain
Acyl transferase domain
FK506 polyketide synthase
FK506 polyketide synthase
FK506 polyketide synthase
C9 hydroxyl oxidase
Pipecolate-incorporating peptide synthetase
C9 hydroxylase
31-O-Methyl transferase
Transcription regulator
Type II thioesterase
LysR family transcription regulator
Lysine cyclodeaminase
Hydroxyacyl-CoA dehydrogenase
Acyl Carrier protein
Formation of glyceryl-ACP
Acyl-ACP dehydrogenase
O-Methyl transferase
3-oxoacyl- [acyl-carrier protein] reductase
Acyl-CoA dehydrogenase
Cytochrome P450
AsnC family transcriptional regulator
Methionine gamma-lyase
Acyl-CoA dehydrogenase
Crotonyl-CoA reductase
Polyketide synthase domain
Acyl transferase domain

따라서, 이러한 생산균주의 생합성 유전자에 관한 분자 유전학 및 생화학적 기초 연구는 산업적으로나 의학적으로 유용한 생리활성 물질의 생산성 최적화 및 대량생산에 적합한 산업용 균주 개량 방법의 새로운 가능성을 제시할 것으로 기대된다.Therefore, molecular genetic and biochemical basic studies on the biosynthetic genes of these production strains are expected to present new possibilities of industrial strain improvement methods suitable for the optimization of productivity and mass production of bioactive substances which are industrially and medically useful.

한국미생물보존센터(국외)Korea Microorganism Conservation Center (overseas) KCCM11116PKCCM11116P 2010101820101018

서열목록 전자파일 첨부Attach an electronic file to a sequence list

Claims (6)

하기 화학식 1의 타크롤리무스(Tacrolimus) 화합물을 생산하는 Streptomyces sp. MJM7001(KCCM11116P)균주:
화학식 1
Figure 112012044352623-pat00002
Streptomyces sp. To produce a tacrolimus compound of Formula 1 MJM7001 (KCCM11116P)
Formula 1
Figure 112012044352623-pat00002
청구항 제1항에 따른 Streptomyces sp. MJM7001(KCCM11116P)균주에서 유래하며 서열번호 1을 갖는 타크롤리무스 생합성 유전자.
Streptomyces sp according to claim 1. Tacrolimus biosynthesis gene derived from strain MJM7001 (KCCM11116P) and having SEQ ID NO: 1.
삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete
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