KR890003714B1 - 유전자 조작 미생물에 의한 l-페닐알라닌 제조방법 - Google Patents

유전자 조작 미생물에 의한 l-페닐알라닌 제조방법 Download PDF

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Abstract

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Description

유전자 조작 미생물에 의한 L-페닐알라닌 제조방법
제1도는 에쉐리시아 콜리에 있어서 방향족 아미노산의 생합성 경로 및 조절기전을 나타낸 것이며,
제2도는 본 발명의 재조합 유전자 pMW 12의 제조공정도 및 제한 효소 부위도를 나타낸 것이며,
제3도는 본 발명의 재조합플라스미드 pMW 13의 제조공정도 및 제한 효소 부위도를 나타낸 것이다.
본 발명은 L-페닐알라닌의 생합성에 관여하는 유전자가 재조립된 새로운 미생물에 의해 통상 배양방법으로 L-페닐알라닌을 제조하는 방법에 관한 것이다.
L-페닐알라닌은 필수아미노산으로 의약품 혹은 저칼로리 감미료인 아스파탐의 합성원료로 사용되는 물질이다. 종래 미생물에 의한 L-페닐알라닌 제조방법중 브레비박테리움 혹은 코리네박테리움속의 타이로신 요구성 변이주에 의한 방법(일본특허공개 37-6345, 60-160890)과 에쉐리시아콜리의 타이로신 요구성에 트립토판 아나로그 내성이 있는 병이주에 의한 방법(일본특허공개 55-165797)등이 있으나, 이들방법은 L-페닐알라닌 생산성이 매우 낮다. 따라서 본 발명자들은 종래의 미생물보다 생산성이 우수한 균주를 발명하기위해 유전자 재조합 기술을 이용하여 균주개량을 연구해 오던 중 본 발명을 완성하게 되었다. 유전자 조작기술을 이용하여 유용한 대사산물의 생합성 경로에 있는 제한효소(Limitingenzyme)를 코드하는 유전자를 증폭함으로서 물질의 생산을 시도하는 방법은 현재 많이 진행되고 있다. 그러나 유전자 용량을 증폭하는 것만으로 대사산물의 대량생산을 유도 할 수 없으며, 이는 클로닝된 유전자가 과다발현을 하면 세포내 각종 효소활성의 균형을 잃어버리기 때문인 것으로 보여진다. 따라서 대사산물을 최대로 축적시키기 위해서는 재조합된 유전자 발현을 적절히 조절해 줄 필요가 있다. 이와같이 유전자 발현을 조절해 주는 방법으로는 랙 오페론(lac operon)과 알칼린 포스페이트 유전자에 관여하는 프로모터-오퍼레이터 시스템(Promoter-operator system)을 화학적으로 유도하는 방법(Itakura, k. 등, Science 198, 1056(1977)), (Miyanohara, A. 등, Proc.Natl.Acad.Sci.U.S.A.80, 1(1983)), 스키모토(Sugimoto)등이 이용한 λ파아지의 cI857유전자로 코드되는 온도 감수성 억제체(repessor)가 37℃ 이상의 온도에서 활성을 잃어 PR-PL프로모터로 부터 떨어지므로 프로모터 유전자가 작동되어 하류의 생산유전자의 발현을 최대로 시키며, 낮은 온도에서는 유전자가 발현하지 않게 되어 배양온도 조절에 의해서 재조합유전자의 발현을 조절하는 방법(Chem.Eng.Communication)등이 알려져 있다.
