WO2003040290A2 - Genes from corynebacterium glutamicum that code for homeostasis proteins and for adaptation proteins - Google Patents

Genes from corynebacterium glutamicum that code for homeostasis proteins and for adaptation proteins Download PDF

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Abstract

The invention relates to novel nucleic acid molecules, to their use for constructing genetically improved microorganisms and to methods for producing fine chemicals, in particular, amino acids by using these genetically modified microorganisms.

Description

Gene die für Ho eostase- und Adaptions-Proteine codierenGenes that code for homeostasis and adaptation proteins
Hintergrund der ErfindungBackground of the Invention
Bestimmte Produkte und Nebenprodukte von natürlich-vorkommenden Stoffwechselprozessen in Zellen werden in vielen Industriezweigen verwendet, einschließlich der Nahrungsmittel-, Futtermittel-, Kosmetik- und pharmazeutischen Industrie. Diese Moleküle, die ge- einsam als "Feinchemikalien" bezeichnet werden, umfassen organische Säuren, sowohl proteinogene als auch nicht-proteinogene Aminosäuren, Nukleotide und Nukleoside, Lipide und Fettsäuren, Diole, Kohlehydrate, aromatische Verbindungen, Vitamine und Co- faktoren sowie Enzyme. Ihre Produktion erfolgt am besten mittels Anzucht von Bakterien im Großmaßstab, die entwickelt wurden, um große Mengen des jeweils gewünschten Moleküls zu produzieren und sezernieren. Ein für diesen Zweck besonders geeigneter Organismus ist Corynebacterium glutamicum, ein gram-positives, nicht-patho- genes Bakterium. Über Stammselektion ist eine Reihe von Mutanten- stammen entwickelt worden, die ein Sortiment wünschenswerter Verbindungen produzieren. Die Auswahl von Stämmen, die hinsichtlich der Produktion eines bestimmten Moleküls verbessert sind, ist jedoch ein zeitaufwendiges und schwieriges Verfahren.Certain products and by-products of naturally occurring metabolic processes in cells are used in many industries, including the food, feed, cosmetic and pharmaceutical industries. These molecules, collectively referred to as "fine chemicals", include organic acids, both proteinogenic and non-proteinogenic amino acids, nucleotides and nucleosides, lipids and fatty acids, diols, carbohydrates, aromatic compounds, vitamins and cofactors and enzymes. Their production is best accomplished by growing large-scale bacteria that have been developed to produce and secrete large quantities of the desired molecule. A particularly suitable organism for this purpose is Corynebacterium glutamicum, a gram-positive, non-pathogenic bacterium. Through strain selection, a number of mutant strains have been developed that produce a range of desirable compounds. However, selecting strains that are improved in the production of a particular molecule is a time consuming and difficult process.
Zusammenfassung der ErfindungSummary of the invention
Diese Erfindung stellt neuartige Nukleinsäuremoleküle bereit, die sich zur Identifizierung oder Klassifizierung von Corynebacterium glutamicum oder verwandten Bakterienarten verwenden lassen. C. glutamicum ist ein gram-positives, aerobes Bakterium, das in der Industrie für die Produktion im Großmaßstab einer Reihe von Feinchemikalien, und auch zum Abbau von Kohlenwasserstoffen (bspw. beim Überlaufen von Rohöl) und zur Oxidation von Terpenoiden gemeinhin verwendet wird. Die Nukleinsäuremoleküle können daher zum Identifizieren von Mikroorganismen eingesetzt werden, die sich zur Produktion von Feinchemikalien, bspw. durch Fermentationsverfahren, verwenden lassen. C. glutamicum selbst ist zwar nicht-pa- thogen, jedoch ist es mit anderen Corynebacterium-Arten, wie Corynebacterium diphtheriae (dem Erreger der Diphtherie) verwandt, die bedeutende Pathogene beim Menschen sind. Die Fähigkeit, das Vorhandensein von Corynebacterium-Arten zu identifizieren, kann daher auch eine signifikante klinische Bedeutung haben, z.B. bei diagnostischen Anwendungen. Diese Nukleinsäuremoleküle können zudem als Bezugspunkte zur Kartierung des C. glufcamicum-Genoms oder von Genomen verwandter Organismen dienen. Diese neuen Nukleinsäuremoleküle codieren Proteine, die hier als Homöostase- und Anpassungs- (HA) -Proteine bezeichnet werden. Diese HA-Proteine können bspw. eine Funktion ausüben, die an der Aufrechterhaltung der Homöostase in C. glutamicum oder an der Fähig- keit dieses Mikroorganismus, sich an unterschiedliche Umweltbedingungen anzupassen, beteiligt ist. Aufgrund der Verfügbarkeit von Klonierungsvektoren zur Verwendung in Corynebacterium glutamicum, wie bspw. offenbart in Sinskey et al., US-Patent Nr. 4 649 119, und Techniken zur genetischen Manipulation von C. glutamicum und den verwandten Brevibacterium-Arten (z.B. Lactofermentum) Yoshihama et al., J. Bacteriol. 162 (1985) 591-597; Katsumata et al., J. Bacteriol. 159 (1984) 306-311; und Santamaria et al. J. Gen. Microbiol. 130 (1984) 2237-2246), lassen sich die erfindungsgemäßen Nukleinsäuremoleküle zur genetischen Manipulation dieses Organismus verwenden, um ihn als Produzenten von einer oder mehreren Feinchemikalien besser und effizienter zu machen. Die verbesserte Produktion oder Effizienz der Produktion einer Feinchemkalie kann auf einer direkten Wirkung der Manipulation eines erfindungsgemäßen Gens oder auf einer indirekten Wirkung einer solchen Manipulation beruhen.This invention provides novel nucleic acid molecules that can be used to identify or classify Corynebacterium glutamicum or related types of bacteria. C. glutamicum is a gram-positive, aerobic bacterium that is commonly used in industry for the large-scale production of a number of fine chemicals, as well as for the degradation of hydrocarbons (e.g. when crude oil overflows) and for the oxidation of terpenoids. The nucleic acid molecules can therefore be used to identify microorganisms that can be used for the production of fine chemicals, for example by fermentation processes. C. glutamicum itself is not pathogenic, but it is related to other Corynebacterium species, such as Corynebacterium diphtheriae (the causative agent of diphtheria), which are important pathogens in humans. The ability to identify the presence of Corynebacterium species can therefore also be of significant clinical importance, for example in diagnostic applications. These nucleic acid molecules can also serve as reference points for mapping the C. glufcamicum genome or organisms related to genomes. These new nucleic acid molecules encode proteins that are referred to here as homeostasis and adaptation (HA) proteins. These HA proteins can, for example, perform a function which is involved in maintaining homeostasis in C. glutamicum or in the ability of this microorganism to adapt to different environmental conditions. Due to the availability of cloning vectors for use in Corynebacterium glutamicum, such as disclosed in Sinskey et al., U.S. Patent No. 4,649,119, and techniques for genetically manipulating C. glutamicum and the related Brevibacterium species (e.g., Lactofermentum) Yoshihama et al., J. Bacteriol. 162: 591-597 (1985); Katsumata et al., J. Bacteriol. 159: 306-311 (1984); and Santamaria et al. J. Gen. Microbiol. 130 (1984) 2237-2246), the nucleic acid molecules according to the invention can be used for the genetic manipulation of this organism in order to make it better and more efficient as a producer of one or more fine chemicals. The improved production or efficiency of the production of a fine chemical can be based on a direct effect of the manipulation of a gene according to the invention or on an indirect effect of such a manipulation.
Es gibt eine Reihe von Mechanismen, durch die die Veränderung eines erfindungsgemäßen HA-Proteins die Ausbeute, Produktion, und/ oder Effizienz der Produktion einer Feinchemikalie aus einem C. g-Iutamicum-Stamm, der ein verändertes Protein enthält, direkt beeinflussen kann. Durch genetische Manipulation von Enzymen, die aromatische oder aliphatische Verbindungen so modifizieren, daß diese Enzyme höhere oder niedrigere Aktivität oder Anzahl aufweisen, kann man die Produktion von einer oder mehreren Feinchemika- lien, die die Modifikations- oder Abbauprodukte dieser Erfindungen sind, modulieren. Entsprechend stellen Enzyme, die am Metabolismus anorganischer Verbindungen beteiligt sind, Schlüsselmoleküle (bspw. Phosphor-, Schwefel- und Stickstoff-Moleküle) für die Biosynthese solcher Feinchemikalien, wie Aminosäuren, Vitaminen und Nukleinsäuren bereit. Durch Verändern der Aktivität oder der Anzahl dieser Enzyme in C. glutamicum kann man die Umwandlung dieser anorganischen Verbindungen steigern (oder alternative Verbindungen verwenden) , wodurch verbesserte Raten des Einbaus anorganischer Atome in diese Feinchemikalien ermöglicht werden. Die genetische Manipulation von C. glutamicum-Enzymen, die an allgemeinen zellulären Prozessen beteiligt sind. Kann ebenfalls die Feinchemikalienproduktion direkt verbessern, da viele dieser Enzyme Feinchemikalien direkt modifizieren (bspw. Aminosäuren) oder die Enzyme, die an der Feinchemikaliensynthese oder -Sekretion beteiligt sind. Die Modulation der Aktivität oder die Anzahl zellulärer Proteasen kann ebenfalls eine direkte Wirkung auf die Feinchemikalienproduktion haben, da viele Proteasen Feinchemika- lien oder Enzyme, die an der Feinchemikalienproduktion oder deren Abbau beteiligt sind, abbauen können.There are a number of mechanisms by which the modification of an HA protein according to the invention can directly influence the yield, production and / or efficiency of the production of a fine chemical from a C. g-Iutamicum strain which contains a modified protein. By genetically manipulating enzymes that modify aromatic or aliphatic compounds so that these enzymes have higher or lower activity or numbers, one can modulate the production of one or more fine chemicals that are the modification or degradation products of these inventions. Accordingly, enzymes which are involved in the metabolism of inorganic compounds provide key molecules (for example phosphorus, sulfur and nitrogen molecules) for the biosynthesis of such fine chemicals as amino acids, vitamins and nucleic acids. By changing the activity or number of these enzymes in C. glutamicum, one can increase the conversion of these inorganic compounds (or use alternative compounds), which enables improved rates of incorporation of inorganic atoms into these fine chemicals. The genetic manipulation of C. glutamicum enzymes, which are involved in general cellular processes. Can also directly improve fine chemical production because many of these enzymes directly modify fine chemicals (e.g. amino acids) or the enzymes involved in fine chemical synthesis or secretion. The modulation of activity or the number of cellular proteases can also have a direct effect on fine chemical production, since many proteases lien or enzymes that are involved in fine chemical production or its degradation.
Die vorstehend genannten Enzyme, die an der Modifikation und/oder am Abbau von aromatischen bzw. aliphatischen Verbindungen, allgemein Biokatalyse, Metabolismus oder Proteolyse anorganischer Verbindungen beteiligt sind, sind selbst Feinchemikalien, die für ihre Aktivität in verschiedenen In-vitro-Industrieanwendungen wünschenswert sind. Durch Verändern der Kopienzahl des Gens für ein oder mehrere dieser Enzyme in C. glutamicum kann man die .Anzahl dieser Proteine, die von der Zelle produziert werden steigern, wodurch die potentielle Ausbeute oder Effizienz der Produktion dieser Proteine aus großangelegten C. glutamicum- oder verwandten Bakterienkulturen erhöht wird.The above-mentioned enzymes, which are involved in the modification and / or the degradation of aromatic or aliphatic compounds, generally biocatalysis, metabolism or proteolysis of inorganic compounds, are themselves fine chemicals which are desirable for their activity in various in vitro industrial applications. By changing the copy number of the gene for one or more of these enzymes in C. glutamicum, one can increase the number of these proteins that are produced by the cell, thereby increasing the potential yield or efficiency of producing these proteins from large-scale C. glutamicum or related Bacterial cultures are increased.
Die Veränderung eines erfindungsgemäßen HA-Proteins kann auch die Ausbeute, Produktion und/oder Effizienz der Produktion einer Feinchemikalie aus einem C. glutamicum-Stamm, der ein verändertes Protein enthält, indirekt beeinflussen. Durch Modulieren der Ak- tivität und/oder der Anzahl solcher Proteine, die am Aufbau oder an der Umordnung der Zellwand beteiligt sind, kann man bspw. die Struktur der Zellwand selbst modifizieren, so daß die Zelle dem mechanischen und anderen Streß, der bei Fermentergroßkulturen vorliegt, besser standhält. Das Wachstum von C. glutamicum im Großmaßstab erfordert ebenfalls eine signifikante Zellwandproduktion. Die Modulation der Aktivität oder der Anzahl der Zellwand- Biosynthese- oder Abbau-Enzyme kann schnellere Zellwand-Biosyntheseraten ermöglichen, was wiederum stärkere Wachstumsraten dieses Mikroorganismus in Kultur erlaubt und dadurch die Anzahl von Zellen, die die gewünschte Feinchemikalie produzieren, vergrößert .The modification of an HA protein according to the invention can also indirectly influence the yield, production and / or efficiency of the production of a fine chemical from a C. glutamicum strain which contains a modified protein. By modulating the activity and / or the number of such proteins that are involved in the construction or rearrangement of the cell wall, one can, for example, modify the structure of the cell wall itself so that the cell is subjected to the mechanical and other stresses involved in large fermenter cultures exists, withstands better. Large-scale growth of C. glutamicum also requires significant cell wall production. Modulation of the activity or number of cell wall biosynthesis or degradation enzymes can enable faster cell wall biosynthesis rates, which in turn allows stronger growth rates of this microorganism in culture and thereby increases the number of cells that produce the desired fine chemical.
Durch Modifikation der erfindungsgemäßen HA-Enzyme kann man auch indirekt die Ausbeute, Produktion oder Effizienz der Produktion von einer oder mehreren Feinchemikalien aus C. glutamicum beeinflussen. Bspw. haben viele allgemeine Enzyme in C. glutamicum eine erhebliche Auswirkung auf die globalen Zellprozesse (bspw. regulatorische Prozesse) , was wiederum eine signifikante Auswirkung auf den Feinchemikalien-Metabolismus hat.The yield, production or efficiency of the production of one or more fine chemicals from C. glutamicum can also be influenced indirectly by modifying the HA enzymes according to the invention. For example. many general enzymes in C. glutamicum have a significant impact on global cell processes (e.g. regulatory processes), which in turn has a significant impact on fine chemical metabolism.
Entsprechend erhöhen Proteasen, Enzyme, die möglicherweise toxische aromatische oder aliphatische Verbindungen modifizieren oder abbauen, die Lebensfähigkeit von C. glutamicum. Die Proteasen unterstützen die selektive Entfernung falsch gefalteter oder falsch regulierter Proteine, wie solcher, die bspw. unter den relativ streßreichen Umweltbedingungen in einer Fermenter-Großkultur auftreten. Durch Verändern dieser Proteine kann man weiterhin diese Aktivität steigern und die Lebensfähigkeit von C. glutamicum in Kultur verbessern. Die aromatischen/aliphatischen Modifikationsoder Abbau-Proteine dienen nicht nur der Detoxifikation dieser Abfallverbindungen (die im Kulturmedium als Verunreinigungen oder als Abfallprodukte aus den Zellen selbst vorkommen) , sondern ermöglichen ebenfalls, daß die Zelle alternative Kohlenstoff uellen nutzt, wenn die optimale Kohlenstoffquelle in der Kultur limitiert ist. Durch Erhöhen der Anzahl und/oder der Aktivität kann das Überleben von C. glutamicum-Zellen in Kultur verstärkt wer- den. Die erfindungsgemäßen anorganischen Stoffwechselproteine versorgen die Zelle mit den anorganischen Molekülen, die für sämtliche Protein- und Nukleotid-Synthesen (unter anderem) notwendig und somit für die Gesamtlebensfähigkeit der Zelle entscheidend sind. Ein Anstieg der Anzahl lebensfähiger Zellen, die eine oder mehrere Feinchemikalien in Großkultur produzieren, sollte einen gleichzeitigen Anstieg der Ausbeute, Produktion und/ oder Effizienz der Produktion der Feinchemikalie in der Kultur bewirken.Accordingly, proteases, enzymes that modify or degrade toxic aromatic or aliphatic compounds, increase the viability of C. glutamicum. The proteases support the selective removal of incorrectly folded or incorrectly regulated proteins, such as those which occur, for example, under the relatively stressful environmental conditions in a large fermenter culture. By changing these proteins, you can still change them Increase activity and improve the viability of C. glutamicum in culture. The aromatic / aliphatic modification or degradation proteins not only serve to detoxify these waste compounds (which are present in the culture medium as contaminants or as waste products from the cells themselves), but also allow the cell to use alternative carbon sources if the optimal carbon source in the culture is limited. The survival of C. glutamicum cells in culture can be increased by increasing the number and / or the activity. The inorganic metabolic proteins according to the invention supply the cell with the inorganic molecules which are necessary for all protein and nucleotide syntheses (among other things) and are therefore decisive for the overall viability of the cell. An increase in the number of viable cells that produce one or more fine chemicals in large culture should cause a simultaneous increase in the yield, production, and / or efficiency of production of the fine chemical in the culture.
Diese Erfindung stellt neue Nukleinsäuremoleküle bereit, die die hier als (HA) -Proteine bezeichneten Proteine codieren, welche bspw. eine Funktion ausüben, die an der Bewahrung der Homöostase in C. glutamicum beteiligt ist, oder an der Fähigkeit dieses Mikroorganismus beteiligt ist, sich an verschiedene Umweltbedingun- gen anzupassen. Nukleinsäuremoleküle, die ein HA-Protein codieren, werden hier als HA-Nukleinsäuremoleküle bezeichnet. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist ein HA-Protein an der C. glu- tamicum-Zellwand-Biosynthese oder an Umordnungen, Metabolismus anorganischer Verbindungen, Modifikation oder Abbau von aromati- sehen oder aliphatischen Verbindungen beteiligt, oder besitzt eine C. glutamicum-enzymatische oder proteolytische Aktivität. Beispiele für solche Proteine sind diejenigen, die von den in Tabelle 1 angegebenen Genen codiert werden.This invention provides novel nucleic acid molecules that encode the proteins referred to herein as (HA) proteins, which, for example, perform a function involved in the maintenance of homeostasis in C. glutamicum or in the ability of this microorganism to participate adapt to different environmental conditions. Nucleic acid molecules that encode an HA protein are referred to here as HA nucleic acid molecules. In a preferred embodiment, an HA protein is involved in C. glutamicum cell wall biosynthesis or in rearrangements, metabolism of inorganic compounds, modification or degradation of aromatic or aliphatic compounds, or has a C. glutamicum enzymatic or proteolytic compound Activity. Examples of such proteins are those encoded by the genes shown in Table 1.
Ein Aspekt der Erfindung betrifft folglich isolierte Nukleinsäuremoleküle (bspw. cDNAs) , umfassend eine Nukleotidsequenz , die ein HA-Protein oder biologisch aktive Abschnitte davon codiert, sowie Nukleinsäurefragente, die sich als Primer oder Hybridisie- rungssonden zum Nachweisen oder zur Amplifikation von HA-codie- render Nukleinsäure (bspw. DNA oder mRNA) eignen. Bei besonders bevorzugten Ausführungsformen umfaßt das isolierte Nukleinsäuremolekül eine der in Anhang A aufgeführten Nukleotidsequenzen oder den codierenden Bereich oder ein Komplement davon von einer dieser Nukleotidsequenzen. In anderen bevorzugten Ausführungsformen codiert das isolierte Nukleinsäuremolekül eine der in Anhang B aufgeführten Aminosäuresequenzen. Die bevorzugten erfindungsgemä- ßen HA-Proteine besitzen ebenfalls vorzugsweise mindestens eine der hier beschriebenen HA-Aktivitäten.One aspect of the invention consequently relates to isolated nucleic acid molecules (for example cDNAs) comprising a nucleotide sequence which codes for an HA protein or biologically active sections thereof, and also nucleic acid fragments which act as primers or hybridization probes for detecting or amplifying HA code - Render nucleic acid (e.g. DNA or mRNA) are suitable. In particularly preferred embodiments, the isolated nucleic acid molecule comprises one of the nucleotide sequences listed in Appendix A or the coding region or a complement thereof of one of these nucleotide sequences. In other preferred embodiments, the isolated nucleic acid molecule encodes one of the amino acid sequences listed in Appendix B. The preferred ß HA proteins also preferably have at least one of the HA activities described here.
Als Anhang A werden im folgenden die Nukleinsäuresequenzen des Sequenzprotokolls zusammen mit den in Tabelle 1 beschriebenen Sequenzveränderungen an der jeweiligen Position definiert.In the following, the nucleic acid sequences of the sequence listing together with the sequence changes at the respective position described in Table 1 are defined as Appendix A.
Als Anhang B werden im folgenden die Polypeptidsequenzen des Sequenzprotokolls zusammen mit den in Tabelle 1 beschriebenen Se- quenzveränderungen an der jeweiligen Position definiert.In the following, the polypeptide sequences of the sequence listing together with the sequence changes at the respective position described in Table 1 are defined as Appendix B.
Bei einer weiteren Ausführungsform ist das isolierte Nukleinsäuremolekül mindestens 15 Nukleotide lang und hybridisiert unter stringenten Bedingungen an ein Nukleinsäuremolekül, das eine Nu- kleotidsequenz aus Anhang A umfaßt. Das isolierte Nukleinsäuremolekül entspricht vorzugsweise einem natürlich vorkommenden Nukleinsäuremolekül. Die isolierte Nukleinsäure codiert stärker bevorzugt ein natürlich vorkommendes C. glutamicum-HA-Protein oder einen biologisch aktiven Abschnitt davon.In a further embodiment, the isolated nucleic acid molecule is at least 15 nucleotides long and hybridizes under stringent conditions to a nucleic acid molecule which comprises a nucleotide sequence from Appendix A. The isolated nucleic acid molecule preferably corresponds to a naturally occurring nucleic acid molecule. The isolated nucleic acid more preferably encodes a naturally occurring C. glutamicum HA protein or a biologically active portion thereof.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft Vektoren, bspw. rekombinante Expressionsvektoren, die die erfindungsgemäßen Nukleinsäuremoleküle enthalten, und Wirtszellen, in die diese Vektoren eingebracht worden sind. Bei einer Ausführungsform wird zur Herstellung eines HA-Proteins eine Wirtszelle verwendet, die in einem geeigneten Medium gezüchtet wird. Das HA-Protein kann dann aus dem Medium oder der Wirtszelle isoliert werden.Another aspect of the invention relates to vectors, for example recombinant expression vectors, which contain the nucleic acid molecules according to the invention, and host cells, into which these vectors have been introduced. In one embodiment, a host cell that is grown in a suitable medium is used to produce an HA protein. The HA protein can then be isolated from the medium or the host cell.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft einen genetisch verän- derten Mikroorganismus, bei dem ein HA-Gen eingebracht oder verändert worden ist. Das Genom des Mikroorganismus ist bei einer Ausführungsform durch Einbringen mindestens eines erfindungsgemäßen Nukleinsäuremoleküls verändert worden, das die mutierte HA- Sequenz als Transgen codiert. Bei einer anderen Ausführungsform ist ein endogenes HA-Gen im Genom des Mikroorganismus durch homologe Rekombination mit einem veränderten HA-Gen verändert, z.B. funktioneil disruptiert, worden. Der Mikroorganismus gehört bei einer bevorzugten Ausführungsform zur Gattung Corynebacterium oder BreviJbacterium, wobei Corynebacterium glutamicum besonders bevorzugt ist. Der Mikroorganismus wird in einer bevorzugten Ausführungsform auch zur Herstellung einer gewünschten Verbindung, wie einer Aminosäure, besonders bevorzugt Lysin, verwendet.Another aspect of the invention relates to a genetically modified microorganism in which an HA gene has been introduced or modified. In one embodiment, the genome of the microorganism has been changed by introducing at least one nucleic acid molecule according to the invention which encodes the mutated HA sequence as a transgene. In another embodiment, an endogenous HA gene in the microorganism genome is modified by homologous recombination with an altered HA gene, e.g. functionally disrupted. In a preferred embodiment, the microorganism belongs to the genus Corynebacterium or BreviJbacterium, Corynebacterium glutamicum being particularly preferred. In a preferred embodiment, the microorganism is also used to produce a desired compound, such as an amino acid, particularly preferably lysine.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform sind Wirtszellen, die mehr als eine der in Anhang A beschriebenen Nukleinsäuremoleküle besitzen. Solche Wirtszellen lassen sich auf verschiedene dem Fachmann bekannte Wege herstellen. Beispielsweise können sie durch Vektoren, die mehrere der erfindungsgemäßen Nukleinsäuremoleküle tragen, transfiziert werden. Es ist aber auch möglich mit einem Vektor jeweils ein erfindungsgemäßes Nukleinsäuremolekül in die Wirtszelle einzubringen und deshalb mehrere Vektoren entweder gleichzeitig oder zeitlich abgestuft einzusetzen. Es können somit Wirtszellen konstruiert werden, die zahlreiche, bis zu mehreren Hundert der erfindungsgemäßen Nukleinsäuresequenzen tragen. Durch eine solche Akkumulation lassen sich häufig überadditive Effekte auf die Wirtszelle hinsichtlich der Feinchemikalien-Pro- duktivität erzielen.Another preferred embodiment is host cells that have more than one of the nucleic acid molecules described in Appendix A. Such host cells can be produced in various ways known to the person skilled in the art. For example, they can are transfected by vectors which carry several of the nucleic acid molecules according to the invention. However, it is also possible to introduce one nucleic acid molecule according to the invention into the host cell with one vector and therefore to use several vectors either simultaneously or in a staggered manner. Host cells can thus be constructed which carry numerous up to several hundred of the nucleic acid sequences according to the invention. Such an accumulation often leads to superadditive effects on the host cell with regard to fine chemical productivity.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein isoliertes HA-Protein oder einen Abschnitt, bspw. einen biologisch aktiven Abschnitt davon. Das isolierte HA-Protein oder sein Abschnitt kann in einer bevorzugten Ausführungsform an der Aufrechterhaltung der Homöostase in C. glutamicum beteiligt sein oder kann eine Funktion ausüben, die an der Anpassung dieses Mikroorganismus an unterschiedliche Umweltbedingungen beteiligt sind. Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das isolierte HA-Protein oder ein Abschnitt davon hinreichend homolog zu einer Aminosäuresequenz von Anhang B, so daß das Protein oder sein Abschnitt weiterhin an der Aufrechterhaltung der Homöostase in C. glutamicum beteiligt sein oder eine Funktion ausüben kann, die an der Anpassung dieses Mikroorganismus an unterschiedliche Umweltbedingungen beteiligt ist.Another aspect of the invention relates to an isolated HA protein or a section, for example a biologically active section thereof. In a preferred embodiment, the isolated HA protein or its section can be involved in maintaining homeostasis in C. glutamicum or can perform a function which is involved in adapting this microorganism to different environmental conditions. In a further preferred embodiment, the isolated HA protein or a portion thereof is sufficiently homologous to an amino acid sequence of Appendix B so that the protein or its portion can continue to be involved in maintaining homeostasis in C. glutamicum or to perform a function which is involved in adapting this microorganism to different environmental conditions.
Die Erfindung betrifft zudem ein isoliertes HA-Proteinpräparat . Das HA-Protein umfaßt bei bevorzugten Ausführungsformen eine Aminosäuresequenz aus Anhang B. Bei einer weiteren bevorzugten Aus- führungsform betrifft die Erfindung ein isoliertes Vollängenpro- tein, das zu einer vollständigen Aminosäuresequenz aus Anhang B (welche von einem offenen Leseraster in Anhang A codiert wird) im wesentlichen homolog ist.The invention also relates to an isolated HA protein preparation. In preferred embodiments, the HA protein comprises an amino acid sequence from Appendix B. In a further preferred embodiment, the invention relates to an isolated full-length protein which forms a complete amino acid sequence from Appendix B (which is encoded by an open reading frame in Appendix A) is essentially homologous.
