RU2405833C2 - Method for microbiologial synthesis of purine nucleoside of 5'-aminoimidazole-4-carboxamide riboside (aicar) and bacillus subtilis strain - producer of aicar - Google Patents
Method for microbiologial synthesis of purine nucleoside of 5'-aminoimidazole-4-carboxamide riboside (aicar) and bacillus subtilis strain - producer of aicar Download PDFInfo
- Publication number
- RU2405833C2 RU2405833C2 RU2008151751/10A RU2008151751A RU2405833C2 RU 2405833 C2 RU2405833 C2 RU 2405833C2 RU 2008151751/10 A RU2008151751/10 A RU 2008151751/10A RU 2008151751 A RU2008151751 A RU 2008151751A RU 2405833 C2 RU2405833 C2 RU 2405833C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- aicar
- strain
- gene
- subtilis
- synthesis
- Prior art date
Links
Landscapes
- Micro-Organisms Or Cultivation Processes Thereof (AREA)
Abstract
Description
Заявляемая группа изобретений относится к биотехнологии и представляет способ микробиологического синтеза 5'-аминоимидазол-4-карбоксамидрибозида (АИКАР), а также штамм бактерий Bacillus subtilis (В.subtilis) - продуцент АИКАР для осуществления этого способа.The claimed group of inventions relates to biotechnology and is a method of microbiological synthesis of 5'-aminoimidazole-4-carboxamidriboside (AICAR), as well as a bacterial strain Bacillus subtilis (B. subtilis) - AICAR producer for implementing this method.
АИКАР является природным аналогом пуринового нуклеозида аденозина и замещает его в ряде биохимических процессов. В клетках животных и человека происходит фосфорилирование АИКАР с образованием его фосфорилированной формы (АИКАР-Ф), явяющейся аналогом аденозин-5'-монофосфат (АМФ), и способного активировать фермент АМФ-активированную протеинкиназу (АМФК) - регулятор метаболизма углеводов и липидов у эукариот (Eur. J. Biochem., 229, 558-565 (1995)). Благодаря способности активировать фермент АМФК препараты АИКАР имеют широкий терапевтический потенциал, нормализуя углеводный и липидный метаболизм, ограничивая пролиферацию клеток. Длительное применение АИКАР эффективно воздействует на составляющие метаболического синдрома (Trends Pharmacol. Sci., 26, 69-76 (2005)). АИКАР ослабляет последствия гипоксии, снижает риск инфаркта миокарда после операций аортокоронарного шунтирования (US 20040072138), снижает синтез липидов и провоцирует их окисление, что используют для лечения ожирения и понижения резистентности к инсулину (US 20030212034, Diabetes, 51, 2199-2206 (2002)). Показана эффективность АИКАР в предупреждении диабета 2 типа (Diabetes, 54, 928-934 (2005)). АИКАР специфически индуцирует апоптоз и эффективен как антираковый препарат при лечении хронических и острых лейкозов (US 20050233987, Molecular Cancer 6:46, 1-12, (2007), J. Biol. Chem., 280, 39582-39593 (2005)).AICAR is a natural analogue of adenosine purine nucleoside and replaces it in a number of biochemical processes. AIKAR phosphorylation occurs in animal and human cells with the formation of its phosphorylated form (AIKAR-F), which is an analogue of adenosine 5'-monophosphate (AMP) and capable of activating the enzyme AMP-activated protein kinase (AMPK) - a regulator of carbohydrate and lipid metabolism in eukaryotes (Eur. J. Biochem., 229, 558-565 (1995)). Due to the ability to activate the enzyme AMPK, AICAR preparations have a wide therapeutic potential, normalizing carbohydrate and lipid metabolism, limiting cell proliferation. Long-term use of AICAR effectively affects the components of the metabolic syndrome (Trends Pharmacol. Sci., 26, 69-76 (2005)). AICAR alleviates the effects of hypoxia, reduces the risk of myocardial infarction after coronary artery bypass surgery (US 20040072138), reduces lipid synthesis and provokes their oxidation, which is used to treat obesity and decrease insulin resistance (US 20030212034, Diabetes, 51, 2199-2206 (2002) ) AICAR has been shown to be effective in preventing type 2 diabetes (Diabetes, 54, 928-934 (2005)). AICAR specifically induces apoptosis and is effective as an anti-cancer drug in the treatment of chronic and acute leukemia (US 20050233987, Molecular Cancer 6:46, 1-12, (2007), J. Biol. Chem., 280, 39582-39593 (2005)).
Пуриновый нуклеозид АИКАР является производным пуринового метаболизма, его обнаруживают в клетках любых организмов. Фосфорилированная форма АИКАР (нуклеотид АИКАР-Ф) является непосредственным предшественником пуринового нуклеотида инозин-5'-монофосфата (ИМФ) и, следовательно, адениловых и гуаниловых нуклеотидов (Фиг.1).AICAR purine nucleoside is a derivative of purine metabolism, it is found in the cells of any organisms. The phosphorylated form of AICAR (nucleotide AICAR-F) is a direct precursor of the purine nucleotide inosine-5'-monophosphate (IMP) and, therefore, adenyl and guanyl nucleotides (Figure 1).
Превращение АИКАР в ИМФ состоит в интеркаляции С1-остатка в пуриновый компонент АИКАР-Ф и замыкание пуринового кольца. Процесс превращения АИКАР-Ф в ИМФ универсален и в клетках микроорганизмов находится под контролем гена purH. Соответствующий фермент PurH является двухдоменным белком, последовательно катализирующим формилирование АИКАР-Ф и циклизацию пурина.The conversion of AICAR to IMP consists in the intercalation of the C1 residue into the purine component of AICAR-F and the closure of the purine ring. The process of conversion of AICAR-F into IMP is universal and in the cells of microorganisms is under the control of the purH gene. The corresponding PurH enzyme is a two-domain protein sequentially catalyzing AICAR-F formylation and purine cyclization.
Информация о штаммах-продуцентах АИКАР и способах его микробиологического синтеза имеется (US 3238110, CN 1710065). Способ микробиологического синтеза АИКАР по патенту US 3238110 рассмотрим в качестве ближайшего аналога заявляемого способа, а штамм В.subtilis ATCC №15116 (US 3238110), способный продуцировать АИКАР, рассмотрим в качестве ближайшего аналога заявляемого штамма. Штамм В.subtilis ATCC №15116 получен путем мутагенеза и является условным ауксотрофом по пуринам. Способ микробиологического синтеза, разработанный на основе этого штамма, позволяет получать на среде с глюкозой до 3,18 г/л АИКАР.Information on AICAR producer strains and methods for its microbiological synthesis is available (US 3238110, CN 1710065). The method of microbiological synthesis of AICAR according to patent US 3238110 will be considered as the closest analogue of the proposed method, and B. subtilis ATCC strain No. 15116 (US 3238110), capable of producing AICAR, will be considered as the closest analogue of the claimed strain. Strain B. subtilis ATCC No. 15116 obtained by mutagenesis and is a conditional auxotroph for purines. The microbiological synthesis method developed on the basis of this strain allows to obtain up to 3.18 g / l AICAR on a medium with glucose.
Способ генетического конструирования штамма-продуцента АИКАР и соответствующий способ микробиологического синтеза АИКАР на его основе в настоящее время не известен.The method of genetic construction of the producer strain AICAR and the corresponding method of microbiological synthesis of AICAR based on it are not currently known.
Задача заявляемой группы изобретений состоит в расширении арсенала способов микробиологического синтеза АИКАР и конструировании штамма-продуцента АИКАР для осуществления этого способа. Заявляемый способ позволяет повысить уровень синтеза АИКАР.The task of the claimed group of inventions is to expand the arsenal of methods for microbiological synthesis of AICAR and the construction of a producer strain of AICAR for the implementation of this method. The inventive method allows to increase the level of synthesis of AICAR.
Задача решена путемThe problem is solved by
- разработки способа микробиологического синтеза АИКАР путем культивирования в подходящей питательной среде модифицированных бактерий рода Bacillus, совмещающих мутации, приводящие к ослаблению или прекращению экспрессии гена purH, контролирующего процесс превращения АИКАР-Ф в ИМФ, с мутациями, обеспечивающими повышенный уровень биосинтеза пуриновых нуклеотидов, и- development of a method of microbiological synthesis of AICAR by culturing in a suitable nutrient medium modified bacteria of the genus Bacillus, combining mutations that lead to the weakening or termination of expression of the purH gene that controls the conversion of AICAR-F into IMP, with mutations that provide an increased level of purine nucleotide biosynthesis, and
- конструирования штамма бактерий Bacillus subtilis AM25-41 - продуцента АИКАР.- designing a bacterial strain Bacillus subtilis AM25-41 - producer AICAR.
