RU2741078C1 - Penicillium canescens mtcbhi fungus strain producer of thermally stable cellobiohydrolase i and an enzyme preparation based thereon for bioconversion of renewable vegetal raw material into sugars - Google Patents

Penicillium canescens mtcbhi fungus strain producer of thermally stable cellobiohydrolase i and an enzyme preparation based thereon for bioconversion of renewable vegetal raw material into sugars Download PDF

Info

Publication number
RU2741078C1
RU2741078C1 RU2019132261A RU2019132261A RU2741078C1 RU 2741078 C1 RU2741078 C1 RU 2741078C1 RU 2019132261 A RU2019132261 A RU 2019132261A RU 2019132261 A RU2019132261 A RU 2019132261A RU 2741078 C1 RU2741078 C1 RU 2741078C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
mtcbhi
canescens
sugars
cellobiohydrolase
bioconversion
Prior art date
Application number
RU2019132261A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Аркадий Пантелеймонович Синицын
Ольга Генриховна Короткова
Иван Никитич Зоров
Александра Михайловна Рожкова
Дмитрий Олегович Осипов
Original Assignee
Федеральное государственное учреждение "Федеральный исследовательский центр "Фундаментальные основы биотехнологии" Российской академии наук" (ФИЦ Биотехнологии РАН)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное учреждение "Федеральный исследовательский центр "Фундаментальные основы биотехнологии" Российской академии наук" (ФИЦ Биотехнологии РАН) filed Critical Федеральное государственное учреждение "Федеральный исследовательский центр "Фундаментальные основы биотехнологии" Российской академии наук" (ФИЦ Биотехнологии РАН)
Priority to RU2019132261A priority Critical patent/RU2741078C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2741078C1 publication Critical patent/RU2741078C1/en

Links

Images

Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C12BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12NMICROORGANISMS OR ENZYMES; COMPOSITIONS THEREOF; PROPAGATING, PRESERVING, OR MAINTAINING MICROORGANISMS; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING; CULTURE MEDIA
    • C12N15/00Mutation or genetic engineering; DNA or RNA concerning genetic engineering, vectors, e.g. plasmids, or their isolation, preparation or purification; Use of hosts therefor
    • C12N15/09Recombinant DNA-technology
    • C12N15/11DNA or RNA fragments; Modified forms thereof; Non-coding nucleic acids having a biological activity
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C12BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12NMICROORGANISMS OR ENZYMES; COMPOSITIONS THEREOF; PROPAGATING, PRESERVING, OR MAINTAINING MICROORGANISMS; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING; CULTURE MEDIA
    • C12N15/00Mutation or genetic engineering; DNA or RNA concerning genetic engineering, vectors, e.g. plasmids, or their isolation, preparation or purification; Use of hosts therefor
    • C12N15/09Recombinant DNA-technology
    • C12N15/11DNA or RNA fragments; Modified forms thereof; Non-coding nucleic acids having a biological activity
    • C12N15/52Genes encoding for enzymes or proenzymes

Abstract

FIELD: biotechnology.SUBSTANCE: invention relates to production and production of enzyme preparations (EP) containing highly active and thermostable enzymes. Objective of the invention is to introduce 5 mutations into the cel7A gene encoding the modified form of CBG I, and obtaining dry EP based on the new recombinant strain P. canescens mtCBHI (BKM F-4850D), which is a producer of heterologous mutagenic CBG I P. verruculosum, related to 7-family glycoside-hydrolase (CF 3.2.1.176, molecular weight 55 kDa) for use in biofuel industry for implementation of efficient process of bioconversion of cellulose-containing biomass into industrial sugars.EFFECT: disclosed are the Penicillium canescens mtCBHI fungus strain producer of the thermostable cellobiohydrolase I and an enzyme preparation based thereon for bioconversion of the renewable vegetal raw material into sugars.3 cl, 4 dwg, 2 tbl, 4 ex

Description

Изобретение относится к области биотехнологии, а именно, к созданию и производству ферментных препаратов (ФП), содержащих высокоактивные и термостабильные ферменты. Изобретение может быть использовано в биотопливной индустрии.The invention relates to the field of biotechnology, namely, to the creation and production of enzyme preparations (FP) containing highly active and thermostable enzymes. The invention can be used in the biofuel industry.

Ускорение научно-технического прогресса, рост мировой экономики стимулируют потребление традиционных источников энергии, что в конечном счете приведет к их дефициту. По данным Министерства энергетики США, потребление всех видов энергоносителей в мире (нефтепродуктов, угля, природного газа, электроэнергии и альтернативного топлива из возобновляемых источников энергии) с 1992 по 2009 увеличилось на 40%, при этом мировое потребление нефти и нефтепродуктов выросло почти на треть [Коротких А.А. // Биотопливная индустрия США в новом веке // США и Канада: экономика, политика, культура. 2015. Вып. 5. С 103-118]. В Российской Федерации производство тепловой энергии только за период с 2013 по 2017 увеличилось на 18,14% по данным Министерства энергетики РФ [Министерство энергетики РФ. Открытые данные // https://minenergo.gov.ru/opendata].Acceleration of scientific and technological progress, the growth of the world economy stimulate the consumption of traditional energy sources, which will ultimately lead to their shortage. According to the US Department of Energy, the consumption of all types of energy resources in the world (oil products, coal, natural gas, electricity and alternative fuels from renewable energy sources) increased by 40% from 1992 to 2009, while world consumption of oil and oil products increased by almost a third [ A.A. Korotkikh // US biofuel industry in the new century // USA and Canada: economics, politics, culture. 2015. Issue. 5. S 103-118]. In the Russian Federation, the production of heat energy only for the period from 2013 to 2017 increased by 18.14% according to the Ministry of Energy of the Russian Federation [Ministry of Energy of the Russian Federation. Open data // https://minenergo.gov.ru/opendata].

В условиях дальнейшей интенсификации экономической деятельности и роста мировых цен на энергоносители, замена импортной нефти и других видов минерального топлива на «чистую энергию» с преобладанием возобновляемых энергетических источников - одна из острейших глобальных и региональных проблем.With the further intensification of economic activity and the growth of world energy prices, the replacement of imported oil and other types of mineral fuels with "clean energy" with a predominance of renewable energy sources is one of the most acute global and regional problems.

Растительная биомасса является основным источником органической материи на Земле. Общие запасы растительной биомассы составляют ≈1 трлн т, а ежегодный прирост биомассы в мире составляет ≈50 млрд τ [Bungay H.R. //Energy: the biomass options. Wiley and Sons, New York. 1981. Bioprocessing of renewable resources to commodity bioproducts, First edition / Edited by V.S. Bisaria and A. Kondo. Wiley and Sons, New York. 2014. Sticklen M. // Curr. Opin. Biotechnol. 2006. Vol. 17. P. 315-319]. Современные технологии позволяют перерабатывать растительное сырье в биотопливо и другие разнообразные химические соединения, являющиеся коммерчески востребованными продуктами [From the Sugar Platform to biofuels and biochemical. Final report for the European Commission Directorate-General Energy № ENER/C2/423-2012/SI2.673791, April 2015].Plant biomass is the main source of organic matter on Earth. The total reserves of plant biomass are ≈1 trillion tons, and the annual increase in biomass in the world is ≈50 billion τ [Bungay H.R. // Energy: the biomass options. Wiley and Sons, New York. 1981. Bioprocessing of renewable resources to commodity bioproducts, First edition / Edited by V.S. Bisaria and A. Kondo. Wiley and Sons, New York. 2014. Sticklen M. // Curr. Opin. Biotechnol. 2006. Vol. 17. P. 315-319]. Modern technologies make it possible to process plant raw materials into biofuels and other various chemical compounds that are commercially demanded products [From the Sugar Platform to biofuels and biochemical. Final report for the European Commission Directorate-General Energy No. ENER / C2 / 423-2012 / SI2.673791, April 2015].

Целлюлоза, являющаяся основным компонентом, растительной биомассы может быть конвертирована в глюкозу и другие сбраживаемые сахара с помощью ферментативного гидролиза. Полученные таким образом сахара являются незаменимым сырьем для микробиологических процессов получения топлива (этанола, бутанола и др.), этилена, органических и аминокислот, полимеров, кормового белка и многих других полезных продуктов.Cellulose, which is the main component of plant biomass, can be converted into glucose and other fermentable sugars by enzymatic hydrolysis. The sugars obtained in this way are indispensable raw materials for microbiological processes for obtaining fuel (ethanol, butanol, etc.), ethylene, organic and amino acids, polymers, fodder protein and many other useful products.