Das HA-Polypeptid oder ein biologisch aktiver Abschnitt davon kann mit einem Nicht-HA-Polypeptid funktionsfähig verbunden werden, damit ein Fusionsprotein entsteht. Dieses Fusionsprotein hat bei bevorzugten Ausführungsformen eine andere Aktivität als das HA-Protein allein und ergibt bei anderen bevorzugten Ausführungs- formen erhöhte Ausbeuten, eine erhöhte Produktion und/oder Effizienz der Produktion einer gewünschten Feinchemikalie aus C. glutamicum. Die Integration dieses Fusionsproteins in eine Wirtszelle moduliert bei besonders bevorzugten Ausführungsformen die Produktion einer gewünschten Verbindung von der Zelle. Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Feinchemikalie. Das Verfahren sieht die Anzucht einer Zelle vor, die einen Vektor enthält, der die Expression eines erfindungsgemäßen HA-Nukleinsäuremoleküls bewirkt, so daß eine Feinchemikalie produziert wird. Dieses Verfahren umfaßt bei einer bevorzugten Ausführungsform zudem den Schritt der Gewinnung einer Zelle, die einen solchen Vektor enthält, wobei die Zelle mit einem Vektor transfiziert ist, der die Expression einer HA- Nukleinsäure bewirkt. Dieses Verfahren umfaßt bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform zudem den Schritt, bei dem die Feinchemikalie aus der Kultur gewonnen wird. Die Zelle gehört bei einer bevorzugten Ausführungsform zur Gattung Corynebacterium oder Breviba c t eri um .The HA polypeptide or a biologically active portion thereof can be operably linked to a non-HA polypeptide to form a fusion protein. In preferred embodiments, this fusion protein has a different activity than the HA protein alone and, in other preferred embodiments, results in increased yields, increased production and / or efficiency in the production of a desired fine chemical from C. glutamicum. The integration of this fusion protein into a host cell modulates the production of a desired compound from the cell in particularly preferred embodiments. Another aspect of the invention relates to a method for producing a fine chemical. The method provides for the cultivation of a cell which contains a vector which effects the expression of an HA nucleic acid molecule according to the invention, so that a fine chemical is produced. In a preferred embodiment, this method also comprises the step of obtaining a cell which contains such a vector, the cell being transfected with a vector which brings about the expression of an HA nucleic acid. In a further preferred embodiment, this method also comprises the step in which the fine chemical is obtained from the culture. In a preferred embodiment, the cell belongs to the genus Corynebacterium or Breviba ct eri.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft Verfahren zur Modulation der Produktion eines Moleküls aus einem Mikroorganismus . Diese Verfahren umfassen das Zusammenbringen der Zelle mit einer Substanz, die die HA-Proteinaktivität oder die HA-Nukleinsäure- Expression moduliert, so daß eine zeilassoziierte Aktivität verg- liehen mit der gleichen Aktivität bei Fehlen der Substanz verändert wird. Die Zelle wird bei einer bevorzugten Ausführungsform für einen oder mehrere C. glutamicum-Prozesse, die an der der Zellwand-Biosynthese oder -Umordnungen, dem Metabolismus anorganischer Verbindungen, der Modifikation oder dem Abbau aromati- scher oder aliphatischer Verbindungen oder an enzymatischen oder proteolytischen Aktivitäten beteiligt sind, moduliert. Die Substanz, die die HA-Proteinaktivität moduliert, stimuliert bspw. die HA-Proteinaktivität oder die HA-Nukleinsäure-Expression. Beispiele von Substanzen, die die HA-Proteinaktivität oder die HA- Nukleinsäureexpression stimulieren, umfassen kleine Moleküle, aktive HA-Proteine und Nukleinsäuren, die HA-Proteine codieren und in die Zelle eingebracht worden sind. Beispiele von Substanzen, die die HA-Aktivität oder -Expression hemmen, umfassen kleine Moleküle und Antisense-HA-Nukleinsäuremoleküle.Another aspect of the invention relates to methods for modulating the production of a molecule from a microorganism. These methods involve contacting the cell with a substance that modulates HA protein activity or HA nucleic acid expression, so that a line-associated activity changes compared to the same activity in the absence of the substance. In a preferred embodiment, the cell is used for one or more C. glutamicum processes involved in cell wall biosynthesis or rearrangement, the metabolism of inorganic compounds, the modification or degradation of aromatic or aliphatic compounds or in enzymatic or proteolytic activities are involved, modulated. For example, the substance that modulates HA protein activity stimulates HA protein activity or HA nucleic acid expression. Examples of substances that stimulate HA protein activity or HA nucleic acid expression include small molecules, active HA proteins and nucleic acids that encode HA proteins and have been introduced into the cell. Examples of substances that inhibit HA activity or expression include small molecules and antisense HA nucleic acid molecules.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft Verfahren zur Modulation der Ausbeuten einer gewünschten Verbindung aus einer Zelle, umfassend das Einbringen eines HA-Wildtyp- oder -Mutantengens in eine Zelle, das entweder auf einem gesonderten Plasmid bleibt oder in das Genom der Wirtszelle integriert wird. Die Integration in das Genom kann zufallsgemäß oder durch homologe Rekombination erfolgen, so daß das native Gen durch die integrierte Kopie ersetzt wird, was die Produktion der gewünschten Verbindung aus der zu modulierenden Zelle hervorruft. Diese Ausbeuten sind bei einer bevorzugten Ausführungsform erhöht. Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Chemikalie eine Feinchemikalie, die in einer besonders bevorzugten Ausführungsform eine Aminosäure ist. Diese Aminosäure ist in einer besonders bevorzugten Ausführungsform L-Lysin.Another aspect of the invention relates to methods for modulating the yields of a desired compound from a cell, comprising introducing into a cell a wild-type or mutant HA gene that either remains on a separate plasmid or is integrated into the genome of the host cell. The integration into the genome can be random or by homologous recombination, so that the native gene is replaced by the integrated copy, which causes the production of the desired compound from the cell to be modulated. In a preferred embodiment, these yields are increased. In a further preferred embodiment, the chemical is a fine chemical, and in a particularly preferred embodiment an amino acid is. In a particularly preferred embodiment, this amino acid is L-lysine.
Eingehende Beschreibung der ErfindungDetailed description of the invention
Die vorliegende Erfindung stellt HA-Nukleinsäure- und -Proteinmoleküle bereit, die an der Zellwand-Biosynthese oder an Umordnun- gen, am Metabolismus anorganischer Verbindungen, an der Modifikation oder am Abbau aromatischer oder aliphatischer Verbindungen in C. glutamicum beteiligt sind, oder die eine C. glutamicum-en- zymatische oder proteolytische Aktivität aufweisen. Die erfindungsgemäßen Molaküle lassen sich zur Modulation der Produktion von Feinchemikalien aus Mikroorganismen, wie C. glutamicum, entweder direkt (z.B. wo die Überexpression oder die Optimierung der Aktivität eines Proteins, das an der Produktion einer Feinchemikalie (z.B. eines Enzyms) eine direkte Auswirkung auf die Ausbeute, Produktion und/oder Effizienz der Produktion einer Feinchemikalie aus dem modifizierten C. glutamicum) , einsetzen oder haben eine indirekte Auswirkung, die trotzdem einen Anstieg der Ausbeute, Produktion und/oder Effizienz der Produktion der gewünschten Verbindung bewirkt (z.B. wo die Modulation der Aktivität oder der Anzahl der Kopien eines aromatischen oder aliphati- schen Modifikation- oder Abbauproteins aus C. glutamicum einen Anstieg der Lebensfähigkeit von C. glutamicum-Zellen bewirkt, was wiederum eine gesteigerte Produktion in einer Großmaßstab-Kultur ermöglicht. Die erfindungsgemäßen Aspekte werden nachstehend weiter erläutert .The present invention provides HA nucleic acid and protein molecules that are involved in cell wall biosynthesis or rearrangement, in the metabolism of inorganic compounds, in the modification or degradation of aromatic or aliphatic compounds in C. glutamicum, or one C. have glutamicum-enzymatic or proteolytic activity. The molecules according to the invention can be used to modulate the production of fine chemicals from microorganisms, such as C. glutamicum, either directly (for example where overexpression or the optimization of the activity of a protein which has a direct effect on the production of a fine chemical (for example an enzyme) Yield, production and / or efficiency of production of a fine chemical from the modified C. glutamicum), use or have an indirect effect which nevertheless causes an increase in the yield, production and / or efficiency of production of the desired compound (for example where the modulation of the Activity or number of copies of an aromatic or aliphatic modification or degradation protein from C. glutamicum causes an increase in the viability of C. glutamicum cells, which in turn enables increased production in a large-scale culture explained.
I. FeinchemikalienI. Fine chemicals
Der Begriff "Feinchemikalie" ist im Fachgebiet bekannt und beinhaltet Moleküle, die von einem Organismus produziert werden und in verschiedenen Industriezweigen Anwendungen finden, wie bspw. , jedoch nicht beschränkt auf die pharmazeutische Industrie, die Landwirtschafts-, und Kosmetik-Industrie. Diese Verbindungen umfassen organische Säuren, wie Weinsäure, Itaconsäure und Diamino- pimelinsäure, sowohl proteinogene als auch nicht-proteinogene Aminosäuren, Purin- und Pyrimidinbasen, Nukleoside und Nukleotide (wie bspw. beschrieben in Kuninaka, A. (1996) Nucleotides and re- lated compounds, S. 561-612, in Biotechnology Bd. 6, Rehm et al.. Hrsg. VCH: Weinheim und den darin enthaltenen Zitaten) , Lipide, gesättigte und ungesättigte Fettsäuren (bspw. Arachidonsäure) , Diole (bspw. Propandiol und Butandiol) , Kohlenhydrate (bspw. Hya- luronsäure und Trehalose) , aromatische Verbindungen (bspw. aroma- tische A ine, Vanillin und Indigo) , Vitamine und Cofaktoren (wie beschrieben in Ulimann' s Encyclopedia of Industrial Chemistry, Bd. A27, "Vitamins", S. 443-613 (1996) VCH: Weinheim und den darin enthaltenen Zitaten; und Ong, A.S., Niki, E. und Packer, L. (1995) "Nutrition, Lipids, Health and Disease" Proceedings of the UNESCO/Confederation of Scientific and Technological Associations in Malaysia and the Society for Free Radical Research - Asien, abgehalten am 1.-3. Sept. 1994 in Penang, Malysia, AOCS Press (1995)), Enzyme und sämtliche anderen von Gutcho (1983) in Chemicals by Fermentation, Noyes Data Corporation, ISBN: 0818805086 und den darin angegebenen Literaturstellen, beschriebenen Chemikalien. Der Metabolismus und die Verwendungen bestimmter Feinche- mikalien sind nachstehend weiter erläutert.The term "fine chemical" is known in the art and includes molecules that are produced by an organism and have applications in various industries, such as, but not limited to, the pharmaceutical, agricultural, and cosmetic industries. These compounds include organic acids, such as tartaric acid, itaconic acid and diamino-pimelic acid, both proteinogenic and non-proteinogenic amino acids, purine and pyrimidine bases, nucleosides and nucleotides (as described, for example, in Kuninaka, A. (1996) Nucleotides and related compounds, pp. 561-612, in Biotechnology Vol. 6, Rehm et al .. ed. VCH: Weinheim and the citations contained therein), lipids, saturated and unsaturated fatty acids (e.g. arachidonic acid), diols (e.g. propanediol and butanediol ), Carbohydrates (e.g. hyaluronic acid and trehalose), aromatic compounds (e.g. aromatic amines, vanillin and indigo), vitamins and cofactors (as described in Ulimann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, Vol. A27, "Vitamins ", Pp. 443-613 (1996) VCH: Weinheim and den quotes contained therein; and Ong, AS, Niki, E. and Packer, L. (1995) "Nutrition, Lipids, Health and Disease" Proceedings of the UNESCO / Confederation of Scientific and Technological Associations in Malaysia and the Society for Free Radical Research - Asia on the 1st-3rd Sept. 1994 in Penang, Malysia, AOCS Press (1995)), Enzyme and all other chemicals described by Gutcho (1983) in Chemicals by Fermentation, Noyes Data Corporation, ISBN: 0818805086 and the references therein. The metabolism and uses of certain fine chemicals are further explained below.
A. Aminosäure-Λfetajolisinus und VerwendungenA. Amino acid Λfetajolisinus and uses
Die Aminosäuren umfassen die grundlegenden Struktureinheiten sämtlicher Proteine und sind somit für die normalen Zellfunktionen essentiell. Der Begriff "Aminosäure" ist im Fachgebiet bekannt. Die proteinogenen Aminosäuren, von denen es 20 Arten gibt, dienen als Struktureinheiten für Proteine, in denen sie über Pep- tidbindungen miteinander verknüpft sind, wohingegen die nicht- proteinogenen Aminosäuren (von denen Hunderte bekannt sind) gewöhnlich nicht in Proteinen vorkommen (siehe Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, Bd. A2, S. 57-97 VCH: Weinheim (1985)). Die Aminosäuren können in der D- oder L-Konfiguration vorliegen, obwohl L-Aminosäuren gewöhnlich der einzige Typ sind, den man in natürlich vorkommenden Proteinen vorfindet. Biosynthese- und Abbauwege von jeder der 20 proteinogenen Aminosäuren sind sowohl bei prokaryotischen als auch eukaryotisehen Zellen gut charakterisiert (siehe bspw. Stryer, L. Biochemistry, 3. Auflage, S. 578-590 (1988)). Die "essentiellen" Aminosäuren (Hist- idin, Isoleucin, Leucin, Lysin, Methionin, Phenylalanin, Threonin, Tryptophan und Valin) , so bezeichnet, da sie aufgrund der Komplexität ihrer Biosynthese mit der Ernährung aufgenommen werden müssen, werden durch einfache Biosyntheseswege in die übrigen 11 "nichtessentiellen" Aminosäuren (Alanin, Arginin, Asparagin, Aspartat, Cystein, Glutamat, Glutamin, Glycin, Prolin, Serin und Tyrösin) umgewandelt. Höhere Tiere besitzen die Fähigkeit, einige dieser Aminosäuren zu synthetisieren, jedoch müssen die essentiellen Aminosäuren mit der Nahrung aufgenommen werden, damit eine normale Proteinsynthese stattfindet.The amino acids comprise the basic structural units of all proteins and are therefore essential for normal cell functions. The term "amino acid" is known in the art. The proteinogenic amino acids, of which there are 20 types, serve as structural units for proteins in which they are linked to one another via peptide bonds, whereas the non-proteinogenic amino acids (of which hundreds are known) are usually not found in proteins (see Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, Vol. A2, pp. 57-97 VCH: Weinheim (1985)). The amino acids can be in the D or L configuration, although L-amino acids are usually the only type found in naturally occurring proteins. Biosynthetic and degradation pathways of each of the 20 proteinogenic amino acids are well characterized in both prokaryotic and eukaryotic cells (see, for example, Stryer, L. Biochemistry, 3rd edition, pp. 578-590 (1988)). The "essential" amino acids (histidine, isoleucine, leucine, lysine, methionine, phenylalanine, threonine, tryptophan and valine), so called, because they have to be included in the diet due to the complexity of their biosynthesis, are converted into the remaining 11 "non-essential" amino acids (alanine, arginine, asparagine, aspartate, cysteine, glutamate, glutamine, glycine, proline, serine and tyrosine). Higher animals have the ability to synthesize some of these amino acids, but the essential amino acids must be ingested with food for normal protein synthesis to take place.
Abgesehen von ihrer Funktion bei der Proteinbiosynthese sind diese Aminosäuren interessante Chemikalien an sich, und man hat entdeckt, daß viele bei verschiedenen Anwendungen in der Nahrungsmittel-, Futter-, Chemie-, Kosmetik-, Landwirtschafts- und pharmazeutischen Industrie zum Einsatz kommen. Lysin ist.nicht nur für die Ernährung des Menschen eine wichtige Aminosäure, sondern auch für monogastrische Tiere, wie Geflügel und Schweine. Glutamat wird am häufigsten als Geschmacksadditiv (Mononatrium- glutamat, MSG) sowie weithin in der Nahrungsmittelindustrie verwendet, wie auch Aspartat, Phenylalanin, Glycin und Cystein. Glycin, L-Methionin und Tryptophan werden sämtlich in der pharmazeu- 5 tischen Industrie verwendet. Glutamin, Valin, Leucin, Isoleucin, Histidin, Arginin, Prolin, Serin und Alanin werden in der pharmazeutischen Industrie und der Kosmetikindustrie verwendet. Threonin, Tryptophan und D-/L-Methionin sind weitverbreitete Futtermittelzusätze ( euchtenberger, W. (1996) Amino acids - technicalAside from their function in protein biosynthesis, these amino acids are interesting chemicals per se and it has been discovered that many are used in various applications in the food, feed, chemical, cosmetic, agricultural and pharmaceutical industries. Lysine is not only an important amino acid for human nutrition, but also for monogastric animals such as poultry and pigs. Glutamate is most commonly used as a flavor additive (monosodium glutamate, MSG) and is widely used in the food industry, as well as aspartate, phenylalanine, glycine and cysteine. Glycine, L-methionine and tryptophan are all used in the pharmaceutical industry. Glutamine, valine, leucine, isoleucine, histidine, arginine, proline, serine and alanine are used in the pharmaceutical and cosmetic industries. Threonine, tryptophan and D- / L-methionine are widespread feed additives (euchtenberger, W. (1996) Amino acids - technical
10 production and use, S. 466-5.02 in Rehm et al., (Hrsg.) Biotechnology Bd. 6, Kapitel 14a, VCH: Weinheim) . Man hat entdeckt, daß sich diese Aminosäuren außerdem als Vorstufen für die Synthese von synthetischen Aminosäuren und Proteinen, wie N-Acetylcystein, S-Carboxymethyl-L-cystein, (S)-5-Hydroxytryptophan und anderen,10 production and use, pp. 466-5.02 in Rehm et al., (Ed.) Biotechnology Vol. 6, Chapter 14a, VCH: Weinheim). It has been discovered that these amino acids can also be used as precursors for the synthesis of synthetic amino acids and proteins such as N-acetylcysteine, S-carboxymethyl-L-cysteine, (S) -5-hydroxytryptophan and others,
15 in Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, Bd. A2, S. 57-97, VCH, Weinheim, 1985 beschriebenen Substanzen eignen.15 in Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, Vol. A2, pp. 57-97, VCH, Weinheim, 1985 are suitable substances.
Die Biosynthese dieser natürlichen Aminosäuren in Organismen, die sie produzieren können, bspw. Bakterien, ist gut charakterisiertThe biosynthesis of these natural amino acids in organisms that can produce them, e.g. bacteria, is well characterized
20 worden (für einen Überblick der bakteriellen Aminosäure-Biosynthese und ihrer Regulation, s. Umbarger, H.E. (1978) Ann. Rev. Biochem. 47: 533 - 606). Glutamat wird durch reduktive Aminierung von α-Ketoglutarat, einem Zwischenprodukt im Citronensäure-Zy- klus, synthetisiert. Glutamin, Prolin und Arginin werden jeweils20 (for an overview of bacterial amino acid biosynthesis and its regulation, see Umbarger, H.E. (1978) Ann. Rev. Biochem. 47: 533-606). Glutamate is synthesized by reductive amination of α-ketoglutarate, an intermediate in the citric acid cycle. Glutamine, proline and arginine are used
25 nacheinander aus Glutamat erzeugt. Die Biosynthese von Serin erfolgt in einem Dreischritt-Verfahren und beginnt mit 3-Phosphog- lycerat (einem Zwischenprodukt bei der Glykolyse) , und ergibt nach Oxidations-, Transaminierungs- und Hydrolyseschritten diese Aminosäure. Cystein und Glycin werden jeweils aus Serin produ-25 successively generated from glutamate. The biosynthesis of serine takes place in a three-step process and begins with 3-phosphoglycerate (an intermediate in glycolysis), and gives this amino acid after oxidation, transamination and hydrolysis steps. Cysteine and glycine are each produced from serine
30 ziert, und zwar die erstere durch Kondensation von Homocystein mit Serin, und die letztere durch Übertragung des Seitenket- ten-ß-Kohlenstoffatoms auf Tetrahydrofolat, in einer durch Serin- transhydroxymethylase katalysierten Reaktion. Phenylalanin und Tyrösin werden aus den Vorstufen des Glycolyse- und Pentosephosp-30 adorned, the former by condensation of homocysteine with serine, and the latter by transferring the side chain ß-carbon atom to tetrahydrofolate, in a reaction catalyzed by serine transhydroxymethylase. Phenylalanine and tyrosine are derived from the precursors of glycolysis and pentose phosphate.
35 hatweges, Erythrose-4-phosphat und Phosphoenolpyruvat in einem 9-Schritt-Biosyntheseweg synthetisiert, der sich nur in den letzten beiden Schritten nach der Synthese von Prephenat unterscheidet. Tryptophan wird ebenfalls aus diesen beiden Ausgangsmolekülen produziert, jedoch erfolgt dessen Synthese in einem35 synthesized erythrose-4-phosphate and phosphoenolpyruvate in a 9-step biosynthetic pathway that only differs in the last two steps after prephenate synthesis. Tryptophan is also produced from these two starting molecules, but its synthesis takes place in one
40 11-Schritt-Weg. Tyrösin läßt sich in einer durch Phenylalaninhy- droxylase katalysierten Reaktion auch aus Phenylalanin herstellen. Alanin, Valin und Leucin sind jeweils Biosyntheseprodukte aus Pyruvat, dem Endprodukt der Glykolyse. Aspartat wird aus Oxa- lacetat, einem Zwischenprodukt des Citratzyklus, gebildet. Aspa-40 11-step path. Tyrösin can also be prepared from phenylalanine in a reaction catalyzed by phenylalanine hydroxylase. Alanine, valine and leucine are each biosynthetic products from pyruvate, the end product of glycolysis. Aspartate is formed from oxa acetate, an intermediate of the citrate cycle. aspartic
45 ragin, Methionin, Threonin und Lysin werden jeweils durch Umwandlung von Aspartat produziert. Isoleucin wird aus Threonin gebildet. In einem komplexen 9-Schritt-Weg erfolgt die Bildung von Histidin aus 5-Phosphoribosyl-l-pyrophosphat, einem aktivierten Zucker.45 ragin, methionine, threonine and lysine are each produced by converting aspartate. Isoleucine is made from threonine. In a complex 9-step process, the formation of Histidine from 5-phosphoribosyl-1-pyrophosphate, an activated sugar.
Aminosäuren, deren Menge den Proteinbiosynthesebedarf der Zelle übersteigt, können nicht gespeichert werden, und werden stattdessen abgebaut, so daß Zwischenprodukte für die Haupt-Stoffwechselwege der Zelle bereitgestellt werden (für einen Überblick siehe Stryer, L., Biochemistry, 3. Aufl. Kap. 21 "Amino Acid Degradation and the Urea Cycle"; S 495-516 (1988)). Die Zelle ist zwar in der Lage, ungewünschte Aminosäuren in nützliche Stoffwechsel-Zwischenprodukte umzuwandeln, jedoch ist die Aminosäureproduktion hinsichtlich der Energie, der Vorstufenmoleküle und der für ihre Synthese nötigen Enzyme aufwendig. Es überrascht daher nicht, daß die Aminosäure-Biosynthese durch Feedback-Hemmung reguliert wird, wobei das Vorliegen einer bestimmten Aminosäure ihre eigene Produktion verlangsamt oder ganz beendet (für einen Überblick über den Rückkopplungs-Mechanismus bei Aminosäure-Bio- synthesewegen, siehe Stryer, L., Biochemistry, 3. Aufl., Kap. 24, "Biosynthesis of Amino Acids and Heme", S. 575-600 (1988)). Der Ausstoß einer bestimmten Aminosäure wird daher durch die Menge dieser Aminosäure in der Zelle eingeschränkt.Amino acids, the amount of which exceeds the cell's protein biosynthesis requirement, cannot be stored and are instead broken down, so that intermediate products are provided for the main metabolic pathways of the cell (for an overview see Stryer, L., Biochemistry, 3rd ed. Chap. 21 "Amino Acid Degradation and the Urea Cycle"; S 495-516 (1988)). Although the cell is able to convert unwanted amino acids into useful metabolic intermediates, the production of amino acids is expensive in terms of energy, precursor molecules and the enzymes required for their synthesis. It is therefore not surprising that amino acid biosynthesis is regulated by feedback inhibition, the presence of a certain amino acid slowing down or completely stopping its own production (for an overview of the feedback mechanism in amino acid biosynthesis pathways, see Stryer, L ., Biochemistry, 3rd ed., Chapter 24, "Biosynthesis of Amino Acids and Heme", pp. 575-600 (1988)). The output of a certain amino acid is therefore restricted by the amount of this amino acid in the cell.
B. Vitamine, Cofaktoren und Nutrazeutika-Metabolismus sowie VerwendungenB. vitamins, cofactors and nutraceutical metabolism and uses
Vitamine, Cofaktoren und Nutrazeutika umfassen eine weitere Gruppe von Molekülen. Höhere Tiere haben die Fähigkeit verloren, diese zu synthetisieren und müssen sie somit aufnehmen, obwohl sie leicht durch andere Organismen, wie Bakterien, synthetisiert werden. Diese Moleküle sind entweder biologisch aktive Moleküle an sich oder Vorstufen von biologisch aktiven Substanzen, die als Elektronenträger oder Zwischenprodukte bei einer Reihe von Stoffwechselwegen dienen. Diese Verbindungen haben neben ihrem Nährwert auch einen signifikanten industriellen Wert als Farbstoffe, ■ Antioxidantien und Katalysatoren oder andere Verarbeitungs-Hilf- stoffe. (Für einen Überblick über die Struktur, Aktivität und die industriellen Anwendungen dieser Verbindungen siehe bspw. Ull-^ mann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, "Vitamins", Bd. A27, S. 443-613, VCH: Weinheim, 1996). Der Begriff "Vitamin" ist im Fachgebiet bekannt und umfaßt Nährstoffe, die von einem Organismus für eine normale Funktion benötigt werden, jedoch nicht von diesem Organismus selbst synthetisiert werden können. Die Gruppe der Vitamine kann Cofaktoren und nutrazeutische Verbindungen umfassen. Der Begriff "Cofaktor" umfaßt nicht-proteinartige Verbin- düngen, die für das Auftreten einer normalen Enzymaktivität nötig sind. Diese Verbindungen können organisch oder anorganisch sein; die erfindungsgemäßen Cofaktor-Moleküle sind vorzugsweise orga- nisch. Der Begriff "Nutrazeutikum" umfaßt Nahrungsmittelzusätze, die bei Pflanzen und Tieren, insbesondere dem Menschen, gesundheitsfördernd sind. Beispiele solcher Moleküle sind Vitamine, An- tioxidantien und ebenfalls bestimmte Lipide (z.B. mehrfach unge- sättigte Fettsäuren) .Vitamins, cofactors and nutraceuticals comprise another group of molecules. Higher animals have lost the ability to synthesize them and must therefore absorb them, although they are easily synthesized by other organisms such as bacteria. These molecules are either biologically active molecules per se or precursors of biologically active substances that serve as electron carriers or intermediates in a number of metabolic pathways. In addition to their nutritional value, these compounds also have a significant industrial value as dyes, ■ antioxidants and catalysts or other processing aids. (For an overview of the structure, activity and the industrial applications of these compounds, see, for example, Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, "Vitamins", Vol. A27, pp. 443-613, VCH: Weinheim, 1996). The term "vitamin" is known in the art and encompasses nutrients which are required by an organism for normal function, but which cannot be synthesized by this organism itself. The group of vitamins can include cofactors and nutraceutical compounds. The term "cofactor" encompasses non-proteinaceous compounds which are necessary for the occurrence of normal enzyme activity. These compounds can be organic or inorganic; the cofactor molecules according to the invention are preferably organic cally. The term "nutraceutical" encompasses food additives which are beneficial to plants and animals, in particular humans. Examples of such molecules are vitamins, antioxidants and also certain lipids (eg polyunsaturated fatty acids).
Die Biosynthese dieser Moleküle in Organismen, die zu ihrer Produktion befähigt sind, wie Bakterien, ist umfassend charakterisiert worden (Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, "Vitamins", Bd. A27, S. 443-613, VCH: Weinheim, 1996, Michal, G. (1999) Biochemical Pathways: An Atlas of Biochemistry and Molecular Biology, John Wiley & Sons; Ong, A.S., Niki, E. und Packer, L. (1995) "Nutrition, Lipids, Health and Disease" Proceedings of the UNESCO/Confederation of Scientific and Technological Associations in Malaysia and the Society for free Radical Research - Asien, abgehalten am 1.-3. Sept. 1994 in Penang, Malaysia, AOCS Press, Champaign, IL X, 374 S) .The biosynthesis of these molecules in organisms capable of producing them, such as bacteria, has been extensively characterized (Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, "Vitamins", Vol. A27, pp. 443-613, VCH: Weinheim, 1996, Michal, G. (1999) Biochemical Pathways: An Atlas of Biochemistry and Molecular Biology, John Wiley &Sons; Ong, AS, Niki, E. and Packer, L. (1995) "Nutrition, Lipids, Health and Disease" Proceedings of the UNESCO / Confederation of Scientific and Technological Associations in Malaysia and the Society for free Radical Research - Asia, held on September 1-3, 1994 in Penang, Malaysia, AOCS Press, Champaign, IL X, 374 S).
Thiamin (Vitamin Bi) wird durch chemisches Kuppeln von Pyrimidin und Thiazol-Einheiten gebildet. Riboflavin (Vitamin B ) wird aus Guanosin-5'-triphosphat (GTP) und Ribose-5 ' -phosphat synthetisiert. Riboflavin wiederum wird zur Synthese von Flavinmononu- kleotid (FMN) und Flavinadenindinukleotid (FAD) eingesetzt. Die Familie von Verbindungen, die gemeinsam als "Vitamin B6" bezeich- net werden (bspw. Pyridoxin, Pyridoxamin, Pyridoxal-5 '-phosphat und das kommerziell verwendete Pyridoxinhydrochlorid) , sind alle Derivate der gemeinsamen Struktureinheit 5-Hydroxy-6-methylpyri- din. Panthothenat (Pantothensäure, R-(+)-N-(2,4-Dihydroxy-3 , 3-di- methyl-1-oxobutyl) -ß-alanin) kann entweder durch chemische Syn- these oder durch Fermentation hergestellt werden. Die letztenThiamine (vitamin Bi) is formed by chemical coupling of pyrimidine and thiazole units. Riboflavin (vitamin B) is synthesized from guanosine 5'-triphosphate (GTP) and ribose 5'-phosphate. Riboflavin in turn is used to synthesize flavin mononucleotide (FMN) and flavin adenine dinucleotide (FAD). The family of compounds which are collectively referred to as "vitamin B6" (for example pyridoxine, pyridoxamine, pyridoxal 5 'phosphate and the commercially used pyridoxine hydrochloride) are all derivatives of the common structural unit 5-hydroxy-6-methylpyri- din. Panthothenate (pantothenic acid, R - (+) - N- (2,4-dihydroxy-3, 3-dimethyl-1-oxobutyl) -ß-alanine) can be produced either by chemical synthesis or by fermentation. The last
Schritte bei der Pantothenat-Biosynthese bestehen aus der ATP-ge- triebenen Kondensation von ß-Alanin und Pantoinsäure. Die für die Biosyntheseschritte für die Umwandlung in Pantoinsäure, in ß-Ala- nin und zur Kondensation in Pantothensäure verantwortlichen En- zyme sind bekannt . Die metabolisch aktive Form von Pantothenat ist Coenzym A, dessen Biosynthese über 5 enzyatische Schritte verläuft. Pantothenat, Pyridoxal-5 ' -phosphat, Cystein und ATP sind die Vorstufen von Coenzym A. Diese Enzyme katalysieren nicht nur die Bildung von Pantothenat, sondern auch die Produktion von (R) -Pantoinsäure, (R)-Pantolacton, (R)-Panthenol (Provitamin B5) , Pantethein (und seinen Derivaten) und Coenzym A.Steps in pantothenate biosynthesis consist of the ATP-driven condensation of ß-alanine and pantoic acid. The enzymes responsible for the biosynthesis steps for the conversion into pantoic acid, into β-alanine and for the condensation into pantothenic acid are known. The metabolically active form of pantothenate is coenzyme A, the biosynthesis of which takes place in 5 enzyatic steps. Pantothenate, pyridoxal-5 '-phosphate, cysteine and ATP are the precursors of coenzyme A. These enzymes not only catalyze the formation of pantothenate, but also the production of (R) -pantoic acid, (R) -pantolactone, (R) - Panthenol (provitamin B 5 ), Pantethein (and its derivatives) and coenzyme A.