Заявляемый штамм депонирован во Всероссийской коллекции промышленных микроорганизмов и имеет регистрационный номер ВКПМ В-10167. Он получен на основе родительского штамма В.subtilis ВНИИгенетика-304 (ВКПМ В-2116) путем генетического конструирования и содержит мутацию purH::EmR, приводящую к нарушению экспрессии гена purH, мутацию в гене purR, кодирующем репрессор биосинтеза пуриновых нуклеотидов, делецию терминатора транскрипции в лидерной области pur-оперона и дополнительную копию гена prs, ответственного за синтез фосфорибозилпирофосфата (ФРПФ) под контролем промотора гена rpsF, кодирующего синтез рибосомного белка S6 в составе хромосомы.The inventive strain is deposited in the All-Russian collection of industrial microorganisms and has a registration number VKPM B-10167. It was obtained on the basis of the parent strain B. subtilis VNIIgenetika-304 (VKPM B-2116) by genetic engineering and contains a mutation purH :: Em R , which disrupts the expression of the purH gene, a mutation in the purR gene encoding a purine nucleotide biosynthesis repressor, deletion of the terminator transcription in the leader region of the pur operon and an additional copy of the prs gene responsible for the synthesis of phosphoribosyl pyrophosphate (FRPF) under the control of the promoter of the rpsF gene encoding the synthesis of ribosomal S6 protein in the chromosome.
Существо изобретенияSUMMARY OF THE INVENTION
Штамм-продуцент АИКАРAICAR producer strain
Заявляемый способ основан на использовании в качестве продуцента АИКАР бактерий, характеризующихся повышенной способностью к биосинтезу пуриновых нуклеотидов, например, таких как представители рода Bacillus, продуцирующие рибофлавин. Штамм В.subtilis ВНИИГенетика 304 (ВКПМ В-2116) (далее В.subtilis 304) содержит мутацию ribO в лидерной области rib-оперона, а также мутацию в гене ribC, кодирующем синтез фермента рибофлавин киназы. Согласно данным транскриптомного анализа штамм В.subtilis 304 характеризуется повышенной (в 8-10 раз) экспрессией основного оперона биосинтеза пуринов (pur-оперона) и предположительно содержит мутацию в гене purR, кодирующем глобальный белок-репрессор pur-оперона. Кроме того, этот штамм характеризуется ослабленным ростом на рибозе и глюконате как единственных источниках углерода, что указывает на сниженную активность фермента транскетолазы (ген tkt).The inventive method is based on the use of AICAR as a producer of bacteria, characterized by an increased ability to biosynthesis of purine nucleotides, for example, such as representatives of the genus Bacillus, producing riboflavin. Strain B.subtilis VNII Genetics 304 (VKPM B-2116) (hereinafter B.subtilis 304) contains a ribO mutation in the leader region of a rib operon, as well as a mutation in the ribC gene encoding the synthesis of the riboflavin kinase enzyme. According to the transcriptome analysis, the strain of B. subtilis 304 is characterized by increased (8-10 times) expression of the main operon of purine biosynthesis (pur operon) and presumably contains a mutation in the purR gene encoding the global pur operon repressor protein. In addition, this strain is characterized by a weakened growth on ribose and gluconate as the only carbon sources, indicating a decreased activity of the transketolase enzyme (tkt gene).
Другим примером штамма рода Bacillus, реконструированным в штамм-продуцент в заявляемой группе изобретений, является штамм В.subtilis Mu8u5u6 (leu, met, purF), полученный от проф. П.Нигарда (Дания). В геном этого штамма с помощью трансформации вводят кассету purR::neo из штамма В.subtilis LCC28 (J. Bacteriol. 179: 2540-2550) с целью инактивации гена purR, кодирующего репрессор транскрипции генов, вовлеченных в биосинтез пурина.Another example of a strain of the genus Bacillus, reconstructed into a producer strain in the claimed group of inventions, is a strain of B. subtilis Mu8u5u6 (leu, met, purF), obtained from prof. P.Nigarda (Denmark). PurR :: neo cassette from B.subtilis strain LCC28 (J. Bacteriol. 179: 2540-2550) is introduced into the genome of this strain by transformation in order to inactivate the purR gene encoding the transcriptional repressor of genes involved in purine biosynthesis.
Для усиления экспрессии pur-оперона снимают негативную регуляцию этого оперона со стороны так называемой сенсорной РНК (G-box), которая кодируется лидерной областью pur-оперона и обусловливает преждевременную терминацию транскрипции структурных генов (Cell. 113: 577-586, 2003). С этой целью в геном родительских штаммов вносят делеции, удаляющие терминатор транскрипции в лидерной области pur-оперона.To enhance the expression of the pur operon, the negative regulation of this operon is removed from the so-called sensory RNA (G-box), which is encoded by the leader region of the pur operon and causes premature termination of transcription of structural genes (Cell. 113: 577-586, 2003). To this end, deletions are added to the genome of the parental strains that remove the transcription terminator in the leader region of the pur operon.
Заявляемый способ микробиологического синтеза АИКАР основан на прерывании усиленного биосинтеза пуриновых нуклеотидов на этапе превращения нуклеотида АИКАР-Ф в инозинмонофосфат (ИМФ) вследствие ослабления или отсутствия экспрессии гена purH, кодирующего белок АИКАР трансформилазу (5'-фосфорибозил-4-карбоксамид-5-аминоимидазол-трансформилазу) [ЕС 2.1.2.3] и ИМФ циклогидролазу [ЕС 3.5.4.10]. Нуклеотид АИКАР-Ф дефосфорилируется в клетках продуцента эндогенной фосфатазой с образованием нуклеозида АИКАР, который выделяется в среду культивирования (см. чертеж). Нуклеотидная последовательность гена purH и аминокислотная последовательность белка PurH приведены в перечне последовательностей №1 (SEQ ID NO: 1).The inventive method of microbiological synthesis of AICAR is based on the interruption of the enhanced biosynthesis of purine nucleotides at the stage of conversion of the AICAR-F nucleotide to inosine monophosphate (IMP) due to the weakening or absence of expression of the purH gene encoding the AICAR transformylase protein (5'-phosphoribosyl-4-carboxamide 5-aminocamide transformylase) [EC 2.1.2.3] and IMP cyclohydrolase [EC 3.5.4.10]. The AICAR-F nucleotide is dephosphorylated in the producer cells by endogenous phosphatase to form the AICAR nucleoside, which is released into the culture medium (see drawing). The nucleotide sequence of the purH gene and the amino acid sequence of the PurH protein are shown in sequence listing No. 1 (SEQ ID NO: 1).
Термин «активность АИКАР-Ф трансформилазы - ИМФ циклогидролазы» означает способность катализировать реакцию переноса формила от 10-формилтетрагидрофолата к АИКАР-Ф с последующим формированием пуринового кольца образующегося инозин-5'-монофосфата (ИМФ). Активность АИКАР-Ф трансформилазы - ИМФ циклогидролазы определяют с использованием в качестве субстрата АИКАР-Ф и (6-R)N10-формилтетрагидрофолата (Gene, 106: 197-205, 1991) или методом комплементации мутаций (J. Biol. Chem. 264: 21239-46, 1989).The term “AICAR-F transformylase-IMP cyclohydrolase activity” means the ability to catalyze the transfer reaction of formyl from 10-formyl tetrahydrofolate to AICAR-F followed by the formation of the purine ring of the resulting inosine-5'-monophosphate (IMP). The activity of AICAR-F transformylase - IMP cyclohydrolases is determined using AICAR-F and (6-R) N10-formyl tetrahydrofolate (Gene, 106: 197-205, 1991) as a substrate or by the method of complementation of mutations (J. Biol. Chem. 264: 21239-46, 1989).
Термины экспрессия гена purH «отсутствует» или «ослаблена» означают, что ферментативная активность белка PurH полностью отсутствует или понижена («ослаблена») в результате генетической модификации гена purH (делеции всего гена или его части, сдвига рамки считывания гена, введения миссенс/нонсенс мутации(-й) или модификации примыкающих к гену областей, которые включают последовательности, контролирующие экспрессию гена, такие как промоторы, энхансеры, аттенуаторы, сайты связывания рибосом и т.д.).The terms purH gene expression “absent” or “attenuated” mean that the enzymatic activity of the PurH protein is completely absent or decreased (“attenuated”) as a result of genetic modification of the purH gene (deletion of the entire gene or its part, shift of the reading frame of the gene, introduction of missense / nonsense mutations (s) or modifications of regions adjacent to the gene that include sequences that control gene expression, such as promoters, enhancers, attenuators, ribosome binding sites, etc.).