Глубокая биоконверсия растительного целлюлозосодержащего сырья в простые сахара является ключевой стадией и осуществляется под действием ферментного комплекса. Для эффективной конверсии целлюлозы используются ферментные комплексы целлюлаз, полученные с использованием различных грибных штаммов-продуцентов (микроскопические грибы родов Trichoderma, Penicillium, Aspergillus, Humicola и др.). В состав таких ферментных комплексов входят в различном соотношении ключевые ферменты, участвующие в гидролизе целлюлозы, -эндоглюканазы (ЭГ), осуществляющие деструкцию целлюлозы до олигосахаридов, целлобиогидролазы (ЦБГ), превращающие целлюлозу и олигосахариды в целлобиозу, и β-глюкозидазы (БГ), гидролизующие целлобиозу до глюкозы [Гусаков А.В., Синицын А.П. Деполимеризация природных биополимеров. Ферментативный гидролиз целлюлозы. Обзор. «Химия биомассы: биотоплива и биопластики» под ред. С.Д.Варфоломеева, изд. Научный мир, Москва, 2017, с. 65-99, ISBN 978-5-91522-451-2].Deep bioconversion of plant cellulose-containing raw materials into simple sugars is a key stage and is carried out under the action of an enzyme complex. For the efficient conversion of cellulose, enzyme complexes of cellulases obtained using various fungal producer strains (microscopic fungi of the genera Trichoderma, Penicillium, Aspergillus, Humicola, etc.) are used. These enzyme complexes contain, in various ratios, the key enzymes involved in the hydrolysis of cellulose, β-endoglucanases (EG), which degrade cellulose to oligosaccharides, cellobiohydrolases (CBH), which convert cellulose and oligosaccharides into cellobiose, and β-glucosidases cellobiose to glucose [Gusakov A.V., Sinitsyn A.P. Depolymerization of natural biopolymers. Enzymatic hydrolysis of cellulose. Overview. "Chemistry of Biomass: Biofuels and Bioplastics" ed. S.D. Varfolomeeva, ed. Scientific world, Moscow, 2017, p. 65-99, ISBN 978-5-91522-451-2].

Качественный и количественный состав ферментного комплекса, а также активность и стабильность входящих в него ферментов, определяют эффективность гидролиза целлюлозосодержащего сырья. Изменение и оптимизация состава комплекса целлюлаз позволяет получать ферментные смеси с увеличенной биокаталитической способностью. Помимо этого белковая инженерия целлюлаз позволяет увеличить каталитическую активность и термостабильность индивидуальных ферментов, что открывает новые возможности увеличения общей активности и стабильности конечной ферментной смеси [Illanes Α., Cauerhff Α., Wilson L., Castro G.R. // Bioresour. Technol. 2012. Vol. 115. P. 48-57.].The qualitative and quantitative composition of the enzyme complex, as well as the activity and stability of the enzymes included in it, determine the efficiency of hydrolysis of cellulose-containing raw materials. Changing and optimizing the composition of the complex of cellulases makes it possible to obtain enzyme mixtures with increased biocatalytic ability. In addition, the protein engineering of cellulases allows you to increase the catalytic activity and thermal stability of individual enzymes, which opens up new possibilities for increasing the overall activity and stability of the final enzyme mixture [Illanes Α., Cauerhff Α., Wilson L., Castro G.R. // Bioresour. Technol. 2012. Vol. 115. P. 48-57.].

Мицелиальный гриб Penicillium verruculosum является перспективным продуцентом гидролитического комплекса ферментов карбогидраз и секретирует целлюлазный комплекс высокоактивных ферментов [Gusakov Α. V, Sinitsyn А.Р. Cellulases from Penicillium species for producing fuel from biomass. Review. Biofuels (2012) 3(4), 463-477], что позволяет использовать его в качестве основы для получения мультиферментных комплексов для биодеградации целлюлозосодержащих материалов.The filamentous fungus Penicillium verruculosum is a promising producer of a hydrolytic complex of carbohydrase enzymes and secretes a cellulase complex of highly active enzymes [Gusakov Α. V, Sinitsyn A.R. Cellulases from Penicillium species for producing fuel from biomass. Review. Biofuels (2012) 3 (4), 463-477], which makes it possible to use it as a basis for obtaining multienzyme complexes for the biodegradation of cellulose-containing materials.

Основным компонентом комплекса ферментов Penicillium verruculosum является целлобиогидролаза I (Се17А), ее количество в комплексе составляет почти 50% от общего секретируемого белка. Показано, что ферменты 7-ой семьи гликозид-гидролаз (GH7) играют ключевую роль в процессе конверсии биомассы [Ilmen М., Saloheimo Α., Onnela Μ. L., and Penttila Μ. Ε. (1997)The main component of the Penicillium verruculosum enzyme complex is cellobiohydrolase I (Ce17A), its amount in the complex is almost 50% of the total secreted protein. It has been shown that enzymes of the 7th family of glycoside hydrolases (GH7) play a key role in the process of biomass conversion [Ilmen M., Saloheimo Α., Onnela Μ. L., and Penttila Μ. Ε. (1997)

Regulation of cellulase gene expression in the filamentous fungus Trichoderma reesei. Appl. Environ. Microbiol. 63, 1298-1306], а целлобиогидролаза I является основным ограничивающим скорость деградации биомассы ферментом [Payne С.М., Knott В. С, Mayes Η. В., Hans son Η., Himmel Μ. Ε., Sandgren Μ., Stahlberg J., and Beckham G T. (2015) Fungal cellulases. Chem. Rev. 115, 1308-1448; Suominen P. L., Mantyla A. L., Karhunen Т., Hakola S., and Nevalainen H. (1993) High-frequency one-step gene replacement in Trichoderma reesei. 2. Effects of deletions of individual cellulase genes. Mol. Gen. Genet. 241, 523-530]. Однако, термостабильность целлобиогидролазы I мезофильного гриба P.verruculosum ограничивается 50°C, что не позволяет использовать ее в процессах с повышенной температурой, например, ферментативном гидролизе древесины. Это свойство ЦБП оказывает негативное влияние на эффективность промышленной ферментативной конверсии вследствие фундаментальной зависимости скорости реакции от температуры.Regulation of cellulase gene expression in the filamentous fungus Trichoderma reesei. Appl. Environ. Microbiol. 63, 1298-1306], and cellobiohydrolase I is the main limiting rate of biomass degradation by the enzyme [Payne SM, Knott BC, Mayes Η. B., Hans son Η., Himmel Μ. A., Sandgren A., Stahlberg J., and Beckham G T. (2015) Fungal cellulases. Chem. Rev. 115,1308-1448; Suominen P. L., Mantyla A. L., Karhunen T., Hakola S., and Nevalainen H. (1993) High-frequency one-step gene replacement in Trichoderma reesei. 2. Effects of deletions of individual cellulase genes. Mol. Gen. Genet. 241, 523-530]. However, the thermal stability of cellobiohydrolase I of the mesophilic fungus P. verruculosum is limited to 50 ° C, which does not allow its use in processes with elevated temperatures, for example, enzymatic hydrolysis of wood. This property of PPI has a negative effect on the efficiency of industrial enzymatic conversion due to the fundamental dependence of the reaction rate on temperature.

Таким образом, улучшение технических характеристик целлобиогидролазы I Penicillium verruculosum, в частности, ее термостабильности является актуальной и перспективной задачей.Thus, improving the technical characteristics of Penicillium verruculosum cellobiohydrolase I, in particular, its thermal stability, is an urgent and promising task.

Мицелиальный гриб Penicillium canescens является продуцентом внеклеточных ферментов. По сравнению с другими грибами данный штамм имеет ряд преимуществ: обладает более высокой скоростью роста и синтеза внеклеточных ферментов; штамм выращивается на простой и дешевой среде со свекловичным жомом; процесс ферментации легко масштабируется; получен штамм-реципиент с ауксотрофным признаком селекции; отработана система экспрессии и трансформации штамма экзогенной ДНК [Патент РФ 2001 124 653. Вавилова Ε. Α., Винецкий Ю. П., Николаев И. В., Серебряный В. Α., Чулкин A.M., Синицын А. П., Синицына О.А., Окунев О.Н., Черноглазое В.М.// Новая трансформационная система для экспрессии генов грибов под контролем регуляторных систем мщелиального гриба Penicillium canescnes//Дата публикации заявки: 27.07.2003]. Это позволяет использовать данный гриб как основу для получения рекомбинантных штаммов -продуцентов ферментов для практического применения в различных областях промышленности.The filamentous fungus Penicillium canescens is a producer of extracellular enzymes. Compared with other fungi, this strain has a number of advantages: it has a higher growth rate and synthesis of extracellular enzymes; the strain is grown on a simple and cheap medium with beet pulp; the fermentation process is easily scalable; received a recipient strain with an auxotrophic sign of selection; the system of expression and transformation of the exogenous DNA strain has been worked out [RF Patent 2001 124 653. Vavilova Ε. Α., Vinetsky Yu.P., Nikolaev I.V., Serebryany V. Α., Chulkin AM, Sinitsyn A.P., Sinitsyna O.A., Okunev O.N., Chernoglazoe V.M. // New transformation system for the expression of fungal genes under the control of regulatory systems of the fungal fungus Penicillium canescnes // Application publication date: 27.07.2003]. This makes it possible to use this mushroom as a basis for obtaining recombinant enzyme-producing strains for practical use in various fields of industry.