Die Biosynthese von Biotin aus dem Vorstufenmolekül Pimeloyl-CoA in Mikroorganismen ist ausführlich untersucht worden, und man hat mehrere der beteiligten Gene identifiziert. Es hat sich herausgestellt, daß viele der entsprechenden Proteine an der Fe-Cluster- Synthese beteiligt sind und zu der Klasse der nifS-Proteine gehö- ren. Die Liponsäure wird von der Octanonsäure abgeleitet und dient als Coenzym beim Energie-Metabolismus, wo sie Bestandteil des Pyruvatdehydrogenasekomplexes und des α-Ketoglutaratdehydro- genasekoplexes wird. Die Folate sind eine Gruppe von Substanzen, die alle von der Folsäure abgeleitet werden, die wiederum von L- Glutaminsäure, p-Aminobenzoesäure und 6-Methylpterin hergeleitet ist. Die Biosynthese der Folsäure und ihrer Derivate, ausgehend von den metabolischen Stoffwechselzwischenprodukten Guano- sin-5 ' -triphosphat (GTP) , L-Glutaminsäure und p-Aminobenzoesäure ist in bestimmten Mikroorganismen eingehend untersucht worden.The biosynthesis of biotin from the precursor molecule pimeloyl-CoA in microorganisms has been extensively investigated and several of the genes involved have been identified. It has been found that many of the corresponding proteins are involved in the Fe cluster synthesis and belong to the class of the nifS proteins. The lipoic acid is derived from octanoic acid and serves as a coenzyme in energy metabolism, where it becomes part of the pyruvate dehydrogenase complex and the α-ketoglutarate dehydrogenase complex. The folates are a group of substances that are all derived from folic acid, which in turn is derived from L-glutamic acid, p-aminobenzoic acid and 6-methylpterine. The biosynthesis of folic acid and its derivatives, starting from the metabolic intermediates guanosine 5 'triphosphate (GTP), L-glutamic acid and p-aminobenzoic acid, has been extensively investigated in certain microorganisms.
Corrinoide (wie die Cobalamine und insbesondere Vitamin B3.2) und die Porphyrine gehören zu einer Gruppe von Chemikalien, die sich durch ein Tetrapyrrol-Ringsystem auszeichnen. Die Biosynthese von Vitamin B3.2 ist hinreichend komplex, daß sie noch nicht vollständig charakterisiert worden ist, jedoch ist inzwischen ein Großteil der beteiligten Enzyme und Substrate bekannt. Nikotinsäure (Nikotinat) und Nikotinamid sind Pyridin-Derivate, die auch als "Niacin" bezeichnet werden. Niacin ist die Vorstufe der wichtigen Coenzyme NAD (Nikotinamidadenindinukleotid) und NADP (Nikotinami- dadenindinukleotidphosphat) und ihrer reduzierten Formen.Corrinoids (such as the cobalamins and especially vitamin B 3.2 ) and the porphyrins belong to a group of chemicals that are characterized by a tetrapyrrole ring system. The Biosynthesis of Vitamin B 3 . 2 is sufficiently complex that it has not been fully characterized, but a large part of the enzymes and substrates involved is now known. Nicotinic acid (nicotinate) and nicotinamide are pyridine derivatives, which are also called "niacin". Niacin is the precursor of the important coenzymes NAD (nicotinamide adenine dinucleotide) and NADP (nicotinamide adenine dinucleotide phosphate) and their reduced forms.
Die Produktion dieser Verbindungen im Großmaßstab beruht größtenteils auf zellfreien chemischen Synthesen, obwohl einige dieser Chemikalien ebenfalls durch großangelegte Anzucht von Mikroorganismen produziert worden sind, wie Riboflavin, Vitamin Bζ, Pantothenat und Biotin. Nur Vitamin Bι2 wird aufgrund der Komplexität seiner Synthese lediglich durch Fermentation produziert. In-vi- tro-Verfahren erfordern einen erheblichen Aufwand an Materialien und Zeit und häufig an hohen Kosten.The production of these compounds on a large scale is largely based on cell-free chemical syntheses, although some of these chemicals have also been produced by large-scale cultivation of microorganisms, such as riboflavin, vitamin Bζ, pantothenate and biotin. Only vitamin Bι 2 is only produced by fermentation due to the complexity of its synthesis. In-vitro processes require a considerable amount of materials and time and often high costs.
C. Purin-, Pyrimidin-, Nukleosid- und Nukleotid-Metabolismus und VerwendungenC. Purine, Pyrimidine, Nucleoside and Nucleotide Metabolism and Uses
Gene für den Purin- und Pyrimidin-Stoffwechsel und ihre entsprechenden Proteine sind wichtige Ziele für die Therapie von Tumorerkrankungen und Virusinfektionen. Der Begriff "Purin" oder "Pyrimidin" umfaßt stickstoffhaltige Basen, die Bestandteil der Nukleinsäuren, Coenzyme und Nukleotide sind. Der Begriff "Nukleo- tid" beinhaltet die grundlegenden Struktureinheiten der Nukleinsäuremoleküle, die eine stickstoffhaltige Base, einen Pentose- Zucker (bei RNA ist der Zucker Ribose, bei DNA ist der Zucker D- Desoxyribose) und Phosphorsäure umfassen. Der Begriff "Nukleosid" umfaßt Moleküle, die als Vorstufen von Nukleotiden dienen, die aber im Gegensatz zu den Nukleotiden keine Phosphorsäureeinheit aufweisen. Durch Hemmen der Biosynthese dieser Moleküle oder ihrer Mobilisation zur Bildung von Nukleinsäuremolekülen ist es möglich, die RNA- und DNA-Synthese zu hemmen; wird diese Aktivität zielgerichtet bei kanzerogenen Zellen gehemmt, läßt sich die Teilungs- und Replikations-Fähigkeit von Tumorzellen hemmen. Es gibt zudem Nukleotide, die keine Nukleinsäuremoleküle bilden, je- doch als Energiespeicher (d.h. AMP) oder als Coenzyme (d.h. FAD und NAD) dienen.Genes for the purine and pyrimidine metabolism and their corresponding proteins are important targets for the therapy of tumor diseases and viral infections. The term "purine" or "pyrimidine" encompasses nitrogen-containing bases which are part of the nucleic acids, coenzymes and nucleotides. The term “nucleotide” includes the basic structural units of the nucleic acid molecules, which comprise a nitrogenous base, a pentose sugar (for RNA the sugar is ribose, for DNA the sugar is D-deoxyribose) and phosphoric acid. The term "nucleoside" encompasses molecules which serve as precursors of nucleotides, but which, in contrast to the nucleotides, have no phosphoric acid unit. It is by inhibiting the biosynthesis of these molecules or their mobilization to form nucleic acid molecules possible to inhibit RNA and DNA synthesis; if this activity is specifically inhibited in carcinogenic cells, the ability of tumor cells to divide and replicate can be inhibited. There are also nucleotides that do not form nucleic acid molecules, but serve as energy stores (ie AMP) or as coenzymes (ie FAD and NAD).
Mehrere Veröffentlichungen haben die Verwendung dieser Chemikalien für diese medizinischen Indikationen beschrieben, wobei der Purin- und/oder Pyrimidin-Metabolismus beeinflußt wird (bspw.Several publications have described the use of these chemicals for these medical indications, whereby the purine and / or pyrimidine metabolism is influenced (e.g.
Christopherson, R.I. und Lyons, S.D. (1990) "Potent inhibitors of de novo pyrimidine and purine biosynthesis as chemotherapeutic agents", Med. Res. Reviews 10: 505-548). Untersuchungen an Enzymen, die am Purin- und Pyrimidin-Metabolismus beteiligt sind, ha- ben sich auf die Entwicklung neuer Medikamente konzentriert, die bspw. als Immunsuppressionsmittel oder Antiproliferantien verwendet werden können (Smith, J.L. "Enzymes in Nucleotide Synthesis" Curr. Opin. Struct. Biol. 5 (1995) 752-757; Biochem. Soc. Trans- act. 23 (1995) 877-902). Die Purin- und Pyrimidinbasen, Nukleo- side und Nukleotide haben jedoch auch andere Einsatzmöglichkeiten: als Zwischenprodukte bei der Biosysnthese verschiedener Feinchemikalien (z.B. Thiamin, S-Adenosyl-methionin, Folate oder Riboflavin) , als Energieträger für die Zelle (bspw. ATP oder GTP) und für Chemikalien selbst, werden gewöhnlich als Geschmacksver- stärker verwendet (bspw. IMP oder GMP) oder für viele medizinische Anwendungen (siehe bspw. Kuninaka, A., (1996) "Nucleotides and Related Compounds in Biotechnology Bd. 6 , Rehm et al . , Hrsg. VCH: Weinheim, S. 561-612) . Enzyme, die am Purin-, Pyrimidin-, Nukleosid- oder Nukleotid-Metabolismus beteiligt sind, dienen auch immer stärker als Ziele, gegen die Chemikalien für denChristopherson, R.I. and Lyons, S.D. (1990) "Potent inhibitors of de novo pyrimidine and purine biosynthesis as chemotherapeutic agents", Med. Res. Reviews 10: 505-548). Studies on enzymes involved in purine and pyrimidine metabolism have focused on the development of new drugs that can be used, for example, as immunosuppressants or antiproliferants (Smith, JL "Enzymes in Nucleotide Synthesis" Curr. Opin. Struct. Biol. 5 (1995) 752-757; Biochem. Soc. Transact. 23 (1995) 877-902). However, the purine and pyrimidine bases, nucleosides and nucleotides also have other possible uses: as intermediates in the biosynthesis of various fine chemicals (e.g. thiamine, S-adenosyl methionine, folate or riboflavin), as energy sources for the cell (e.g. ATP or GTP ) and for chemicals themselves, are usually used as flavor enhancers (for example IMP or GMP) or for many medical applications (see for example Kuninaka, A., (1996) "Nucleotides and Related Compounds in Biotechnology Vol. 6, Rehm et al., ed. VCH: Weinheim, pp. 561-612) Enzymes that are involved in the purine, pyrimidine, nucleoside or nucleotide metabolism are also increasingly serving as targets against which chemicals for the
Pflanzenschutz, einschließlich Fungiziden, Herbiziden und Insektiziden entwickelt werden.Plant protection including fungicides, herbicides and insecticides are being developed.
Der Metabolismus dieser Verbindungen in Bakterien ist charakteri- siert worden (für Übersichten siehe bspw. Zalkin, H. und Dixon, J.E. (1992) "De novo purin nucleotide biosynthesis" in Progress in Nucleic Acids Research and Molecular biology, Bd. 42, Academic Press, S. 259-287; und Michal, G. (1999) "Nucleotides and-Nucleo- sides"; Kap. 8 in : Biochemical Pathways: An Atlas of Biochemis- try and Molecular Biology, Wiley, New York) . Der Purin-Metabolismus, das Objekt intesiver Forschung, ist für das normale Funktionieren der Zelle essentiell. Ein gestörter Purin-Metabolismus in höheren Tieren kann schwere Erkrankungen verursachen, bspw. Gicht. Die Purinnukleotide werden über eine Reihe von Schritten über die Zwischenverbindung Inosin-5 ' -phosphat (IMP) aus Ri- bose-5-phosphat synthetisiert, was zur Produktion von Guano- sin-5'-monophosphat (GMP) oder Adenosin-5 '-monophosphat (AMP) führt, aus denen sich die als Nukleotide verwendeten Triphosphat- formen leicht herstellen lassen. Diese Verbindungen werden auch als Energiespeicher verwendet, so daß ihr Abbau Energie für viele verschiedene biochemische Prozesse in der Zelle liefert. Die Py- rimidinbiosynthese erfolgt über die Bildung von Uridin-5'- ono- phosphat (UMP) aus Ribose-5-phosphat. UMP wiederum wird in Cyti- din-5 ' -triphosphat (CTP) umgewandelt. Die Desoxyformen sämtlicher Nukleotide werden in einer Einschritt-Reduktionsreaktion aus der Diphosphat-Riboseform des Nukleotides zur Diphosphat-Desoxyribo- seform des Nukleotides hergestellt. Nach der Phosphorylierung können diese Moleküle an der DNA-Synthese teilnehmen.The metabolism of these compounds in bacteria has been characterized (for overviews see, for example, Zalkin, H. and Dixon, JE (1992) "De novo purin nucleotide biosynthesis" in Progress in Nucleic Acids Research and Molecular biology, Vol. 42, Academic Press, pp. 259-287; and Michal, G. (1999) "Nucleotides and-Nucleosides"; Chap. 8 in: Biochemical Pathways: An Atlas of Biochemistry and Molecular Biology, Wiley, New York). Purine metabolism, the object of intensive research, is essential for the normal functioning of the cell. A disturbed purine metabolism in higher animals can cause serious illnesses, e.g. gout. The purine nucleotides are synthesized from ribose 5-phosphate via a series of steps via the intermediate compound inosine 5 'phosphate (IMP), which leads to the production of guanosine 5'-monophosphate (GMP) or adenosine 5' -monophosphate (AMP) leads from which the triphosphate forms used as nucleotides can be easily produced. These compounds are also used as energy stores so that their degradation provides energy for many different biochemical processes in the cell. Pyrimidine biosynthesis takes place via the formation of uridine 5'-onophosphate (UMP) from ribose 5-phosphate. UMP in turn is converted into cytidine 5 'triphosphate (CTP). The deoxy forms of all nucleotides are produced in a one-step reduction reaction from the diphosphate ribose form of the nucleotide to the diphosphate deoxyribose form of the nucleotide. After phosphorylation, these molecules can participate in DNA synthesis.
D. Tre alose-ΔfetaJbolis-Tius und VerwendungenD. Tre alose-ΔfetaJbolis-Tius and uses
Trehalose besteht aus zwei Glucosemolekülen, die über α,α-l,l-Bindung miteinander verknüpft sind. Sie wird gewöhnlich in der Nahrungsmittelindustrie als Süßstoff, als Additiv für getrocknete oder gefrorene Nahrungsmittel sowie in Getränken verwendet. Sie wird jedoch auch in der pharmazeutischen Industrie, der Kosmetik- und Biotechnologie-Industrie angewendet (s. bspw. Nishimoto et al . , (1998) US-Patent Nr. 5.759 610; Singer, M.A. und Lindquist, S. Trends Biotech. 16 (1998) 460-467; Paiva, C.L.A. und Panek, A.D. Biotech Ann. Rev. 2 (1996) 293-314; und Shiosaka, M. J. Japan 172 (1997) 97-102). Trehalose wird durch Enzyme von vielen Mikroorganismen produziert und auf natürliche Weise in das umgebende Medium abgegeben, aus dem sie durch im Fachgebiet bekannte Verfahren gewonnen werden kann.Trehalose consists of two glucose molecules that are linked by an α, α-l, l bond. It is commonly used in the food industry as a sweetener, as an additive for dried or frozen foods, and in beverages. However, it is also used in the pharmaceutical, cosmetics and biotechnology industries (see, e.g., Nishimoto et al., (1998) US Patent No. 5,759,610; Singer, MA and Lindquist, S. Trends Biotech. 16 (1998) 460-467; Paiva, CLA and Panek, AD Biotech Ann. Rev. 2 (1996) 293-314; and Shiosaka, MJ Japan 172 (1997) 97-102). Trehalose is produced by enzymes from many microorganisms and is naturally released into the surrounding medium from which it can be obtained by methods known in the art.
II. Aufrechterhaltun der Homöostase in C. glutamicum und Umwelt- AnpassungII. Maintenance of C. glutamicum homeostasis and environmental adaptation
Die metabolischen und anderen biochemischen Prozesse, durch die Zellen funktionieren, sind gegenüber Umweltbedingungen, wie Temperatur, Druck, Konzentrationen an gelösten Stoffen und Sauer- StoffVerfügbarkeit empfindlich. Werden eine oder mehrere dieser Umweltbedingungen gestört oder in eine Weise verändert, die mit dem normalen Funktionieren dieser Zellprozesse nicht kompatibel ist, muß die Zelle eine intrazelluläre Umgebung aufrechterhalten, die es ihr ermöglicht, trotz der feindlichen extrazellulären Um- gebung zu überleben. Gram-positive Bakterienzellen, wie C. gluta- micum-Zellen, haben eine Reihe von Mechanismen, durch die die interne Homöostase trotz ungünstiger extrazellulärer Bedingungen aurechterhalten werden kann. Diese umfassen eine Zellwand, Proteine, die mögliche toxische aromatische und aliphatische Verbin- düngen abbauen können, Proteolyse-Mechanismen, durch die falsch gefaltete oder falsch regulierte Proteine rasch zerstört werden können und Katalysatoren, die intrazelluläre Reaktionen ermögli- chen können, die unter den Bedingungen, die für Bakterienwachstum optimal sind, normal nicht stattfinden würden.The metabolic and other biochemical processes through which cells function are sensitive to environmental conditions such as temperature, pressure, concentrations of solutes and the availability of oxygen. If one or more of these environmental conditions are disturbed or changed in a way that is incompatible with the normal functioning of these cell processes, the cell must maintain an intracellular environment that enables it to survive despite the hostile extracellular environment. Gram-positive bacterial cells, such as C. glutamicum cells, have a number of mechanisms by which internal homeostasis can be maintained in spite of unfavorable extracellular conditions. These include a cell wall, proteins that can break down possible toxic aromatic and aliphatic compounds, proteolysis mechanisms that can quickly destroy incorrectly folded or incorrectly regulated proteins, and catalysts that enable intracellular reactions. that would not normally take place under the conditions that are optimal for bacterial growth.
Neben dem bloßen Überleben in einer feindlichen Umgebung können sich Bakterienzellen (z.B. C. gluta icum-Zellen) häufig anpassen, so daß sie aus solchen Bedingungen einen Vorteil ziehen können. Zellen in einer Umgebung, der die gewünschten Kohlenstoffquellen fehlen, können sich bspw. an das Wachstum auf einer weniger geeigneten Kohlenstoffquelle anpassen. Auch können Zellen weniger wünschenswerte anorganische Verbindungen nutzen, wenn die gewöhnlich verwendeten nicht verfügbar sind. C. glutamicum-Zellen besitzen eine Reihe von Genen, die ihnen ermöglichen, sich anzupassen, so daß sie anorganische Moleküle nutzen, denen sie gewöhnlich unter optimalen Wachstumsbedingungen als Nährstoffe und Vor- stufen für den Metabolismus nicht begegnen würden. Nachstehend sind Aspekte der zellulären Prozesse eingehend beschrieben, die an der Homöostase und an der Anpassung beteiligt sind.In addition to simply surviving in a hostile environment, bacterial cells (e.g. C. gluta icum cells) can often adapt so that they can take advantage of such conditions. For example, cells in an environment that lack the desired carbon sources can adapt to growth on a less suitable carbon source. Cells can also use less desirable inorganic compounds if the commonly used ones are not available. C. glutamicum cells have a number of genes which enable them to adapt so that they use inorganic molecules which they would normally not encounter under optimal growth conditions as nutrients and precursors for metabolism. Aspects of the cellular processes involved in homeostasis and adaptation are described in detail below.
A. Modifikation und Abbau aromatischer und aliphatischer Verbin- düngenA. Modification and degradation of aromatic and aliphatic compounds
Bakterienzellen sind regelmäßig einer Vielzahl von aromatischen und aliphatischen Verbindungen in der Natur ausgesetzt. Aromatische Verbindungen sind organische Moleküle mit einer cyklischen Ringstruktur, wohingegen aliphatische Verbindungen organische Moleküle mit offenen Kettenstrukturen statt Ringstrukturen sind. Diese Verbindungen können als Nebenprodukte industrieller Verfahren vorkommen (z.B. Benzol oder Toluol) , können jedoch auch durch bestimmte Mikroorganismen (z.B. Alkohole) produziert werden. Viele dieser Verbindungen sind für die Zellen toxisch, insbesondere die aromatischen Verbindungen, die aufgrund der energiereichen Ringstruktur hoσhreaktiv sind. Folglich haben bestimmte Bakterien Mechanismen entwickelt, durch die sie diese Verbindungen modifizieren oder abbauen können, so daß sie für die Zelle nicht länger gefährlich sind. Zellen können Enzyme besitzen, die aromatische oder aliphatische Verbindungen hydroxylieren, isomerisie- ren oder methylieren können, so daß sie entweder weniger toxisch gemacht werden, oder so daß die modifizierte Form durch Standard- Zellabfall- und Abbauwege verarbeitet werden kann. Zellen können auch Enzyme besitzen, die eine oder mehrere dieser potentiell toxischen Substanzen spezifisch abbauen können, wodurch die Zelle geschützt wird. Prinzipien und Beispiele für diese Typen von Mo- difiaktions- und Abbauprozesse in Bakterien sind in mehreren Veröffentlichungen beschrieben, bspw. Sahm, H. (1999) "Procaryotes in Industrial Production" in Lengler, J.W. et al., Hrsg. Biology of the Procaryotes, Thieme Verlag: Stuttgart, und Schlegel, H.G. (1992) Allgemeine Mikrobioogie, Thieme, Stuttgart) .Bacterial cells are regularly exposed to a large number of aromatic and aliphatic compounds in nature. Aromatic compounds are organic molecules with a cyclic ring structure, whereas aliphatic compounds are organic molecules with open chain structures instead of ring structures. These compounds can occur as by-products of industrial processes (e.g. benzene or toluene), but can also be produced by certain microorganisms (e.g. alcohols). Many of these compounds are toxic to the cells, especially the aromatic compounds, which are highly reactive due to the high-energy ring structure. As a result, certain bacteria have developed mechanisms by which they can modify or degrade these compounds so that they are no longer dangerous to the cell. Cells can have enzymes that can hydroxylate, isomerize, or methylate aromatic or aliphatic compounds so that they are either made less toxic or so that the modified form can be processed by standard cell waste and degradation routes. Cells can also have enzymes that can specifically degrade one or more of these potentially toxic substances, thereby protecting the cell. Principles and examples of these types of modification and degradation processes in bacteria are described in several publications, for example Sahm, H. (1999) "Procaryotes in Industrial Production" in Lengler, JW et al., Ed. Biology of the Procaryotes, Thieme Published by Stuttgart, and Schlegel, HG (1992) Allgemeine Mikrobioogie, Thieme, Stuttgart).
Neben dem einfachen Inaktivieren schädlicher aromatischer oder aliphatischer Verbindungen haben sich viele Bakterien derart angepaßt, daß sie diese Verbindungen als Kohlenstoffquellen für einen kontinuierlichen Metabolismus nutzen können, wenn die bevorzugten Kohlenstoff uellen der Zellen nicht verfügbar sind. Bspw. sind Pseudomonas-Stämme bekannt, die Toluol, Benzol und 1,10-Dichlordecan als Kohlenstoffquellen nutzen können (Chang, B.V. et al. (1998) Chemosphere 35(12): 2807-2815; Wischnak, C. et al. (1988) Appl. Environ. Microbiol. 64(9): 3507-3511; Churchill, S.A. et al. (1999) Appl. Environ. Microbiol. 65(2): 549-552). Es gibt ähnliche Beispiele für viele andere Bakterienarten, die im Fachgebiet bekannt sind.In addition to simply inactivating harmful aromatic or aliphatic compounds, many bacteria have adapted to use these compounds as carbon sources for continuous metabolism when the preferred carbon sources of the cells are not available. For example. Pseudomonas strains are known which can use toluene, benzene and 1,10-dichlorodecane as carbon sources (Chang, BV et al. (1998) Chemosphere 35 (12): 2807-2815; Wischnak, C. et al. (1988) Appl. Environ. Microbiol. 64 (9): 3507-3511; Churchill, SA et al. (1999) Appl. Environ. Microbiol. 65 (2): 549-552). There are similar examples of many other types of bacteria known in the art.
Man hat begonnen, die Fähigkeit bestimmter Bakterien, aromatische und aliphatische Verbindungen zu modifizieren oder abzubauen, auszunutzen. Rohöl ist ein komplexes Gemisch von Chemikalien, das aliphatische Moleküle und aromatische Verbindungen enthält. Durch Anwendung von Bakterien, die diese toxischen Verbindungen von ausgelaufenem Öl abbauen oder modifizieren können, kann man viele Umweltschäden mit hoher Effizienz und niedrigen Kosten eindämmen (s. bspw. Smith, M.R. (1990) "The biodegradation of aromatic hy- drocarbons by bacteria" Biodegradation 1(2-3): 191-206; undThe ability of certain bacteria to modify or degrade aromatic and aliphatic compounds has begun to be exploited. Crude oil is a complex mixture of chemicals that contains aliphatic molecules and aromatic compounds. By using bacteria that can degrade or modify these toxic compounds from spilled oil, many environmental damage can be contained with high efficiency and low costs (see, for example, Smith, MR (1990) "The biodegradation of aromatic hydrocarbons by bacteria" Biodegradation 1 (2-3): 191-206; and
Suyama, T. et al. (1998) "Bacterials isolates degrading aliphatic polycarbonates" FEMS Microbiol. Lett. 161(2): 255-261).Suyama, T. et al. (1998) "Bacterial isolates degrading aliphatic polycarbonates" FEMS Microbiol. Lett. 161 (2): 255-261).
B. Metabolismus anorganischer VerbindungenB. Metabolism of inorganic compounds
Zellen (bspw. Bakterienzellen) enthalten große Mengen unterschiedlicher Moleküle, wie Wasser, anorganische Ionen und organische Substanzem (bspw. Proteine, Zucker und andere Makromoleküle) . Die Hauptmasse einer gewöhnlichen Zelle besteht aus 4 Atomtypen: Kohlenstoff, Sauerstoff, Wasserstoff und Stickstoff. Anorganische Substanzen machen zwar . nur einen kleineren Prozentsatz des Zellinhaltes aus, jedoch sind sie für das korrekte Funktionieren der Zelle gleichermaßen von Bedeutung. Diese Moleküle umfassen Phosphor, Schwefel, Calcium, Magnesium, Eisen, Zink, Mangan, Kupfer, Molybdän, Wolfram und Kobalt. Viele dieser Verbindungen sind für den Aufbau wichtiger Moleküle, wie Nukleotide (Phosphor) und Aminosäuren (Stickstoff und Schwefel) von Bedeutung. Andere dieser anorganischen Ionen dienen als Cofaktoren für Enzymreaktionen oder tragen zum osmotischen Druck bei. All diese Moleküle müssen von dem Bakterium aus der Umgebung aufgenommen werden. Für jede dieser organischen Verbindungen ist es wünschenswert, daß das Bakterium die Form aufnimmt, die von der Standard-Stoff- Wechselmaschinerie der Zelle am leichtesten verwendet werden kann. Das Bakterium kann jedoch auf Umgebungen stoßen, in denen diese bevorzugten Formen nicht einfach zur Verfügung stehen. Um unter solchen Bedingungen überleben zu können, ist es wichtig, daß die Bakterien zusätzliche biochemische Mechanismen aufweisen, die weniger metabolisch aktive, jedoch leicht verfügbare Formen dieser anorganischen Verbindungen in Formen umwandeln können, die vom Zellmetabolismus genutzt werden können. Bakterien besitzen häufig einer Reihe von Genen, die Enzyme für diesen Zweck codieren, die nur dann exprimiert werden, wenn die gewünschten anorganischen Spezies nicht verfügbar sind. Diese Gene für den Metabolismus verschiedener anorganischer Verbindungen dienen als weite- res Werkzeug, die Bakterien zur Anpassung an suboptimale Umweltbedingungen nutzen können.Cells (e.g. bacterial cells) contain large amounts of different molecules, such as water, inorganic ions and organic substances (e.g. proteins, sugar and other macromolecules). The main mass of an ordinary cell consists of 4 types of atoms: carbon, oxygen, hydrogen and nitrogen. Do inorganic substances. only a small percentage of the cell content, but they are equally important for the correct functioning of the cell. These molecules include phosphorus, sulfur, calcium, magnesium, iron, zinc, manganese, copper, molybdenum, tungsten and cobalt. Many of these compounds are important for the construction of important molecules such as nucleotides (phosphorus) and amino acids (nitrogen and sulfur). Other of these inorganic ions serve as cofactors for enzyme reactions or contribute to osmotic pressure. All of these molecules must be taken up by the bacterium from the environment. For each of these organic compounds, it is desirable that the bacterium take the form that is most easily used by the cell's standard metabolic machinery. However, the bacterium can encounter environments in which these preferred forms are not readily available. In order to survive under such conditions, it is important that the bacteria have additional biochemical mechanisms that can convert less metabolically active but readily available forms of these inorganic compounds into forms that can be used by cell metabolism. Bacteria often have a number of genes that encode enzymes for this purpose that are only expressed when the desired inorganic species are not available. These genes for the metabolism of various inorganic compounds serve as another tool that bacteria can use to adapt to suboptimal environmental conditions.