Ключевым этапом конструирования штамма-продуцента АИКАР является инактивация гена purH. Инактивацию гена purH проводят путем интеграции кассеты устойчивости к эритромицину (EmR) в хромосому родительских штаммов, в частности Bacillus subtilis 304 и B.subtilis Mu8u5u6 purR::neo.A key step in the construction of the AICAR producer strain is the inactivation of the purH gene. The purH gene is inactivated by integrating the erythromycin resistance cassette (Em R ) into the chromosome of the parent strains, in particular Bacillus subtilis 304 and B. subtilis Mu8u5u6 purR :: neo.
Для повышения уровня биосинтеза АИКАР в штамм-продуцент наряду с мутациями, усиливающими экспрессию pur-оперона, вводят мутации, повышающие уровень ФРПФ - ключевого предшественника биосинтеза пуринов. С этой целью проводят подстановку структурного гена prs, ответственного за синтез ФРПФ, под контроль сильного промотора гена rpsF, кодирующего синтез рибосомного белка S6 с использованием интегративного вектора pDG268. В этот вектор сначала клонируют промотор гена rpsF, а затем проводят состыковку этого промотора со структурным геном prs. Гибридную плазмиду pDG268 (Cell 111: 747-756, 2002) PrpsF-prs интегрируют в хромосомный локус amyE штаммов B.subtilis AM25-15 и Mu8u5u6-9 (производных родительских штаммов B.subtilis ВНИИгенетика 304 и B.subtilis Mu8u5u6) и получают штаммы-продуценты АИКАР АМ25-41 и Mu8u5u6-14.To increase the level of AICAR biosynthesis, mutations that increase the level of FRPF, a key precursor of purine biosynthesis, are introduced into the producer strain along with mutations that enhance the expression of the pur operon. To this end, substitution of the structural prs gene responsible for the FGFR synthesis is performed under the control of the strong promoter of the rpsF gene encoding the synthesis of ribosomal protein S6 using the integrative vector pDG268. The rpsF gene promoter is first cloned into this vector, and then this promoter is docked with the prs structural gene. The hybrid plasmid pDG268 (Cell 111: 747-756, 2002) P rpsF -prs is integrated into the chromosomal locus amyE of B.subtilis AM25-15 and Mu8u5u6-9 strains (derived from the parental B.subtilis strains of All-Russian Research Institute of Genetics 304 and B.subtilis Mu8u5u6) and receive AICAR producing strains AM25-41 and Mu8u5u6-14.
Способ в общем видеThe method in General
Заявляемый способ осуществляют следующим образом.The inventive method is as follows.
Штамм бактерий рода Bacillus - продуцент АИКАР культивируют на питательной среде (синтетической или натуральной). Поскольку продуцент АИКАР имеет мутацию в гене purH, в среде должны присутствовать пуриновые основания (гипоксантин, аденин, гуанин) и/или соответствующие им рибонуклеозиды.A strain of bacteria of the genus Bacillus - producer AICAR is cultured on a nutrient medium (synthetic or natural). Since the AICAR producer has a mutation in the purH gene, purine bases (hypoxanthine, adenine, guanine) and / or their corresponding ribonucleosides must be present in the medium.
В качестве источников углерода используют глюкозу или сахарозу, различные органические кислоты, спирты (этанол и глицерин). В качестве источника азота используют неорганические соли аммония (аммиак, сульфат аммония), другие соединения азота (амины) или природные источники азота (пептон, гидролизат соевых бобов, ферментолизат микроорганизмов). В качестве минеральных добавок используют фосфат калия, сульфат магния, хлорид натрия, сульфат железа, сульфат марганца, хлорид кальция и подобные им соединения, а в качестве витаминов - тиамин, дрожжевой экстракт и т.п.Glucose or sucrose, various organic acids, alcohols (ethanol and glycerin) are used as carbon sources. Inorganic ammonium salts (ammonia, ammonium sulfate), other nitrogen compounds (amines) or natural nitrogen sources (peptone, soybean hydrolyzate, microorganism fermentolizate) are used as a nitrogen source. Potassium phosphate, magnesium sulfate, sodium chloride, ferrous sulfate, manganese sulfate, calcium chloride and the like are used as mineral additives, and thiamine, yeast extract, etc. are used as vitamins.
Культивирование осуществляют в аэробных условиях при температуре в пределах от 20 до 40°С, предпочтительно в пределах от 30 до 38°С. рН среды поддерживают в пределах от 5 до 9, предпочтительно от 6.5 до 7.2. рН среды регулируют аммиаком, карбонатом кальция, различными кислотами, основаниями и буферными растворами. Культивирование в течение от 1 до 5 дней приводит к накоплению целевого продукта - АИКАР в культуральной среде. Способ позволяет накапливать АИКАР как в процессе роста культуры, так и после наращивания биомассы. Концентрацию АИКАР в культуральной жидкости определяют методом тонкослойной хроматографии (Красиков В.Д. Основы планарной хроматографии. СПб.: Химиздат, с.231, 2005). Заявляемый сконструированный штамм Bacillus subtilis ВКПМ В-10167 является продуцентом АИКАР и имеет следующие свойства.The cultivation is carried out under aerobic conditions at a temperature in the range from 20 to 40 ° C, preferably in the range from 30 to 38 ° C. The pH of the medium is maintained in the range from 5 to 9, preferably from 6.5 to 7.2. The pH of the medium is regulated by ammonia, calcium carbonate, various acids, bases and buffer solutions. Cultivation for 1 to 5 days leads to the accumulation of the target product - AICAR in the culture medium. The method allows to accumulate AICAR both in the process of growth of the culture, and after building up the biomass. The concentration of AICAR in the culture fluid is determined by thin layer chromatography (Krasikov V.D. Fundamentals of planar chromatography. St. Petersburg: Khimizdat, p.231, 2005). The inventive engineered strain of Bacillus subtilis VKPM B-10167 is a producer of AICAR and has the following properties.
Культурально-морфологические признакиCultural and morphological features
Спорообразующая грамположительная палочка с закругленными концами и краевым расположением спор. На LB-агаре (Миллер Дж. 1979. Эксперименты в молекулярной генетике. Мир) при 37°С на вторые сутки образует колонии с неровным краем диаметром 3-4 мм, а на минимальной среде Спицайзена (J. Bacterial. 81: 741-746, 1961) - такие же колонии диаметром 2-3 мм.Spore-forming gram-positive bacillus with rounded ends and an edge arrangement of spores. On LB agar (Miller J. 1979. Experiments in molecular genetics. World) at 37 ° C on the second day forms colonies with an uneven edge 3-4 mm in diameter, and on Spitzizen’s minimal medium (J. Bacterial. 81: 741-746 , 1961) - the same colonies with a diameter of 2-3 mm.
Физиолого-биохимические признакиPhysiological and biochemical characteristics
Культура заявляемого штамма способна сбраживать сахариды, такие как глюкоза, лактоза, галактоза, фруктоза, арабиноза, мальтоза, ксилоза, трехалоза и гидролизат крахмала; спирты, такие как глицерин, маннитол и сорбитол; органические кислоты, такие как глюконовая, фумаровая, лимонная и янтарная кислоты, и подобные соединения.The culture of the claimed strain is capable of fermenting saccharides such as glucose, lactose, galactose, fructose, arabinose, maltose, xylose, trialose and starch hydrolyzate; alcohols such as glycerin, mannitol and sorbitol; organic acids such as gluconic, fumaric, citric and succinic acids, and the like.
Оптимальные условия культивированияOptimal cultivation conditions
Температура от 30 до 38°С.Temperature is from 30 to 38 ° C.
рН среды 6.5 до 7.2.pH of the medium is 6.5 to 7.2.
Состав ферментационной среды (мас.%):The composition of the fermentation medium (wt.%):
рН 7.0.pH 7.0.
ХранениеStorage
Штамм хранится в лиофилизированном виде или в парах жидкого азота.The strain is stored in lyophilized form or in pairs of liquid nitrogen.
СтабильностьStability
Штамм стабилен, не теряет способности синтезировать АИКАР после 10 пересевов на полноценной среде.The strain is stable, does not lose the ability to synthesize AICAR after 10 transfers in a complete medium.
Содержит мутацию purH::EmR, приводящую к нарушению экспрессии гена purH, мутации в гене purR, кодирующем репрессор биосинтеза пуриновых нуклеотидов, делецию терминатора транскрипции в лидерной области pur-оперона и дополнительную копию гена prs, ответственного за синтез фосфорибозилпирофосфата (ФРПФ) под контролем промотора гена rpsF, кодирующего синтез рибосомного белка S6 в составе хромосомы.Contains a mutation purH :: Em R leading to impaired purH gene expression, mutations in the purR gene encoding a purine nucleotide biosynthesis repressor, deletion of the transcription terminator in the leader region of the pur operon, and an additional copy of the prs gene responsible for the synthesis of phosphoribosyl pyrophosphate (FRPF) under control the rpsF gene promoter encoding the synthesis of ribosomal S6 protein in the chromosome.