Одним из современных подходов к повышению термостабильности является биоинженерия ферментов с использованием комбинации методов компьютерного моделирования и сайт-направленного мутагенеза. Данный подход был успешно применен к увеличению термостабильности ксиланазы А P.canescens [Denisenko Υ.Α., Gusakov A.V., Rozhkova A.M., Osipov D.O., Zorov I.N., Matys V.Y., Uporov I.V., Sinitsyn A.P. Site-directed mutagenesis of GH10 xylanase A from Penicillium canescens for determining factors affecting the enzyme thermostability, International Journal of Biological Macromolecules, 2017, v.104, p.665-671]. Аналогичный подход был применен и к модификации ЦБГ I P. verruculosum.One of the modern approaches to increasing thermal stability is enzyme bioengineering using a combination of computer modeling and site-directed mutagenesis. This approach has been successfully applied to increase the thermal stability of P. canescens xylanase A [Denisenko Υ.Α., Gusakov A.V., Rozhkova A.M., Osipov D.O., Zorov I.N., Matys V.Y., Uporov I.V., Sinitsyn A.P. Site-directed mutagenesis of GH10 xylanase A from Penicillium canescens for determining factors affecting the enzyme thermostability, International Journal of Biological Macromolecules, 2017, v.104, p.665-671]. A similar approach was applied to the modification of CBH I by P. verruculosum.

Таким образом, создание нового штамма-продуцента термостабильной модифицированной ЦБГ I P. verruculosum и получение ФП на его основе, который будет эффективен в составе ферментных смесей, использующихся для биодеградации растительной биомассы, является важной и актуальной задачей современной биотехнологии.Thus, the creation of a new strain-producer of thermostable modified CBH I P. verruculosum and the production of EP on its basis, which will be effective in the composition of enzyme mixtures used for biodegradation of plant biomass, is an important and urgent task of modern biotechnology.

Техническая задача, на решение которой направлено данное изобретение, состоит в введении 5-и мутаций в ген cel7A, кодирующий модифицированную форму ЦБГ I, и получении сухого ФП на основе нового рекомбинантного штамма P. canescens mtCBHI (ВКМ F-4850D), являющегося продуцентом гетерологичной мутантной ЦБГ I P. verruculosum, относящаяся к 7-й семье гликозид-гидролаз (КФ 3.2.1.176, мол. масса 55 кДа) для применения в биотопливной индустрии для осуществления эффективного процесса биоконверсии целлюлозосодержащей биомассы в технические сахара.The technical problem to be solved by the present invention consists in the introduction of 5 mutations into the cel7A gene encoding the modified form of CBH I, and the production of dry EP based on a new recombinant P. canescens mtCBHI strain (VKM F-4850D), which is a producer of heterologous mutant CBH I P. verruculosum, belonging to the 7th family of glycoside hydrolases (EC 3.2.1.176, molecular weight 55 kDa) for use in the biofuel industry for the efficient process of bioconversion of cellulose-containing biomass into technical sugars.

Технический результат от предлагаемого изобретения состоит в сокращении времени ферментативного гидролиза целлюлозосодержащей биомассы за счет способности основного действующего фермента ЦБГ I эффективно гидролизовать целлюлозу при повышенной температуре в следствии увеличения термостабильности фермента.The technical result of the proposed invention is to reduce the time of enzymatic hydrolysis of cellulose-containing biomass due to the ability of the main active enzyme CBH I to effectively hydrolyze cellulose at elevated temperatures due to an increase in the thermal stability of the enzyme.

Сущность изобретения заключается в получении рекомбинантного штамма гриба P.canescens путем трансформации его генетической конструкцией, содержащей модифицированный ген, кодирующий мутантную целлобиогидролазу I P.verruculosum, с последующим получением ферментного препарата термостабильной ЦБП на его основе.The essence of the invention consists in obtaining a recombinant P. canescens fungus strain by transforming it with a genetic construct containing a modified gene encoding a mutant P. verruculosum cellobiohydrolase I, followed by obtaining an enzyme preparation of a thermostable pulp and paper industry on its basis.

Изобретение реализуется следующим образом:The invention is implemented as follows:

- Штамм P. canescens mtCBHI (ВКМ F-4850D) получен путем трансформации ауксотрофного штамма P. canescens RN-3-11 экспрессионной плазмидой pCBHI-mt5 с последующей селекцией на агаризованной среде с 10 мМ NaNC>3 и отбором наиболее перспективного клона по критерии каталитической активности и термостабильности по отношению к МКЦ.- Strain P. canescens mtCBHI (VKM F-4850D) was obtained by transformation of the auxotrophic strain P. canescens RN-3-11 with the expression plasmid pCBHI-mt5, followed by selection on agar medium with 10 mM NaNC> 3 and selection of the most promising clone according to the catalytic criterion activity and thermal stability in relation to MCC.

- Способ получения ФП предусматривает глубинное культивирование штамма-продуцента P. canescens mtCBHI (ВКМ F-4850D) на среде, содержащей свекловичный жом с последующей распылительной сушкой КЖ и доведении ферментативной активности препарата до 0,5 ед/мг белка по МКЦ.- The method of obtaining EP provides for submerged cultivation of the producer strain P. canescens mtCBHI (VKM F-4850D) on a medium containing beet pulp, followed by spray drying of the CL and bringing the enzymatic activity of the drug to 0.5 U / mg protein according to MCC.

Изобретение позволяет получить ФП с высокой активностью целевой целлобиогидролазы I с повышенной термостабильностью. Применение нового ФП позволит увеличить эффективность гидролиза целлюлозы и сократит время ферментативной обработки.EFFECT: invention allows to obtain EP with high activity of target cellobiohydrolase I with increased thermal stability. The use of the new FP will increase the efficiency of cellulose hydrolysis and reduce the time of enzymatic treatment.

Культурально-морфологические и микроскопические особенности штамма P. canescens mtCBHI (ВКМ F-4850D):Cultural, morphological and microscopic features of the P. canescens mtCBHI strain (VKM F-4850D):

Растет на агаризованных средах (среда Чапека с дрожжевым автолизатом, Мальц-агар, глюкозо-картофельный агар, сусло-агар) при Т=26-30°С в течение 7-10 суток, рН 4.5-5.0.It grows on agar media (Czapek's medium with yeast autolysate, Maltz agar, glucose-potato agar, wort agar) at T = 26-30 ° C for 7-10 days, pH 4.5-5.0.

На среде Чапека с дрожжевым экстрактом при культивировании гриба при 25°С на 7 сутки колонии достигают 24-30 мм в диаметре, складчатые, поверхность сильно радиально складчатая, плотная, тонкая, ростовая зона врастает в агар, имеет ширину 1.5-2.0 мм. Мицелий светло-желтоватый, шерстистый, центр колонии выпуклый, конидиогенез слабый, серо-зеленоватого оттенка. Экссудата и растворимого пигмента нет. Обратная сторона светлая, в центре колонии - палево-оранжевая. При температуре 37°С колонии диаметром 5 мм, мицелий светлый, конидиообразования нет.При температуре 5°С роста нет.On Czapek's medium with yeast extract, when the fungus is cultivated at 25 ° C on day 7, colonies reach 24-30 mm in diameter, folded, the surface is strongly radially folded, dense, thin, the growth zone grows into agar, has a width of 1.5-2.0 mm. The mycelium is light yellowish, woolly, the center of the colony is convex, conidiogenesis is weak, gray-greenish in color. There is no exudate or soluble pigment. The reverse side is light; in the center of the colony it is pale orange. At a temperature of 37 ° C, colonies with a diameter of 5 mm, mycelium are light, no conidia formation, at a temperature of 5 ° C, no growth.

При росте на Мальц-агаре диаметр колонии 23-24 мм, поверхность сильно радиально складчатая, плотная, тонкая, ростовая зона врастает в агар, шириной 1,5-2,0 мм. Мицелий белый, шерстистый, прижатый, конидиогенез очень слабый, практически отсутствует. Экссудата и растворимого пигмента нет.Обратная сторона светлая.When growing on Maltz agar, the diameter of the colony is 23-24 mm, the surface is strongly radially folded, dense, thin, the growth zone grows into agar, 1.5-2.0 mm wide. The mycelium is white, woolly, appressed, conidiogenesis is very weak, practically absent. There is no exudate or soluble pigment. The reverse side is light.