본원 발명에서 사용한 유전자 조작방법은 제1도에서 볼 수 있는 바와같이 L-페닐알라닌의 생산은 대장균 세포내에서 2개의 효소 반응에 의해서 엄밀한 제어를 받는것으로 알려져 있다. 그 하나는 pheA 유전자로 코드되는 코리스메이트 뮤타아제 p-프리페네이트 디하이드라타아제(Chorismate mutase p-prephenate dehydratase)가 촉매하는 반응이고 다른 하나는 aroG 유전자로 코드되는 3-디옥시 D-아라비노-헵툴로소네이트-7-포스페이트신타아제(3-deoxy-D-arabino-heptulosonate-7-phosphate synthase)가 촉매하는 반응이다. 이 DAHP 신타아제(Synthase)는 3가지 동종효소(Isoenzyme)로 구성되고 aroG, aroF 및 aroH 유잔지러 코드된다. 본 발명은 상술한 바와같이 L-페닐알라닌 생합성에 중요한 aroF-tyrA 유전자 및 pheA 유전자를 L-페닐알라닌 생합성 대사 조절이 잘 해제된 에쉐리시아 콜리 MWEC 101-5(KAIST, KCTC 8234P)주로부터 산탄식 방법에 의하여 분리하고, 이 유전자 발현을 최대로 증가시켜 주기 위하여 강력한 프로모터의 하나로 알려진 λ파아지의 PR-PL프로모터와 연결시킨 후 이 프로모터의 발현을 조절하기 위하여 새로운 온도 감수성 억제체를 사용하엿다.
본원발명자들이 사용한 억제체의 온도 감수성 범위는 31℃-34℃로 본원 발명에서 재조합된 유전자를 수용하는 에쉐리시아 콜리 MWEC 101-6(KAIST, KCTC 8235 P)주의 L-페닐알라닌 생산 최적온도인 31℃-32℃에 가장 적합하게 만들어진 것이다. 따라서 숙주의 L-페닐알라닌 생산능력에 전혀 영향을 주지 않으면서 재조합 유전자의 발현을 배양온도에 따라 조절가능한 본원 발명의 새로운 유전자 재조합 균주 MWPEC 13-60(KAIST, KCTC 8237 P, 1987. 3. 25. 기탁)를 발명하였다.
본 발명에서 사용한 재조합유전자의 제조공정 및 제한효소 부위도는 제2도 및 제3도와 같다. 본원에서 사용한 유전자 조작방법은 주로 재조합 DNA 계통분류법(Recombinant DNA Methodology(Jp-Anne, R.Dillon, Anwar Nasim, Earle R.Nestmann)) 및 분자 클로닝 실험조작법(Molecularclning a Laboratory manual(T.Maniatis, E.F.Fritch, J.Sambrook))등의 방법에 준하여 실시하였다. 이와같은 방법을 좀더 상세히 설명하면 MWEC 101-5주를 LB 배지(박토트립톤 1%, 박토이스트엑가스 0.5%, 염화나트륨 1%, pH 7.4)에서 37℃, 15시간 진탕배양 후 원심분리에 의하여 균체를 회수한 후 알칼리 추출법(Molecular cloning a Laboratory manula, 1982)염화세슘 평형 밀도 구배 원심분리법으로 클로모좀 DNA(cDNA)를 얻고 부탄올처리, 투석등으로 정제하였다. 또한 본원발명에서 사용하는 각 플라스미드 대장균 HB101/pBR322. 대장균/pPLc2833 대장균 HB101/pTR262, 대장균/pMK20등은 위와 동일한 방법으로 각각 정제사용하였다. MWEC101-5주에서 분리한 cDNA를 제한효소 PstI, EcoRI으로 메디움염 제한효소 완충약(메디움염 제한효소 완충액 : 50mM 염화나트륨, 10mM 트리스(pH 7.5), 10mM 염화마그네슘, 1mM 디티오쓰레이톨)에서 37℃ 15-30분간 절단하고 이 제한효소를 통상의 방법으로 불활성화 시킨다음 0.7% 아가로스겔에서 4-7kb 단편을 회수하여 목적유전자원으로 사용하였다. 