При культивировании в соответствии с заявляемым способом штамм АМ25-41 (ВКПМ В-10167) способен синтезировать на среде с глюкозой до 3,5 г/л АИКАР.When cultured in accordance with the claimed method, the strain AM25-41 (VKPM B-10167) is able to synthesize on a medium with glucose up to 3.5 g / l AICAR.
Заявляемая группа изобретений проиллюстрирована следующими фигурами графического изображения.The claimed group of inventions is illustrated by the following figures of the graphic image.
Пример 1. Инактивация гена-purH в родительском штамме B.subtilis ВНИИгенетика-304.Example 1. Inactivation of the purH gene in the parent strain B.subtilis VNIIgenetika-304.
Инактивацию гена purH проводят в несколько этапов. На первом этапе подбирают вектор с подходящей для инактивации гена purH кассетой, содержащей детерминант устойчивости к антибиотику. В качестве исходного материала используют плазмиду pBSII KS (Nucleic Acids Res., 17: 9494-9498, 1989), которая представляет собой стандартный вектор, способный к репликации в клетках E.coli, но не в B.subtilis, и содержит ген устойчивости к ампициллину.PurH gene inactivation is carried out in several stages. At the first stage, a vector is selected with a cassette suitable for the inactivation of the purH gene containing the determinant of antibiotic resistance. Plasmid pBSII KS (Nucleic Acids Res., 17: 9494-9498, 1989), which is a standard vector capable of replication in E. coli cells, but not in B. subtilis, and contains the gene for resistance to ampicillin.
В геном этой плазмиды клонируют ген устойчивости к эритромицину (EmR) из плазмиды pKS1 (FEMS Microbiol. Letters, 245: 315-319, 2005), которая представляет собой двурепликонный вектор, способный к репликации как в клетках B.subtilis, так и E.coli, и содержит гены устойчивости к эритромицину и канамицину (Фиг.3).The erythromycin resistance gene (Em R ) is cloned from the plasmid genome from plasmid pKS1 (FEMS Microbiol. Letters, 245: 315-319, 2005), which is a two-replicon vector capable of replication in both B. subtilis and E cells .coli, and contains erythromycin and kanamycin resistance genes (Figure 3).
С использованием в качестве матрицы ДНК плазмиды pKS1 и праймеров Er1 (SEQ ID NO: 2) и Er2 (SEQ ID NO: 3) амплифицируют ген EmR. Полученный ПЦР-продукт размером 892 п.н. очищают в агарозном геле, обрабатывают рестриктазами PstI и HindIII и клонируют в векторе pBSII KS по сайтам PstI и HindIII.Using the pKS1 plasmid and primers Er1 (SEQ ID NO: 2) and Er2 (SEQ ID NO: 3) as an DNA template, the Em R gene is amplified. The resulting PCR product is 892 bp in size. purified on an agarose gel, digested with restriction enzymes PstI and HindIII and cloned in the pBSII KS vector at the PstI and HindIII sites.
Затем с хромосомной ДНК штамма B.subtilis 168 trpC2 (American Journal of Botany. 34: 345-348, 1947) амплифицируют фрагменты пуринового оперона B.subtilis, фланкирующие ген purH. Для амплификации фрагмента оперона размером 652 п.н., содержащего ген purN, который расположен перед генеом purH, используют праймеры PurH1 (SEQ ID NO: 4), содержащий сайт SacII, и PurH2 (SEQ ID NO: 5), содержащий сайт Pst1. Для амплификации фрагмента оперона размером 862 п.н., содержащего ген purD, который расположен после гена purH, используют праймеры PurH3 (SEQ ID NO: 6), содержащий сайт HindIII, и PurH4 (SEQ ID NO: 7), содержащий сайт XhoI. В результате клонирования этих фрагментов в вектор pBSII KS получают плазмиду, в которой ген purH замещен кассетой EmR и фланкирован нуклеотидной последовательностью генов purN и purD.Then, fragments of the purine operon of B.subtilis flanking the purH gene are amplified with the chromosomal DNA of B.subtilis strain 168 trpC2 (American Journal of Botany. 34: 345-348, 1947). To amplify a 652 bp operon fragment containing the purN gene located in front of the purH gene, PurH1 primers (SEQ ID NO: 4) containing the SacII site and PurH2 (SEQ ID NO: 5) containing the Pst1 site are used. PurH3 primers (SEQ ID NO: 6) containing the HindIII site and PurH4 (SEQ ID NO: 7) containing the XhoI site were used to amplify the 862 bp fragment of the 862 bp operon containing the purD gene located after the purH gene. Cloning of these fragments into the pBSII KS vector yields a plasmid in which the purH gene is replaced by the Em R cassette and flanked by the nucleotide sequence of the purN and purD genes.
С этой плазмиды проводят ПЦР-амплификацию фрагмента с использованием праймеров PurH1 и PurH4 и полученный фрагмент размером 2406 п.н. трансформируют в клетки реципиента B.subtilis 304 и с отбором рекомбинантов EmR. Фенотип Pur- у полученных трансформантов EmR свидетельствует об интеграции кассеты EmR в ген purH. В результате получен штамм B.subtilis AM25-11 с генотипом purH::EmR.From this plasmid, PCR amplification of the fragment was carried out using primers PurH1 and PurH4, and the resulting fragment was 2406 bp in size. transform into the cells of the recipient B.subtilis 304 and with selection of recombinants Em R. The phenotype Pur - in the obtained Em R transformants indicates the integration of the Em R cassette into the purH gene. The result is a strain of B.subtilis AM25-11 with the genotype purH :: Em R.
Пример 2. Инактивация гена pur R в штамме B.subtilis Mu8u5u6.Example 2. Inactivation of the pur R gene in B.subtilis Mu8u5u6 strain.
С целью инактивации гена purR, кодирующего репрессор транскрипции генов, вовлеченных в биосинтез пурина, в геном этого штамма с помощью трансформации вводят кассету purR::neo, содержащую детерминант устойчивости к неомицину в гене purR, из штамма B.subtilis LCC28 (J. Bacteriol. 179: 2540-2550). В результате получен штамм B.subtilis Mu8u5u6-1 с генотипом purR::neo, у которого инактивирован белок-репрессор PurR.In order to inactivate the purR gene encoding the transcriptional repressor of genes involved in purine biosynthesis, the purR :: neo cassette containing the neomycin resistance determinant in the purR gene from B.subtilis LCC28 strain (J. Bacteriol. 179: 2540-2550). As a result, a B. subtilis Mu8u5u6-1 strain with the genotype purR :: neo was obtained, in which the PurR repressor protein was inactivated.
Пример 3. Инактивация гена purH в B.subtilis штамме Mu8u5u6-1.Example 3. Inactivation of the purH gene in B.subtilis strain Mu8u5u6-1.
Процедуру проводят, как в примере 1, но для другого штамма - B.subtilis Mu8u5u6-1 purR::neo. В результате получен штамм B.subtilis Mu8u5u6-3, с генотипом purH::EmR.The procedure is carried out as in example 1, but for another strain B.subtilis Mu8u5u6-1 purR :: neo. The result is a strain of B.subtilis Mu8u5u6-3, with the genotype purH :: Em R.
Пример 4. Получение делеции (PurΔL) в лидерной области pur-оперона с помощью ПЦР-амплификации.Example 4. Obtaining a deletion (PurΔ L ) in the leader region of the pur operon using PCR amplification.