При микроскопировании штамм имеет конидиеносцы двухярусные, терминальные, бивертициллятные, гладкие длиной около 150 мкм, шириной 2-3 мкм. Метулы расходящиеся размером 10-13×2,5-3,0 мкм, фиалиды ампуллиформные размером 7-8×2,8-3,0 мкм. Конидии округлые, шероховатые размером 3,0-3,5 мкм.When microscopic, the strain has two-tiered, terminal, biverticillate conidiophores, smooth, about 150 microns long, 2-3 microns wide. Metulae are divergent, 10-13 × 2.5-3.0 μm in size, ampulliform phialids, 7-8 × 2.8-3.0 μm in size. Conidia are round, rough, 3.0-3.5 microns in size.

При культивировании в глубинных условиях с использованием растворимых субстратов (глюкоза, фруктоза, лактоза) образуется рыхлый разветвленный мицелий со слабой пеллетизацией, удельная начальная скорость роста мицелия составляла 0,35 ч-1, в конце культивирования 0,1 ч-1.When cultivated in submerged conditions using soluble substrates (glucose, fructose, lactose), a loose branched mycelium with weak pelletization is formed, the specific initial growth rate of the mycelium was 0.35 h -1 , at the end of cultivation 0.1 h- 1 .

Физиолого-биохимические признаки штамма:Physiological and biochemical characteristics of the strain:

Мезофилен. Оптимальная температура роста мицелия 32°С (29-34°С), оптимум для образования целлюлаз 28°С (26-29°С). Оптимальные значения рН роста и секреции целлюлаз 3,5-5,0. Рост мицелия наблюдается и при рН 2,5, но при этом наблюдается очень слабое образование целлюлаз и других карбогидраз.Mesophilene. The optimum temperature for mycelium growth is 32 ° C (29-34 ° C), the optimum for the formation of cellulases is 28 ° C (26-29 ° C). The optimum pH values for growth and secretion of cellulases are 3.5-5.0. Mycelium growth is also observed at pH 2.5, but very weak formation of cellulases and other carbohydrases is observed.

Резистентность к нистатину хорошая. При поверхностном культивировании устойчив к концентрации до 0,5 мкг/мл, при концентрации 2,5 мкг/мл рост подавляется. При добавлении в среду дигитонина (3,5-4,0 мкг/мл) или бенгальского розового (30-50 мкг/мл) размер колоний уменьшается.The nystatin resistance is good. With surface cultivation, it is resistant to concentrations up to 0.5 μg / ml, at a concentration of 2.5 μg / ml, growth is inhibited. When digitonin (3.5-4.0 μg / ml) or Bengal rose (30-50 μg / ml) is added to the medium, the colony size decreases.

Является прототрофом. Способен быстро ассимилировать глюкозу, глицерин, галактозу, D-маннозу, D-маннит, трегалозу, сорбозу и сорбит, медленнее - D-ксилозу, L- и D-арабинозу, L-рамнозу и рибозу. Слабо ассимилирует: D-глюкозамин, дезоксирибозу, дезоксигалактозу, 2-дезокси-D-глюкозу и 5-тио-В-глюкозу.It is a prototroph. It is able to quickly assimilate glucose, glycerol, galactose, D-mannose, D-mannitol, trehalose, sorbose and sorbitol, and more slowly - D-xylose, L- and D-arabinose, L-rhamnose and ribose. Poorly assimilates: D-glucosamine, deoxyribose, deoxygalactose, 2-deoxy-D-glucose and 5-thio-B-glucose.

Использует неорганический и органический азот, хорошо ассимилирует нитратную и аммонийную формы азота.Uses inorganic and organic nitrogen, well assimilates nitrate and ammonium forms of nitrogen.

Образует ферментные системы, позволяющие расти на соответствующих комплексных субстратах: целлюлозе, крахмале, ксилане, бета-глюкане.Forms enzyme systems that allow it to grow on the appropriate complex substrates: cellulose, starch, xylan, beta-glucan.

Штамм P. canescens mtCBHI (ВКМ F-4850D) отличается наличием продукции термостабильной гетерологичной мутантной ЦБГ I с увеличенной в 2,5 раза - термостабильностью по отношению к МКЦ при 65°С по сравнению с нативной ЦБГ I.The P. canescens strain mtCBHI (VKM F-4850D) is distinguished by the presence of the production of thermostable heterologous mutant CBH I with a 2.5-fold increased thermal stability with respect to MCC at 65 ° C compared to native CBH I.

В предлагаемом изобретении метод определения активности целлобиогидролазы I основан на измерении скорости образования восстанавливающих сахаров (ВС) методом Шомоди-Нельсона при гидролизе полисахаридного субстрата (МКЦ). За единицу активности принимается такое количество фермента, которое приводит к образованию 1 мкмоль ВС в минуту при рН 5,0 и 40°С [Синицын А.П., Гусаков А.В., Черноглазое В.А. Биоконверсия лигноцеллюлозных материалов. - М.: МГУ, 1995. - 144 с]. Активность по п-НФ-Р-О-лактозиду определяли по скорости образования n-нитрофенола при гидролизе пНФЛ, за единицу активности принимали количество фермента, необходимое для образования 1 мкмоль «-нитрофенола в течение 1 минуты при рН 5,0 и 40°С [Синицын А.П., Черноглазое В.М., Гусаков А.В. //Итоги науки и техники, сер. Биотехнология. - М.: ВИНИТИ, 1993. Т. 25, С.30-37].In the present invention, the method for determining the activity of cellobiohydrolase I is based on measuring the rate of formation of reducing sugars (BC) by the Shomody-Nelson method during the hydrolysis of a polysaccharide substrate (MCC). A unit of activity is such an amount of enzyme, which leads to the formation of 1 μmol BC per minute at pH 5.0 and 40 ° C [Sinitsyn A. P., Gusakov A. V., Chernoglazoe V. A. Bioconversion of lignocellulosic materials. - M .: MGU, 1995. - 144 s]. The activity of p-NF-P-O-lactoside was determined by the rate of formation of n-nitrophenol during hydrolysis of pNPL; the unit of activity was the amount of enzyme required for the formation of 1 μmol of n-nitrophenol for 1 minute at pH 5.0 and 40 ° C. [Sinitsyn A.P., Chernoglazoe V.M., Gusakov A.V. // Results of Science and Technology, ser. Biotechnology. - M .: VINITI, 1993. T. 25, S. 30-37].

Новый ФП, mtCBHI-5, полученный на основе P. canescens mtCBHI (ВКМ F-4850D) обладает улучшенными эксплуатационными характеристиками за счет введения 5-ти мутаций в ген се17А, кодирующий мутантную форму ЦБГ I, имеющую высокую экзо-Р-1,4-глюканазную активность и увеличенную термостабильность. Это является преимуществом данного ФП mtCBHI-5.A new FP, mtCBHI-5, obtained on the basis of P. canescens mtCBHI (VKM F-4850D) has improved operational characteristics due to the introduction of 5 mutations into the se17A gene encoding a mutant form of CBH I with high exo-P-1,4 -glucanase activity and increased thermal stability. This is an advantage of this mtCBHI-5 FP.

Новый ФП mtCBHI-5, полученный на основе КЖ мутантного штамма P. canescens mtCBHI (ВКМ F-4850D), продуцента термостабильной высокоактивной ЦБГ I, будет иметь высокую рентабельность применения в процессах ферментативной обработки лигноцеллюлозной биомассы за счет возможности проведения гидролиза при повышенной температуре.The new EP mtCBHI-5, obtained on the basis of the QL of the mutant P. canescens mtCBHI (VKM F-4850D), a producer of thermostable highly active CBH I, will have a high profitability in the processes of enzymatic treatment of lignocellulosic biomass due to the possibility of hydrolysis at an elevated temperature.

Возможность использования изобретения иллюстрируется примерами, которые не ограничивают объем и сущность притязаний, связанных с ними.The possibility of using the invention is illustrated by examples that do not limit the scope and essence of the claims associated with them.

Изобретение характеризуется следующими примерами.The invention is characterized by the following examples.

Пример 1. Белковая инженерия ЦБГ I и введение точечных мутаций в ген сеНА.Example 1. Protein engineering of CBH I and introduction of point mutations into the seHA gene.