Stickstoff ist nach Kohlenstoff das wichtigste Element. Eine gewöhnliche Bakterienzelle enthält 12 bis 15 % Stickstoff. Er ist Bestandteil von Aminosäuren und Nukleotiden sowie vieler anderer Moleküle in der Zelle. Stickstoff kann zudem als Ersatz für Sauerstoff als terminaler Elektronenakzeptor im Energiemetabolismus dienen. Gute Quellen für Stickstoff umfassen viele organische und anorganische Verbindungen, wie Ammoniakgas oder Ammoniumsalze (z.B. NH4CI, (NH4)2S0 oder NH4OH) , Nitrate, Harnstoff, Aminosäuren oder komplexe Stickstoffuellen, wie Masiquellwasser, Sojamehl, Sojaprotein, Hefeextrakt, Fleischextrakt usw. Ammonium- Stickstoff wird durch die Wirkung bestimmter Enzyme fixiert: Glu- tamatdehydrogenase, Glutaminsynthase und Glutamin-2-oxoglutarata- minotransferase. Die Übertragung von Amino-Stickstoff von einem organischen Molekül auf ein anderes erfolgt durch Aminotransfera- sen, eine Klasse von Enzymen, die eine Aminogruppe von einer al- pha-Aminosäure auf eine alpha-Ketosäure übertragen. Nitrat kann durch Nitratreduktase, Nitritreduktase und weitere Redoxenzyme reduziert werden, bis es zu molekularem Stickstoff oder Ammoniak umgewandelt ist, die sich leicht in Standard-Stoff echselwegen von der Zelle verwenden lassen.After carbon, nitrogen is the most important element. An ordinary bacterial cell contains 12 to 15% nitrogen. It is part of amino acids and nucleotides as well as many other molecules in the cell. Nitrogen can also serve as a replacement for oxygen as a terminal electron acceptor in energy metabolism. Good sources of nitrogen include many organic and inorganic compounds such as ammonia gas or ammonium salts (e.g. NH 4 CI, (NH 4 ) 2 S0 or NH 4 OH), nitrates, urea, amino acids or complex nitrogen sources such as masiquell water, soy flour, soy protein, yeast extract , Meat extract etc. Ammonium nitrogen is fixed by the action of certain enzymes: glutamate dehydrogenase, glutamine synthase and glutamine-2-oxoglutarate minotransferase. Amino nitrogen is transferred from one organic molecule to another by aminotransferases, a class of enzymes that transfer an amino group from an alpha-amino acid to an alpha-keto acid. Nitrate can be reduced by nitrate reductase, nitrite reductase and other redox enzymes until it is converted to molecular nitrogen or ammonia, which can be easily used in standard metabolic pathways by the cell.
Phosphor wird intrazellulär in organischen und anorganischen For- men gefunden und kann von der Zelle in beiden Formen aufgenommen werden, obwohl die meisten Mikroorganismen vorzugsweise anorganisches Phosphat aufnehmen. Die Umwandlung von organischem Phosphat in eine Form, die die Zelle nutzen kann, erfordert die Wirkung von Phosphatasen (z.B. Phytasen, die phytatergebendes Phosphat- und Inositol-Derivate hydrolysieren) . Phosphat ist ein Schlüsselbestandteil der Synthese von Nukleinsäuren und spielt somit eine signifikante Rolle im zellulären Energiemetabolismus (z.B. bei der Synthese von ATP, ADP und AMP) .Phosphorus is found intracellularly in organic and inorganic forms and can be taken up by the cell in both forms, although most microorganisms prefer to take up inorganic phosphate. The conversion of organic phosphate to a form that the cell can use requires the action of phosphatases (eg phytases that hydrolyze phytate-derived phosphate and inositol derivatives). Phosphate is a key component in the synthesis of nucleic acids and thus plays a role significant role in cellular energy metabolism (eg in the synthesis of ATP, ADP and AMP).
Schwefel ist für die Synthese von Aminosäuren (z.B. Methionin und Cystein), Vitaminen (z.B. Thiamin, Biotin und Liponsäure) und Eisen-Schwefelproteine notwendig. Bakterien erhalten Schwefel vorwiegend aus anorganischem Sulfat, obwohl Thiosulfat, Sulfit, und Sulfid gewöhnlich auch genutzt werden. Unter Bedingungen, unter denen diese Verbindungen nicht leicht verfügbar sind, exprimieren viele Bakterien Gene, die es ihnen ermöglichen, Sulfonatverbin- dungen, wie 2-Aminosulfonat (Taurin) zu nutzen (Kertesz, M. A. (1993) "Proteins induced by sulfate limitation in Escherichia coli . Pseudomonas putida oder Staphyloccocus aureus" J. Bacteriol. 175: 1187-1190) .Sulfur is necessary for the synthesis of amino acids (e.g. methionine and cysteine), vitamins (e.g. thiamine, biotin and lipoic acid) and iron-sulfur proteins. Bacteria obtain sulfur primarily from inorganic sulfate, although thiosulfate, sulfite, and sulfide are also commonly used. Under conditions where these compounds are not readily available, many bacteria express genes that allow them to use sulfonate compounds such as 2-aminosulfonate (taurine) (Kertesz, MA (1993) "Proteins induced by sulfate limitation in Escherichia coli. Pseudomonas putida or Staphyloccocus aureus "J. Bacteriol. 175: 1187-1190).
Andere anorganische Atome, bspw. Metall- oder Calciumionen, sind für die Lebensfähigkeit von Zellen ebenfalls entscheidend. Eisen spielt bspw. eine Schlüsselrolle bei Redoxreaktionen und ist ein Cofaktor von Eisen-Schwefel-Proteinen, Häm-Proteinen, und Cytoch- romen. Die Aufnahme von Eisen in die Bakterienzelle kann durch die Wirkung von Siderophoren, Chelatbildnern, die extrazelluläre Eisenionen binden und sie in das Innere der Zelle befördern, erfolgen. Für den Metabolismus von Eisen und anderen anorganischen Verbindungen, siehe: Lengler et al., (1999) Biology of Prokaryo- tes, Thieme Verlag: Stuttfart; Neidhardt, F.C., et al., Hrsg. Escherichia coli and Salmonella. ASM-Press: Washington, D.C.; Sonenshein, A.L. et al., Hrsg. (1996) Bacillus subtilis and other Gram-Positive Bacteria, ASM-Press: Washington, D.C:; Voet, D. und Voet, J.G. (1992) Biochemie, VCH: Weinheim; Brock, T.D. und Madigan, M.T. (1991) Biology of Microorganisms, 6. Aufl. Prentice Hall: Eaglewood Cliffs, S. 267-269; Rhodes, P.M. und Stanbury, P.F. Applied Microbial Physiology - A Practical Approach, Oxford Univ. Press: Oxford.Other inorganic atoms, e.g. metal or calcium ions, are also crucial for the viability of cells. For example, iron plays a key role in redox reactions and is a cofactor of iron-sulfur proteins, heme proteins, and cytochromes. Iron can be absorbed into the bacterial cell by the action of siderophores, chelating agents that bind extracellular iron ions and transport them into the interior of the cell. For the metabolism of iron and other inorganic compounds, see: Lengler et al., (1999) Biology of Prokaryotes, Thieme Publisher: Stuttfart; Neidhardt, F.C., et al., Ed. Escherichia coli and Salmonella. ASM Press: Washington, D.C .; Sonenshein, A.L. et al., ed. (1996) Bacillus subtilis and other Gram-Positive Bacteria, ASM-Press: Washington, D.C .:; Voet, D. and Voet, J.G. (1992) Biochemistry, VCH: Weinheim; Brock, T.D. and Madigan, M.T. (1991) Biology of Microorganisms, 6th Edition Prentice Hall: Eaglewood Cliffs, pp. 267-269; Rhodes, P.M. and Stanbury, P.F. Applied Microbial Physiology - A Practical Approach, Oxford Univ. Press: Oxford.
C . Enzyme und ProteolyseC. Enzymes and proteolysis
Die intrazellulären Bedingungen, für die Bakterien, wie C. glutamicum, optimiert sind, sind häufig nicht Bedingungen, unter denen gewöhnlich viele biochemische Reaktionen stattfinden würden. Da- mit diese Reaktionen unter physiologischen Bedingungen erfolgen, nutzen die Zellen Enzyme. Enzyme sind biologische Protein-Katalysatoren, die die reagierenden Moleküle räumlich orientieren oder eine spezialisierte Umgebung schaffen, so.daß die Energiehürde für eine biochemische Reaktion gesenkt wird. Unterschiedliche En- zyme katalysieren unterschiedliche Reaktionen, und jedes Enzym kann einer Transkriptions-, Translations- oder posttranslationa- len Regulation unterliegen, so daß die Reaktion nur unter den ge- eigneten Bedingungen und zu bestimmten Zeiten erfolgt. Enzyme können zum Abbau (z.B. Proteasen), Synthese (bspw. Synthasen) , oder Modifiaktion (z.B. Transferasen oder Isomerasen) von Verbindungen beitragen, die alle die Produktion notwendiger Verbindun- gen in der Zelle ermöglichen. Dies wiederum trägt zur Aufrechterhaltung der zellulären Homöostase bei. .The intracellular conditions for which bacteria such as C. glutamicum are optimized are often not conditions under which many biochemical reactions would normally take place. In order for these reactions to take place under physiological conditions, the cells use enzymes. Enzymes are biological protein catalysts that orient the reacting molecules spatially or create a specialized environment so that the energy hurdle for a biochemical reaction is reduced. Different enzymes catalyze different reactions, and each enzyme can be subject to transcriptional, translational or post-translational regulation, so that the reaction can only be suitable conditions and at certain times. Enzymes can contribute to the degradation (eg proteases), synthesis (eg synthases), or modification (eg transferases or isomerases) of compounds, all of which enable the production of necessary compounds in the cell. This, in turn, helps maintain cellular homeostasis. ,
Die Tatsache, daß Enzyme bezüglich der Aktivität unter den physiologischen Bedingungen optimiert sind, unter denen das Bakte- rium am lebensfähigsten ist, bedeutet jedoch, daß die Enzymaktivität bei einer Störung der Umweltbedingungen höchstwahrscheinlich auch gestört wird. Bspw. können Temperaturänderungen aber- rant gefaltete Proteine hervorbringen, und gleiches gilt für pH- Wert-Änderungen - die Proteinfaltung ist stark abhängig von elek- trostatischen und hydrophoben Wechselwirkungen der Aminosäuren innerhalb der Polypeptidkette, so daß jede Änderung der Ladungen einzelner Aminosäuren (wie sie bspw. durch eine Änderung des zellulären pH-Wertes hervorgerufen wird) eine erhebliche Wirkung auf die Fähigkeit des Proteins haben kann, sich korrekt zu falten. Änderungen der Temperatur ändern effizient die Menge an kinetischer Energie, die das Polypeptidmolekül besitzt, was die Fähigkeit des Polypeptides beeinflußt, sich in einer korrekt gefalteten, energetisch stabilen Konfiguration niederzuschlagen. Falsch gefaltete Proteine können aus zwei Gründen für die Zelle gefähr- lieh sein. Zuerst kann das aberrant gefaltete Protein eine ähnlich aberrante Aktivität oder auch keine Aktivität aufweisen. Zweitens können falsch gefaltete Proteine keine Konformationsbereiche aufweisen, die für die richtige Regulation durch andere zelluläre Systeme notwendig sind, und können somit weiterhin ak- tiv sein, jedoch in einer unkontrollierten Weise.However, the fact that enzymes are optimized for activity under the physiological conditions in which the bacterium is most viable means that enzyme activity is most likely to be disturbed if the environmental conditions are disturbed. For example. temperature changes can produce proteins folded in an aberrant manner, and the same applies to changes in pH - the protein folding is strongly dependent on electrostatic and hydrophobic interactions of the amino acids within the polypeptide chain, so that any change in the charges of individual amino acids (such as, for example, caused by a change in cellular pH) can have a significant effect on the ability of the protein to fold correctly. Changes in temperature efficiently change the amount of kinetic energy that the polypeptide molecule possesses, which affects the ability of the polypeptide to be reflected in a correctly folded, energetically stable configuration. Incorrectly folded proteins can be dangerous for the cell for two reasons. First, the aberrant folded protein can have similar aberrant activity or no activity. Second, misfolded proteins cannot have conformational areas that are necessary for proper regulation by other cellular systems, and thus can still be active, but in an uncontrolled manner.
Die Zelle hat einen Mechanismus, durch den falsch gefaltete Enzyme und regulatorische Proteine rasch zerstört werden können, bevor die Zelle geschädigt wird: Proteolyse. Proteine, wie dieje- nigen der la/lon-Familie und diejenigen der Clp-Familie, erkennen und bauen falsch gefaltete Proteine spezifisch ab (s. bspw. Sher- man, M. Y. , Goldberg, A.L. (1999) EXS 77: 57-78 und die darin aufgeführten Literaturstellen, sowie Porankiewicz, J. (1999) Mo- lec. Microbiol. 32(3). 449-58 und darin enthaltene Literaturstel- len; Neidhardt, F.C. et al. (1996) E. coli and Salmonella, ASM Press: Washington, D.C. und darin enthaltene Literaturstellen; und Pritchard, G.G. und Coolbear, T. (1993) FEMS Microbiol. Rev. 12 (1-3): 179-206 und darin zitierte Literaturstellen). Diese Enzyme binden an falsch gefaltete oder nicht gefaltete Proteine, und bauen sie in einer ATP-abhängigen Weise ab. Die Proteolyse dient somit als wichtiger Mechanismus, der von der Zelle eingesetzt wird, um die normalen Zeilfunktionen bei Umweltänderungen vor Be- Schädigung zu bewahren, und ermöglich der Zelle zudem, unter Bedingungen und in Umgebungen zu überleben, die aufgrund eines falsch regulierten und/oder aberranten Enzyms oder regulatorischer Aktivität ansonsten toxisch wären.The cell has a mechanism by which misfolded enzymes and regulatory proteins can be quickly destroyed before the cell is damaged: proteolysis. Proteins, such as those from the la / lon family and those from the Clp family, specifically recognize and degrade misfolded proteins (see, for example, Sherman, MY, Goldberg, AL (1999) EXS 77: 57-78 and the references cited therein, and Porankiewicz, J. (1999) Molec. Microbiol. 32 (3). 449-58 and references contained therein; Neidhardt, FC et al. (1996) E. coli and Salmonella, ASM Press: Washington, DC and references therein; and Pritchard, GG and Coolbear, T. (1993) FEMS Microbiol. Rev. 12 (1-3): 179-206 and references cited therein). These enzymes bind to misfolded or unfolded proteins and break them down in an ATP-dependent manner. Proteolysis thus serves as an important mechanism that is used by the cell to ensure normal cell functions in the event of environmental changes before Preserve damage and also enable the cell to survive in conditions and environments that would otherwise be toxic due to improperly regulated and / or aberrant enzyme or regulatory activity.
Die Proteolyse hat ebenfalls wichtige Funktionen in der Zellen unter optimalen Umweltbedingungen. Innerhalb normaler Stoffwech- selprozesse, unterstützen Proteasen die Hydrolyse von Peptidbin- dungen beim Katabolismus komplexer Moleküle, um die nötigen Ab- bauprodukte bereitzustellen, und bei der Proteinmodifikation. Se- zernierte Proteasen spielen beim Katabolismus externer Nährstoffe sogar vor dem Eintritt dieser Verbindungen in die Zelle eine wichtige Rolle. Die proteolytische Aktivität selbst kann zudem regulatorische Funktionen ausüben; die Sporulation bei B. subti- lis und der Verlauf des Zellzyklus in Caulobacter spp. Werden bekanntlich durch proteolytische Schlüsselereignisse in jeder dieser Arten reguliert (Gottesman, S. (1999) Curr. Opin. Microbiol. 2(2): 142-147). Somit sind proteolytische Prozesse der Schlüssel für das zelluläre Überleben unter suboptimalen und optimalen Um- weltbedingungen, und tragen zur Gesamterhaltung der Homöostase in Zellen bei.Proteolysis also has important functions in the cells under optimal environmental conditions. Within normal metabolic processes, proteases support the hydrolysis of peptide bonds in the catabolism of complex molecules to provide the necessary breakdown products and in protein modification. Secreted proteases play an important role in the catabolism of external nutrients even before these compounds enter the cell. The proteolytic activity itself can also perform regulatory functions; the sporulation in B. subtilis and the course of the cell cycle in Caulobacter spp. Are known to be regulated by key proteolytic events in each of these species (Gottesman, S. (1999) Curr. Opin. Microbiol. 2 (2): 142-147). Thus proteolytic processes are the key to cellular survival under suboptimal and optimal environmental conditions and contribute to the overall maintenance of homeostasis in cells.
D. Zellwandproduktion und U ordnungenD. Cell wall production and orders
Die biochemische Maschinerie der Zelle kann sich zwar leicht an andere oder möglicherweise ungünstige Umgebungen anpassen, jedoch benötigen die Zellen noch einen generellen Mechanismus, durch den sie vor der Umgebung geschützt sind. Für viele Bakterien bietet die Zellwand einen solchen Schutz, die auch eine Rolle bei der Adhäsion, beim Zellwachstum und der Zellteilung und beim Transport der gewünschten gelösten Stoffe und Abfallmaterialien spielt.Although the cell's biochemical machinery can easily adapt to different or potentially adverse environments, the cells still need a general mechanism by which they are protected from the environment. For many bacteria, the cell wall offers such protection, which also plays a role in adhesion, cell growth and cell division, and in the transport of the desired solutes and waste materials.
Die Zellen benötigen - um funktionsfähig zu sein - intrazelluläre Konzentrationen von Metaboliten und anderen Molekülen, die im Wesentlichen über denen der umgebenden Medien liegen. Da diese Metaboliten größtenteils daran gehindert werden, die Zelle aufgrund der hydrophoben Membran zu verlassen, besteht die Tendenz, daß das System Wassermoleküle aus dem Außenmedium in die Zelle hinein läßt, so daß die inneren Konzentrationen der gelösten Stoffe den äußeren Konzentratrionen entsprechen. Wassermoleküle können leicht die Zellmembran passieren, und diese Membran kann dem resultierenden Quellen und dem Druck nicht standhalten, was zu einer osmotischen Lyse der Zelle führen würde. Die Festigkeit der Zelle verbessert stark die Fähigkeit der Zelle, diesen Drücken standzuhalten, und bietet eine weitere Schranke für die ungewünschte Diffusion dieser Metaboliten und der gewünschten gelö- sten Stoffe aus der Zelle. Die Zellwand verhindert ebenfalls, daß ungewünschtes Material in die Zelle gelangt.In order to be functional, the cells require intracellular concentrations of metabolites and other molecules that are essentially above those of the surrounding media. Since these metabolites are largely prevented from leaving the cell due to the hydrophobic membrane, the system tends to let water molecules from the external medium into the cell so that the internal concentrations of the solutes correspond to the external concentrations. Water molecules can easily pass through the cell membrane, and this membrane cannot withstand the resulting swelling and pressure, which would result in osmotic lysis of the cell. The strength of the cell greatly improves the cell's ability to withstand these pressures and provides another barrier to the undesired diffusion of these metabolites and the desired solubility. most substances from the cell. The cell wall also prevents unwanted material from entering the cell.
Die Zellwand nimmt auch an einer Reihe von anderen zellulären Prozessen teil, wie der Adhäsion, Zellwachstum und -teilung. Aufgrund der Tatsache, daß die Zellwand die Zelle vollständig umgibt, muß jede Wechselwirkung der Zelle mit seinen Umgebungen durch die Zellwand vermittelt werden. Die Zellwand muß somit an jeder Anheftung der Zellen an andere Zellen und an gewünschte Oberflächen beteiligt sein. Die Zelle kann zudem nicht wachsen oder sich teilen ohne gleichzeitige Änderungen in der Zellwand. Da der Schutz, den die Wand bietet, auch beim Wachstum, bei der Morphogenese und Vermehrung zugegen sein muß, ist einer der Schlüsselschritte bei der Zellteilung die Zellwandsynthese in der Zelle, so daß sich eine neue Zelle von der alten abspaltet. Die Zellwandsynthese wird somit häufig mit dem Zellwachstum und der Zellteilung tandemreguliert (s. bspw. Sonenshein, A.L. Hrsg. (1993) Bacillus subtilis and Other Gram-Positive Bacteria, ASM: Washington, D.C.).The cell wall also participates in a number of other cellular processes, such as adhesion, cell growth and division. Due to the fact that the cell wall completely surrounds the cell, any interaction of the cell with its surroundings must be mediated through the cell wall. The cell wall must therefore be involved in every attachment of the cells to other cells and to desired surfaces. In addition, the cell cannot grow or divide without simultaneous changes in the cell wall. Since the protection that the wall offers must also be present during growth, morphogenesis and reproduction, one of the key steps in cell division is cell wall synthesis in the cell, so that a new cell separates from the old one. Cell wall synthesis is thus often regulated in tandem with cell growth and division (see, for example, Sonenshein, A.L. ed. (1993) Bacillus subtilis and Other Gram-Positive Bacteria, ASM: Washington, D.C.).
Die Struktur der Zellwand variiert zwischen gram-positiven und gram-negativen Bakterien. In beiden Typen bleibt die grundlegende Struktur der Wand ähnlich: ein überlappendes Gitter von zwei Po- lysacchariden, N-Acetyl-glucosmain (NAG) und N-Acetylmuraminsäure (NAM) , die über Aminosäuren (meist L-Alanin, D-Glutamat, Diamino- pimelinsäure und D-Alanin) vernetzt sind, das als "Peptidoglycan" bezeichnet wird. Die an der Zellwandsynthese beteiligten Prozesse sind bekannt (s. bspw. Michal, G. Hrsg. (1999) Bioch eical Pathways: An Atlas of Biochemistry and Molecular Biology, Wiley: New York) .The structure of the cell wall varies between gram-positive and gram-negative bacteria. In both types, the basic structure of the wall remains similar: an overlapping lattice of two polysaccharides, N-acetyl-glucosmain (NAG) and N-acetylmuramic acid (NAM), which have amino acids (mostly L-alanine, D-glutamate, diamino) - pimelic acid and D-alanine) are cross-linked, which is referred to as "peptidoglycan". The processes involved in cell wall synthesis are known (see, for example, Michal, G. Ed. (1999) Bioch eical Pathways: An Atlas of Biochemistry and Molecular Biology, Wiley: New York).
Bei gram-negativen Bakterien ist die innere Zellmembran mit einer einschichtigen Peptidoglycan-Schicht beschichtet (etwa 10 nm dick) , die als Murein-Sacculus bezeichnet wird. Die Peptidogly- can-Struktur ist sehr fest und ihre Struktur bestimmt die Form des Organismus. Die äußere Fläche des Murein-Sacculus ist mit einer Außenmembran bedeckt, die Porine und andere Membranproteine, Phospholipide und Lipospolysaccharide enthält. Zur Aufrechterhaltung einer festen Bindung mit der Außenmembran besitz die gram- negative Zellwand darin verstreute Lipidmoleküle, die sie in der umgebenden Membran verankern.In gram-negative bacteria, the inner cell membrane is coated with a single-layer peptidoglycan layer (about 10 nm thick), which is referred to as murein sacculus. The peptidoglycan structure is very solid and its structure determines the shape of the organism. The outer surface of the Murein sacculus is covered with an outer membrane that contains porins and other membrane proteins, phospholipids and lipospolysaccharides. In order to maintain a firm bond with the outer membrane, the gram-negative cell wall has lipid molecules scattered therein, which anchor them in the surrounding membrane.
Bei gram-positiven Bakterien, wie Corynebacterium glutamicum, ist die Cytoplasmamembran mit einem mehrschichtigen, ezwa 20 bis 80 nm dicken Peptidoglycan bedeckt (s. bspw. Lengeier et al. (1999) Biology of Prokaryotes Theime-Verlag: Stuttgart, S. 913-918, S. 875-899 und S. 88-109 und die darin aufgeführten Literaturstel- len) . Die gram-positive Zellwand enthält auch Teichonsäure, ein Polymer aus Glycerin oder Ribitol, die über Phosphatgruppe miteinander verknüpft sind. Teichonsäure kann auch mit Aminosäure assoziieren und bildet kovalente Bindungen mit Mura insäure. In der Zellwand müssen zudem auch Lipoteichonsäuren und Teichuron- säuren zugegen sein. Falls vorhanden, werden zelluläre Oberflächenstrukturen, wie Flagellen oder Kapseln, auch in dieser Schicht der Wand verankert.In the case of gram-positive bacteria, such as Corynebacterium glutamicum, the cytoplasmic membrane is covered with a multilayered peptidoglycan, approximately 20 to 80 nm thick (see, for example, Lengeier et al. (1999) Biology of Prokaryotes Theime-Verlag: Stuttgart, p. 913- 918, pp. 875-899 and pp. 88-109 and the literature cited therein len). The gram-positive cell wall also contains teichoic acid, a polymer made from glycerin or ribitol, which are linked together via a phosphate group. Tondonic acid can also associate with amino acid and forms covalent bonds with mura acid. Lipoteichoic and ponduronic acids must also be present in the cell wall. If available, cellular surface structures such as flagella or capsules are also anchored in this layer of the wall.
III . Erfindunqsqemäße Elemente und Verf hrenIII. Elements and Methods According to the Invention
Die vorliegende Erfindung beruht zumindest teilweise auf der Entdeckung von neuen Molekülen, die hier als HA-Nukleinsäure- und - Protein-Moleküle bezeichnet werden und an der Aufrechterhaltung der Homöostase in C. glutamicum beteiligt sind, oder eine Funktion ausüben, die an der Anpassung dieses Mikroorganismus an unterschiedliche Umweltbedingungen beteiligt ist. Bei einer Ausführungsform nehmen die HA-Moleküle an der C. glutamicum-Zellwand- synthese oder an Umordnungen, am Metabolismus anorganischer Ver- bindungen, an der Modifikation oder am Abbau aromatischer oder aliphatischer Verbindungen teil, oder besitzen eine enzymatische oder proteolytische Aktivität. Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform hat die Aktivität der erfindungsgemäßen HA-Moleküle hinsichtlich der Zellwandbiosynthese oder der -Umordnungen, des Metabolismus anorganischer Verbindungen, der Modifikation oder des Abbaus aromatischer oder aliphatischer Verbindungen oder der enzymatischen oder proteolytischen Aktivität eine Auswirkung auf die Produktion einer gewünschten Feinchemikalie durch diesen Organismus. Bei einer besonder bevorzugten Ausführungsform haben die erfindungsgemäßen HA-Moleküle eine derart modulierte Aktivität, daß die zellulären Prozesse in C. glutamicum, an denen die HA-Moleküle beteiligt sind (z.B. C. glutamicu-Zellwand-Biosynt- ' hese oder -Umordnungen, Metabolismus anorganischer Verbindungen, Modifikation oder Abbau aromatischer oder aliphatischer Verbin- düngen oder enzymatische oder proteolytische Aktivität) , ebenfalls veränderte Aktivität aufweisen, was entweder direkt oder indirekt eine Modulation der Ausbeute, Produktion und/oder Effizienz der Produktion einer gewünschten Feinchemikalie durch C. glutamicum bewirkt.The present invention is based, at least in part, on the discovery of new molecules, referred to herein as HA nucleic acid and protein molecules, which are involved in maintaining homeostasis in C. glutamicum, or have a function in adapting them Microorganism is involved in different environmental conditions. In one embodiment, the HA molecules participate in C. glutamicum cell wall synthesis or rearrangements, in the metabolism of inorganic compounds, in the modification or degradation of aromatic or aliphatic compounds, or have an enzymatic or proteolytic activity. In a particularly preferred embodiment, the activity of the HA molecules according to the invention with regard to cell wall biosynthesis or rearrangements, the metabolism of inorganic compounds, the modification or degradation of aromatic or aliphatic compounds or the enzymatic or proteolytic activity has an effect on the production of a desired fine chemical through this organism. In an especial preferred embodiment, HA molecules of the invention have such a modulated activity that the cellular processes in C. glutamicum, in which the HA molecules are involved (eg C. glutamicu cell wall Biosynt- 'hese or rearrangements, metabolism inorganic compounds, modification or degradation of aromatic or aliphatic compounds or enzymatic or proteolytic activity), also have modified activity, which either directly or indirectly modulates the yield, production and / or efficiency of the production of a desired fine chemical by C. glutamicum.