Согласно имеющимся данным лидерная область pur-оперона B.subtilis кодирует сенсорную РНК, которая, взаимодействуя с пуриновыми производными, подавляет экспрессию структурных генов оперона за счет формирования терминатора транскрипции. Для устранения этой негативной регуляции у штамма АМ25-11 получена делеция той части лидерной области, которая кодирует сенсорную РНК. Делеция в лидерной области получена с помощью ПЦР. Сначала проводят ПЦР-амплификацию двух фрагментов размером 650 и 780 п.о. с участием пар праймеров PL1 (SEQ ID NO: 8) и PL2 (SEQ ID NO: 9) и PL3 (SEQ ID NO: 10) и PL4 (SEQ ID NO: 11) соответственно. Поскольку праймеры PL2 и PL3 содержат перекрывающиеся последовательности нуклеотидов (обозначены жирным шрифтом), отжиг полученных фрагментов друг на друга и последующая амплификация с помощью фланговых праймеров PL1 и PL4 приводит к образованию делеции лидерной области размером 94 п.о., включающей терминатор транскрипции. Включение делеции PurΔL подтверждают наработкой более короткого ПЦР-фрагмента с использованием контрольных праймеров PL5 (SEQ ID NO: 12) и PL6 (SEQ ID NO: 13). Важно подчеркнуть, что полученный делеционный мутант PurΔL сохраняет интактный промотор pur-оперона. В результате получен ПЦР-фрагмент, содержащий делеции (PurΔL) в лидерной области pur-оперона.According to available data, the leader region of the B. optron pur operon encodes sensory RNA, which, interacting with purine derivatives, inhibits the expression of the operon structural genes due to the formation of a transcription terminator. To eliminate this negative regulation, strain AM25-11 obtained a deletion of that part of the leader region that encodes sensory RNA. Deletion in the leader region was obtained by PCR. First, PCR amplification of two fragments of size 650 and 780 bp is carried out. involving primer pairs P L1 (SEQ ID NO: 8) and P L2 (SEQ ID NO: 9) and P L3 (SEQ ID NO: 10) and P L4 (SEQ ID NO: 11), respectively. Since the primers P L2 and P L3 contain overlapping nucleotide sequences (indicated in bold), annealing the resulting fragments to each other and subsequent amplification using flanking primers P L1 and P L4 leads to the formation of a 94 bp leader region deletion, including the terminator transcription. The inclusion of a PurΔ L deletion is confirmed by the production of a shorter PCR fragment using the control primers P L5 (SEQ ID NO: 12) and P L6 (SEQ ID NO: 13). It is important to emphasize that the resulting deletion mutant PurΔ L retains the intact pur operon promoter. As a result, a PCR fragment containing deletions (PurΔ L ) in the leader region of the pur operon was obtained.
Пример 5. Получение делеции (ΔpurE) в геноме штамма B.subtilis 304.Example 5. Obtaining a deletion (ΔpurE) in the genome of strain B.subtilis 304.
Для интеграции полученного в ПЦР-фрагмента (пример 4) предварительно в геноме штамма 304 получают делецию (ΔpurE), перекрывающую всю лидерную область pur-оперона и одновременно первый структурный ген этого оперона purE, что обусловливает появление у этого штамма потребности в пуринах при росте на минимальной среде.To integrate the obtained in the PCR fragment (Example 4), a deletion (ΔpurE) is first obtained in the genome of strain 304, overlapping the entire leader region of the pur operon and simultaneously the first structural gene of this purE operon, which causes the need for purines in this strain when it grows by minimal environment.
Получение такой делеции проводят с использованием описанной выше плазмиды pKS1.Obtaining such a deletion is carried out using the plasmid pKS1 described above.
С этой целью проводят амплификацию фрагментов ДНК, фланкирующих лидерную область pur-оперона на хромосоме B.subtilis. Для амплификации фрагмента размером 830 п.н., содержащего дистальную область гена yebG, который расположен перед промотором pur-оперона, используют праймеры: PurE1 (SEQ ID NO: 14), содержащий сайт SacII, и PurE2 (SEQ ID NO: 15), содержащий сайт PstI. Для амплификации делетированного с 5'-конца участка гена purE используют праймеры: PurE3 (SEQ ID NO: 16), содержащий сайт HindIII, и PurE4 (SEQ ID NO: 17), содержащий сайт XhoI. Размер полученного ПЦР-фрагмента составлял 890 п.н. В результате клонирования этих фрагментов в вектор pKS1 получена плазмида, в которой лидерная область pur-оперона, включающая основной промотор (P-L), и проксимальная область гена purE замещены кассетой KmR и фланкированы нуклеотидной последовательностью дистальной области гена yebG и более дистального участка гена purE.To this end, DNA fragments flanking the leader region of the pur operon on the B.subtilis chromosome are amplified. To amplify a fragment of 830 bp containing the distal region of the yebG gene, which is located before the pur operon promoter, primers are used: PurE1 (SEQ ID NO: 14) containing the SacII site, and PurE2 (SEQ ID NO: 15), containing the PstI site. For amplification of the purE gene deleted from the 5 ′ end of the gene, primers are used: PurE3 (SEQ ID NO: 16) containing the HindIII site, and PurE4 (SEQ ID NO: 17) containing the XhoI site. The size of the obtained PCR fragment was 890 bp Cloning of these fragments into pKS1 vector resulted in a plasmid in which the leader region of the pur operon, including the main promoter (PL), and the proximal region of the purE gene are replaced by the Km R cassette and flanked by the nucleotide sequence of the distal region of the yebG gene and the more distal region of the purE gene.
С этой плазмиды проводят ПЦР-амплификацию фрагмента с использованием праймеров PurE1 и PurE4 и полученный фрагмент размером 3091 п.н. трансформируют в клетки реципиента B.subtilis 304, а также контрольного штамма B.subtilis 168 (с немодифицированным метаболизмом пуринов) с последующим отбором рекомбинантов KmR. Фенотип Pur- у полученных трансформантов KmR свидетельствует об интеграции кассеты KmR в лидерную область pur-оперона. Полученные трансформанты KmR проверяют путем ПЦР-амплификации с контрольными праймерами PurE5 (SEQ ID NO: 18) и PurE6 (SEQ ID NO: 19), для подтверждения интеграции кассеты KmR в лидерную область pur-оперона. Таким образом, были получены изогенные штаммы B.subtilis АМ25-13 ΔpurE и В.subtilis 168 ΔpurE.From this plasmid, PCR amplification of the fragment was carried out using primers PurE1 and PurE4 and the resulting fragment 3091 bp in size. transform into the cells of the recipient B.subtilis 304, as well as the control strain B.subtilis 168 (with unmodified purine metabolism), followed by selection of Km R recombinants. The phenotype Pur - in the obtained Km R transformants indicates the integration of the Km R cassette into the leader region of the pur operon. The obtained Km R transformants were checked by PCR amplification with the control primers PurE5 (SEQ ID NO: 18) and PurE6 (SEQ ID NO: 19) to confirm the integration of the Km R cassette into the leader region of the pur operon. Thus, isogenic strains of B. subtilis AM25-13 ΔpurE and B. subtilis 168 ΔpurE were obtained.
Пример 6. Перенесение делеции PurΔL в штамм АМ25-13 ΔpurE.Example 6. Transfer of a deletion of PurΔ L to strain AM25-13 ΔpurE.
Для перенесения делеции PurΔL проводят трансформацию полученных реципиентов АМ25-13 ΔpurE и B.subtilis 168 ΔpurE (пример 5) ПЦР-фрагментом, амплифицированным с помощью праймеров PL1 и PL4 с матрицы полученного ранее мутанта (пример 4), содержащего делецию терминатора транскрипции в лидерной области pur-оперона (PurΔL). В этих скрещиваниях на минимальной среде Спицайзена без источника пуринов отбирают рекомбинанты Pur+. Включение делеции PurΔL в рекомбинанты Pur+ подтверждают наработкой более короткого ПЦР-фрагмента с использованием контрольных праймеров PL5 и PL6. В результате получены штаммы АМ25-15 PurΔL и B.subtilis 168 PurΔL, содержащие делецию терминатора транскрипции в лидерной области pur-оперона.To transfer the PurΔL deletion, the obtained recipients AM25-13 ΔpurE and B.subtilis 168 ΔpurE are transformed (Example 5) by a PCR fragment amplified using primers P L1 and P L4 from the matrix of the previously obtained mutant (Example 4) containing a transcription termination deletion in leader region of the pur operon (PurΔ L ). Pur + recombinants were selected in these crosses on minimal Spitsaisen medium without purine source. The inclusion of the PurΔ L deletion in Pur + recombinants was confirmed by the production of a shorter PCR fragment using the control primers P L5 and P L6 . As a result, strains AM25-15 PurΔ L and B. subtilis 168 PurΔ L were obtained containing a deletion of the transcription terminator in the leader region of the pur operon.
Пример 7. Перенесение делеции PurΔL в штамм B.subtilis Mu8u5u6.Example 7. Transfer of a deletion of PurΔ L to B.subtilis strain Mu8u5u6.
Перенесение делеции проводят, как в примерах 4, 5, 6, но для штамма B.subtilis Mu8u5u6. В результате получают штамм Mu8u5u6-9, имеющий генотип purR::neo purH::EmR PurΔL.Transfer of deletions is carried out, as in examples 4, 5, 6, but for strain B.subtilis Mu8u5u6. The result is a strain Mu8u5u6-9 having the genotype purR :: neo purH :: Em R PurΔ L.
Пример 8. Оценка уровня экспрессии генов биосинтеза пуринов у полученных штаммов.Example 8. Assessment of the level of expression of purine biosynthesis genes in the obtained strains.