목적유전자 분리를 위하여 플라스미드 pBR322를 상술한 제한효소로 절단하여 MWEC 101-5주로부터 얻은 4-7kb 유전자 단편과 1 : 3비율로 혼합한 후 리가제 완충액에서 T4DNA리가제로 12-14℃에서 12시간 반응을 통해 결합시켰다. 결합된 재조합유전자를 대장균의 페닐알라닌 영양요구성 변이주(pheA 유전자 결손주(MWEC 203-7주에 노가르드(Nogard)등이 기술한 방법에 따라 염화칼슘 처리범으로 형질전환시켰다. 형질전환시킨 균체를 37℃에서 1시간 MM 배지(포도당 10g, 황산암모늄 4g, 제1인산칼륨 2g, 황산마그네슘 0.5g, 염화철 20mg, 염화망간 10mg, 티아민염산염 1mg, 푸마르산 0.5g, 증류수 1l, pH 7.4)에서 형질발현 시간을 준 다음, 테트라사이클린 15㎍/ml를 첨가한 MM 한천배지상에 도말하여 10일간 배양하여 생육한 균체중에서 재조합유전자 pMW 10을 분리 하였다. 분리된 pMW 10을 제한효소 HindIII와 PstI 으로 각각 절단한 다음 T4DNA Polymerase와 dNTP 혼합액(dNTP 혼합액 : 25mM dATP, 25mM dGTP, 25mM dCTP, 25mM dTTP)을 가하여 효소반응시켜 코헤시브 말단(cohesive end)을 블런트말단((blunt end)으로 만들고 목적유전자원(pheA, aroF) 단편을 가나마이신 항생제 표식 유전자를 함유한 플라스미드 pMK20에 PstI으로 처리하여 상기 동일방법으로 블런트말단을 만든 사이에 삽입시켜 연결한 재조합 플라스미드를 pheA 유전자 결손주인 MWEC 203-7주에 상기 방법으로 형질전환시키고 가나마이신 50㎍/ml을 첨가한 MM 한천배지상에서 생육한 균체중에서 재조합유전자(pMW 11)을 분리하였다. 플라스미드 pPLc 2833에 포함되어 있는 PL프로모터를 얻기위해 제한효소 BamHI, HaeII로 절단하여 2% 아가로스 겔상에서 0.2kb PL단편을 회수하고 T4DNA 폴리머라아제로 단편 양끝을 블런트말단으로 만들었고 제조된 pMW11을 AflII으로 처리한 후 블런트말단을 만들어서 블런트 말단화된 PL단편을 삽입시켜 만든 재조합 유전자를 MWEC 203-7주에 전술한 방법으로 형질전환 후 균체를 분리하고 플라스미드 검색을 통해 pMW 11보다 0.2kb 큰 플라스미드를 함유한 균체에서 pMW 12 재조합유전자를 분리하였다.
그리고 온도 감수성 억제체 유전작가 있는 pTR262를 15W 자외선등으로 변이시킨후 MWEC 101-6주에 형질전환시켜 테트라사이클린 15㎍/ml 농도로 첨가된 LB 한천배지상에 도말하고 33℃에서 배양하여 생육한 콜로니를 선별한 후 다시 동일배지에 이식하여 28℃에서 24시간 배양시 생육하지 않는 콜로니를 분리하고 전술한 방법으로 변이된 온도 감수성 억제체를 가지는 pTR262-10을 분리 정제하였다.
pMW12 재조합 유전자를 DraIII으로 절단하여 T4DMA 폴리머라아제로 블런트말단을 만들고, pTR262-10플라스미드를 PstI, BglII로 절단하여 변이된 cI 유전자와 PR이 붙은 단편 0.9% 아가로스겔상에서 회수하여 T4DNA 폴리머라아제로 단편양끝을 블런트말단으로 만든후 T4DNA 리가아제로 연결하여 만든 재조합유전자(pMW13)을 수용균주 MWEC 101-6주에 노가르드(Norgard)방법으로 형질전환하여 가나마이신(50㎍/ml)이 포함된 한천배지에서 도말 후 생육한 균주중 L-페닐알라닐 생산성이 높은 균주 MWPEC13-60(KAIST, KCTC8237 P)을 발명하여 본원 발명을 완성하였다. 본원발명의 균주의 생리적 조사를 한 결과 재조합유전자의 수용균주인 MWEC 101-6주와 동일하였으며, 배양온도에 따른 L-페닐알라닌 생산농도 변화 및 재조합 유전자의 안정성은 표1 및 표2와 같았다.