Der Begriff "HA-Protein" oder "HA-Polypeptid" umfaßt Proteine, die an einer Reihe von zellulären Prozessen beteiligt sind, die mit der C. glutamicum-Homöostase oder der Fähigkeit von C. glutamicum-Zellen zur Anpassung an ungünstige Umweltbedingungen zusam- menhängen. Bspw. kann ein HA-Protein an der C. glutamicu-Zell- wandbiosynthese oder an Umordnungen, am Metabolismus anorganischer Verbindungen in C. glutamicum, an der Modifiaktion oder am Abbau aromatischer oder aliphatischer Verbindungen in C. glutamicum beteiligt sein, oder eine enzymatische oder proteolytische C. glutamicum-Aktivität aufweisen. Beispiele für HA-Proteine umfassen solche, die von den in Tabelle 1 und Anhang A aufgeführten HA-Genen codiert werden. Die Audrücke "HA-Gen" oder "HA-Nuklein- säuresequenz" umfassen Nukleinsäuresequenzen, die ein HA-Protein codieren, das aus einem codierenden Bereich und entsprechenden untranslatierten 5 ' - und 3 ' -Sequenzbereichen besteht . Beispiele für HA-Gene sind in Tabelle 1 aufgelistet. Die Begriffe "Produk- tion" oder "Produktivität" sind im Fachgebiet bekannt und beinhalten die Konzentration des Fermentationsproduktes (bspw. der gewünschten Feinchemikalie, die innerhalb einer festgelegten Zeitspanne und eines festgelegten Fermentationsvolumens gebildet werden (bspw. kg Produkt pro Std. pro 1) . Der Begriff "Effizienz der Produktion" umfaßt die Zeit, die zur Erzielung einer bestimmten Produktionsmenge nötig ist (bspw. wie lange die Zelle zur Aufrichtung einer bestimmten Durchsatzrate einer Feinchemikalie benötigt) . Der Begriff "Ausbeute" oder "Produkt/Kohlenstoff-Ausbeute" ist im Fachgebiet bekannt und umfaßt die Effizienz der Um- Wandlung der Kohlenstoffquelle in das Produkt (d.h. die Feinchemikalie) . Dies wird bspw. gewöhnlich ausgedrückt als kg Produkt pro kg Kohlenstoffquelle. Durch Vergrößern der Ausbeute oder Produktion der Verbindung wird die Menge der gewonnenen Moleküle oder der geeigneten gewonnenen Moleküle dieser Verbindung in ei- ner bestimmten Kulturmenge über einen festgelegten Zeitraum erhöht. Die Begriffe "Biosynthese" oder "Biosyntheseweg" sind im Fachgebiet bekannt und umfassen die Synthese einer Verbindung, vorzugsweise einer organischen Verbindung, durch eine Zelle aus Zwischenverbindungen, bspw. in einem Mehrschritt- oder stark re- gulierten Prozeß. Die Begriffe "Abbau" oder "Abbauweg" sind im Fachgebiet bekannt und umfassen die Spaltung einer Verbindung, vorzugsweise einer organischen Verbindung, durch eine Zelle in Abbauprodukte (allgemeiner gesagt, kleinere oder weniger komplexe Moleküle) , bspw. in einem Mehrschritt- oder stark regulierten Prozeß. Der Begriff "Metabolismus" ist im Fachgebiet bekannt und umfaßt die Gesamtheit der in einem Organismus stattfindenden biochemischen Reaktionen. Der Metabolismus einer bestimmten Verbindung (z.B. der Metabolismus einer Aminosäure, wie Glycin) umfaßt dann sämtliche Biosynthese-, Modifikations- und Abbauwege dieser Verbindung in der Zelle. Der Begriff "Homöostase" ist im Fachgebiet bekannt und umfaßt sämtliche Mechanismen, die von der Zelle genutzt werden, um eine konstante intrazelluläre Umgebung trotz der herrschenden extrazellulären Bedingungen aurechtzuerhalten. Ein nicht-einschränkendes Beispiel dieser Prozesse ist die Ver- wendung der Zellwand zur Verhinderung der osmotischen Lyse aufgrund der hohen intrazellulären Konzentrationen an gelösten Stoffen. Der Begriff "Anpassung" oder "Anpassung an eine Umweltbedin- gung" ist im Fachgebiet bekannt und umfaßt Mechanismen, die von der Zelle genutzt werden, um die Zelle zum Überleben unter nicht bevorzugten Umweltbedingungen zu befähigen (allgemein gesagt, solche Umweltbedingungen, in denen einer oder mehrere günstige Nährstoffe fehlen oder in denen eine Umweltbedingung,, wie Temperatur, pH-Wert, Osmolarität, prozentualer Sauerstoffanteil und dergleichen außerhalb des optimalen Überlebensbereichs der Zelle liegen) . Viele Zellen, einschließlich C. glutamicum-Zellen, besitzen Gene, die Proteine codieren, welche unter diesen Umweltbe- dingungen exprimiert werden, und die in diesen suboptimalen Bedingungen ein kontinuierliches Wachstum ermöglichen.The term "HA protein" or "HA polypeptide" includes proteins that are involved in a number of cellular processes associated with C. glutamicum homeostasis or the ability of C. glutamicum cells to adapt to adverse environmental conditions. menhängen. For example. can a HA protein be found on the C. glutamicu cell wall biosynthesis or on rearrangements, on the metabolism of inorganic compounds in C. glutamicum, on the modification or on Degradation of aromatic or aliphatic compounds in C. glutamicum may be involved, or have an enzymatic or proteolytic C. glutamicum activity. Examples of HA proteins include those encoded by the HA genes listed in Table 1 and Appendix A. The terms "HA gene" or "HA nucleic acid sequence" encompass nucleic acid sequences which encode an HA protein which consists of a coding region and corresponding untranslated 5 'and 3' sequence regions. Examples of HA genes are listed in Table 1. The terms "production" or "productivity" are known in the art and include the concentration of the fermentation product (for example the desired fine chemical which is formed within a defined period of time and a defined fermentation volume (for example kg product per hour per 1) The term "efficiency of production" encompasses the time it takes to achieve a certain production quantity (for example how long it takes the cell to establish a certain throughput rate of a fine chemical). The term "yield" or "product / carbon yield". is known in the art and includes the efficiency of converting the carbon source to the product (ie, the fine chemical), for example, usually expressed as kg product per kg carbon source, increasing the yield or production of the compound will increase the amount of molecules recovered or the suitable obtained molecules of this compound are determined in one en amount of culture increased over a specified period. The terms "biosynthesis" or "biosynthetic pathway" are known in the art and encompass the synthesis of a compound, preferably an organic compound, by a cell from intermediate compounds, for example in a multi-step or highly regulated process. The terms "degradation" or "degradation path" are known in the art and include the cleavage of a compound, preferably an organic compound, by a cell into degradation products (more generally, smaller or less complex molecules), e.g. in a multi-step or highly regulated Process. The term "metabolism" is known in the art and encompasses all of the biochemical reactions taking place in an organism. The metabolism of a particular compound (eg the metabolism of an amino acid, such as glycine) then encompasses all biosynthesis, modification and degradation pathways of this compound in the cell. The term "homeostasis" is known in the art and encompasses all of the mechanisms used by the cell to maintain a constant intracellular environment despite the prevailing extracellular conditions. A non-limiting example of these processes is the use of the cell wall to prevent osmotic lysis due to the high intracellular concentrations of solutes. The term "adaptation" or "adaptation to an environmental gung "is known in the art and includes mechanisms used by the cell to enable the cell to survive in non-preferred environmental conditions (generally speaking, those environmental conditions in which one or more beneficial nutrients are missing or in which an environmental condition such as temperature, pH, osmolarity, percentage oxygen and the like are outside the optimal survival range of the cell.) Many cells, including C. glutamicum cells, have genes that encode proteins that are expressed under these environmental conditions, and that enable continuous growth in these suboptimal conditions.
Bei einer weiteren Ausführungsform sind die erfindungsgemäßen HA- Moleküle zur Modulation eines gewünschten Moleküls, wie einer Feinchemikalie, in einem Mikroorganismus, wie C. glutamicum, befähigt. Es gibt eine Reihe von Mechanismen, durch die die Veränderung eines erfindungsgemäßen HA-Proteins die Ausbeute, Produktion und/oder Effizienz der Produktion einer Feinchemikalie aus einem C. glufcamicum-Stamm, der ein solches verändertes Protein enthält, direkt beeinflußt werden. Durch Modifkation von Enzymen, die aromatische oder aliphatische Verbindungen derart modifizieren, daß diese Enzyme eine höhere oder niedrigere Aktivität oder Anzahl aufweisen, kann man die Produktion von einer oder mehreren Feinchemikalien, die die Modifikations- oder Abbauprodukte dieser Verbindungen sind, modulieren. Entsprechend stellen Enzyme, die am Metabolismus anorganischer Verbindungen beteiligt sind, Schlüsselmoleküle (bspw. Phosphor-, Schwefel- und Stickstoffmoleküle) für die Biosynthese solcher Feinchemikalien, wie Aminosäuren, Vitaminen und Nukleinsäuren, bereit. Durch Verändern der Ak- tivität oder der Anzahl dieser Enzyme in C. glutamicum kann man die Umwandlung dieser anorganischen Verbindungen erhöhen (oder alternative anorganische Verbindungen verwenden) , um so verbesserte Raten des Einbaus anorganischer Atome in diese Feinchemikalien zu ermöglichen. Die genetische Manipulation von C. glutami- cum-Enzymen, die an allgemeinen zellulären Prozessen beteiligt sind, kann die Feinchemikalienproduktion auch direkt verbessern, da viele dieser Enzyme die Feinchemikalien (bspw. Aminosäuren) oder die Enzyme, die an der Feinchemikaliensynthese oder -Sekretion beteiligt sind, direkt modifizieren. Die Modulation der Ak- tivität oder der Anzahl zellulärer Proteasen kann auch eine direkte Wirkung auf die Feinchemikalienproduktion haben, da viele Proteasen Feinchemikalien oder Enzyme, die an der Feinchemikalienproduktion oder am -abbau beteiligt sind, abbauen können. Die. vostehend genannten Enzyme, die an der Modifikation oder am Abbau aromatischer oder aliphatischer Verbindungen, an der allgemeinen Biokatalyse, am Metabolismus anorganischer Verbindungen oder an der Proteolyse beteiligt sind, sind jeweils selbst Feinchemika- lien, die wegen ihrer Aktivität in verschiedenen industriellen in-vitro-Anwendungen wünschenswert sind. Durch Verändern der Kopienzahl des Gens für eines oder mehrere Enzyme in C. glutamicum kann man die Anzahl dieser Proteine, die von der Zelle produziert wird, vergrößern, wodurch die potentielle Ausbeute oder Effizienz der Produktion dieser Proteine aus großangelegten Kulturen von C. glutamicum oder verwandten Bakterien erhöht wird.In a further embodiment, the HA molecules according to the invention are capable of modulating a desired molecule, such as a fine chemical, in a microorganism, such as C. glutamicum. There are a number of mechanisms by which the modification of an HA protein according to the invention directly influences the yield, production and / or efficiency of the production of a fine chemical from a C. glufcamicum strain which contains such a modified protein. By modifying enzymes that modify aromatic or aliphatic compounds such that these enzymes have a higher or lower activity or number, one can modulate the production of one or more fine chemicals that are the modification or degradation products of these compounds. Accordingly, enzymes which are involved in the metabolism of inorganic compounds provide key molecules (for example phosphorus, sulfur and nitrogen molecules) for the biosynthesis of such fine chemicals as amino acids, vitamins and nucleic acids. By changing the activity or number of these enzymes in C. glutamicum, one can increase the conversion of these inorganic compounds (or use alternative inorganic compounds) in order to enable improved rates of incorporation of inorganic atoms into these fine chemicals. The genetic manipulation of C. glutamicum enzymes, which are involved in general cellular processes, can also directly improve fine chemical production, since many of these enzymes improve the fine chemicals (eg amino acids) or the enzymes involved in fine chemical synthesis or secretion are modify directly. The modulation of the activity or the number of cellular proteases can also have a direct effect on the fine chemical production, since many proteases can break down fine chemicals or enzymes which are involved in the production or degradation of fine chemicals. The. The above-mentioned enzymes, which are involved in the modification or degradation of aromatic or aliphatic compounds, in general biocatalysis, in the metabolism of inorganic compounds or in proteolysis, are each themselves fine chemicals. lien, which are desirable because of their activity in various industrial in vitro applications. By changing the copy number of the gene for one or more enzymes in C. glutamicum, one can increase the number of these proteins that are produced by the cell, thereby increasing the potential yield or efficiency of producing these proteins from large-scale cultures of C. glutamicum or related Bacteria is increased.
Die Veränderung eines erfindungsgemäßen HA-Proteins kann die Aus- beute, Produktion und/oder Effizienz der Produktion einer Feinchemikalie aus einem C. glutamicum-Stamm, der ein solches verändertes Protein enthält, auch indirekt beeinflussen. Durch Modulieren der Aktivität und/oder der Anzahl dieser Proteine, die am Aufbau oder der Umordnung der Zellwand beteiligt sind, kann man bspw. die Struktur der Zellwand selbst modifizieren,, so daß die Zelle dem mechanischen oder anderen Streß, der bei großangelegten Fermenteranzuchten vorherrscht, besser standhalten kann. Zudem erfordert das Wachstum von C. glutamicum im Großmaßstab eine erhebliche Zellwandproduktion. Die Modulation der Aktivität oder der Anzahl von Zellwand-Biosynthese- oder -Abbau-Enzymen kann schnellere Zellwand-Biosyntheseraten ermöglichen, was wiederum stärkere Wachstumsraten dieses Mikroorganismus in Kultur ermöglicht und dadurch die Anzahl an Zellen vergrößert, die die gewünschte Feinchemikalie produzieren.The modification of an HA protein according to the invention can also indirectly affect the yield, production and / or efficiency of the production of a fine chemical from a C. glutamicum strain which contains such a modified protein. By modulating the activity and / or the number of these proteins that are involved in the construction or rearrangement of the cell wall, one can, for example, modify the structure of the cell wall itself, so that the cell is subjected to the mechanical or other stress that prevails in large-scale fermenter cultivation can withstand better. In addition, the growth of C. glutamicum on a large scale requires considerable cell wall production. Modulating the activity or number of cell wall biosynthesis or degradation enzymes can enable faster cell wall biosynthesis rates, which in turn enables stronger growth rates of this microorganism in culture, thereby increasing the number of cells that produce the desired fine chemical.
Durch Modifizieren der erfindungsgemäßen HA-Enzyme kann, man die Ausbeute, Produktion oder Effizienz der Produktion von einer oder mehreren Feinchemikalien aus C. glutamicum indirekt beeinflussen. Bspw. haben viele der allgemeinen Enzyme in C. glutamicum eine signifikante Auswirkung auf globale zelluläre Prozesse (bspw. regulatorische Prozesse) , was wiederum eine signifikante Auswirkung auf den Feinchemikalien-Metabolismus hat.The yield, production or efficiency of the production of one or more fine chemicals from C. glutamicum can be influenced indirectly by modifying the HA enzymes according to the invention. For example. many of the general enzymes in C. glutamicum have a significant impact on global cellular processes (e.g. regulatory processes), which in turn has a significant impact on fine chemical metabolism.
Entsprechend erhöhen Proteasen, Enzyme, die möglicherweise toxi- sehe aromatische oder aliphatische Verbindungen modifizieren oder, abbauen, die Lebensfähigkeit von C. glutamicum. Die Proteasen unterstützen die selektive Entfernung falsch gefalteter oder falsch regulierter Proteine, wie solcher, die bspw. unter den relativ streßreichen Umweltbedingungen in einer Fermenter-Großkultur auf- treten. Durch Verändern dieser Proteine kann man weiterhin diese Aktivität steigern und die Lebensfähigkeit von C. glutamicum in Kultur verbessern. Die aromatisehen/aliphatisehen Modifikationsoder Abbau-Proteine dienen nicht nur der Detoxifikation dieser Abfallverbindungen (die im Kulturmedium als Verunreinigungen oder als Abfallprodukte aus den Zellen selbst vorkommen) , sondern ermöglichen ebenfalls, daß die Zelle alternative Kohlenstoffquellen nutzt, wenn die optimale Kohlenstoffquelle in der Kultur limi- tiert ist. Durch Erhöhen der Anzahl und/oder der Aktivität kann das Überleben von C. glutamicum-Zellen in Kultur verstärkt werden. Die erfindungsgemäßen anorganischen Stoffwechselproteine versorgen die Zelle mit den anorganischen Molekülen, die für sämtliche Protein- und Nukleotid-Synthesen (unter anderem) notwendig und somit für die Gesamtlebensfähigkeit der Zelle entscheidend sind. Ein Anstieg der Anzahl lebensfähiger Zellen, die eine oder mehrere Feinchemikalien in Großkultur produzieren, sollte einen gleichzeitigen Anstieg der Ausbeute, Produktion und/ oder Effizienz der Produktion der Feinchemikalie in der Kultur bewirken.Proteases, enzymes that may modify or degrade toxic aromatic or aliphatic compounds accordingly increase the viability of C. glutamicum. The proteases support the selective removal of incorrectly folded or incorrectly regulated proteins, such as those which occur, for example, under the relatively stressful environmental conditions in a large fermenter culture. Altering these proteins can further increase this activity and improve the viability of C. glutamicum in culture. The aromatic / aliphatic modification or degradation proteins not only serve to detoxify these waste compounds (which occur in the culture medium as contaminants or as waste products from the cells themselves), but also allow the cell to use alternative carbon sources if the optimal carbon source in the culture is limited - is. Increasing the number and / or the activity can increase the survival of C. glutamicum cells in culture. The inorganic metabolic proteins according to the invention supply the cell with the inorganic molecules which are necessary for all protein and nucleotide syntheses (among other things) and are therefore decisive for the overall viability of the cell. An increase in the number of viable cells that produce one or more fine chemicals in large culture should cause a simultaneous increase in the yield, production, and / or efficiency of production of the fine chemical in the culture.
Als Ausgangspunkt zur Herstellung der erfindungsgemäßen Nuklein- säuresequenzen eignet sich das Genom eines Corynebacterium gluta- micum-Stammes, der von der American Type Culture Collection unter der Bezeichnung ATCC 13032 erhältlich ist.The genome of a Corynebacterium glutamicum strain, which is available from the American Type Culture Collection under the name ATCC 13032, is suitable as a starting point for the production of the nucleic acid sequences according to the invention.
Von diesen Nukleinsäuresequenzen lassen sich durch die in Tabelle 1 bezeichneten Veränderungen die erfindungsgemäßen Nuklein- säuresequenzen mit üblichen Verfahren herstellen.From these nucleic acid sequences, the nucleic acid sequences according to the invention can be produced by conventional methods using the changes described in Table 1.
In den nachstehenden Unterabschnitten sind verschiedene Aspekte der Erfindung ausführlicher beschrieben:Various aspects of the invention are described in more detail in the subsections below:
A. Isolierte NukleinsäuremoleküleA. Isolated nucleic acid molecules
Ein Aspekt der Erfindung betrifft isolierte Nukleinsäuremoleküle, die HA-Polypeptide oder biologisch aktive Abschnitte davon codieren, sowie Nukleinsäurefrag ente, die zur Verwendung als Hybridi- sierungssonden oder Primer zur Identifizierung oder Amplifizie- rung von HA-codierenden Nukleinsäuren (z.B. HA-DNA) hinreichen. Der Begriff "Nukleinsäuremolekül" soll DNA-Moleküle (z.B. cDNA oder genomische DNA) und RNA-Moleküle (z.B. mRNA) sowie DNA- oder RNA-Analoga, die mittels Nukleotidanaloga erzeugt werden, umfas- sen. Dieser Begriff umfaßt zudem die am 3'- und am 5 '-Ende des codierenden Genbereichs gelegene untranslatierte Sequenz: mindestens etwa 100 Nukleotide der Sequenz stromaufwärts des 5 '-Endes des codierenden Bereichs und mindestens etwa 20 Nukleotide der Sequenz stromabwärts des 3 ' -Endes des codierenden Genbereichs . Das Nukleinsäuremolekül kann einzelsträngig oder doppelsträngig sein, ist aber vorzugsweise eine doppelsträngige DNA. Ein "isoliertes" Nukleinsäuremolekül wird aus anderen Nukleinsäuremolekü- len abgetrennt, die in der natürlichen Quelle der Nukleinsäure zugegen sind. Eine "isolierte" Nukleinsäure hat vorzugsweise keine Sequenzen, die die Nukleinsäure in der genomischen DNA des Organismus, aus dem die Nukleinsäure stammt, natürlicherweise flankieren (bspw. Sequenzen, die sich am 5'- bzw. 3 '-Ende der Nu- kleinsäure befinden) . In verschiedenen Ausführungsformen kann bspw. das isolierte HA-Nukleinsäuremolekül weniger als etwa 5 kb, 4 kb, 3 kb, 2 kb, 1 kb, 0,5 kb oder 0,1 kb der Nukleotidsequenzen, die natürlicherweise das Nukleinsäuremolekül in der genomi- sehen DNA der Zelle, aus der die Nukleinsäure stammt (bspw. eine C. glutamicum-Zelle) flankieren. Ein "isoliertes" Nukleinsäuremolekül, wie ein cDNA-Molekül kann überdies im wesentlichen frei von einem anderen zellulären Material oder Kulturmedium sein, wenn es durch rekombinante Techniken hergestellt wird, oder frei von chemischen Vorstufen oder anderen Chemikalien sein, wenn es chemisch synthetisiert wird.One aspect of the invention relates to isolated nucleic acid molecules which encode HA polypeptides or biologically active sections thereof, and to nucleic acid fragments which are sufficient for use as hybridization probes or primers for identifying or amplifying HA-coding nucleic acids (for example HA-DNA) , The term “nucleic acid molecule” is intended to encompass DNA molecules (eg cDNA or genomic DNA) and RNA molecules (eg mRNA) as well as DNA or RNA analogs which are generated by means of nucleotide analogs. This term also includes the untranslated sequence located at the 3 'and 5' ends of the coding region: at least about 100 nucleotides of the sequence upstream of the 5 'end of the coding region and at least about 20 nucleotides of the sequence downstream of the 3' end of the coding gene region. The nucleic acid molecule can be single-stranded or double-stranded, but is preferably a double-stranded DNA. An "isolated" nucleic acid molecule is separated from other nucleic acid molecules that are present in the natural source of the nucleic acid. An "isolated" nucleic acid preferably has no sequences which naturally flank the nucleic acid in the genomic DNA of the organism from which the nucleic acid originates (for example sequences which are located at the 5 'or 3' end of the nucleus small acid). In various embodiments, for example, the isolated HA nucleic acid molecule can contain less than about 5 kb, 4 kb, 3 kb, 2 kb, 1 kb, 0.5 kb or 0.1 kb of the nucleotide sequences that naturally see the nucleic acid molecule in the genome Flank the DNA of the cell from which the nucleic acid originates (for example a C. glutamicum cell). Furthermore, an "isolated" nucleic acid molecule, such as a cDNA molecule, can be essentially free of another cellular material or culture medium if it is made by recombinant techniques, or free of chemical precursors or other chemicals if it is chemically synthesized.
Ein erfindungsgemäßes Nukleinsäuremolekül, bspw. eine Nukleinsäuremolekül mit einer Nukleotidsequenz aus Anhang A oder ein Ab- schnitt davon, kann mittels molekularbiologischer Standard-Techniken und der hier bereitgestellten Sequenzinformation isoliert werden. Bspw. kann eine C. glutamicum-HA-cDNA aus einer C. gluta- micum-Bank isoliert werden, indem eine vollständige Sequenz aus Anhang A oder ein Abschnitt davon als Hybridisierungssonde und Standard-Hybridisierungstechniken (wie bspw. beschrieben in Sam- brook, J., Fritsch, E.F. und Maniatis, T. Molecular Cloning: A Laboratory Manual . 2. Auf1. Cold Spring Harbor Laboratory, Cold Spring Harbor Laboratory Press, Cold Spring Harbor, NY, 1989) verwendet werden. Überdies läßt sich ein Nukleinsäuremolekül, um- fassend eine vollständige Sequenz aus Anhang A oder ein Abschnitt davon, durch Polymerasekettenreaktion isolieren, wobei die Oligonukleotidprimer, die auf der Basis dieser Sequenz erstellt wurden, verwendet werden (z.B. kann ein Nukleinsäuremolekül, umfassend eine vollständige Sequenz aus Anhang A oder einen Abschnitt davon, durch Polymerasekettenreaktion isoliert werden, indem Oligonukleotidprimer verwendet werden, die auf der Basis dieser gleichen Sequenz aus Anhang A erstellt worden sind) . Bspw. läßt sich mRNA aus normalen Endothelzellen isolieren (bspw. durch das Guanidiniumthiocyanat-Extraktionsverfahren von Chirgwin et al . (1979) Biochemistry 18: 5294-5299) und die cDNA kann mittels reverser Transkriptase (bspw. Moloney-MLV-Reverse-Transkriptase, erhältlich bei Gibco/BRL, Bethesda, MD, oder AMV-Reverse-Trans- kriptase, erhältlich von Seikagaku America, Inc., St. Petersburg, FL) hergestellt werden. Synthetische Oligonukleotidprimer für die Amplifizierung via Polymerasekettereaktion lassen sich auf der Basis einer der in Anhang A gezeigten Nukleotidsequenzen erstellen. Eine erfindungsgemäße Nukleinsäure kann mittels cDNA oder alternativ genomischer DNA als Matrize und geeigneten Oligonu- kleotidprimern gemäß PCR-Standard-Amplifikationstechniken ampli- fiziert werden. Die so amplifizierte Nukleinsäure kann in einen geeigneten Vektor kloniert werden und durch DNA-Sequenzanalyse charakterisiert werden. Oligonukleotide, die einer HA-Nukleotid- sequenz entsprechen, können durch Standard-Syntheseverfahren, bspw. mit einem automatischen DNA-Synthesegerät, hergestellt werden.A nucleic acid molecule according to the invention, for example a nucleic acid molecule with a nucleotide sequence from Appendix A or a section thereof, can be isolated using standard molecular biological techniques and the sequence information provided here. For example. a C. glutamicum HA cDNA can be isolated from a C. glutamicum library by using a complete sequence from Appendix A or a portion thereof as a hybridization probe and standard hybridization techniques (as described, for example, in Sambrook, J. , Fritsch, EF and Maniatis, T. Molecular Cloning: A Laboratory Manual, 2nd to 1st Cold Spring Harbor Laboratory, Cold Spring Harbor Laboratory Press, Cold Spring Harbor, NY, 1989). Furthermore, a nucleic acid molecule, comprising a complete sequence from Appendix A or a section thereof, can be isolated by polymerase chain reaction, using the oligonucleotide primers which have been created on the basis of this sequence (for example, a nucleic acid molecule comprising a complete sequence can be used Appendix A, or a portion thereof, can be isolated by polymerase chain reaction using oligonucleotide primers made from this same sequence from Appendix A). For example. mRNA can be isolated from normal endothelial cells (for example by the guanidinium thiocyanate extraction method of Chirgwin et al. (1979) Biochemistry 18: 5294-5299) and the cDNA can be obtained by means of reverse transcriptase (for example Moloney-MLV reverse transcriptase) Gibco / BRL, Bethesda, MD, or AMV reverse transcriptase, available from Seikagaku America, Inc., St. Petersburg, FL). Synthetic oligonucleotide primers for amplification via polymerase chain reaction can be created on the basis of one of the nucleotide sequences shown in Appendix A. A nucleic acid according to the invention can be amplified using cDNA or alternatively genomic DNA as a template and suitable oligonucleotide primers according to standard PCR amplification techniques. The nucleic acid amplified in this way can be cloned into a suitable vector and characterized by DNA sequence analysis. Oligonucleotides that are a HA nucleotide sequence can be produced by standard synthesis methods, for example using an automatic DNA synthesizer.
5 Bei einer bevorzugten Ausführungsform umfaßt ein erfindungsgemäßes isoliertes Nukleinsäuremolekül eine der in Anhang A aufgeführten Nukleotidsequenzen. Die Sequenzen von Anhang A entsprechen den erfindungsgemäßen HA-cDNAs aus Corynebacterium glutamicum. Diese cDNAs umfassen Sequenzen, die HA-Proteine (d.h. den5 In a preferred embodiment, an isolated nucleic acid molecule according to the invention comprises one of the nucleotide sequences listed in Appendix A. The sequences of Appendix A correspond to the Corynebacterium glutamicum HA cDNAs according to the invention. These cDNAs include sequences that contain HA proteins (i.e. the
10 "codierenden Bereich", der in jeder Sequenz in Anhang A angegeben ist), sowie die 5'-. und 3 '-untranslatierten Sequenzen, die ebenfalls in Anhang A angegeben sind. Das Nukleinsäuremolekül kann alternativ nur den codierenden Bereich einer der Sequenzen in Anhang A umfassen.10 "coding region", which is given in each sequence in Appendix A), as well as the 5'-. and 3 'untranslated sequences, which are also given in Appendix A. The nucleic acid molecule can alternatively comprise only the coding region of one of the sequences in Appendix A.
1515
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfaßt ein erfindungsgemäßes isoliertes Nukleinsäuremolekül ein zu einer der in Anhang A gezeigten Nukleotidsequenzen komplementäres Nukleinsäuremolekül oder einen Abschnitt davon, wobei es sich um ein Nu-In a further preferred embodiment, an isolated nucleic acid molecule according to the invention comprises a nucleic acid molecule which is complementary to one of the nucleotide sequences shown in Appendix A or a portion thereof, which is a nucleus
20 kleinsäuremolekül handelt, das zu einer der in Anhang A gezeigten Nukleotidsequenzen hinreichend komplementär ist, daß es mit einer der in Anhang A angegebenen Sequenzen hybridisieren kann, wodurch ein stabiler Duplex entsteht.20 is a small acid molecule which is sufficiently complementary to one of the nucleotide sequences shown in Appendix A that it can hybridize with one of the sequences given in Appendix A, thereby producing a stable duplex.