Для оценки уровня экспрессии pur-оперона на фоне инактивированного гена purR и делеции PurΔL терминатора транскрипции в лидерной области pur-оперона получены транскрипционные фьюзы промотора этого оперона с реперным геном lacZ путем интеграции экспрессионной плазмиды pMutin2 (Microbiology 144: 3097-3104, 1998) в ген purH.To evaluate the expression level of the pur operon against the background of the inactivated purR gene and deletion of the PurΔ L transcription terminator in the leader region of the pur operon, transcription fuses of the promoter of this operon with the lacZ reference gene were obtained by integrating the expression plasmid pMutin2 (Microbiology 144: 3097-3104, 1998) in purH gene.
Плазмида pMutin2 содержит реперный ген lacZ без собственного промотора, полилинкерную область HindIII-EcoRI-NotI-SacII-BamHI для клонирования генетического материала B.subtilis и маркер устойчивости к эритромицину (EmR). Поскольку плазмида pMutin2 не способна к автономной репликации в клетках бацилл, ее интеграцию в хромосому B.subtilis проводят путем клонирования в полилинкерную область любого фрагмента хромосомной ДНК B.subtilis с последующим отбором трансформантов EmR.Plasmid pMutin2 contains the lacZ reference gene without its own promoter, the HindIII-EcoRI-NotI-SacII-BamHI polylinker region for cloning B.subtilis genetic material, and the erythromycin resistance marker (Em R ). Since the plasmid pMutin2 is not capable of autonomous replication in bacillus cells, its integration into the B.subtilis chromosome is carried out by cloning into a polylinker region of any fragment of B.subtilis chromosomal DNA with subsequent selection of Em R transformants.
В результате такой интеграции происходит образование транскрипционного фьюза целевого гена с реперным геном lacZ, что позволяет оценивать уровень экспрессии целевого гена путем определения активности β-галактозидазы. Более того, на дистальном конце встроенной плазмиды содержится терминатор транскрипции, за которым расположен промотор Pspac под контролем лактозного оператора, что позволяет проводить индукцию экспрессии дистально расположенных генов с помощью изопропилтиогалактозид (ИПТГ). Для оценки уровня экспрессии промотора pur-оперона проводят клонирование проксимальной области гена purH путем ПЦР-амплификации фрагмента этого гена с участием праймеров PurH7 (SEQ ID NO: 20) и PurH8 (SEQ ID NO: 21). Полученный ПЦР-фрагмент размером 316 п.о. клонируют в сайты HindIII-BamHI плазмиды pMutin2. Отобранной плазмидой pMutin2 со вставкой гена purH проводят трансформацию с последующим отбором рекомбинантов EmR исходных штаммов B.subtilis 304 (отобран штамм АМ25-21) и B.subtilis Mu8u5u6 (отобран штамм Mu8u5u6-17), а также полученных на предыдущем этапе штаммов АМ25-15 PurΔL (отобран штамм АМ25-32), 168 PurΔL (отобран штамм 168-1 PurΔL) и штамма Mu8u5u6-9 (отобран штамм Mu8u5u6-19), которые содержат делецию терминатора транскрипции в лидерной области pur-оперона. Кроме того, плазмида pMutin2 со вставкой гена purH была интегрирована в хромосому штамма B.subtilis168 (purR+), используемого в качестве контроля (отобран штамм 168-1). Фенотип Pur- у полученных трансформантов свидетельствует об интеграции рекомбинантной плазмиды pMutin2 в ген purH.As a result of this integration, the formation of the transcriptional fuse of the target gene with the lacZ reference gene occurs, which allows us to evaluate the level of expression of the target gene by determining the activity of β-galactosidase. Moreover, the transcription terminator is located at the distal end of the inserted plasmid, followed by the P spac promoter under the control of the lactose operator, which allows the expression of distally located genes to be induced using isopropylthiogalactoside (IPTG). To assess the expression level of the pur operon promoter, the proH proximal region of the purH gene is cloned by PCR amplification of a fragment of this gene using primers PurH7 (SEQ ID NO: 20) and PurH8 (SEQ ID NO: 21). The resulting PCR fragment of 316 bp clone into the HindIII-BamHI sites of the plasmid pMutin2. The selected plasmid pMutin2 with the purH gene insert is transformed, followed by selection of recombinants Em R of the initial B.subtilis 304 strains (selected strain AM25-21) and B.subtilis Mu8u5u6 (selected strain Mu8u5u6-17), as well as the strains of AM25- obtained in the previous step 15 PurΔ L (strain AM25-32 selected), 168 PurΔ L (strain 168-1 PurΔ L selected) and strain Mu8u5u6-9 (strain Mu8u5u6-19 selected) that contain a deletion of the transcription terminator in the leader region of the pur operon. In addition, the plasmid pMutin2 with the purH gene insert was integrated into the chromosome of the B.subtilis168 strain (purR + ) used as a control (strain 168-1 was selected). Phenotype Pur - from the transformants indicates the integration of a recombinant plasmid into pMutin2 purH gene.
Полученные штаммы и их генотип представлены в Таблице 1.The resulting strains and their genotype are presented in Table 1.
Как следует из данных, представленных в Табл.1, внесение делеции PurΔL (штамм 168-1 PurΔL) приводит к 10-кратному увеличению активности промотора pur-оперона по сравнению с таковой у контрольного штамма 168-1 (purR+). Присутствие инактивированного гена purR в геноме штамма Mu8u5u6-17 приводит к примерно к 25-кратному увеличению экспрессии pur-оперона. Еще более высокий уровень активности наблюдают у штамма AM25-21 - продуцента рибофлавина, из чего следует, что в геноме штамма АМ25 ген purR уже инактивирован и, кроме того, этот штамм, вероятно, несет какие-то дополнительные мутации, увеличивающие экспрессию pur-оперона. Наконец, из данных Табл.1 следует, что внесение делеции PurΔL в геном штаммов AM25-32 и Mu8u5u6-19 приводит к дальнейшему увеличению активности β-галактозидазы (3200-3600 ед.), что превышает базальный уровень экспрессии pur-оперона в контрольном штамме 168 более чем в 300 раз. Это позвляет сделать вывод, что комбинация мутации в регуляторном гене purR и делеции PurΔL в лидерной области приводит к максимальной экспрессии pur-оперона, а следовательно, достачно эффективной продукции АИКАР при внесении генетического повреждения в ген purH.As follows from the data presented in Table 1, the introduction of a deletion of PurΔ L (strain 168-1 PurΔ L ) leads to a 10-fold increase in the activity of the pur operon promoter compared to that of the control strain 168-1 (purR + ). The presence of the inactivated purR gene in the genome of the Mu8u5u6-17 strain leads to an approximately 25-fold increase in pur operon expression. An even higher level of activity is observed in strain AM25-21, a producer of riboflavin, which implies that the purR gene is already inactivated in the genome of strain AM25 and, in addition, this strain probably carries some additional mutations that increase the expression of pur operon . Finally, from the data in Table 1 it follows that the introduction of a PurΔ L deletion into the genome of strains AM25-32 and Mu8u5u6-19 leads to a further increase in the activity of β-galactosidase (3200-3600 units), which exceeds the basal level of pur operon expression in the control strain 168 more than 300 times. This allows us to conclude that the combination of a mutation in the regulatory gene of purR and a deletion of PurΔ L in the leader region leads to the maximum expression of the pur operon, and, consequently, quite efficient AICAR production when genetic damage is introduced into the purH gene.
Пример 9. Усиление экспрессии гена prs штаммов B.subtilis AM25-32.Example 9. Enhanced expression of the prs gene of B.subtilis AM25-32 strains.
Для усиления экспрессии гена prs, ответственного за синтез ФРПФ, осуществляют его подстановку под контроль сильного промотора гена rpsF, кодирующего синтез рибосомного белка S6, с помощью интегративного вектора pDG268 (Mironov A.S. et al. 2002, Sensing small molecules by nascent RNA: a mechanism to control transcription in bacteria Cell, v.111, p.747-756). Вектор pDG268 содержит экспрессионную кассету, которая включает полилинкер для клонирования промоторов, реперный ген lacZ без собственного промотора и ген устойчивости к хлорамфениколу (CmR).To enhance the expression of the prs gene responsible for FGF synthesis, it is substituted under the control of the strong promoter of the rpsF gene encoding the synthesis of S6 ribosomal protein using the integrative vector pDG268 (Mironov AS et al. 2002, Sensing small molecules by nascent RNA: a mechanism to control transcription in bacteria Cell, v. 111, p. 747-756). The pDG268 vector contains an expression cassette that includes a polylinker for cloning promoters, a lacZ reference gene without its own promoter, and a chloramphenicol resistance gene (Cm R ).