На основании биоинформатического анализа пространственной структуры белка ЦБП Ρ.verruculosum, построенной на основе пространственных структур кристаллов целлобиогидролазы из Trichoderma reesei (анаморф Hypocrea jecorina, PDB ID: 50A5 и 4C4C) был выбран неструктурированный участок полипептидной цепи (с Т301 по N380, на Фиг 1 данная область обведена красным цветом). Методом сетевого анализа ограничений (CNA, Constraint Network Analysis, http://cpclab.uni-duesseldorf.de/cna) в структуре ЦБП на участке 301-380 были определены 5 «слабых» точек, т.е. 5 положений а/к в которых средний индекс жесткости, Ri, минимален. Такими точками являлись Т291, V290, Е302, V312, G342. Далее, методом молекулярной динамики в каждой «слабой» точке были обсчитаны варианты замен нативной аминокислоты на 19 других. Таким образом, принимая во внимание изменений параметра жесткости и изменения энергии стабилизации, AAG, наиболее перспективными заменами являлись Т291Р, V290F, E302L, V213W, G342R.On the basis of bioinformatic analysis of the spatial structure of the protein of P. verruculosum, built on the basis of the spatial structures of crystals of cellobiohydrolase from Trichoderma reesei (Hypocrea jecorina anamorph, PDB ID: 50A5 and 4C4C), an unstructured region of the polypeptide chain was selected (from T301 to N380, in Fig. area outlined in red). The method of network analysis of constraints (CNA, Constraint Network Analysis, http://cpclab.uni-duesseldorf.de/cna) in the structure of the pulp and paper industry in the section 301-380 were identified 5 "weak" points, i.e. 5 positions a / c in which the average stiffness index, Ri, is minimal. These points were T291, V290, E302, V312, G342. Further, by the molecular dynamics method at each “weak” point, the variants of replacing the native amino acid with 19 others were calculated. Thus, taking into account the changes in the stiffness parameter and changes in the stabilization energy, AAG, the most promising replacements were T291P, V290F, E302L, V213W, G342R.

Для введения мутаций в ген се17А, были использованы олигонуклеотиды, приведенные в Таблице 1.To introduce mutations into the se17A gene, the oligonucleotides shown in Table 1 were used.

Участок полинуклеотидной цепи, содержащий пять обозначенных выше мутаций был синтезирован отдельно в ЗАО «Евроген». Структура мутированного участка гена представлен на Фиг. 2.The section of the polynucleotide chain containing the five mutations indicated above was synthesized separately at ZAO Evrogen. The structure of the mutated gene region is shown in FIG. 2.

Амплификация ПЦР-продуктов проводилась в термоциклере MyCycler (BioRad, США). В качестве матрицы была взята либо геномная ДНК штамма P.verruculosum, предварительно выделенная из 2-х дневного мицелия гриба с помощью набора "DNeasy Plant Mini Kit» (QIAGEN, Германия), либо плазмида pCBHImt с мутированным учаском гена cbh7A. Получение полноразмерного гена проводилась в два этапа методом модифицированной гнездовой ПЦР. На первом этапе были получены отдельные фрагменты с использованием форвардных олигонуклеотидов OVERLAP 1-FWD, OVERLAP2-FWD или CBHI B1-UPLIC и реверсных OVERLAP 1-REV, OVERLAP2-REV или CBHII_Bl-LOWERLIC. Полученные фрагменты были выделены из 1% агарозного геля с использованием набора GelExtraction KIT (QIAGEN, Германия) и смешаны в качестве матриц для получения полноразмерного гена се17А ПЦР-методом с использованием крайних праймеров CBHI_B1-UPLIC и CBHII_Bl-LOWERLIC, которые содержали сайты независимого лигирования для последующего лигирования полноразмерного гена с мутацией в вектор pXEG. Полноразмерный ПЦР-πηοπνκτ Гпазмеп 1578 п. оЛ и панее полученный линеапизованный вектсю pXEG были обработаны Т4 ДНК полимеразой (Thermo Fisher Scientific Inc., Waltham, MA, USA) в присутствии dATP и dTTP (Thermo Fisher Scientific Inc., Waltham, MA, USA), соответственно. Условия проведения реакции были следующими: 22° - 30 мин, 80° - 30 мин. Обработанные продукты были лигированы в вектор pXEG в соотношении 50 нг вектора с 150 нг вставки. Затем смесь инкубировали в течение 1 часа при 22°С без добавления лигазы, после этого такой смесью были трансформированы бактериальные компетентные клетки штамма E.coli MachI (Invitrogene, Carlsbad, CA, USA) по стандартному протоколу трансформации [J. Sambrook, D. Russell, Molecular Cloning, A Laboratory Manual, Cold Spring Harbor Laboratory Press, New York, 2001]. Таким образом, были получены бактериальные колонии, способные расти на среде с ампициллином, благодаря гену bla в составе полученной плазмидной конструкции.Amplification of PCR products was carried out in a MyCycler thermal cycler (BioRad, USA). As a template, either the genomic DNA of the P. verruculosum strain, previously isolated from a 2-day-old mycelium of the fungus using the DNeasy Plant Mini Kit (QIAGEN, Germany), or the pCBHImt plasmid with a mutated portion of the cbh7A gene, was taken. The full-length gene was obtained In the first step, individual fragments were obtained using the forward oligonucleotides OVERLAP 1-FWD, OVERLAP2-FWD or CBHI B1-UPLIC and reverse OVERLAP 1-REV, OVERLAP2-REV or CBHII_Bl-LOWERLIC. isolated from a 1% agarose gel using the GelExtraction KIT (QIAGEN, Germany) and mixed as templates to obtain the full-length se17A gene by PCR using the edge primers CBHI_B1-UPLIC and CBHII_Bl-LOWERLIC, which contained sites of independent ligation for subsequent ligation gene with a mutation into the pXEG vector.Full-length PCR-πηοπνκτ Gpasmep 1578 bp and The first linearized pXEG vecto were treated with T4 DNA polymerase (Thermo Fisher Scientific Inc., Waltham, MA, USA) in the presence of dATP and dTTP (Thermo Fisher Scientific Inc., Waltham, MA, USA), respectively. The reaction conditions were as follows: 22 ° - 30 min, 80 ° - 30 min. The treated products were ligated into the pXEG vector at a ratio of 50 ng vector with 150 ng insert. Then the mixture was incubated for 1 hour at 22 ° C without the addition of ligase, after which this mixture was transformed into bacterial competent cells of E. coli MachI strain (Invitrogene, Carlsbad, CA, USA) according to the standard transformation protocol [J. Sambrook, D. Russell, Molecular Cloning, A Laboratory Manual, Cold Spring Harbor Laboratory Press, New York, 2001]. Thus, bacterial colonies were obtained that could grow on a medium with ampicillin, thanks to the bla gene in the resulting plasmid construct.

Скрининг полученных клонов осуществляли с помощью ПЦР. Для этого использовали клетки E.coli в качестве матрицы, BIOTAQ™ Red DNA Polymerase (Bioline Reagents Ltd, UK) и концевые олигонуклеотиды CBHI_B1-UPLIC и CBHI_Bl-LOWERLIC. Реакцию проводили при следующих условиях: 1,5 мин при 95°С (первичная денатурация); 30 последующих циклов - 1 мин при 95°С (денатурация в цикле), 2 мин при 50°С, 1 мин при 72°С (синтез); 10 мин при 72°С, 10 мин при 4°С.Полученные продукты были исследованы с помощью 1%-ного агарозного гель-электрофореза в буфере ТВЕ. Было показано, что эффективность клонирования составила 80%. Таким образом была получена плазмида pCBHI-mt5, содержащая ген cell А с 5-ю мутациями.The resulting clones were screened by PCR. For this, E. coli cells were used as a template, BIOTAQ ™ Red DNA Polymerase (Bioline Reagents Ltd, UK) and terminal oligonucleotides CBHI_B1-UPLIC and CBHI_Bl-LOWERLIC. The reaction was carried out under the following conditions: 1.5 min at 95 ° C (primary denaturation); 30 subsequent cycles - 1 min at 95 ° С (denaturation in a cycle), 2 min at 50 ° С, 1 min at 72 ° С (synthesis); 10 min at 72 ° C, 10 min at 4 ° C. The resulting products were studied using 1% agarose gel electrophoresis in TBE buffer. The cloning efficiency was shown to be 80%. Thus, the pCBHI-mt5 plasmid was obtained, containing the cell A gene with 5 mutations.

Секвенирование плазимиды показало наличие искомых мутаций в полинуклеотидной последовательности при отсутствии инсерций, делеций или дополнительных мутаций в остальной части гена cell А.Plasimid sequencing showed the presence of the desired mutations in the polynucleotide sequence in the absence of insertions, deletions, or additional mutations in the rest of the cell A.

Пример 2. Получение рекомбинантного штамма P. canescens mtCBHI (ВКМ F-4850D) и ферментного препарата mtCBHI-5 на его основе.Example 2. Obtaining a recombinant P. canescens mtCBHI strain (VKM F-4850D) and an mtCBHI-5 enzyme preparation based on it.