25 Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfaßt ein erfindungsgemäßes isoliertes Nukleinsäuremolekül eine Nukleotidse- quenz, die mindestens etwa 50-60%, vorzugsweise mindestens etwa 60-70%, stärker bevorzugt mindestens etwa 70-80%, 80-90% oder 90-95% und noch stärker bevorzugt mindestens etwa 95%, 96%, 97%,In a further preferred embodiment, an isolated nucleic acid molecule according to the invention comprises a nucleotide sequence which is at least about 50-60%, preferably at least about 60-70%, more preferably at least about 70-80%, 80-90% or 90-95% and even more preferably at least about 95%, 96%, 97%,
30 98%, 99% oder noch homologer zu einer in Anhang A angegebenen Nu- kleotidsequenz oder einem Abschnitt davon ist. Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfaßt ein erfindungsgemäßes isoliertes Nukleinsäuremolekül eine Nukleotidsequenz, die, bspw. unter stringenten Bedingungen, mit einer der in Anhang A gezeigten Nu-30 is 98%, 99% or even more homologous to a nucleotide sequence specified in Appendix A or a section thereof. In a further preferred embodiment, an isolated nucleic acid molecule according to the invention comprises a nucleotide sequence which, for example under stringent conditions, with one of the nucleic acids shown in Appendix A
35 kleotidsequenzen oder einem Abschnitt davon hybridisiert.35 hybridized sequences or a portion thereof.
Das erfindungsgemäße Nukleinsäuremolekül kann überdies nur einen Abschnitt des codierenden Bereichs von einer der Sequenzen in Anhang A umfassen, bspw. ein Fragment, das als Sonde oder PrimerThe nucleic acid molecule according to the invention can moreover comprise only a section of the coding region of one of the sequences in Appendix A, for example a fragment which acts as a probe or primer
40 oder Fragment verwendet werden kann, welches einen biologisch aktiven Abschnitt eines HA-Proteins codiert. Die aus der Klonierung der HA-Gene aus C. glutamicum ermittelten Nukleotidsequenzen ermöglichen die Erzeugung von Sonden und Primern, die zur Identifizierung und/oder Klonierung von HA-Homologa in anderen Zelltypen40 or fragment can be used which encodes a biologically active section of an HA protein. The nucleotide sequences determined from the cloning of the HA genes from C. glutamicum enable the generation of probes and primers which are used to identify and / or clone HA homologs in other cell types
45 und Organismen und HA-Homologa von anderen Corynebakter'ien oder verwandten Arten ausgelegt sind.. Die Sonde bzw. der Primer umfassen gewöhnlich im wesentlichen gereinigtes Oligonukleotid. Das Oligonukleotid umfaßt gewöhnlich einen Nukleotidsequenzbereich, der unter stringenten Bedingungen an mindestens etwa 12, vorzugsweise etwa 25, stärker bevorzugt etwa 40, 50 oder 75 aufeinanderfolgende Nukleotide eines Sense-Stranges von einer der in Anhang A angegebenen Sequenzen, eines Antisense-Stranges von einer der in Anhang A angegebenen Sequenzen oder natürlich vorkommenden Mutanten davon hybridisiert. Primer auf der Basis einer Nukleo- tidsequenz aus Anhang A können in PCR-Reaktionen zur Klonierung von HA-Homologa verwendet werden. Sonden auf der Basis der HA-Nu- kleotidsequenzen können zum Nachweisen von Transkripten oder genomischen Sequenzen, die das gleiche oder homologe Proteine codieren, verwendet werden. In bevorzugten Ausführungsformen umfaßt die Sonde zudem eine daran gebundene Markierungsgruppe, bspw. ein Radioisotop, eine fluoreszierende Verbindung, ein Enzym oder ei- nen Enzym-Cofaktor. Diese Sonden können als Teil eines diagnostischen Test-Kits zur Identifizierung von Zellen verwendet werden, die ein HA-Protein misexprimieren, wie durch Messen einer Menge einer HA-codierenden Nukleinsäure in einer Zellenprobe, bspw. Messen der HA^mRNA-Spiegel oder durch Bestimmen, ob ein genomi- sches HA-Gen mutiert oder deletiert ist.45 and HA organisms and homologues from other Corynebakter ien 'or related species designed .. The probe or primers usually comprise substantially purified oligonucleotide. The Oligonucleotide usually comprises a nucleotide sequence region which, under stringent conditions, comprises at least about 12, preferably about 25, more preferably about 40, 50 or 75 consecutive nucleotides of a sense strand from one of the sequences given in Appendix A, an antisense strand from one of the in Sequences indicated in Appendix A or naturally occurring mutants thereof hybridized. Primers based on a nucleotide sequence from Appendix A can be used in PCR reactions for cloning HA homologs. Probes based on the HA nucleotide sequences can be used to detect transcripts or genomic sequences which code for the same or homologous proteins. In preferred embodiments, the probe also comprises a labeling group attached to it, for example a radioisotope, a fluorescent compound, an enzyme or an enzyme cofactor. These probes can be used as part of a diagnostic test kit to identify cells that express an HA protein, such as by measuring an amount of HA coding nucleic acid in a cell sample, for example measuring HA ^ mRNA levels or by determining whether a genomic HA gene is mutated or deleted.
Bei einer Ausführungsform codiert das erfindungsgemäße Nukleinsäuremolekül ein Protein oder einen Abschnitt davon, der eine Aminosäuresequenz umfaßt, die hinreichend homolog zu einer Amino- säuresequenz von Anhang B ist, daß das Protein oder ein Abschnitt davon weiterhin an der Aufrechterhaltung der Homöostase in C. glutamicum beteiligt sein kann, oder eine Funktion ausüben kann, die an der Anpassung dieses Mikroorganismus an verschiedene Um- weltbedingungen beteiligt ist. Wie hier verwendet, betrifft der Begriff "hinreichend homolog" Proteine oder Abschnitte davon, deren Aminosäuresequenzen eine minimale Anzahl identischer oder äquivalenter Aminosäurereste (bspw. ein Aminosäurerest mit einer ähnlichen Seitenkette wie ein Amino.säurerest in einer der Sequenzen von Anhang B) zu einer Aminosäuresequenz aus Anhang B aufwei- sen, so daß das Protein oder ein Abschnitt davon weiterhin an der Aufrechterhaltung der Homöostase in C. glutamicum beteiligt sein kann, oder eine Funktion ausüben kann, die an der Anpassung dieses Mikroorganismus an verschiedene Umweltbedingungen beteiligt ist. Proteine, die an der C. glutamicum-Zellwand-Biosynthese oder an -Umordnungen, am Metabolismus anorganischer Verbindungen, an der Modifikation oder am Abbau aromatischer oder aliphatischer Verbindungen beteiligt sind oder eine enzymatische oder proteolytische C. glutamicum-Aktivität aufweisen, wie hier beschrieben, können eine Rolle bei der Produktion und Sekretion von einer oder mehreren Feinchemikalien spielen. Beispiele dieser Aktivitäten sind ebenfalls hier beschrieben. Somit betrifft die "Funktion eines HA-Proteins" entweder direkt oder indirekt die. Ausbeute, Pro- duktion und/oder Effizienz der Produktion von einer oder mehreren Feinchemikalien. In Tabelle 1 sind Beispiele der HA-Proteinakti- vitäten angegeben.In one embodiment, the nucleic acid molecule according to the invention encodes a protein or a portion thereof which comprises an amino acid sequence which is sufficiently homologous to an amino acid sequence from Appendix B that the protein or a portion thereof further participates in the maintenance of homeostasis in C. glutamicum can be, or can perform a function which is involved in the adaptation of this microorganism to different environmental conditions. As used herein, the term "sufficiently homologous" refers to proteins or portions thereof whose amino acid sequences have a minimal number of identical or equivalent amino acid residues (e.g. an amino acid residue with a side chain similar to an amino acid residue in one of the sequences of Appendix B) to an amino acid sequence from Appendix B so that the protein, or a portion thereof, may continue to be involved in maintaining C. glutamicum homeostasis or may perform a function which is involved in adapting this microorganism to different environmental conditions. Proteins which are involved in C. glutamicum cell wall biosynthesis or rearrangements, in the metabolism of inorganic compounds, in the modification or degradation of aromatic or aliphatic compounds or which have an enzymatic or proteolytic C. glutamicum activity, as described here, can play a role in the production and secretion of one or more fine chemicals. Examples of these activities are also described here. Thus, the "function of an HA protein" affects either directly or indirectly. Yield, pro Production and / or efficiency of the production of one or more fine chemicals. Table 1 shows examples of HA protein activities.
Bei einer weiteren Ausführungsform ist das Protein mindestens etwa 50-60%, vorzugsweise mindestens etwa 60-70%, stärker bevorzugt mindestens etwa 70-80%, 80-90%, 90-95% und am stärksten bevorzugt mindestens etwa 96%, 97%, 98%, 99% oder noch homologer zu einer vollständigen Aminosäuresequenz in Anhang B.In another embodiment, the protein is at least about 50-60%, preferably at least about 60-70%, more preferably at least about 70-80%, 80-90%, 90-95%, and most preferably at least about 96%, 97 %, 98%, 99% or even more homologous to a complete amino acid sequence in Appendix B.
Abschnitte von Proteinen, die von den erfindungsgemäßen HA-Nu- kleinsäuremolekülen codiert werden, sind vorzugsweise biologisch aktive Abschnitte von einem der HA-Proteine. Der Begriff "biologisch aktiver Abschnitt eines HA-Proteins" , wie er hier, verwendet wird, soll einen Abschnitt, bspw. eine Domäne oder ein Motiv, eines HA-Proteins umfassen, die/das an der 'Aufrechterhaltung der Homöostase in C. glutamicum beteiligt sein kann, oder eine Funktion ausüben kann, die an der Anpassung dieses Mikroorganismus an verschiedene Umweltbedingungen beteiligt ist, oder eine in Ta- belle 1 angegebene Aktivität aufweist. Zur Bestimmung, ob ein HA- Protein oder ein biologisch aktiver Abschnitt davon an der C. glutamicum-Zellwand-Biosynthese oder an -Umordnungen, am Metabolismus anorganischer Verbindungen, an der Modifikation oder am Abbau aromatischer oder aliphatischer Verbindungen beteiligt ist oder eine enzymatische oder proteolytische C. glutamicum-Aktivi- tät aufweist, kann ein Test der enzymatischen Aktivität durchgeführt werden. Diese Testverfahren, wie eingehend beschrieben in Beispiel 8 des Beispielteils, sind dem Fachmann geläufig.Sections of proteins which are encoded by the HA nucleic acid molecules according to the invention are preferably biologically active sections of one of the HA proteins. The term "biologically active portion of an HA protein", as used herein, is used to a portion, eg., A domain or motif consisting of an HA protein, the / at the 'maintenance of homeostasis in C. glutamicum can be involved, or can perform a function which is involved in the adaptation of this microorganism to different environmental conditions, or has an activity given in Table 1. To determine whether an HA protein or a biologically active portion thereof is involved in C. glutamicum cell wall biosynthesis or rearrangements, the metabolism of inorganic compounds, the modification or degradation of aromatic or aliphatic compounds or an enzymatic or proteolytic one C. glutamicum activity, a test of the enzymatic activity can be carried out. These test methods, as described in detail in Example 8 of the example part, are familiar to the person skilled in the art.
Zusätzliche Nukleinsäurefragmente, die biologisch aktive Abschnitte eines HA-Proteins codieren, lassen sich durch Isolieren eines Abschnitts von einer der Sequenzen in Anhang B, Exprimieren des codierten Abschnitt des HA-Proteins oder -Peptides (z.B. dμrch rekombinante Expression in vitro) und Bestimmen der Aktivi- tat des codierten Abschnittes des HA-Proteins oder Peptides herstellen.Additional nucleic acid fragments encoding biologically active portions of an HA protein can be obtained by isolating a portion of one of the sequences in Appendix B, expressing the encoded portion of the HA protein or peptide (e.g., by recombinant expression in vitro) and determining the activi - did the coded portion of the HA protein or peptide.
Die Erfindung umfaßt zudem Nukleinsäuremoleküle, die sich von einer der in Anhang A gezeigten Nukleotidsequenzen (und Abschnitten davon) aufgrund des degenerierten genetischen Codes unterscheiden und somit das gleiche HA-Protein codieren wie dasjenige, das von den in Anhang A gezeigten Nukleotidsequenzen codiert wird. In einer anderen Ausführungsform hat ein erfindungsgemäßes isoliertes Nukleinsäuremolekül eine Nukleotidsequenz, die ein Protein mit einer in Anhang B gezeigten Aminosäuresequenz codiert. In einer weiteren Ausführungsform codiert das erfindungsgemäße Nukleinsäuremolekül ein C. gluta icum-Vollängenprotein, das zu einer Amino- säuresequenz aus Anhang B (codiert von einem in Anhang A gezeigten offenen Leseraster) im wesentlichen homolog ist.The invention also encompasses nucleic acid molecules which differ from one of the nucleotide sequences shown in Appendix A (and portions thereof) due to the degenerate genetic code and thus encode the same HA protein as that encoded by the nucleotide sequences shown in Appendix A. In another embodiment, an isolated nucleic acid molecule according to the invention has a nucleotide sequence which encodes a protein with an amino acid sequence shown in Appendix B. In a further embodiment, the nucleic acid molecule according to the invention encodes a full-length C. gluta icum protein which forms an amino acid sequence from Appendix B (encoded by an open reading frame shown in Appendix A) is substantially homologous.
Ein isoliertes Nukleinsäuremolekül, das ein HA-Protein codiert, das zu einer Proteinsequenz aus Anhang B homolog ist, kann durch Einbringen von einer oder mehreren Nukleotidsubstitutionen, -additionen oder -deletionen in eine Nukleotidsequenz aus Anhang A erzeugt werden, so daß eine oder mehrere Aminosäuresubstitutionen, -additionen oder -deletionen in das codierte Protein eingebracht werden. Die Mutationen können in eine der Sequenzen aus Anhang A durch Standard-Techniken eingebracht werden, wie stellengerichtete Mutagenese und PCR-vermittelte Mutagenese. Vorzugsweise werden konservative Aminosäuresubstitutionen an einer oder mehreren der vorhergesagten nicht-essentiellen Aminosäurere- sten eingeführt. Bei einer "konservativen Aminosäuresubstitution" wird der Aminosäurerest durch einen Aminosäurerest mit einer ähnlichen Seitenkette ausgetauscht. Im Fachgebiet sind Familien von Aminosäureresten mit ähnlichen Seitenketten definiert worden. Diese Familien umfassen Aminosäuren mit basischen Seitenketten (z.B. Lysin, Arginin, Histidin), sauren Seitenketten (z.B. Aspa- raginsäure, Glutaminsäure) , ungeladenen polaren Seitenketten (z.B. Glycin, Asparagin, Glutamin, Serin, Threonin, Tyrösin, Cystein) , nicht-polaren Seitenketten, (bspw. Alanin, Valin, Leucin, Isoleucin, Prolin, Phenylalanin, Methionin, Tryptophan) , beta- verzweigten Seitenketten (z.B. Threonin, Valin, Isoleucin) und aromatischen Seitenketten (z.B. Tyrösin, Phenylalanin, Tryptophan, Histidin) . Ein vorhergesagter nicht-essentieller Aminosäurerest in einem HA-Protein wird somit vorzugsweise durch einen anderen Aminosäurerest der gleichen Seitenkettenfamilie ausge- tauscht. In einer weiteren Ausführungsform können die Mutationen alternativ zufallsgemäß über die gesamte oder einen Teil der HA- codierenden Sequenz eingebracht werden, bspw. durch Sättigungsmu- tagenese, und die resultierenden Mutanten können auf die hier beschriebene HA-Aktivität untersucht werden, um Mutanten zu identi- fizieren, die eine HA-Aktivität beibehalten. Nach der Mutagenese von einer der Sequenzen aus Anhang A kann das codierte Protein rekombinant exprimiert werden, und die Aktivität des Proteins kann bspw. mit den hier beschriebenen Tests (siehe Beispiel 8 des Beispielteils) bestimmt werden.An isolated nucleic acid molecule encoding an HA protein that is homologous to a protein sequence from Appendix B can be generated by incorporating one or more nucleotide substitutions, additions or deletions into a nucleotide sequence from Appendix A such that one or more amino acid substitutions , additions or deletions are introduced into the encoded protein. The mutations can be introduced into one of the sequences from Appendix A by standard techniques such as site-directed mutagenesis and PCR-mediated mutagenesis. Conservative amino acid substitutions are preferably introduced at one or more of the predicted non-essential amino acid residues. In a "conservative amino acid substitution", the amino acid residue is replaced by an amino acid residue with a similar side chain. Families of amino acid residues with similar side chains have been defined in the art. These families include amino acids with basic side chains (eg lysine, arginine, histidine), acidic side chains (eg aspartic acid, glutamic acid), uncharged polar side chains (eg glycine, asparagine, glutamine, serine, threonine, tyrosine, cysteine), non-polar Side chains (eg alanine, valine, leucine, isoleucine, proline, phenylalanine, methionine, tryptophan), beta-branched side chains (eg threonine, valine, isoleucine) and aromatic side chains (eg tyrosine, phenylalanine, tryptophan, histidine). A predicted non-essential amino acid residue in an HA protein is therefore preferably replaced by another amino acid residue of the same side chain family. In a further embodiment, the mutations can alternatively be introduced randomly over all or part of the HA coding sequence, for example by saturation mutagenesis, and the resulting mutants can be examined for the HA activity described here in order to identify mutants. who maintain HA activity. After mutagenesis of one of the sequences from Appendix A, the encoded protein can be expressed recombinantly, and the activity of the protein can be determined, for example, using the tests described here (see Example 8 of the example section).
B. Rekombinante Expressionsvektoren und WirtszellenB. Recombinant Expression Vectors and Host Cells
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft Vektoren, vorzugsweise Expressionsvektoren, die eine Nukleinsäure enthalten, die ein HA- Protein (oder einen Abschnitt davon) codieren. Wie hier verwendet betrifft der Begriff "Vektor" ein Nukleinsäuremolekül, das eine andere Nukleinsäure transportieren kann, an welche es gebunden ist. Ein Vektortyp ist ein "Plasmid", was für eine zirkuläre dop- pelsträngige DNA-Schleife steht, in die zusätzlichen DNA-Segmente ligiert werden können. Ein weiterer Vektortyp ist ein viraler Vektor, wobei zusätzliche DNA-Segmente in das virale Genom li- giert werden können. Bestimmte Vektoren können in einer Wirtszelle, in die sie eingebracht worden sind, autonom replizieren (bspw. Bakterienvektoren, mit bakteriellem Replikationsursprung und episomale Säugetiervektoren). Andere Vektoren (z.B. nicht- episomale Säugetiervektoren) werden in das Genom einer Wirtszelle beim Einbringen in die Wirtszelle integriert und dadurch zusammen mit dem Wirtsgenom repliziert. Zudem können bestimmte Vektoren die Expression von Genen, mit denen sie funktionsfähig verbunden sind, steuern. Diese Vektoren werden als "Expressionsvektoren" bezeichnet. Gewöhnlich haben die Expressionsvektoren, die bei DNA-Rekombinationstechniken verwendet werden, die Form von Plas- miden. In der vorliegenden Beschreibung können "Plasmid" und "Vektor" austauschbar verwendet werden, da das Plasmid die am häufigsten verwendete Vektorform ist. Die Erfindung soll diese anderen Expressionsvektorformen, wie virale Vektoren (bspw. re- plikationsdefiziente Retroviren, Adenoviren und adenoverwandte Viren) , die ähnliche Funktionen ausüben, umfassen.Another aspect of the invention relates to vectors, preferably expression vectors, which contain a nucleic acid which encode an HA protein (or a section thereof). As used herein, the term "vector" refers to a nucleic acid molecule that can transport another nucleic acid to which it is bound is. One type of vector is a "plasmid", which stands for a circular double-stranded DNA loop into which additional DNA segments can be ligated. Another type of vector is a viral vector, whereby additional DNA segments can be ligated into the viral genome. Certain vectors can replicate autonomously in a host cell into which they have been introduced (e.g. bacterial vectors with bacterial origin of replication and episomal mammalian vectors). Other vectors (eg non-episomal mammalian vectors) are integrated into the genome of a host cell when it is introduced into the host cell and thereby replicated together with the host genome. In addition, certain vectors can control the expression of genes to which they are operably linked. These vectors are called "expression vectors". Usually the expression vectors used in recombinant DNA techniques are in the form of plasmids. In the present description, "plasmid" and "vector" can be used interchangeably because the plasmid is the most commonly used vector form. The invention is intended to encompass these other expression vector forms, such as viral vectors (for example replication-deficient retroviruses, adenoviruses and adeno-related viruses), which perform similar functions.
Der erfindungsgemäße rekombinante Expressionsvektor umfaßt eine erfindungsgemäße Nukleinsäure in einer Form, die sich zur Expres-- sion der Nukleinsäure in einer Wirtszelle eignet, was bedeutet, daß die rekombinanten Expressionsvektoren eine oder mehrere regulatorische Sequenzen, ausgewählt auf der Basis der zur Expression zu verwendenden Wirtszellen, die mit der zu exprimieren- den Nukleinsäuresequenz funktionsfähig verbunden ist, umfaßt. In einem rekombinanten Exprtessionsvektor bedeutet "funktionsfähig verbunden" , daß die Nukleotidsequenz von Interesse derart an die regulatorische (n) Sequenz (en) gebunden ist, daß die Expression der Nukleotidsequenz möglich ist (bspw. in einem In-vitro-Tran- skriptions-/Translationssystem oder in einer Wirtszelle, wenn der Vektor in die Wirtszelle eingebracht ist) . Der Begriff "regulatorische Sequenz" soll Promotoren, Enhancer und andere Expressionskontrollelemente (bspw. Polyadenylierungssignale) umfassen. Diese regulatorischen Sequenzen sind bspw beschrieben in Goeddel : Gene Expression Technology: Methods in Enzymology 185, Academic Press, San Diego, CA (1990) . Regulatorische Sequenzen umfassen solche, die die konstitutive Expression einer Nukleotidsequenz in vielen Wirtszelltypen steuern, und solche, die die direkte Expression der Nukleotidsequenz nur in bestimmten Wirtszellen steuern. Der Fachmann ist sich dessen bewußt, daß die Gestaltung eines Expres- sionsvektors von Faktoren abhängen kann, wie der Wahl der zu transformierenden Wirtszelle, dem Ausmaß der Expression des gewünschten Proteins usw. Die erfindungsgemäßen Expressionsvektoren können in die Wirtszellen eingebracht werden, so daß dadurch Proteine oder Peptide, einschließlich Fusionsproteinen oder -pepti- den, die von den Nukleinsäuren, wie hier beschrieben, codiert werden, hergestellt werden (bspw. HA-Proteine, mutierte Formen von HA-Proteinen, Fusionsproteine, usw.).The recombinant expression vector according to the invention comprises a nucleic acid according to the invention in a form which is suitable for the expression of the nucleic acid in a host cell, which means that the recombinant expression vectors one or more regulatory sequences, selected on the basis of the host cells to be used for expression, which is operably linked to the nucleic acid sequence to be expressed. In a recombinant expression vector, “operably linked” means that the nucleotide sequence of interest is bound to the regulatory sequence (s) in such a way that expression of the nucleotide sequence is possible (for example in an in vitro transcription / Translation system or in a host cell if the vector is introduced into the host cell). The term "regulatory sequence" is intended to encompass promoters, enhancers and other expression control elements (for example polyadenylation signals). These regulatory sequences are described, for example, in Goeddel: Gene Expression Technology: Methods in Enzymology 185, Academic Press, San Diego, CA (1990). Regulatory sequences include those that control the constitutive expression of a nucleotide sequence in many host cell types and those that control the direct expression of the nucleotide sequence only in certain host cells. The person skilled in the art is aware that the design of an expression vector can depend on factors such as the choice of the host cell to be transformed, the extent of expression of the desired protein, etc. The expression vectors according to the invention can be introduced into the host cells, thereby producing proteins or peptides, including fusion proteins or peptides, which are encoded by the nucleic acids as described here (for example HA proteins, mutated forms of HA proteins, Fusion proteins, etc.).
Die erfindungsgemäßen rekombinanten Expressionsvektoren können zur Expression von HA-Proteinen in prokaryotischen oder eukaryo- tischen Zellen ausgestaltet sein. Bspw. können HA-Gene in bakte- riellen Zellen, wie C. glutamicum, Insektenzellen (mit Baculovi- rus-Expressionsvektoren) , Hefe- und anderen Pilzzellen (siehe Romanos, M.A. et al. (1992) "Foreign gene expression in yeast: a review", Yeast 8: 423-488; van den Hondel, C.A;M.J.J. et al . (1991) "Heterologous gene expression in filamentous fungi" in: More Gene Manipulations in Fungi, J.W. Bennet & L.L. Lasure,The recombinant expression vectors according to the invention can be designed for the expression of HA proteins in prokaryotic or eukaryotic cells. For example. can HA genes in bacterial cells such as C. glutamicum, insect cells (with Baculovirus expression vectors), yeast and other fungal cells (see Romanos, MA et al. (1992) "Foreign gene expression in yeast: a review ", Yeast 8: 423-488; van den Hondel, CA; MJJ et al. (1991)" Heterologous gene expression in filamentous fungi "in: More Gene Manipulations in Fungi, JW Bennet & LL Lasure,
Hrsg., S. 396-428: Academic Press: San Diego; und van den Hondel, C.A.M.J.J. & Punt, P.J. (1991) "Gene transfer Systems and vector development for filamentous fungi. in: Applied Molecular Genetics of Fungi, Peberdy, J.F. et al., Hrsg, S. 1-28, Cambridge University Press: Cambridge), Algen- und vielzelligenEd., Pp. 396-428: Academic Press: San Diego; and van den Hondel, C.A.M.J.J. & Punt, P.J. (1991) "Gene transfer Systems and vector development for filamentous fungi. In: Applied Molecular Genetics of Fungi, Peberdy, J.F. et al., Ed., Pp. 1-28, Cambridge University Press: Cambridge), algae and multicellular
Pflanzenzellen (siehe Schmidt, R. und Willmitzer, L. (1988) "High efficiency Agrobacterium tumefaciens-mediated transformation of Arabidopsis thaliana leaf and cotyledon explants" Plant Cell Rep. : 583-586) oder SäugetierZellen exprimiert werden. Geeignete Wirtszellen werden weiter erörtert in Goeddel, Gene Expression Technology: Methods in Enzymology 185, Academic Press, San Diego, CA (1990) . Der rekombinante Expressionsvektor kann alternativ, bspw. mit T7-Promotorregulatorischen Sequenzen und T7-Polymerase, in vitro transkribiert und translatiert werden.Plant cells (see Schmidt, R. and Willmitzer, L. (1988) "High efficiency Agrobacterium tumefaciens-mediated transformation of Arabidopsis thaliana leaf and cotyledon explants" Plant Cell Rep.: 583-586) or mammalian cells. Suitable host cells are further discussed in Goeddel, Gene Expression Technology: Methods in Enzymology 185, Academic Press, San Diego, CA (1990). Alternatively, the recombinant expression vector can be transcribed and translated in vitro, for example using T7 promoter regulatory sequences and T7 polymerase.
Die Expression von Proteinen in Prokaryonten erfolgt meist mit Vektoren, die konstitutive oder induzierbare Promotoren enthalten, die die Expression von Fusions- oder Nicht-Fusionsproteinen steuern. Fusionsvektoren steuern eine Reihe von Aminosäuren zu einem darin codierten Protein, gewöhnlich am Aminoterminus des rekombinanten Proteins, bei. Diese Fusionsvektoren haben gewöhnlich drei Aufgaben: 1) die Verstärkung der Expression von rekσm- binantem Protein; 2) die Erhöhung der Löslichkeit des rekombinanten Proteins; und 3) die Unterstützung der Reinigung des rekombi- nanten Proteins durch Wirkung als Ligand bei der Affinitätsreinigung. Bei Fusions-Expressionsvektoren wird oft eine proteolytische Spaltstelle an der Verbindungsstelle der Fusionseinheit und des rekombinanten Proteins eingebracht, so daß die Trennung des rekombinanten Proteins von der Fusionseinheit nach der Reinigung des Fusionsproteins möglich ist. Diese Enzyme und ihre entspre- chenden Er ennungsSequenzen umfassen Faktor Xa, Thrombin und Enterokinase .Proteins are usually expressed in prokaryotes using vectors which contain constitutive or inducible promoters which control the expression of fusion or non-fusion proteins. Fusion vectors contribute a number of amino acids to a protein encoded therein, usually at the amino terminus of the recombinant protein. These fusion vectors usually have three functions: 1) to increase the expression of recombinant protein; 2) increasing the solubility of the recombinant protein; and 3) supporting the purification of the recombinant protein by acting as a ligand in affinity purification. In the case of fusion expression vectors, a proteolytic cleavage site is often introduced at the junction of the fusion unit and the recombinant protein, so that the recombinant protein can be separated from the fusion unit after the fusion protein has been purified. These enzymes and their corresponding Detection sequences include factor Xa, thrombin and enterokinase.