Кассета фланкирована фрагментами гена amyE, что позволяет проводить интеграцию вектора с клонированным фрагментом в локус amyE на хромосоме B.subtilis.The cassette is flanked by fragments of the amyE gene, which allows integration of the vector with the cloned fragment into the amyE locus on the B.subtilis chromosome.
На первом этапе фрагмент ДНК, содержащий промоторную область гена rpsF, нарабатывают методом ПЦР с хромосомы B.subtilis 168 с использованием праймеров Rps1 (SEQ ID NO: 22) и Rps2 (SEQ ID NO: 23). Полученный ПЦР-фрагмент обрабатывают эндонуклеазами рестрикции EcoR1 и BamHI и клонируют в соответствующие сайты плазмиды pDG268, обработанной теми же рестриктазами. Лигазной смесью трансформируют традиционно используемый реципиентный штамм Е.coli TG1 (Sambrook J., Fritsch E.F., Maniatis Т. 1989. Molecular cloning: a laboratory manual / 1 st and 2nd ed. NY / Cold Spring Harbor Laboratory). Отбор трансформантов, несущих вставку искомого фрагмента, проводят на индикаторной среде, содержащей ампициллин в концентрации 120 мкг/мл и X-gal (5-бром-4-хлор-3-индолил-β-D-галактопиранозид) (колонии трансформантов имеют голубую окраску) (Sambrook J., Fritsch E.F., Maniatis T. 1989. Molecular cloning: a laboratory manual / 1st and 2nd ed. NY / Cold Spring Harbor Laboratory). Присутствие соответствующей вставки подтверждают с помощью ПЦР с использованием праймеров Rps1 и Rps2.At the first stage, a DNA fragment containing the promoter region of the rpsF gene was generated by PCR from B.subtilis 168 chromosome using Rps1 primers (SEQ ID NO: 22) and Rps2 (SEQ ID NO: 23). The resulting PCR fragment is treated with restriction endonucleases EcoR1 and BamHI and cloned into the corresponding sites of the plasmid pDG268 treated with the same restrictase. The traditionally used recipient strain of E. coli TG1 is transformed with a ligase mixture (Sambrook J., Fritsch E.F., Maniatis T. 1989. Molecular cloning: a laboratory manual / 1 st and 2nd ed. NY / Cold Spring Harbor Laboratory). The selection of transformants carrying the insert of the desired fragment is carried out on an indicator medium containing ampicillin at a concentration of 120 μg / ml and X-gal (5-bromo-4-chloro-3-indolyl-β-D-galactopyranoside) (transformant colonies are blue in color ) (Sambrook J., Fritsch EF, Maniatis T. 1989. Molecular cloning: a laboratory manual / 1st and 2nd ed. NY / Cold Spring Harbor Laboratory). The presence of the corresponding insert was confirmed by PCR using Rps1 and Rps2 primers.
На следующем этапе проводят состыковку клонированного промотора гена rpsF со структурным геном prs, кодирующим синтез ФРПФ. С этой целью проводят ПЦР-амплификацию полноразмерного структурного гена prs, включающего сайт связывания рибосомы (SD-последовательность) с участием фланкирующих этот ген праймеров Prs1 (SEQ ID NO: 24) и Prs2 (SEQ ID NO: 25), которые содержат сайты узнавания рестриктаз BamHI и NotI соответственно. Полученный ПЦР фрагмент обрабатывают эндонуклеазами рестрикции BamHI и NotI и клонируют в соответствующие сайты плазмиды pDG268, обработанной теми же рестриктазами. Присутствие соответствующей вставки подтверждают с помощью ПЦР с использованием праймеров Prs1 и Prs2.At the next stage, the cloned promoter of the rpsF gene is docked with the structural gene prs encoding the FRPF synthesis. For this purpose, PCR amplification of the full-sized structural gene prs is carried out, including the ribosome binding site (SD sequence) using the primers flanking this gene, Prs1 (SEQ ID NO: 24) and Prs2 (SEQ ID NO: 25), which contain restriction enzyme recognition sites BamHI and NotI respectively. The obtained PCR fragment is treated with BamHI and NotI restriction endonucleases and cloned into the corresponding sites of the plasmid pDG268 treated with the same restrictase. The presence of the corresponding insert was confirmed by PCR using primers Prs1 and Prs2.
Интеграцию полученных гибридных фрагментов PrpsF-prs в составе вектора pDG268 в амилазный локус реципиентных штаммов B.subtilis AM25-32 и B.subtilis 168 PurΔ (пример 8) проводят с помощью трансформации на среде LB, содержащей 25 мкг/мл хлорамфеникола. В результате получен заявляемый штамм B.subtilis AM25-41 генотипа purH::EmR purR PurΔL PrpsF-prs.The integration of the obtained P rpsF -prs hybrid fragments in the vector pDG268 into the amylase locus of the recipient B.subtilis AM25-32 and B.subtilis 168 PurΔ strains (Example 8) was carried out by transformation on LB medium containing 25 μg / ml chloramphenicol. As a result, the inventive strain B.subtilis AM25-41 of the genotype purH :: Em R purR PurΔ L P rpsF -prs was obtained.
Пример 10. Усиление экспрессии гена prs у штамма B.subtilis Mu8u5u6-19.Example 10. Enhanced expression of the prs gene in B.subtilis strain Mu8u5u6-19.
Усиление экспрессии гена prs у штамма B.subtilis Mu8u5u6-19 осуществляют так же, как в примере 9, но в качестве реципиента для интеграции гибридных фрагментов PrpsF-prs в составе вектора pDG268 используют амилазный локус штамма B.subtilis Mu8u5u6-19. В результате получен штамм B.subtilis Mu8u5u6-23 генотипа purH::EmR purR PurΔL PrpsF-prs.The expression of the prs gene in B.subtilis Mu8u5u6-19 strain was enhanced as in Example 9, but the amylase locus of B.subtilis Mu8u5u6-19 strain was used as a recipient for the integration of hybrid fragments of P rpsF -prs in the vector pDG268. As a result, a B. subtilis Mu8u5u6-23 strain of genotype purH :: Em R purR PurΔ L P rpsF -prs was obtained.
Пример 11. Уровень продукции АИКАР у заявляемого и других полученных штаммов B.subtilis.Example 11. The level of AICAR production in the claimed and other obtained strains of B.subtilis.
Заявляемый штамм B.subtilis AM25-41 (ВКПМ В-10167) и другие полученные штаммы с инактивированным геном purH и различными комбинациями мутаций проверяют на способность синтезировать АИКАР в культуральной жидкости (Табл.2). Для подготовки посевного материала инокулят каждого из штаммов засевают в пробирки 20×200 мм, содержащие 5 мл LB-среды, и культивируют при 34°С в течение 18 ч. Затем по 0.5 мл полученной культуры инокулируют в 4.5 мл ферментационной среды в пробирках 20×200 мм и культивируют при 34°С в течение 48 ч на роторной качалке (250 об/мин).The inventive strain B.subtilis AM25-41 (VKPM B-10167) and other obtained strains with the inactivated purH gene and various combinations of mutations are tested for the ability to synthesize AICAR in the culture fluid (Table 2). To prepare seed, the inoculum of each strain was seeded in 20 × 200 mm tubes containing 5 ml of LB medium and cultured at 34 ° С for 18 h. Then, 0.5 ml of the obtained culture was inoculated in 4.5 ml of fermentation medium in 20 × tubes 200 mm and cultivated at 34 ° C for 48 hours on a rotary shaker (250 rpm).
После культивирования определяют количества накопленных в среде производных пуринов методом тонкослойной хроматографии. Результаты представлены в Табл.2.After cultivation, the amounts of purine derivatives accumulated in the medium are determined by thin layer chromatography. The results are presented in Table 2.
Как следует из Табл.2, присутствие комбинации мутаций purR purH::EmR PurΔL PrpsF-prs приводит к максимальному накоплению АИКАР в культуральной жидкости у заявляемого штамма B.subtilis AM25-41 (ВКПМ В-10167) и штамма B.subtilis Mu8u5u6-14 (до 3,3-3,5 г/л).As follows from Table 2, the presence of a combination of mutations purR purH :: Em R PurΔ L P rpsF -prs leads to the maximum accumulation of AICAR in the culture fluid of the claimed strain B.subtilis AM25-41 (VKPM B-10167) and strain B.subtilis Mu8u5u6-14 (up to 3.3-3.5 g / l).