Плазмида pCBHI-mt5, полученная в Примере 1 была трансформирована в реципиентный штамм P.canescens RN-3-11-7 (ΔniaD) совместно с плазмидой pSTA10 в соотношении 5:1 (мкг каждой ДНК) по стандартной методике [Sambrook, J., and Russell, D.W. (2001) Molecular cloning:a laboratory manual, Cold Spring Harbor Laboratory Press, N.Y.; A.Y. Aleksenko, N.A. Makarova, I.V. Nikolaev, A.J. Clutterbuck, Integrative and replicative transformation of Penicillium canescens with a heterologous nitrate-reductase gene, Curr. Genet. 28 (1995) 474-478]. В результате трансформации было получено более 40 рекомбинантных штаммов. Трансформанты были культивированы в колбах на стандартной среде культивирования следующего состава (г/л): свекловичный жом - 30, пептон - 50, КН2РО4- 25, рН 4,5. В результате первичного скрининга по критерию наличия полосы, размером 55 к Да, состоящего в проведении электрофореза культуральных жидкостей, секретируемых рекомбинантными штаммами (данные не показаны), был отобран штамм P. canescens mtCBHI с наибольшей ферментативной активностью по кристаллической целлюлозе (МКЦ).Plasmid pCBHI-mt5 obtained in Example 1 was transformed into the recipient strain P. canescens RN-3-11-7 (ΔniaD) together with plasmid pSTA10 in a ratio of 5: 1 (μg of each DNA) according to the standard method [Sambrook, J., and Russell, DW (2001) Molecular cloning: a laboratory manual, Cold Spring Harbor Laboratory Press, N.Y .; A.Y. Aleksenko, N.A. Makarova, I.V. Nikolaev, A.J. Clutterbuck, Integrative and replicative transformation of Penicillium canescens with a heterologous nitrate-reductase gene, Curr. Genet. 28 (1995) 474-478]. As a result of transformation, more than 40 recombinant strains were obtained. Transformants were cultured in flasks on a standard culture medium of the following composition (g / l): beet pulp - 30, peptone - 50, KH2PO4 - 25, pH 4.5. As a result of the primary screening by the criterion of the presence of a band of 55 kDa, consisting in carrying out electrophoresis of culture liquids secreted by the recombinant strains (data not shown), the P. canescens mtCBHI strain with the highest enzymatic activity on crystalline cellulose (MCC) was selected.

Культивирование штамма P. canescens mtCBHI проводили в ферментере объемом 3 л КФ-108 («Проинтех», Россия), оснащенном барботером для подачи воздуха в аппарат и турбинной мешалкой на среде 1 следующего состава:The cultivation of the P. canescens mtCBHI strain was carried out in a 3 L KF-108 fermenter (Prointech, Russia) equipped with a bubbler for air supply to the apparatus and a turbine stirrer on medium 1 of the following composition:

Среда 1 (г/л):Wednesday 1 (g / l):

Свекловичный жомBeet pulp - 30- thirty ПептонPeptone - 50- 50 KH2PO4 KH 2 PO 4 - 15- fifteen (NH4)2SO4 (NH 4 ) 2 SO 4 - 5- five CaCl2 CaCl 2 - 0,3- 0.3 MgO4*7H2OMgO 4 * 7H 2 O - 0,3 - 0.3

Культивирование проводили 144 ч, при рН не ниже 5,2 и 30°С.The cultivation was carried out for 144 h at a pH not lower than 5.2 and 30 ° C.

По окончании ферментации грибную биомассу удаляли путем центрифугирования (4000 об/мин в течение 20 мин на центрифуге Avanti JXN-26, «Весктап coulter», США), свободную от клеток КЖ концентрировали с помощью ультрафильтрации (с пределом отсечения 15 кДа), ультраконцентрат сушили на распылительной сушилке (Buchi MiniSpray Dryer В-290, условия: ТВХ=135°С, ТВЫХ=55-65°С, степень аспирации 70%, скорость потока 0,5 л КЖ в час) с получением сухих ФП, которые представляли собой бежевый рассыпчатый порошок легко растворимый в водной среде. Таким образом был получен сухой ФП mtCBHI-5, активность которого представлена таблице 2. Ферментные препараты mtCBHI-5 и RN-3-11-7 (ферментный препарат, полученный аналогичным способом на основе реципиентного штамма) обладали базовой ксиланазной активностью в пределах. Ферментный препарат mtCBHI-5 обладал также повышенной активностью по микрокристаллической целлюлозе, что свидетельствует о дополнительной экспрессии привнесенной целлобиогидролазы I.At the end of the fermentation, the mushroom biomass was removed by centrifugation (4000 rpm for 20 min on an Avanti JXN-26 centrifuge, Vesctap coulter, USA), free of CL cells was concentrated by ultrafiltration (with a cutoff limit of 15 kDa), the ultraconcentrate was dried on a spray dryer (Buchi MiniSpray Dryer B-290, conditions: T IN = 135 ° C, T OUT = 55-65 ° C, degree of aspiration 70%, flow rate 0.5 L of CL per hour) to obtain dry FP, which were a beige friable powder readily soluble in an aqueous medium. Thus, dry EP mtCBHI-5 was obtained, the activity of which is shown in Table 2. Enzyme preparations mtCBHI-5 and RN-3-11-7 (an enzyme preparation obtained in a similar way based on the recipient strain) had a basic xylanase activity within the range. The enzyme preparation mtCBHI-5 also exhibited increased activity on microcrystalline cellulose, which indicates additional expression of the introduced cellobiohydrolase I.

Далее был проведен масс-спектрометрический (МС) анализ образцов целевых белков для подтверждения аминокислотных замен. Для проведения МС анализа были использованы образцы целевого белка. МС анализ показал присутствие мутаций E302L, V213W, G342R. Мутации Т291Р и V290F не попадали в зоны фрагментирования белка после трипсинолиза, однако молекулярная масса мутантного белка соответствовала ожидаемым 55 кДа, из чего был сделан вывод о присутствии мутаций Т291Р и V290F, также как и доказанных мутаций E302L, V213W, G342R.Further, mass spectrometric (MS) analysis of samples of target proteins was carried out to confirm amino acid substitutions. Samples of the target protein were used for MS analysis. MS analysis showed the presence of mutations E302L, V213W, G342R. Mutations T291P and V290F did not fall into the zones of protein fragmentation after trypsinolysis; however, the molecular weight of the mutant protein corresponded to the expected 55 kDa, from which it was concluded that there were T291P and V290F mutations, as well as proven E302L, V213W, G342R mutations.

Пример 3. Изучение термостабильности модифицированной ЦБГ I P.verruculosum, содержащей мутации Т291Р, V290F, E302L, V213W, G342R.Example 3. Study of thermal stability of P. verruculosum modified CBH I containing mutations T291P, V290F, E302L, V213W, G342R.

Для изучения термостабильности модифицированной ЦБГ I целевой фермент был выделен из ФП mtCBHI-5 в гомогенном виде в три стадии по приведенной ниже схеме с использованием хроматографа АКТА purifier (GE Health Care, Швеция):To study the thermal stability of modified CBH I, the target enzyme was isolated from EP mtCBHI-5 in a homogeneous form in three stages according to the scheme below using an AKTA purifier chromatograph (GE Health Care, Sweden):

1. Гель-проникающая хроматография (колонка BioGel Р4, буфер 0,02 Μ Bis-Tris/HCl; рН 6.80) для обессоливания раствора ФП mtCBHI-5.1. Gel permeation chromatography (BioGel P4 column, 0.02 Μ Bis-Tris / HCl buffer; pH 6.80) for desalting the mtCBHI-5 EP solution.

2. Фракционирование обессоленного ФП mtCBHI-5 с помощью анионообменной хроматографии (колонка Sourse 15Q 10 мл, элюент 0,01 Μ Bis-Tris/HCl; рН 6.8) в градиенте NaCl от 0 до 0,4 М.2. Fractionation of desalted FP mtCBHI-5 using anion exchange chromatography (Sourse 15Q column 10 ml, eluent 0.01 Μ Bis-Tris / HCl; pH 6.8) in a NaCl gradient from 0 to 0.4 M.

3. Доочистка фракций, содержащих мутантную ЦБГ I, с помощью гидрофобной хроматографии (колонка Sourse 15Iso 1 мл, элюент 50 mM NaAc; рН 5.0) в градиенте сульфата аммония от 1,4 до 0 М. Таким образом, была выделена в гомогенном виде мутантная форма3. Additional purification of fractions containing mutant CBH I using hydrophobic chromatography (Sourse 15Iso column 1 ml, eluent 50 mM NaAc; pH 5.0) in an ammonium sulfate gradient from 1.4 to 0 M. Thus, the mutant was isolated in a homogeneous form. the form

ЦБГ I из ФП mtCBHI-5, полученного на основе рекомбинантного штамма P. canescens mtCBHI.CBH I from EP mtCBHI-5 obtained on the basis of the recombinant P. canescens mtCBHI strain.