Übliche Fusionsexpressionsvektoren umfassen pGEX (Pharmacia Bio- tech Ine; Smith, D.B. und Johnson, K.S. (1988) Gene 67: 31-40), pMAL (New England Biolabs, Beverly, MA) und pRIT 5 (Pharmacia, Piscataway, NJ) , bei denen Glutathion-S-Transferase (GST) , Maltose E-bindendes Protein bzw. Protein A an das rekombinante Zielprotein fusioniert wird. Bei einer Ausführungsform ist die codie- rende Sequenz des HA-Proteins in einen pGEX-Expressionsvektor kloniert, so daß ein Vektor erzeugt wird, der ein Fusionsprotein codiert, umfassend vom N-Terminus zum C-Terminus, GST - Thrombin- Spaltstelle - X-Protein. Das Fusionsprotein kann durch Affinitätschromatographie mittels Glutathion-Agarose-Harz gereinigt wer- den. Das rekombinante HA-Protein, das nicht mit GST fusioniert ist, kann durch Spaltung des Fusionsproteins mit Thrombin gewonnen werden.Common fusion expression vectors include pGEX (Pharmacia Biotech Ine; Smith, DB and Johnson, KS (1988) Gene 67: 31-40), pMAL (New England Biolabs, Beverly, MA) and pRIT 5 (Pharmacia, Piscataway, NJ), in which glutathione-S-transferase (GST), maltose E-binding protein or protein A is fused to the recombinant target protein. In one embodiment, the coding sequence of the HA protein is cloned into a pGEX expression vector so that a vector is generated which encodes a fusion protein, comprising from the N-terminus to the C-terminus, GST - thrombin cleavage site - X- Protein. The fusion protein can be purified by affinity chromatography using glutathione-agarose resin. The recombinant HA protein that is not fused to GST can be obtained by cleaving the fusion protein with thrombin.
Beispiele geeigneter- induzierbarer Nicht-Fusions-Expressionsvek- toren aus E. coli umfassen pTrc (Amann et al., (1988) Gene 69: 301 - 315) und pET lld (Studier et al. Gene Expression Technology: Methods in Enzymology 185, Academic Press, San Diego, Kalifornien (1990) 60-89) . Die Zielgenexpression aus dem pTrc- Vektor beruht auf der Transkription durch Wirts-RNA-Polymerase von einem Hybrid-trp-lac-Fusionspromotor. Die Zielgenexpression aus dem pETlld-Vektor beruht auf der Transkription von einem T7-gnl0-lac-Fusions-Promotor, die von einer coexprimierten vira- len RNA-Polymerase (T7 gnl) vermittelt wird. Diese virale Polymerase wird von den Wirtsstämmen BL 21 (DE3) oder HMS174 (DE3) von einem residenten λ-Prophagen geliefert, der ein T7 gnl-Gen unter der Transkriptionskontrolle des lacUV 5-Promotors birgt .Examples of suitable inducible non-fusion expression vectors from E. coli include pTrc (Amann et al., (1988) Gene 69: 301-315) and pETIld (Studier et al. Gene Expression Technology: Methods in Enzymology 185, Academic Press, San Diego, California (1990) 60-89). Target gene expression from the pTrc vector is based on transcription by host RNA polymerase from a hybrid trp-lac fusion promoter. The target gene expression from the pETlld vector is based on the transcription from a T7-gnl0-lac fusion promoter, which is mediated by a coexpressed viral RNA polymerase (T7 gnl). This viral polymerase is supplied by the BL 21 (DE3) or HMS174 (DE3) host strains from a resident λ prophage which harbors a T7 gnl gene under the transcriptional control of the lacUV 5 promoter.
Eine Strategie zur Maximierung der Expression des rekombinanten Proteins ist die Expression des Proteins in einem Wirtsbakterium, dessen Fähigkeit zur proteolytischen Spaltung des rekombinanten Proteins gestört ist (Gottesman, S. Gene Expression Technology: Methods in Enzymology 185, Academic Press, San Diego, Kalifornien (1990) 119-128) . Eine weitere Strategie ist die Veränderung der Nukleinsäuresequenz der in einen Expressionsvektor zu inserierenden Nukleinsäure, so daß die einzelnen Codons für jede Aminosäure diejenigen sind, die vorzugsweise in einem zur Expression ausgewählten Bakterium, wie C. glutamicum, verwendet werden (Wada et al. (1992) Nucleic Acids Res. 20: 2111 - 2118). Diese Veränderung der erfindungsgemäßen Nukleinsäuresequenzen erfolgt durch Standard-DNA-Synthesetechniken. Bei einer weiteren Ausführungsform ist der HA-Proteinexpressions- vektor ein Hefe-Expressionsvektor. Beispiele für Vektoren zur Expression in der Hefe S. cerevisiae umfassen pYepSecl (Baldari et al., (1987) Embo J. 6: 229-234), pMFa (Kurjan und Herskowitz (1982) Cell 30: 933-943), pJRY88 (Schultz et al. (1987) Gene 54: 113 - 123) sowie pYES2 (Invitrogen Corporation, San Diego, CA) . Vektoren und Verfahren zur Konstruktion von Vektoren, die sich zur Verwendung in anderen Pilzen, wie filamentösen Pilzen, eignen, umfassen diejenigen, die eingehend beschrieben sind in: van den Hondel, C.A.M.J.J. & Punt, P.J. (1991) "Gene transfer Systems and vector development for filamentous fungi, in: Applied Molecular Genetics of fungi, J.F. Peberdy et al., Hrsg., S. 1-28, Cambridge University Press: Cambridge.One strategy to maximize the expression of the recombinant protein is to express the protein in a host bacterium whose ability to proteolytically cleave the recombinant protein is impaired (Gottesman, S. Gene Expression Technology: Methods in Enzymology 185, Academic Press, San Diego, California ( 1990) 119-128). Another strategy is to change the nucleic acid sequence of the nucleic acid to be inserted into an expression vector so that the individual codons for each amino acid are those which are preferably used in a bacterium selected for expression, such as C. glutamicum (Wada et al. (1992 ) Nucleic Acids Res. 20: 2111-2118). This change in the nucleic acid sequences according to the invention is carried out by standard DNA synthesis techniques. In a further embodiment, the HA protein expression vector is a yeast expression vector. Examples of vectors for expression in the yeast S. cerevisiae include pYepSecl (Baldari et al., (1987) Embo J. 6: 229-234), pMFa (Kurjan and Herskowitz (1982) Cell 30: 933-943), pJRY88 ( Schultz et al. (1987) Gene 54: 113-123) and pYES2 (Invitrogen Corporation, San Diego, CA). Vectors and methods of constructing vectors suitable for use in other fungi such as filamentous fungi include those described in detail in: van den Hondel, CAMJJ & Punt, PJ (1991) "Gene transfer Systems and vector development for filamentous fungi, in: Applied Molecular Genetics of fungi, JF Peberdy et al., ed., pp. 1-28, Cambridge University Press: Cambridge.
Alternativ können die erfindungsgemäßen HA-Proteine in Insektenzellen unter Verwendung von Baculovirus-Expressionsvektoren exprimiert werden. Baculovirus-Vektoren, die zur Expression von Proteinen in gezüchteten Insektenzellen (bspw. Sf9-Zellen) verfügbar sind, umfassen die pAc-Reihe (Smith et al., (1983) Mol. Cell Biol.. 3: 2156-2165) und die pVL-Reihe (Lucklow und Summers (1989) Virology 170: 31-39).Alternatively, the HA proteins of the invention can be expressed in insect cells using baculovirus expression vectors. Baculovirus vectors available for expression of proteins in cultured insect cells (e.g. Sf9 cells) include the pAc series (Smith et al., (1983) Mol. Cell Biol .. 3: 2156-2165) and pVL series (Lucklow and Summers (1989) Virology 170: 31-39).
In einer weiteren Ausführungsform können die erfindungsgemäßen HA-Proteine in einzelligen Pflanzenzellen (wie Algen) oder in Pflanzenzellen höherer Pflanzen (bspw. Spermatophyten, wie Feldfrüchte) exprimiert werden. Beispiele für Pflanzen-Expressionsvektoren umfassen solche, die eingehend beschrieben sind in: Bek- ker, D., Ke per, E., Schell, J. und Masterson, R. (1992) "New plant binary vectors with selectable markers located proximal to the left border", Plant Mol. Biol. 20: 1195-1197; und Bevan, M.W. (1984) "Binary Agrobaσterium vectors for plant transformation", Nucl. Acids Res. 12: 8711-8721.In a further embodiment, the HA proteins according to the invention can be expressed in single-cell plant cells (such as algae) or in plant cells of higher plants (for example spermatophytes, such as crops). Examples of plant expression vectors include those described in detail in: Bekker, D., Ke per, E., Schell, J. and Masterson, R. (1992) "New plant binary vectors with selectable markers located proximal to the left border ", Plant Mol. Biol. 20: 1195-1197; and Bevan, M.W. (1984) "Binary Agrobacterium Vectors for Plant Transformation", Nucl. Acids Res. 12: 8711-8721.
In einer weiteren Ausführungsform wird eine erfindungsgemäße Nu- kleinsäure in Säugetierzellen mit einem Säugetier-Expressionsvektor exprimiert .. Beispiele für Säugetier-Expressionsvektoren umfassen pCDM8 (Seed, B. (1987) Nature 329:840) und pMT2PC (Kaufman et al. (1987) EMBO J. 6: 187-195). Bei der Verwendung in Säugetierzellen werden die Kontrollfunktionen des Expressionsvektors oft von viralen regulatorischen Elementen bereitgestellt. Gemeinhin verwendete Promotoren stammen bspw. aus Polyoma, Adenovirus2, Cytomegalievirus und Simian Virus 40. Für weitere geeignete Expressionssysteme für prokaryotische und eukaryotische Zellen, siehe die Kapitel 16 und 17 aus Sambrook, J., Fritsch, E.F. und Maniatis, T. , Molecular cloning:' A Laboratory Manual, 2. Auflage, Cold Spring Harbor Laboratory, Cold Spring Harbor Laboratory Press, Cold Spring Harbor, NY, 1989.In a further embodiment, a nucleic acid according to the invention is expressed in mammalian cells with a mammalian expression vector. Examples of mammalian expression vectors include pCDM8 (Seed, B. (1987) Nature 329: 840) and pMT2PC (Kaufman et al. (1987) EMBO J. 6: 187-195). When used in mammalian cells, the control functions of the expression vector are often provided by viral regulatory elements. Commonly used promoters come, for example, from Polyoma, Adenovirus2, Cytomegalievirus and Simian Virus 40. For further suitable expression systems for prokaryotic and eukaryotic cells, see chapters 16 and 17 from Sambrook, J., Fritsch, EF and Maniatis, T., Molecular cloning : ' A Laboratory Manual, 2nd edition, Cold Spring Harbor Laboratory, Cold Spring Harbor Laboratory Press, Cold Spring Harbor, NY, 1989.
Bei einer weiteren Ausführungsform kann der rekombinante Säuge- 5 tier-Expressionsvektor die Expression der Nukleinsäure vorzugsweise in einem bestimmten Zelltyp bewirken (bspw. werden gewebespezifische regulatorische Elemente zur Expression der Nukleinsäure verwendet) . Gewebespezifische regulatorische Elemente sind im Fachgebiet bekannt. Nicht-einschränkende Beispiele für geei-In a further embodiment, the recombinant mammalian expression vector can preferably bring about the expression of the nucleic acid in a specific cell type (for example, tissue-specific regulatory elements are used to express the nucleic acid). Tissue-specific regulatory elements are known in the art. Non-limiting examples of suitable
10 gnete gewebespezifische Promotoren umfassen den Albuminpromotor (leberspezifisch; Pinkert et al. (1987) Genes Dev. 1: 268-277), lymphoid-spezifische Promotoren (Calame und Eaton (1988) Adv. Im- munol. 43: 235-275), insbesondere Promotoren von T-Zellrezeptoren (Winoto und Baltimore (1989) EMBO J. 8: 729-733) und Immunglobu-10 gnete tissue-specific promoters include the albumin promoter (liver-specific; Pinkert et al. (1987) Genes Dev. 1: 268-277), lymphoid-specific promoters (Calame and Eaton (1988) Adv. Immunol. 43: 235-275) , in particular promoters of T cell receptors (Winoto and Baltimore (1989) EMBO J. 8: 729-733) and immunoglobulin
15 linen (Banerji et al. (1983) Cell 33: 729-740; Queen und Baltimore (1983) Cell 33: 741-748), neuronspezifische Promotoren (bspw. Neurofilament-Promotor; Byrne und Ruddle (1989) PNAS 86: 5473-5477), pankreasspezifische Promotoren (Edlund et al., (1985) Science 230: 912-916) und milchdrüsenspezifische Promotoren15 linen (Banerji et al. (1983) Cell 33: 729-740; Queen and Baltimore (1983) Cell 33: 741-748), neuron-specific promoters (e.g. neurofilament promoter; Byrne and Ruddle (1989) PNAS 86: 5473 -5477), pancreatic-specific promoters (Edlund et al., (1985) Science 230: 912-916) and mammary-specific promoters
20 (bspw. MiIchserum-Promotor; US-Patent Nr. 4 873 316 und europäische Patentanmeldungsveröffentlichung Nr. 264 166) . Entwicklungs- regulierte Promoren sind ebenfalls umfaßt, bspw. die Maus-hox- Promotoren (Kessel und Gruss (1990) Science 249: 374-379) und der α-Fetoprotein-Promotor (Campes und Tilghman (1989) Genes Dev. 3:20 (e.g., milk serum promoter; U.S. Patent No. 4,873,316 and European Patent Application Publication No. 264,166). Development-regulated promoters are also included, for example the mouse hox promoters (Kessel and Gruss (1990) Science 249: 374-379) and the α-fetoprotein promoter (Campes and Tilghman (1989) Genes Dev. 3:
25 537-546) .25 537-546).
Die Erfindung stellt zudem einen rekombinanten Expressionsvektor bereit, umfassend ein erfindungsgemäßes DNA Molekül, das in Anti- sense-Richtung in den Expressionsvektor kloniert ist. Dies bedeu-The invention also provides a recombinant expression vector comprising a DNA molecule according to the invention which is cloned into the expression vector in the antisense direction. This means
30 tet, daß das DNA-Molekül derart mit einer regulatorischen Sequenz funktionsfähig verbunden ist, daß die Expression (durch Transkription des DNA-.Moleküls) eines RNA-Moleküls, das zur HA-mRNA antisense ist, möglich ist. Es können regulatorische Sequenzen ausgewählt werden, die funktionsfähig an eine in Antisense-Rich-30 tet that the DNA molecule is operatively linked to a regulatory sequence such that expression (by transcription of the DNA. Molecule) of an RNA molecule that is antisense to HA mRNA is possible. Regulatory sequences can be selected that are functional to an antisense rich
35 tung klonierte Nukleinsäure gebunden sind und die die kontinuierliche Expression des Antisense-RNA-Moleküls in einer Vielzahl von Zelltypen steuern, bspw. können virale Promotoren und/oder Enhan- cer oder regulatorische Sequenzen ausgewählt werden, die die konstitutive, gewebespezifische oder zelltypspezifische Expression35 cloned nucleic acid are bound and which control the continuous expression of the antisense RNA molecule in a variety of cell types, for example. Viral promoters and / or enhancers or regulatory sequences can be selected which the constitutive, tissue-specific or cell type-specific expression
40 von Antisense-RNA steuern. Der Antisense-Expressionsvektor kann in Form eines rekombinanten Plasmids, Phagemids oder attenuierten Virus vorliegen, in dem Antisense-Nukleinsäuren unter der Kontrolle eines hochwirksamen regulatorisehen Bereichs produziert werden, dessen Aktivität durch den Zeiltyp bestimmt wird, in denControl 40 of antisense RNA. The antisense expression vector can be in the form of a recombinant plasmid, phagemid or attenuated virus in which antisense nucleic acids are produced under the control of a highly effective regulatory region, the activity of which is determined by the cell type in which
45 der Vektor eingebracht wird. Für eine Diskussion der Regulation der Genexpression mittels Antisense-Genen, siehe Wei'ntraub, H. et al., Antisense-RNA as a molecular tool for genetic analysis, Reviews - Trends in Genetics, Bd. 1(1) 1986.45 the vector is introduced. For a discussion of the regulation of gene expression using antisense genes, see Wei ' ntraub, H. et al., Antisense-RNA as a molecular tool for genetic analysis, Reviews - Trends in Genetics, Vol. 1 (1) 1986.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft die Wirtszellen, in die ein erfindungsgemäßer rekombinanter Expressionsvektor eingebracht worden ist. Die Begriffe "Wirtszelle" und "rekombinante Wirtszelle" werden hier untereinander austauschbar verwendet. Es ist selbstverständlich, daß diese Begriffe nicht nur eine bestimmte Zielzelle, sondern auch die Nachkommen oder potentiellen Nachkommen dieser Zelle betreffen. Da in aufeinanderfolgenden Generationen aufgrund von Mutation oder Umwelteinflüssen bestimmte Modifikationen auftreten können, sind diese Nachkommen nicht unbedingt mit der Parentalzelle identisch, sind jedoch im Umfang des Begriffs, wie er hier verwendet wird, noch umfaßt.Another aspect of the invention relates to the host cells into which a recombinant expression vector according to the invention has been introduced. The terms "host cell" and "recombinant host cell" are used interchangeably here. It goes without saying that these terms refer not only to a specific target cell, but also to the descendants or potential descendants of this cell. Since certain modifications may occur in successive generations due to mutation or environmental influences, these offspring are not necessarily identical to the parental cell, but are still included in the scope of the term as used here.
Eine Wirtszelle kann eine prokaryotische oder eukaryotische Zelle sein. Bspw. kann ein HA-Protein in Bakterienzellen, wie C. glutamicum, Insektenzellen, Hefe- oder Säugetierzellen (wie Ovarzellen des chinesischen Hamsters (CHO) oder COS-Zellen) exprimiert wer- den. Andere geeignete Wirtszellen sind dem Fachmann geläufig. Mikroorganismen, die mit Corynebacterium glutamicum verwandt sind und sich geeignet als Wirtszellen für die erfindungsgemäßen Nukleinsäure- und Proteinmoleküle verwenden lassen, sind in Tabelle 3 aufgeführt.A host cell can be a prokaryotic or eukaryotic cell. For example. an HA protein can be expressed in bacterial cells such as C. glutamicum, insect cells, yeast or mammalian cells (such as Chinese hamster ovary cells (CHO) or COS cells). Other suitable host cells are known to the person skilled in the art. Microorganisms which are related to Corynebacterium glutamicum and which can be suitably used as host cells for the nucleic acid and protein molecules according to the invention are listed in Table 3.
Durch herkömmliche Transformations- oder Transfektionsverfahren läßt sich Vektor-DNA in prokaryotische oder eukaryotische Zellen einbringen. Die Begriffe "Transformation", "Transfektion", "Konjugation" und "Transduktion" , wie sie hier verwendet werden, sol- len eine Vielzahl von im Stand der Technik bekannten Verfahren zum Einbringen fremder Nukleinsäure (bspw. DNA) in eine Wirtszelle umfassen, einschließlich Calciumphosphat- oder Calciumchlo- rid-Copräzipitation, DEAE-Dextran-vermittelte Transfektion, Lipo- fektion oder Elektroporation. Geeignete Verfahren zur Transforma- tion oder Transfektion von Wirtszellen lassen sich nachlesen in Sambrook et al . (Molecular Cloning: A Laboratory Manual. 2. Aufl. Cold Spring Harbor Laboratory, Cold Spring Harbor Laboratory Press, Cold Spring Harbor, NY, 1989) und anderen Labor-Handbüchern.Using conventional transformation or transfection methods, vector DNA can be introduced into prokaryotic or eukaryotic cells. The terms "transformation", "transfection", "conjugation" and "transduction", as used here, are intended to include a large number of methods known in the prior art for introducing foreign nucleic acid (for example DNA) into a host cell, including calcium phosphate or calcium chloride coprecipitation, DEAE-dextran-mediated transfection, lipofection or electroporation. Suitable methods for transforming or transfecting host cells can be found in Sambrook et al. (Molecular Cloning: A Laboratory Manual. 2nd Ed. Cold Spring Harbor Laboratory, Cold Spring Harbor Laboratory Press, Cold Spring Harbor, NY, 1989) and other laboratory manuals.
Für die stabile Transfektion von Säugetierzellen ist bekannt, daß je nach verwendetem Expressionsvektor und verwendeter Transfekti- onstechnik nur ein kleiner Teil der Zellen die fremde DNA in ihr Genom integriert. Zur Identifizierung und Selektion dieser Inte- granten wird gewöhnlich ein Gen, das einen selektierbaren Marker (z.B. Resistenz gegen Antibiotika) codiert, zusammen mit dem Gen von Interesse in die Wirtszellen eingebracht. Bevorzugte selek- tierbare Marker umfassen solche, die die Resistenz gegen Medikamente, wie G418, Hygromycin und Methotrexat, verleihen. Eine Nukleinsäure, die einen selektierbaren Marker codiert, kann in eine Wirtszelle auf dem gleichen Vektor eingebracht werden, wie derje- nige, der ein HA-Protein codiert, oder kann auf einem gesonderten Vektor eingebracht werden. Zellen," die mit der eingebrachten Nukleinsäure stabil transfiziert worden sind, können durch Medikamentenselektion identifiziert werden (z.B. Zellen, die den selektierbaren Marker integriert haben, überleben, wohingegen die an- deren Zellen sterben) .For the stable transfection of mammalian cells it is known that, depending on the expression vector and transfection technique used, only a small part of the cells integrate the foreign DNA into their genome. To identify and select these integrants, a gene that encodes a selectable marker (eg resistance to antibiotics) is usually introduced into the host cells together with the gene of interest. Preferred select Animal markers include those that confer resistance to drugs such as G418, hygromycin and methotrexate. A nucleic acid encoding a selectable marker can be introduced into a host cell on the same vector as that encoding an HA protein, or can be introduced on a separate vector. Cells "that have been stably transfected with the introduced nucleic acid can be identified by drug selection (eg cells that have integrated the selectable marker survive, whereas the other cells die).
Zur Erzeugung eines homolog rekombinierten Mikroorganismus wird ein Vektor hergestellt, der zumindest einen Abschnitt eines HA- Gens enthält, in den eine Deletion, Addition oder Substitution eingebracht worden ist, um das HA-Gen zu verändern, bspw. funktioneil zu disrumpieren. Dieses HA-Gen ist vorzugsweise ein Corynebacterium glutamicum-HA-Gen, jedoch kann ein Homologon von einem verwandten Bakterium oder sogar von einer Säugetier-, Hefeoder Insektenquelle verwendet werden. Bei einer bevorzugten Aus- führungsform ist der Vektor derart ausgestaltet, daß das endogene HA-Gen bei homologer Rekombination funktionell disrumpiert ist (d.h. nicht länger ein funktionelles Protein codiert, ebenfalls bezeichnet als "Knockout"-Vektor) . Der Vektor kann alternativ derart ausgestaltet sein, daß das endogene HA-Gen bei homologer Rekombination mutiert oder anderweitig verändert ist, jedoch noch das funktioneile Protein codiert (z.B. kann der stromaufwärts gelegene .regulatorische Bereich derart verändert sein, daß dadurch die Expression des endogenen HA-Proteins verändert wird.). Der veränderte Abschnitt des HA-Gens ist im homologen Rekombinations- vektor an seinem 5 '.- und 3 ' -Ende von zusätzlicher Nukleinsäure des HA-Gens flankiert, die eine homologe Rekombination zwischen dem exogenen HA-Gen, das von dem Vektor getragen wird, und einem endogenen HA-Gen in einem Mikroorganismus, ermöglicht. Die zusätzliche flankierende HA-Nukleinsäure ist für eine erfolgreiche homologe Rekombination mit dem endogenen Gen hinreichend lang. Gewöhnlich enthält der Vektor mehrere Kilobasen flankierende DNA (sowohl am 5'- als auch am 3'-Ende) (siehe z.B. Thomas, K.R. und Capecchi, M.R. (1987) Cell 51: 503 für eine Beschreibung von homologen Rekombinationsvektoren) . Der Vektor wird in einen Mikro- Organismus (z.B. durch Elektroporation) eingebracht, und Zellen, in denen das eingebrachte HA-Gen mit dem endogenen HA-Gen homolog rekombiniert ist, werden unter Verwendung im Fachgebiet bekannter Verfahren selektiert.In order to generate a homologously recombined microorganism, a vector is produced which contains at least a section of an HA gene into which a deletion, addition or substitution has been introduced in order to change the HA gene, for example to disrupt it functionally. This HA gene is preferably a Corynebacterium glutamicum HA gene, however a homologue from a related bacterium or even from a mammalian, yeast or insect source can be used. In a preferred embodiment, the vector is designed such that the endogenous HA gene is functionally disrupted in the case of homologous recombination (ie no longer encodes a functional protein, also referred to as a "knockout" vector). The vector may alternatively be designed so that the endogenous HA gene homologous recombination mutates or otherwise altered but coded nor the functional protein (eg, may be changed, the upstream. Regulatory region in such a manner that thereby the expression of the endogenous HA Protein is changed.). The modified portion of the HA gene is flanked in the homologous recombination vector at its 5 'and 3' ends by additional nucleic acid of the HA gene, which is a homologous recombination between the exogenous HA gene which is carried by the vector , and an endogenous HA gene in a microorganism. The additional flanking HA nucleic acid is long enough for successful homologous recombination with the endogenous gene. The vector usually contains several kilobases flanking DNA (both at the 5 'and 3' ends) (see, for example, Thomas, KR and Capecchi, MR (1987) Cell 51: 503 for a description of homologous recombination vectors). The vector is introduced into a microorganism (eg, by electroporation), and cells in which the introduced HA gene is homologously recombined with the endogenous HA gene are selected using methods known in the art.
Bei einer anderen Ausführungsform können rekombinante Mikroorganismen produziert werden, die ausgewählte Systeme enthalten, die eine regulierte Expression des eingebrachten Gens ermöglichen. Der Einschluß eines HA-Gens in einem Vektor unter der Kontrolle des Lac-Operons ermöglicht z.B. die Expression des HA-Gens nur in Gegenwart von IPTG. Diese regulatorischen Systeme sind im Fachgebiet bekannt.In another embodiment, recombinant microorganisms can be produced which contain selected systems which allow regulated expression of the introduced gene. The inclusion of an HA gene in a vector under the control of the lac operon, for example, enables the expression of the HA gene only in the presence of IPTG. These regulatory systems are known in the art.
Eine erfindungsgemäße Wirtszelle, wie eine prokaryotische oder eukaryotische Wirtszelle in Kultur, kann zur Produktion (d.h. Expression) eines HA-Proteins verwendet werden. Die Erfindung stellt zudem Verfahren zur Produktion von HA-Proteinen unter Ver- Wendung der erfindungsgemäßen Wirtszellen bereit. Bei einer Ausführungsform umfaßt das Verfahren die Anzucht der erfindungsgemäßen Wirtszelle (in die ein rekombinanter Expressionsvektor, der ein HA-Protein codiert, eingebracht worden ist, oder in deren Genom ein Gen eingebracht worden ist, das ein Wildtyp- oder verän- dertes HA-Protein codiert) in einem geeigneten Medium, bis das HA-Protein produziert worden ist. Das Verfahren umfaßt in einer weiteren Ausführungsform das Isolieren der HA-Proteine aus dem Medium oder der Wirtszelle.A host cell according to the invention, such as a prokaryotic or eukaryotic host cell in culture, can be used to produce (i.e., express) an HA protein. The invention also provides methods for the production of HA proteins using the host cells according to the invention. In one embodiment, the method comprises culturing the host cell according to the invention (into which a recombinant expression vector which encodes an HA protein has been introduced, or into whose genome a gene has been introduced which is a wild-type or modified HA protein encoded) in a suitable medium until the HA protein has been produced. In a further embodiment, the method comprises isolating the HA proteins from the medium or the host cell.
C. ErfindungsgemäΕe Verwendungen und VerfahrenC. Uses and methods according to the invention
Die hier beschriebenen Nukleinsäuremoleküle, Proteine, Proteinho- mologa, Fusionsproteine, Primer, Vektoren und Wirtszellen können in einem oder mehreren nachstehenden Verfahren verwendet werden: Identifikation von C. glutamicum und verwandten Organismen, Kartierung von Genomen von Organismen, die mit C. glutamicum verwandt sind, Identifikation und Lokalisation von C. glutamicum-Se- quenzen von Interesse, Evolutionsstudien, Bestimmung von HA-Pro- teinbereichen, die für die Funktion notwendig sind, Modulation der Aktivität eines HA-Proteins; Modulation des Metabolismus von einer oder mehreren organischen Verbindungen; Modulation der Modifikation oder des Abbaus von einer oder mehreren aromatischen oder aliphatischen Verbindungen; Modulation der Zellwandsynthese oder von Umordnungen; Modulation der Enzymaktivität oder der Pro- teolyse; und Modulation der zellulären Produktion einer gewünschten Verbindung, wie einer Feinchemikalie: Die erfindungsgemäßen HA-Nukleinsäuremoleküle haben eine Vielzahl von Verwendungen. Sie können zunächst zur Identifikation eines Organismus als Corynebacterium glutamicum oder naher Verwandten davon verwendet wer- den. Sie können zudem zur Identifikation von C. glutamicum oder eines Verwandten davon in einer Mischpopulation von Mikroorganismen verwendet werden. Die Erfindung stellt die Nukleinsäurese- quenzen einer Reihe von C. glutamicum-Genen bereit. Durch Sondieren der extrahierten genomischen DNA einer Kultur einer einheit- liehen oder gemischten Population von Mikroorganismen unter stringenten Bedingungen mit einer Sonde, die einen Bereich eines C. glu amicum-Gens umfaßt, das für diesen Organismus einzigartig ist, kann man bestimmen, ob dieser Organismus zugegen ist. Corynebacterium glutamicum selbst ist zwar nicht pathogen, jedoch ist es mit pathogenen Arten, wie Corynebacterium diptheriae, verwandt. Der Nachweis eines solchen Organismus ist von signifikan- ter klinischer Bedeutung.The nucleic acid molecules, proteins, protein homologs, fusion proteins, primers, vectors and host cells described here can be used in one or more of the following methods: identification of C. glutamicum and related organisms, mapping of genomes of organisms related to C. glutamicum , Identification and localization of C. glutamicum sequences of interest, evolution studies, determination of HA protein areas that are necessary for function, modulation of the activity of an HA protein; Modulation of the metabolism of one or more organic compounds; Modulating the modification or degradation of one or more aromatic or aliphatic compounds; Modulation of cell wall synthesis or rearrangements; Modulation of enzyme activity or protolysis; and modulation of the cellular production of a desired compound, such as a fine chemical: the HA nucleic acid molecules according to the invention have a multitude of uses. They can initially be used to identify an organism as Corynebacterium glutamicum or close relatives thereof. They can also be used to identify C. glutamicum or a relative thereof in a mixed population of microorganisms. The invention provides the nucleic acid sequences of a number of C. glutamicum genes. By probing the extracted genomic DNA from a culture of a unitary or mixed population of microorganisms under stringent conditions with a probe comprising a region of a C. glu amicum gene that is unique to that organism one can determine whether this organism is present. Corynebacterium glutamicum itself is not pathogenic, but it is related to pathogenic species such as Corynebacterium diptheriae. The detection of such an organism is of significant clinical importance.