Таким образом разработанный способ микробиологического синтеза АИКАР основан на использовании в качестве штаммов-продуцентов бактерий рода Bacillus, модифицированных путем последовательного внесения мутаций: purR, purH::EmR, PurΔL, PrpsF-prs. Модификация штаммов-продуцентов выполнена путем поэтапного генетического конструирования, направленного на усиление метаболического потока предшественников АИКАР от глюкозы до рибозы и ФРПФ, активацию экспрессии генов пуринового оперона.Thus, the developed method for the microbiological synthesis of AICAR is based on the use of bacteria of the genus Bacillus as producer strains modified by sequentially introducing mutations: purR, purH :: Em R , PurΔ L , P rpsF -prs. Modification of producer strains was carried out by phased genetic construction aimed at enhancing the metabolic flow of AICAR precursors from glucose to ribose and FGF, activation of gene expression of purine operon.
Высокий уровень гомологии генетического аппарата и универсальность биохимических процессов у различных представителей рода Bacillus являются основанием для экстраполяции разработанной схемы получения штаммов-продуцентов АИКАР на другие виды этого рода.The high level of homology of the genetic apparatus and the universality of biochemical processes in various representatives of the genus Bacillus are the basis for extrapolating the developed scheme for obtaining AICAR producer strains to other species of this genus.
Claims (2)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2008151751/10A RU2405833C2 (en) | 2008-12-26 | 2008-12-26 | Method for microbiologial synthesis of purine nucleoside of 5'-aminoimidazole-4-carboxamide riboside (aicar) and bacillus subtilis strain - producer of aicar |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2008151751/10A RU2405833C2 (en) | 2008-12-26 | 2008-12-26 | Method for microbiologial synthesis of purine nucleoside of 5'-aminoimidazole-4-carboxamide riboside (aicar) and bacillus subtilis strain - producer of aicar |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2405833C2 true RU2405833C2 (en) | 2010-12-10 |
Family
ID=46306612
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2008151751/10A RU2405833C2 (en) | 2008-12-26 | 2008-12-26 | Method for microbiologial synthesis of purine nucleoside of 5'-aminoimidazole-4-carboxamide riboside (aicar) and bacillus subtilis strain - producer of aicar |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2405833C2 (en) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2494744C1 (en) * | 2012-10-31 | 2013-10-10 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Государственный научно-исследовательский институт генетики и селекции промышленных микроорганизмов" (ФГУП "ГосНИИгенетика") | Anticancer therapeutic agent of acadesine |
RU2542387C1 (en) * | 2013-09-27 | 2015-02-20 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Государственный научно-исследовательский институт генетики и селекции промышленных микроорганизмов" (ФГУП "ГосНИИгенетика") | BACTERIA Bacillus subtilis PRODUCING 5`-AMINOIMIDAZOLE-4-CARBOXAMIDERIBOSIDE (AICAR), AND METHOD OF MICROBIOLOGICAL SYNTHESIS OF AICAR BY CULTURING THIS BACTERIUM |
WO2021020996A1 (en) * | 2019-07-26 | 2021-02-04 | Общество с ограниченной ответственностью "ЦЕНТР ТРАНСФЕРА БИОТЕХНОЛОГИЙ ОКА-Биотех" | Tandem promoter, bacterium of the genus bacillus producing a target product containing said promoter, and method of producing the target product |
-
2008
- 2008-12-26 RU RU2008151751/10A patent/RU2405833C2/en active
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
BOON H. et al. Intravenous AICAR administration reduces hepatic glucose output and inhibits whole body lipolysis in type 2 diabetic patients. J. Appl. Physiol. 2008, 105 (5): 1422-1427. CORTON J. M. et al. 5-aminoimidazole-4-carboxamide ribonucleoside. A specific method for activating AMP-activated protein kinase in intact cells? Eur. J. Biochem. 1995, 229, 558-565. * |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2494744C1 (en) * | 2012-10-31 | 2013-10-10 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Государственный научно-исследовательский институт генетики и селекции промышленных микроорганизмов" (ФГУП "ГосНИИгенетика") | Anticancer therapeutic agent of acadesine |
RU2542387C1 (en) * | 2013-09-27 | 2015-02-20 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Государственный научно-исследовательский институт генетики и селекции промышленных микроорганизмов" (ФГУП "ГосНИИгенетика") | BACTERIA Bacillus subtilis PRODUCING 5`-AMINOIMIDAZOLE-4-CARBOXAMIDERIBOSIDE (AICAR), AND METHOD OF MICROBIOLOGICAL SYNTHESIS OF AICAR BY CULTURING THIS BACTERIUM |
WO2021020996A1 (en) * | 2019-07-26 | 2021-02-04 | Общество с ограниченной ответственностью "ЦЕНТР ТРАНСФЕРА БИОТЕХНОЛОГИЙ ОКА-Биотех" | Tandem promoter, bacterium of the genus bacillus producing a target product containing said promoter, and method of producing the target product |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US8298791B2 (en) | Purine-derived substance-producing bacterium and a method for producing purine-derived substance | |
US10633684B2 (en) | Production of riboflavin | |
JP4913929B2 (en) | Method for producing nucleic acid substances | |
RU2422510C2 (en) | Method of producing purine ribonucleoside and ribonucleotides | |
KR100882418B1 (en) | Inosine producing microorganism and a method of producing inosine using the same | |
KR20070056805A (en) | A microorganism of corynebacterium genus having enhanced l-lysine productivity and a method of producing l-lysine using the same | |
JP4352716B2 (en) | Inosine-producing bacteria belonging to the genus Bacillus and a method for producing inosine | |
RU2405833C2 (en) | Method for microbiologial synthesis of purine nucleoside of 5'-aminoimidazole-4-carboxamide riboside (aicar) and bacillus subtilis strain - producer of aicar | |
RU2260040C2 (en) | Method for production of inosibe and inosine-5'-monophosphate, bacterium strain of genus bacillus as inosine producer (variants) | |
EP1844135B1 (en) | Escherichia strain capable of converting xmp to gmp and maintaining the inactivated state of gene(s) associated with gmp degradation and methods of using the same | |
AU2011201470A1 (en) | Reduction of spontaneous mutation rates in cells | |
RU2542387C1 (en) | BACTERIA Bacillus subtilis PRODUCING 5`-AMINOIMIDAZOLE-4-CARBOXAMIDERIBOSIDE (AICAR), AND METHOD OF MICROBIOLOGICAL SYNTHESIS OF AICAR BY CULTURING THIS BACTERIUM | |
JPH022349A (en) | Pyrimidine analogue-tolerated gene dna and use thereof | |
KR102433200B1 (en) | ATP-PRT variant with reduced feedback inhibition by histidine and histidine-producing strain expressing the same | |
KR100964078B1 (en) | Corynebacterium ammoniagenes having enhanced 5'-inosinic acid productivity and method of producing 5'-inosinic acid using the same | |
EP4269574A1 (en) | Atp-prt variant with reduced feedback inhibition by histidine, and histidine-producing strain expressing same | |
WO2022145587A1 (en) | Atp-prt variant with reduced feedback inhibition by histidine, and histidine-producing strain expressing same | |
KR20220094257A (en) | ATP-PRT variant with reduced feedback inhibition by histidine and histidine-producing strain expressing the same | |
KR20220094261A (en) | ATP-PRT variant with reduced feedback inhibition by histidine and histidine-producing strain expressing the same | |
RU2177998C2 (en) | Method of preparing recombinant uridine phosphorylase, recombinant plasmid dna perurph01 and strain of escherichia coli bl 21(dez)/perurph01 for its realization | |
KR20230108789A (en) | Mutant in Escherichia with enhanced L-histidine productivity and method for preparing L-histidine using the same | |
KR20230108790A (en) | Mutant in Escherichia with enhanced L-histidine productivity and method for preparing L-histidine using the same | |
KR20240153302A (en) | Mutant in Escherichia with enhanced L-histidine productivity and method for preparing L-histidine using the same |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
QB4A | Licence on use of patent |
Free format text: LICENCE Effective date: 20141121 |
|
QZ41 | Official registration of changes to a registered agreement (patent) |
Free format text: LICENCE FORMERLY AGREED ON 20141121 Effective date: 20150528 |
|
PC43 | Official registration of the transfer of the exclusive right without contract for inventions |
Effective date: 20170327 |
|
PD4A | Correction of name of patent owner | ||
QZ41 | Official registration of changes to a registered agreement (patent) |
Free format text: LICENCE FORMERLY AGREED ON 20141121 Effective date: 20180824 |
|
QZ41 | Official registration of changes to a registered agreement (patent) |
Free format text: LICENCE FORMERLY AGREED ON 20141121 Effective date: 20201029 |
|
QB4A | Licence on use of patent |
Free format text: SUB-LICENCE FORMERLY AGREED ON 20220113 Effective date: 20220113 |