Для оценки термостабильности мутантной ЦБГ I проводили гидролиз МКЦ (микрокристаллической целлюлозы) при различных температурах. Эксперимент проводили в пробирках на 2 мл в термошейкере при 50, 65 и 75°С. Концентрация субстрата в реакционной смеси составляла 10 г/л (в пересчете на сухое вещество), реакция проводилась в 0.1 Μ ацетатном буфере рН 5,0, при перемешивании 1000 об/мин. Гидролиз проводили в течение двух суток. Для обеспечения дополнительного перемешивания реакционной смеси в пробирки помещали маленькую магнитную мешалку (п=5 мм, с1=2 мм). Гомогенный фермент добавлялся в пересчете на белок - 0,5 мг белка на 1 г сухого вещества субстрата. В качестве контроля использовали гомогенный нативный фермент ЦБГ I P. verruculosum, выделенный из штамма P.canescens ЦБП по аналогичной схеме.To assess the thermal stability of the mutant CBH I, hydrolysis of MCC (microcrystalline cellulose) was carried out at various temperatures. The experiment was carried out in 2 ml tubes in a thermal shaker at 50, 65, and 75 ° C. The concentration of the substrate in the reaction mixture was 10 g / L (in terms of dry matter), the reaction was carried out in 0.1 Μ acetate buffer, pH 5.0, with stirring at 1000 rpm. The hydrolysis was carried out for two days. To provide additional stirring of the reaction mixture, a small magnetic stirrer (n = 5 mm, c1 = 2 mm) was placed in the test tubes. The homogeneous enzyme was added in terms of protein - 0.5 mg of protein per 1 g of dry matter of the substrate. A homogeneous native enzyme CBH I of P. verruculosum isolated from the P. canescens strain of CBP according to a similar scheme was used as a control.

Через определенные промежутки времени из реакционной смеси отбирали пробы и определяли концентрацию сахаров методом ВЭЖХ. На фиг. 3 представлен график зависимости концентрации сахаров от времени при различных температурах.At certain time intervals, samples were taken from the reaction mixture and the concentration of sugars was determined by HPLC. FIG. 3 is a graph showing the dependence of the concentration of sugars on time at different temperatures.

Мутантная форма ЦБГ I оказалась более активна и обеспечивала более высокий выход сахаров при температурах 50°, 65° и 75°С, чем нативная ЦБГ I дикого типа в том же диапазоне температур. Для нативной ЦБГ I дикого типа выход сахаров был наиболее высокий при температуре 50°С, выход сахаров при 65°С был немного ниже, при 75°С фермент был практически неактивен. Мутантная форма ЦБГ I сохранила относительно высокую активность даже при 75°С, а наибольший выход сахаров наблюдался при 65°С.Можно заключить, что при 65°С фермент проявлял наибольшую активность.The mutant form of CBH I was found to be more active and provided a higher yield of sugars at temperatures of 50 °, 65 °, and 75 ° C than the native wild-type CBH I in the same temperature range. For native wild-type CBH I, the yield of sugars was highest at 50 ° C, the yield of sugars at 65 ° C was slightly lower, and at 75 ° C the enzyme was practically inactive. The mutant form of CBH I retained a relatively high activity even at 75 ° C, and the highest yield of sugars was observed at 65 ° C. It can be concluded that at 65 ° C the enzyme was most active.

Таким образом, гомогенная мутантная ЦБГ I, содержащая 5 аминокислотных замен, обладает увеличенной термостабильностью при высоких температурах по сравнению с ферментом дикого типа. Выход сахаров при гидролизе МКЦ после 48 часов при 65°С под действием модифицированной ЦБГ I был в 2 раза выше по сравнению с действием фермента дикого типа.Thus, the homogeneous mutant CBH I containing 5 amino acid substitutions has increased thermal stability at high temperatures compared to the wild type enzyme. The yield of sugars upon hydrolysis of MCC after 48 hours at 65 ° C under the action of modified CBH I was 2 times higher than that of the wild-type enzyme.

Пример 4. Определение восстанавливающих сахаров (ВС) после проведения гидролиза растительных субстратов.Example 4. Determination of reducing sugars (BC) after hydrolysis of plant substrates.

Эксперимент проводили в термостатируемой при заданной температуре ячейке (50°С и 65°С), помещенной в шейкер 'TNNOVA 40 Thermo Shaker" (США). Концентрация субстрата в реакционной смеси составляла 100 г/л (в пересчете на сухое вещество). Реакцию проводили в 0.1 Μ ацетатном буфере при перемешивании (250 об/мин). Гидролиз проводили смесями очищенных ферментов. Смеси состояли из ЦБГ I (мутантная форма и нативная в качестве контроля), ЭГ II (эндо-1,4-β-глюканаза II P.verruculosum) и БГ (β-глюкозидаза A.niger). Ферменты дозировали по концентрации белка, в соотношении ЦБП: ЭГП как 8:2. Конечная концентрация белка в реакционной смеси составляла 10 мг/г сухого субстрата, объем реакционной смеси - 20 мл. β-Глюкозидаза A.niger была дозирована по активности из расчета40 ед. активности на 1 г сухого субстрата. Гидролиз проводили в течение 2 суток. В качестве контроля вместо мутантной ЦБП в реакционную смесь добавляли соответствующее количество нативной ЦБП дикого типа, выделенной из штамма P.canescens ЦБП по схеме из Примера 3. Реакционная ячейка представляла собой пластиковый сосуд с крышкой объемом 50 мл, для обеспечения дополнительного перемешивания реакционной смеси в ячейку помещали металлический цилиндр (d=7 мм, h=10 мм) из нержавеющей стали. Через определенные промежутки времени из реакционной смеси отбирали пробы (по 0.5 мл), центрифугировали 3 мин при 10000 g и измеряли в супернатанте концентрацию восстанавливающих сахаров (ВС) методом Шомоди-Нельсона [Синицын А.П., Гусаков А.В., Черноглазое В.А. Биоконверсия лигноцеллюлозных материалов. - М.: МГУ, 1995. - 144 с] и глюкозы глюкозооксидазным методом [Полыгалина Г.В., Чередниченко B.C., Римарева Л.В. Определение активности ферментов. М.: ДеЛиПринт, 2003. С.147-169.]. Выход ВС и глюкозы представлен на фиг. 4.The experiment was carried out in a cell thermostatted at a given temperature (50 ° C and 65 ° C) placed in a 'TNNOVA 40 Thermo Shaker "(USA). The concentration of the substrate in the reaction mixture was 100 g / L (calculated on dry matter). was carried out in 0.1 Μ acetate buffer with stirring (250 rpm). Hydrolysis was carried out with mixtures of purified enzymes. The mixtures consisted of CBH I (mutant form and native as a control), EG II (endo-1,4-β-glucanase II P .verruculosum) and BG (A. niger β-glucosidase) .The enzymes were dosed according to the protein concentration, in the PP: EGP ratio as 8: 2. The final protein concentration in the reaction mixture was 10 mg / g dry substrate, the volume of the reaction mixture was 20 ml. A. niger β-glucosidase was dosed according to activity at the rate of 40 units of activity per 1 g of dry substrate. Hydrolysis was carried out for 2 days. As a control, instead of mutant PPP, the reaction mixture was supplemented with an appropriate amount of native wild-type PPP isolated from strain P .canesce ns PPI according to the scheme from Example 3. The reaction cell was a plastic vessel with a lid of 50 ml; to provide additional stirring of the reaction mixture, a metal cylinder (d = 7 mm, h = 10 mm) made of stainless steel was placed in the cell. At certain time intervals, samples (0.5 ml each) were taken from the reaction mixture, centrifuged for 3 min at 10000 g, and the concentration of reducing sugars (BC) in the supernatant was measured by the Shomody-Nelson method [Sinitsyn A.P., Gusakov A.V., Chernoglazoe V. .AND. Bioconversion of lignocellulosic materials. - M .: Moscow State University, 1995. - 144 s] and glucose by glucose oxidase method [Polygalina GV, Cherednichenko B.C., Rimareva LV. Determination of enzyme activity. M .: DeLiPrint, 2003. S. 147-169.]. The yield of BC and glucose is shown in FIG. 4.

Гидролитическая способность смесей 2 и 4, содержащих нативную форму ЦБГ I по отношению к осиновой древесине была ниже, чем у смесей 1 и 3, содержащих мутантную форму ЦБГ I. Причем выход ВС и глюкозы при 65°С смеси 4 был меньше, чем при 50°С (смесь 2).The hydrolytic capacity of mixtures 2 and 4 containing the native form of CBH I with respect to aspen wood was lower than that of mixtures 1 and 3 containing the mutant form of CBH I. Moreover, the yield of BC and glucose at 65 ° C of mixture 4 was lower than at 50 ° C (mixture 2).

Гидролитическая способность смеси 1 при 50°С была выше, чем у контрольной смеси в аналогичных условиях. Выход ВС и глюкозы составил 70 и 46 г/л, соответственно, что на 13% больше, чем у контроля.The hydrolytic capacity of mixture 1 at 50 ° C was higher than that of the control mixture under similar conditions. The yield of BC and glucose was 70 and 46 g / l, respectively, which is 13% more than in the control.