[표 1]
배양온도 변화에 따른 L-페닐알라닌 축적량(g/l)
Figure kpo00001
배양방법은 실시예 1의 방법으로 각 온도별 영향을 조사하였다.
[표 2]
MWPEC 13-60주의 재조합 유전자의 안정성
Figure kpo00002
항생제(가나마이신)가 무첨가된 LB 액체배지에서 각 시간별로 배양하여 순수분리한 콜로니를 항생제(가나마이신 : 50㎍/ml) 첨가 한천배지에 무작위적으로 복제하여 나온 콜로니의 수
[실시예 1]
사용균주 : MWPEC 13-60
종배지 : 포도당 5%, 박토트립돈 1%, 박토효모엑스 1%, 염화나트륨 0.1%, 가나마이신 10mg/l, pH 7.0
발효배지 : 포도당 6%, 황산칼슘 0.04%, 유안 2%, 구연산나트륨 0.05%, 푸마르산 0.05%, 염화마그네슘 0.08%, 제1인산칼륨 0.1%, 제2인산칼륨 0.1%, 효모엑기스 0.1%, 글루타민산 0.05%, 염화코발트 0.1mg/l, 황산아연 1mg/l, 염화망간 2mg/l, 염화칼슘 5mg/l, 티아민염산염 10mg/l,, 티코틴산 10mg/l, pH 7.0
배양방법 : 상기 종배지 50ml을 500ml 진탕플라스크에 분주하여 120℃, 20분간 가압멸균한 후 본 발명균주 MWPEC 13-60을 접종하고 30℃에서 16시간 120rpm 진탕기에 진탕배양하여 이를 종균배양액으로 하였다. 발효배지를 상기 동일조건에서 준비한 후 탄산칼슘 5%를 별도멸균첨가하고 위의 종균배양액 2ml을 접종하여 32℃에서 35시간 진탕배양하였다. 배양 후 배양액의 L-페닐알라닌 축적량는 12.46g/l였다.
[실시예 2]
사용균주, 종배지, 발효배지는 실시예 1과 동일
배양방법 : 상기 종배지 50ml을 500ml 진탕플라스크에 분주하여 120℃, 20분간 가압멸균한 후 본 발명 균주 MWPEC 13-60을 접종하고 30℃에서 16시간 진탕배양하여 종균배양액으로 하였다. 발효배지를 50l 발효조에 20l삽입후 가압멸균하고 상기 종배양액 1l를 접종하여 400rpm, 0.75vvm 조건으로 32℃, 55시간 배양하였다. 배양중 pH는 암모니아수로 7.0-7.2를 유지 조절하였으며 인산으로 pH 3.0조절한 60% 포도당액을 잔당 1%일때 2회 추가하였다.
발효에 사용된 총 당량은 160g/l였고 이때 L-페닐알라닌 축적량은 42.8g/l를 통상의 방법에 따라 이온교환수지에 흡착시킨 후 암모니아수로 용리하여 농축 후 페닐알라닌 조결정 38.52g/l를 얻었다.
[실시예 3]
실시예 1의 발효배지중 포도당 대신 설탕을 과당과 포도당으로 효소분해 시킨 후 실시예 2와 동일한 방법으로 실시하였다. 발효액중 L-페닐알라닌 축적량은 43.7g/l였다.

Claims (4)

  1. 신균주 MWPEC 13-60(KAIST, KCTC 8237 P)를 발효배지중에 발효시켜서 L-페닐알라닌을 제조하는 방법.
  2. 제1항에 있어서 항생제 가나마이신 표식 유전자를 갖고 있는 pMK 20 플라스미드와 본문의 상세한 설명에서 사용한 pheA 및 aroF 유전자를 재조합하여 사용하는 방법.
  3. 제2항에서 L-페닐알라닌 생합성관여유전자(pheA, aroF)를 이용한 재조합 플라스미드조작에 제한효소 PstI, EcoRI, HindIII를 사용하는 방법.
  4. 제3항에서 변이된 온도 조절유전자를 이용한 재조합 플라스미드조작에 제한효소 AflII, HaeII, BamHI, BglII, DraIII를 사용하는 방법.
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