При повышении температуры существенно увеличилась гидролитическая способность смеси 3 (65°С). Выход ВС и глюкозы составил 81 и 54 г/л, соответственно, что на 45% больше, чем у контроля.As the temperature increased, the hydrolytic capacity of mixture 3 (65 ° C) increased significantly. The yield of BC and glucose was 81 and 54 g / l, respectively, which is 45% more than in the control.

Таким образом, при увеличении термостабильности у мутантной формы ЦБП существенно увеличилась ее гидролитическая способность.Thus, with an increase in thermal stability in the mutant form of PPP, its hydrolytic capacity significantly increased.

Figure 00000001
Figure 00000001

Figure 00000002
Figure 00000002

Figure 00000003
Figure 00000003

Figure 00000004
Figure 00000004

Claims (3)

1. Гетерологичный ген cel7 А гриба Penicillium verruculosum, содержащий мутации в целевой кодирующей последовательности для обеспечения аминокислотных замен в положениях Т291Р, V290F, E302L, V213W, G342R белка целлобиогидролазы I с увеличенной термостабильностью и повышенной гидролитической активностью при 65°С.1. Heterologous cel7 A gene of the fungus Penicillium verruculosum containing mutations in the target coding sequence to provide amino acid substitutions at positions T291P, V290F, E302L, V213W, G342R of cellobiohydrolase I protein with increased thermal stability and increased hydrolytic activity at 65 ° C. 2. Рекомбинантный штамм Penicillium canescens mtCBHI (ВКМ F-4850D), полученный путем трансформации клеток гриба Penicillium canescens RN3-11-7 генетической конструкцией с геном cel7A по п. 1 и предназначенный для секреции гетерологичной термостабильной целлобиогидролазы I Penicillium verruculosum.2. Recombinant strain Penicillium canescens mtCBHI (VKM F-4850D), obtained by transforming the cells of the fungus Penicillium canescens RN3-11-7 with a genetic construct with the cel7A gene according to claim 1 and intended for secretion of heterologous thermostable cellobiohydrolase I Penicillium verruculosum. 3. Ферментный препарат mtCBHI-5, полученный на основе рекомбинантного штамма P. canescens mtCBHI и характеризующийся активностью по микрокристаллической целлюлозе и n-НФ-лактозиду - 240 и 124 ед на 1 г ферментного препарата mtCBHI-5.3. Enzyme preparation mtCBHI-5, obtained on the basis of the recombinant P. canescens strain mtCBHI and characterized by activity on microcrystalline cellulose and n-NF-lactoside - 240 and 124 units per 1 g of the enzyme preparation mtCBHI-5.
RU2019132261A 2019-10-11 2019-10-11 Penicillium canescens mtcbhi fungus strain producer of thermally stable cellobiohydrolase i and an enzyme preparation based thereon for bioconversion of renewable vegetal raw material into sugars RU2741078C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019132261A RU2741078C1 (en) 2019-10-11 2019-10-11 Penicillium canescens mtcbhi fungus strain producer of thermally stable cellobiohydrolase i and an enzyme preparation based thereon for bioconversion of renewable vegetal raw material into sugars

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019132261A RU2741078C1 (en) 2019-10-11 2019-10-11 Penicillium canescens mtcbhi fungus strain producer of thermally stable cellobiohydrolase i and an enzyme preparation based thereon for bioconversion of renewable vegetal raw material into sugars

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2741078C1 true RU2741078C1 (en) 2021-01-22

Family

ID=74213238

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2019132261A RU2741078C1 (en) 2019-10-11 2019-10-11 Penicillium canescens mtcbhi fungus strain producer of thermally stable cellobiohydrolase i and an enzyme preparation based thereon for bioconversion of renewable vegetal raw material into sugars

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2741078C1 (en)

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2646132C1 (en) * 2016-12-13 2018-03-01 Федеральное государственное учреждение "Федеральный исследовательский центр "Фундаментальные основы биотехнологии" Российской академии наук (ФИЦ Биотехнологии РАН) Recombinant strain of mitsenal mushroom penicillium canescens cl14, production component of cellulosum clostridium thermocellum and method of its cultivation

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2646132C1 (en) * 2016-12-13 2018-03-01 Федеральное государственное учреждение "Федеральный исследовательский центр "Фундаментальные основы биотехнологии" Российской академии наук (ФИЦ Биотехнологии РАН) Recombinant strain of mitsenal mushroom penicillium canescens cl14, production component of cellulosum clostridium thermocellum and method of its cultivation

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
DENISENKO Υ.Α., et al. Site-directed mutagenesis of GH10 xylanase A from Penicillium canescens for determining factors affecting the enzyme thermostability, International Journal of Biological Macromolecules, 2017, v.104, p.665-671. *
ГУСАКОВ А.В., СИНИЦЫН А.П. Деполимеризация природных биополимеров. Ферментативный гидролиз целлюлозы. Обзор. "Химия биомассы: биотоплива и биопластики" под ред. С.Д.Варфоломеева, изд. Научный мир, Москва, 2017, с. 65-99, ISBN 978-5-91522-451-2. *
ГУСАКОВ А.В., СИНИЦЫН А.П. Деполимеризация природных биополимеров. Ферментативный гидролиз целлюлозы. Обзор. "Химия биомассы: биотоплива и биопластики" под ред. С.Д.Варфоломеева, изд. Научный мир, Москва, 2017, с. 65-99, ISBN 978-5-91522-451-2. DENISENKO Υ.Α., et al. Site-directed mutagenesis of GH10 xylanase A from Penicillium canescens for determining factors affecting the enzyme thermostability, International Journal of Biological Macromolecules, 2017, v.104, p.665-671. *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Fonseca et al. Rational engineering of the Trichoderma reesei RUT-C30 strain into an industrially relevant platform for cellulase production
Singhania et al. Challenges in cellulase bioprocess for biofuel applications
Maurya et al. Optimization of solid state fermentation conditions for the production of cellulase by Trichoderma reesei
CA2736602C (en) Beta-glucosidase variants having improved activity, and uses thereof
DK2744899T3 (en) PROCEDURE FOR PREPARING CELLULASES FROM A FILAMENT'S FUNGI ADAPTED TO A SLOW VOLUMETRIC OXYGEN TRANSFER COFFEE EFFICIENCY CLASS
CN102482656A (en) Modified beta-glucosidases with improved stability
Das et al. Study on regulation of growth and biosynthesis of cellulolytic enzymes from newly isolated Aspergillus fumigatus ABK9
JP2015500041A (en) Enzyme cocktail prepared from mixed culture
RU2378372C2 (en) Genetic maker to ensure expression of target homologous and heterologous genes in cells of filamentous fungus penicillium verruculosum; used as host, method for making strain of fungus penicillium verruculosum and method for making enzymatic agent
Mehboob et al. Exploring thermophilic cellulolytic enzyme production potential of Aspergillus fumigatus by the solid-state fermentation of wheat straw
Dey et al. Improved production of cellulase by Trichoderma reesei (MTCC 164) from coconut mesocarp-based lignocellulosic wastes under response surface-optimized condition
Keshavarz et al. Trichoderma reesei, a superior cellulase source for industrial applications
Shah et al. An approach toward cellulase production, bioconversion, and utilization
CN103429738A (en) Transformant of yeast of genus schizosaccharomyces, method for producing same, method for producing [beta]-glucosidase, and method for decomposing cellulose
CN108291245A (en) Use high concentration sugar mixture inducible gene expression
CN104995296B (en) For handling the improved endoglucanase of cellulosic material
CN115335530A (en) Submerged fermentation method
RU2741078C1 (en) Penicillium canescens mtcbhi fungus strain producer of thermally stable cellobiohydrolase i and an enzyme preparation based thereon for bioconversion of renewable vegetal raw material into sugars
Qin et al. Improved cellulolytic efficacy in Penicilium decumbens via heterologous expression of Hypocrea jecorina endoglucanase II
RU2550044C2 (en) GENETIC FUSION-CONSTRUCTION FOR PROVIDING EXPRESSION OF MULTIENZYMATIC COMPLEX OF CARBOHYDRASES IN CELLS OF MYCELIUM FUNGUS Penicillium verruculosum, APPLIED AS HOST, METHOD OF OBTAINING RECOMBINANT STRAIN OF FUNGUS Penicillium verruculosum AND METHOD OF OBTAINING ENZYMATIC MEDICATION ON ITS BASE
CN111757939B (en) Mutant beta-glucosidase
CN111378583B (en) Trichoderma reesei and application thereof
Gao et al. Enhanced production of cellobiase by marine bacterium Cellulophaga lytica LBH-14 from rice bran under optimized conditions involved in dissolved oxygen
Li et al. Fermentation optimization and unstructured kinetic model for cellulase production by Rhizopus stolonifer var. reflexus TP-02 on agriculture by-products
Ilyas et al. Biohydrolysis of Saccharum spontaneum for cellulase production by Aspergillus terreus