Die erfindungsgemäßen Nukleinsäure- und Proteinmoleküle können als Marker für spezifische Bereiche des Genoms dienen. Dies ist nicht nur beim Kartieren des Genoms, sondern auch für funktio- nelle Studien von C. glufcamicu-Proteinen nützlich. Zur Identifikation des Genombereichs, an den ein bestimmtes C. glutamicum- DNA-bindendes Protein bindet, kann das C. glu amicum-Genom bspw. gespalten werden, und die Fragmente mit dem DNA-bindenden Protein inkubiert werden. Diejenigen, die das Protein binden, können zu- sätzlich mit den erfindungsgemäßen Nukleinsäuremolekülen, vorzugsweise mit leicht nachweisbaren Markierungen, sondiert werden; die Bindung eines solchen Nukleinsäuremoleküls an das Genomfragment ermöglicht die Lokalisation des Fragmentes auf der genomischen Karte von C. glutamicum, und wenn dies mehrmals mit unter- schiedlichen Enzymen durchgeführt wird, erleichtert es eine rasche Bestimmung der Nukleinsäuresequenz, an die das Protein bindet. Die erfindungsgemäßen Nukleinsäuremoleküle können zudem hinreichend homolog zu den Sequenzen verwandter Arten sein, so daß diese Nukleinsäuremoleküle als Marker für die Konstruktion einer genomischen Karte in verwandten Bakterien, wie Brevibacterium lactofermentum, dienen können.The nucleic acid and protein molecules according to the invention can serve as markers for specific regions of the genome. This is useful not only when mapping the genome, but also for functional studies of C. glufcamicu proteins. To identify the genome region to which a specific C. glutamicum DNA-binding protein binds, the C. glu amicum genome can be cleaved, for example, and the fragments incubated with the DNA-binding protein. Those that bind the protein can additionally be probed with the nucleic acid molecules according to the invention, preferably with easily detectable labels; the binding of such a nucleic acid molecule to the genome fragment enables the fragment to be located on the genomic map of C. glutamicum, and if this is done several times with different enzymes, it facilitates a rapid determination of the nucleic acid sequence to which the protein binds. The nucleic acid molecules according to the invention can also be sufficiently homologous to the sequences of related species so that these nucleic acid molecules can serve as markers for the construction of a genomic map in related bacteria, such as Brevibacterium lactofermentum.
Die erfindungsgemäßen HA-Nukleinsäuremoleküle eignen sich ebenfalls für Evolutions- und Proteinstrukturuntersuchungen. Die Prozesse, die an der Anpassung und der Aufrechterhaltung der Homöostase beteiligt sind, an denen die erfindungsgemäßen Moleküle beteiligt sind, werden von vielen Arten ausgenutzt; durch Vergleich der Sequenzen der erfindungsgemäßen Nukleinsäuremoleküle mit solchen, die ähnliche Enzyme aus anderen Organismen codieren, kann der Evolutions-Verwandschaftsgrad der Organismen bestimmt werden. Entsprechend ermöglicht ein solcher Vergleich die Bestimmung, welche Sequenzbereiche konserviert sind und welche nicht, was bei der Bestimmung solcher Bereiche des Proteins hilfreich sein kann, die für die Enzymfunktion essentiell sind. Dieser Typ der Bestimmung ist für Proteintechnologie-Untersuchungen wertvoll und kann einen Hinweis darauf geben, welches Protein Mutagenese tolerieren kann, ohne die Funktion zu verlieren.The HA nucleic acid molecules according to the invention are also suitable for evolution and protein structure studies. The processes involved in the adaptation and maintenance of homeostasis in which the molecules of the invention are involved are exploited by many types; By comparing the sequences of the nucleic acid molecules according to the invention with those which encode similar enzymes from other organisms, the degree of evolutionary kinship of the organisms can be determined. Accordingly, such a comparison enables the determination of which sequence regions are conserved and which are not, which can be helpful in determining those regions of the protein which are essential for the enzyme function. This type of determination is valuable for protein technology studies and can provide an indication of which protein can tolerate mutagenesis without losing function.
Die Manipulation der erfindungsgemäßen HA-Nukleinsäuremoleküle kann die Produktion von HA-Proteinen mit funktionellen Unterschieden zu den Wildtyp-HA-Proteinen bewirken. Diese Proteine können hinsichtlich ihrer Effizienz oder Aktivität verbessert werden, können in größerer Anzahl als gewöhnlich in der Zelle zugegen sein, oder können hinsichtlich ihrer Effizienz oder Aktivität geschwächt sein.The manipulation of the HA nucleic acid molecules according to the invention can bring about the production of HA proteins with functional differences from the wild-type HA proteins. These proteins can be improved in terms of their efficiency or activity may be present in the cell in greater numbers than usual, or may be weakened in their efficiency or activity.
Die Modulation der Aktivität oder der Anzahl der HA-Proteine, die an der Zellwandbiosynthese oder an Umordnungen beteiligt sind, kann die Produktion, Ausbeute und/oder Effizienz der Produktion von einer oder mehreren Feinchemikalien aus C. glutamicum-Zellen beeinflussen. Durch Verändern der Zellaktivität dieser Proteine läßt sich die Struktur oder die Dicke der Zellwand modulieren. Die Zellwand dient in hohem Maße als Schutzvorrichtung gegen os- motische Lyse und externe Verletzungsquellen; durch Modifizieren der Zellwand kann man die Fähigkeit von C. glutamicum, mechanischem Streß und dem Streß durch Scherkräfte, denen dieser Mikro- Organismus bei einer Fermenter-Großanzucht unterliegt, standzuhalten, verstärken. Jede C. glutamicum-Zelle ist zudem von einer dicken Zellwand umgeben, und somit besteht ein signifikanter Anteil an Biomasse, die in einer Großkultur zugegen ist, aus Zellwand. Durch Vergrößern der Rate, mit der die Zellwand syntheti- siert wird, oder durch Aktivieren der Zellwandsynthese (durch ge- netische Manipulation der erfindungsgemäßen HA-Zellwandproteine) kann man die Wachstumsgeschwindigkeit des Mikroorganismus steigern. Entsprechend läßt sich durch Senken der Aktivität oder der Anzahl an Proteinen, die am Abbau der Zellwand beteiligt sind, oder durch Senken der Repression der Zellwand-Biosynthese, ein Gesamtanstieg der Zellwandproduktion erzielen. Eine Erhöhung der Anzahl von lebensfähigen C. glutamicum-Zellen (wie es durch eine der vorhergehend beschriebenen Proteinveränderungen erfolgt) sollte eine vergrößerte Anzahl an Zellen bewirken, die die ge- wünschte Feinchemikalie in Fermenter-Großkulturen produzieren, . was die Ausbeuten oder die Effizienz der Produktion dieser Verbindungen aus der Kultur steigern sollte.Modulation of the activity or number of HA proteins involved in cell wall biosynthesis or rearrangement can affect the production, yield and / or efficiency of production of one or more fine chemicals from C. glutamicum cells. The structure or the thickness of the cell wall can be modulated by changing the cell activity of these proteins. The cell wall serves to a great extent as a protective device against osseous lysis and external sources of injury; by modifying the cell wall, the ability of C. glutamicum to withstand mechanical stress and the stress due to shear forces to which this microorganism is subject during large fermenter cultivation can be increased. Each C. glutamicum cell is also surrounded by a thick cell wall, and thus a significant proportion of the biomass that is present in a large culture consists of the cell wall. By increasing the cell wall is synthe- the rate, or by activating the cell wall synthesis (genetic manipulation by overall HA cell wall proteins of the invention) can increase the growth rate of the microorganism. Accordingly, an overall increase in cell wall production can be achieved by lowering the activity or the number of proteins involved in the breakdown of the cell wall or by reducing the repression of cell wall biosynthesis. An increase in the number of viable C. glutamicum cells (as is done by one of the protein changes described above) should result in an increased number of cells which produce the desired fine chemical in large fermenter cultures,. which should increase the yields or the efficiency of the production of these compounds from the culture.
Die Modulation der Aktivität oder Anzahl von C. glutamicum-EA- Proteinen, die an der Modifikation oder am Abbau aromatischer oder aliphatischer Verbindungen beteiligt sind, können auch direkte oder indirekte Auswirkungen auf die Produktion von einer oder mehreren Feinchemikalien von diesen Zellen haben. Bestimmte aromatische oder aliphatische Modifikations- oder Abbauprodukte sind wünschenswerte Feinchemikalien (bspw. organische Säuren- oder modifizierte aromatische oder aliphatische Verbindungen) ; somit kann man durch Modifizieren der Enzyme, die diese Modifikationen (z.B. Hydroxylierung, Methylierung oder Isomerisierung) oder Abbaureaktionen durchführen, die Ausbeuten dieser gewünschten Ver- bindungen steigern. Ensprechend kann man durch Senken der Aktivität oder der Anzahl der Proteine, die an Stoffwechselwegen beteiligt sind, die die modifizierten Abbauprodukte der vorstehend ge- nannten Reaktionen weiter abbauen, die Ausbeuten dieser Feinchemikalien aus C. glutamicum-Zellen in Kultur zu verbessern.Modulation of the activity or number of C. glutamicum EA proteins involved in the modification or degradation of aromatic or aliphatic compounds can also have direct or indirect effects on the production of one or more fine chemicals from these cells. Certain aromatic or aliphatic modification or degradation products are desirable fine chemicals (e.g. organic acids or modified aromatic or aliphatic compounds); thus the yields of these desired compounds can be increased by modifying the enzymes which carry out these modifications (for example hydroxylation, methylation or isomerization) or degradation reactions. Accordingly, by lowering the activity or the number of proteins involved in metabolic pathways that the modified breakdown products of the above further reduce the reactions mentioned, to improve the yields of these fine chemicals from C. glutamicum cells in culture.
Diese aromatischen und aliphatischen Modifikations- und Abbau-En- zye sind selbst Feinchemikalien. In gereinigter Form können diese Enzyme zum Abbau aromatischer und aliphatischer Verbindungen (z.B. von toxischen Chemikalien, wie Rohölprodukten), zur biologischen Wiederherstellung verschmutzter Stellen, zur technischen Zersetzung von Abfällen oder zur großangelegten oder ökono- misch durchführbaren Produktion der gewünschten modifizierten aromatischen oder aliphatischen Verbindungen oder ihrer Abbauprodukte, von denen einige geeignet als Kohlenstoff- oder Energiequellen für andere feinchemikalienerzeugender Verbindungen in Kultur verwendet werden können, eingesetzt werden (s. bspw. Fa- ber, K. (1995) Biotransformations in Organic Chemistry, Springer: Berlin und die darin enthaltenen Zitate; und Roberts, S.M. Hrsg. (1992 - 1996) Preparative Biotransformations, Wiley: Chichester und die darin enthaltenen Zitate) . Durch derartiges gentechnisches Verändern dieser Proteine, daß ihre Regulation durch andere zelluläre Mechanismen verringert oder verhindert wird, kann man die Gesamtanzahl oder Aktivität dieser Proteine steigern, wodurch nicht nur die Ausbeute dieser Feinchemikalien verbessert wird, sondern auch die Aktivität dieser geernteten Proteine.These aromatic and aliphatic modification and degradation enzymes are themselves fine chemicals. In purified form, these enzymes can be used to break down aromatic and aliphatic compounds (for example toxic chemicals, such as crude oil products), to restore contaminated areas biologically, to technically decompose waste or to produce the desired modified aromatic or aliphatic compounds on a large scale or economically their degradation products, some of which can be suitably used as carbon or energy sources for other fine chemical-producing compounds in culture, are used (see, for example, Faber, K. (1995) Biotransformations in Organic Chemistry, Springer: Berlin and those contained therein Quotations; and Roberts, SM ed. (1992 - 1996) Preparative Biotransformations, Wiley: Chichester and the quotes contained therein). By genetically engineering these proteins to reduce or prevent their regulation by other cellular mechanisms, the total number or activity of these proteins can be increased, thereby improving not only the yield of these fine chemicals, but also the activity of these harvested proteins.
Die Modifikation dieser Aromaten- und Aliphaten-modifizierenden und -abbauenden Enzyme kann auch eine indirekte Wirkung auf die Produktion von einer oder mehreren Feinchemikalien haben. Viele aromatische und aliphatische Verbindungen (wie solche, die in Kulturmedien als Verunreinigungen oder aus dem zellulären Metabo- lismus als Abfallprodukte vorkommen) sind für die Zellen toxisch; durch Modifizieren und/oder Abbauen dieser Verbindungen, so daß sie sich leicht entfernen oder zerstören lassen, sollte sich die Zeil-Lebensfähigkeit erhöhen lassen. Diese Enzyme können diese Verbindungen zudem derart modifizieren oder abbauen, daß die re- sultierenden Produkte in den normalen Kohlenstoff-Metabolismus der Zelle gelangen können. Dadurch kann die Zelle diese Verbindungen al alternative Kohlenstoff- oder Energiequellen nutzen. Bei Kulturen im Großmaßstab, wo limitierende Mengen der optimalen Kohlenstoffquelle zugegen sein können, können diese Enzyme ein Verfahren bereitstellen, durch das die Zellen weiter wachsen und sich teilen können, wobei aromatische oder aliphatische Verbindungen als Nährstoffe verwendet werden , . In jedem Fall sollte der resultierende Anstieg der Anzahl der C. glutamicum-Zellen in der Kultur, die die gewünschte Feinchemikalie produzieren, wie- derum erhöhte Ausbeuten oder eine erhöhte Effizienz der Produktion der Feinchemikalie (n) bewirken. Die Modifikationen der Aktivität oder der Anzahl der HA-Proteine, die am Metabolismus anorganischer Verbindungen beteiligt sind, können die Produktion von einer oder mehreren Feinchemikalien aus Kulturen von C. glutamicum oder verwandten Bakterien direkt oder indirekt beeinflussen. Bspw. können viele wünschenswerte Feinchemikalien, wie Nukleinsäuren, Aminosäuren, Cofaktoren und Vitaminen (z.B. Thiamin, Biotin und Liponsäure) nicht ohne anorganische Moleküle, wie Phosphor, Nitrat, Sulfat und Eisen, synthetisiert werden. Die erfindungsgemäßen Proteine des anorganischen Metabo- lismus ermöglichen der Zelle die Gewinnung dieser Moleküle aus einer Vielzahl von anorganischen Verbindungen und ihre Umverteilung in verschiedene Feinchemikalien-Biosynthesewege. Durch Erhöhen der Aktivität oder der Anzahl von Enzymen, die am Metabolismus dieser organischen Verbindungen beteiligt sind, kann man das Angebot dieser möglicherweise limitierenden anorganischen Moleküle vergrößern, wodurch die Produktion oder Effizienz der Produktion verschiedener Feinchemikalien von C. glutamicum-Zellen, die diese veränderten Proteine enthalten, direkt steigern. Die Modifikation der Aktivität oder der Anzahl von erfindungsgemäßen Proteinen des anorganischen Stoffwechsels kann auch bewirken, daß C. glutamicum ein limitiertes Angebot an anorganischen Verbindungen besser nutzen kann, oder daß nichtoptimale anorganische Verbindungen zur Synthese von Aminosäuren, Vitaminen, Cofaktoren oder Nukleinsäuren, die alle für ein kontinuierliches Wachstum und die Replikation der Zelle notwendig sind, verwendet werden. Durch Verbessern der Lebensfähigkeit dieser Zellen in Großkulturen kann auch die Anzahl an C. glutamicum-Zellen, die eine oder mehrere Feinchemikalien in der Kultur produzieren, vergrößert werden, was wiederum die Ausbeuten oder die Effizienz der Produk- tion von einer oder mehreren Feinchemikalien erhöht.The modification of these aromatic and aliphatic modifying and degrading enzymes can also have an indirect effect on the production of one or more fine chemicals. Many aromatic and aliphatic compounds (such as those found in culture media as contaminants or from cellular metabolism as waste products) are toxic to the cells; by modifying and / or disassembling these compounds so that they are easily removed or destroyed, cell viability should be increased. These enzymes can also modify or degrade these compounds in such a way that the resulting products can get into the normal carbon metabolism of the cell. This enables the cell to use these compounds as alternative sources of carbon or energy. In large scale cultures where limiting amounts of the optimal carbon source may be present, these enzymes can provide a method by which the cells can continue to grow and divide using aromatic or aliphatic compounds as nutrients. In any case, the resulting increase in the number of C. glutamicum cells in the culture which produce the desired fine chemical should in turn result in increased yields or increased efficiency in the production of the fine chemical (s). The modifications in the activity or number of HA proteins involved in the metabolism of inorganic compounds can directly or indirectly affect the production of one or more fine chemicals from cultures of C. glutamicum or related bacteria. For example. many desirable fine chemicals such as nucleic acids, amino acids, cofactors and vitamins (e.g. thiamine, biotin and lipoic acid) cannot be synthesized without inorganic molecules such as phosphorus, nitrate, sulfate and iron. The proteins of inorganic metabolism according to the invention enable the cell to obtain these molecules from a large number of inorganic compounds and to redistribute them into various fine chemical biosynthetic pathways. By increasing the activity or the number of enzymes involved in the metabolism of these organic compounds, one can increase the supply of these potentially limiting inorganic molecules, thereby increasing the production or efficiency of the production of various fine chemicals from C. glutamicum cells that produce these modified proteins included, increase directly. The modification of the activity or the number of proteins of the inorganic metabolism according to the invention can also cause C. glutamicum to make better use of a limited range of inorganic compounds, or that non-optimal inorganic compounds for the synthesis of amino acids, vitamins, cofactors or nucleic acids, all for Continuous growth and cell replication are necessary. By improving the viability of these cells in large cultures, the number of C. glutamicum cells that produce one or more fine chemicals in the culture can also be increased, which in turn increases the yields or the efficiency of the production of one or more fine chemicals.
Die C. glutamicum-Enzyme für allgemeine Prozesse sind selbst wünschenswerte Feinchemikalien. Die spezifischen Eigenschaften der Enzyme (d.h. Regio- und Stereospezifität, u.a.) machen sie zu ge- eigneten Katalysatoren für chemische Reaktionen in vitro. Entweder können vollständige C glutamicum-Zellen mit einem geeigneten Substrat inkubiert werden, so daß das gewünschte Produkt von den Enzymen in der Zelle produziert wird, oder die gewünschten Enzyme können aus C. glutamicum-Kulturen (oder solchen eines verwandten Bakteriums) überproduziert und gereinigt werden und anschließend in In-vitro-Reaktionen unter industriellen Bedingungen (entweder in Lösung oder immobilisiert auf einer geeigneten immobilen Phase) eingesetzt werden. In diesen Situationen kann das Enzym entweder ein natürliches C. glutamicum-Protein sein, oder es kann mutagenisiert sein, daß es eine veränderte Aktivität hat. Diese Enzyme werden üblicherweise in der Industrie verwendet als Katalysatoren in der Chemieindustrie (bspw. zur organischen Synthese- Chemie) , als Nahrungsadditive, als Futterbestandteile, für die Fruchtverarbeitung, für die Lederherstellung, in Detergentien, in der Analyse und Medizin und in der Textilindustrie (s. z.B. Ya- mada, H. (1993) "Microbial reactions for the production of useful organic compounds", Chimica 47: 5-10; Roberts, S.M. (1998) Prepa- rative Biotransformations: the employment of enzymes and whole- cells in synthetic Chemistry", J. Chem. Soc. Perkin Trans. 1: 157-169; Zaks, A. und Dodds, D. R. (1997) "Applikation of bioca- talysis and biotransformations to the synthesis of pharmaceuti- cals," DDT- 2: 513-531; Roberts, S.M. und Williamson, N.M. (1997) "The use of enzymes for the preparation of biologically active natural products and analogues in optically aktive Form," Curr. Organ. Chemistry 1: 1-20; Faber, K. (1995) Biotransformations in Organic Chemistry, Springer, Berlin Roberts, S.M. Hrsg. (1992-1996) Preparative Biotransformations, Wiley: Chichester; Cheetham, P.S.J. (1995) "The applications of enzymes in industry" in Handbook of Enzyme technology, 3. Aufl, Wiseman A. Hrsg Elis: Horwood, S. 419-552 und Ullman's Encyclopedia of Industrial Chemistry (1987) Bd. 9, Enzymes, S. 390-457). Durch Erhöhen der Ak- tivität oder der Anzahl dieser Enzyme kann man ebenfalls die Fähigkeit der Zelle erhöhen, die bereitgestellten Substrate in gewünschte Produkte umzuwandeln, oder diese Enzyme für erhöhte Ausbeuten in Großkultur überzuproduzieren. Durch Mutagenese dieser Proteine kann man zudem die Rückkopplungshemmung oder andere re- pressive zelluläre regulatorische Kontrollen beseitigen, so daß größere Mengen dieer Enzyme produziert und von der Zelle aktiviert werden, wodurch größere Ausbeuten, Produktion oder Effizienz der Produktion dieser Feinchemikalienproteine aus Großkulturen erhalten werden. Durch Manipulation dieser Enzyme kann man die Aktivität von einer oder mehreren C. glutamicum-Stoffwechsel- wegen, wie solchen für die Biosynthese oder den Abbau von einer oder mehreren Feinchemikalien, verändern.The C. glutamicum enzymes for general processes are themselves desirable fine chemicals. The specific properties of the enzymes (ie regio- and stereospecificity, etc.) make them suitable catalysts for chemical reactions in vitro. Either complete C glutamicum cells can be incubated with a suitable substrate so that the desired product is produced by the enzymes in the cell, or the desired enzymes can be over-produced and purified from C. glutamicum cultures (or those of a related bacterium) and then used in in vitro reactions under industrial conditions (either in solution or immobilized on a suitable immobile phase). In these situations, the enzyme can either be a natural C. glutamicum protein or it can be mutagenized to have an altered activity. These enzymes are usually used in industry as catalysts in the chemical industry (for example for organic synthesis). Chemistry), as food additives, as feed components, for fruit processing, for leather production, in detergents, in analysis and medicine and in the textile industry (see eg Yamada, H. (1993) "Microbial reactions for the production of useful organic compounds ", Chimica 47: 5-10; Roberts, SM (1998) Preparative Biotransformations: the employment of enzymes and whole cells in synthetic chemistry", J. Chem. Soc. Perkin Trans. 1: 157-169; Zaks, A. and Dodds, DR (1997) "Application of biocatalysis and biotransformations to the synthesis of pharmaceuticals," DDT-2: 513-531; Roberts, SM and Williamson, NM (1997) "The use of enzymes for the preparation of biologically active natural products and analogues in optically active form, "Curr. Organ. Chemistry 1: 1-20; Faber, K. (1995) Biotransformations in Organic Chemistry, Springer, Berlin Roberts, SM ed. (1992-1996 ) Preparative Biotransformations, Wiley: Chichester; Cheetham, PSJ (1995) "The applications of enzymes in in dustry "in Handbook of Enzyme technology, 3rd edition, Wiseman A. Ed. Elis: Horwood, pp. 419-552 and Ullman's Encyclopedia of Industrial Chemistry (1987) Vol. 9, Enzymes, pp. 390-457). By increasing the activity or the number of these enzymes, one can also increase the ability of the cell to convert the substrates provided into desired products, or to overproduce these enzymes for increased yields in large culture. Mutagenesis of these proteins can also eliminate the inhibition of feedback or other repressive cellular regulatory controls, so that larger amounts of these enzymes are produced and activated by the cell, whereby greater yields, production or efficiency in the production of these fine chemical proteins from large cultures are obtained. By manipulating these enzymes, one can change the activity of one or more C. glutamicum metabolic pathways, such as those for the biosynthesis or the degradation of one or more fine chemicals.
Die Mutagenese der erfindungsgemäßen proteolytischen Enzyme, so daß sie hinsichtlich der Aktivität oder der Anzahl verändert sind, kann ebenfalls die Ausbeute, Produktion und/oder Effizienz der Produktion von einer oder mehreren Feinchemikalien aus C. glutamicum direkt oder indirekt beeinflussen. Durch Vergrößern der Aktivität oder der Anzahl dieser Proteine kann man die Fähig-. keit des Bakteriums vergrößern, in einer Großkultur zu überleben, und zwar weil die Zelle rascher Proteine abbauen kann, die aufgrund von hohen Temperaturen, nichtoptimalem pH-Wert und anderen Streßfaktoren, die bei der Fermenteranzucht herrschen können, falsch gefaltet sind. Eine größere Anzahl von Zellen in diesen Kulturen kann erhöhte Ausbeuten oder eine erhöhte Effizienz der Produktion von einer oder mehreren gewünschten Feinchemikalien aufgrund der relativ größeren Anzahl an Zellen, die die diese Verbindungen in der Kultur produzieren, zur Folge haben. Ebenfalls besitzen C. glutamicum- Zellen multiple Zelloberflächenpro- teasen, die externe Nährstoffe in Moleküle abbauen, die von der Zelle leichter als Kohlenstoff-/Energiequellen oder Nährstoffe anderer Art genutzt werden können. Ein Anstieg der Aktivität oder der Anzahl dieser Enzyme kann diesen Umsatz verbessern und steigert die Mengen der verfügbaren Nährstoffe, wodurch das Zellwachstum oder die Produktion verbessert wird. Die Modifikationen der erfindungsgemäßen Proteasen können somit indirekt die C. glutami- cum-Feinchemikalienproduktion beeinflussen.The mutagenesis of the proteolytic enzymes according to the invention, so that they are changed with regard to the activity or the number, can likewise directly or indirectly influence the yield, production and / or efficiency of the production of one or more fine chemicals from C. glutamicum. By increasing the activity or the number of these proteins, the ability. increase the bacteria's ability to survive in a large culture, because the cell can break down proteins more quickly, which are misfolded due to high temperatures, non-optimal pH and other stress factors that can arise during fermenter cultivation. A larger number of cells in these cultures may result in increased yields or an increased efficiency in the production of one or more desired fine chemicals due to the relatively larger number of cells that these Produce connections in culture, result. C. glutamicum cells also have multiple cell surface proteases that break down external nutrients into molecules that the cell can use more easily than carbon / energy sources or other types of nutrients. An increase in the activity or number of these enzymes can improve this turnover and increase the amount of available nutrients, which improves cell growth or production. The modifications of the proteases according to the invention can thus indirectly influence C. glutamicum fine chemical production.
Eine direktere Auswirkung auf die Feinchemikalienprodutkion in Reaktion auf die Modifiaktion von einer oder mehreren erfindungsgemäßen Proteasen kann erfolgen, wenn die Proteasen an der Pro- duktion oder am Abbau einer gewünschten Feinchemikalie beteiligt sind. Durch Senken der Aktivität einer Protease, die eine Feinchemikalie oder ein Protein abbaut, das an der Synthese einer Feinchemikalie beteiligt ist, kann man die Spiegel dieser Feinchemikalie steigern (aufgrund des gesenkten Abbaus oder der ver- stärkten Synthese der Verbindung) . Entsprechend kann man durch Erhöhen der Aktivität einer Protease, die eine Verbindung abbaut, welche in einer Feinchemikalie oder einem Protein resultiert, die/das am Abbau einer Feinchemikalie beteiligt ist, ein ähnliches Ergebnis erhalten: erhöhte Mengen der gewünschten Feinchemi- kalie aus C. glutamicum-Zellen, die diese modifizierten Proteine enthalten.A more direct effect on the fine chemical product in response to the modification of one or more proteases according to the invention can take place if the proteases are involved in the production or in the degradation of a desired fine chemical. By lowering the activity of a protease that degrades a fine chemical or a protein that is involved in the synthesis of a fine chemical, the levels of this fine chemical can be increased (due to the decreased degradation or the increased synthesis of the compound). Similarly, by increasing the activity of a protease that degrades a compound that results in a fine chemical or a protein that is involved in the degradation of a fine chemical, a similar result can be obtained: increased amounts of the desired fine chemical from C. glutamicum Cells that contain these modified proteins.
Die vorstehend genannten Mutagenesestrategien für HA-Proteine, die erhöhte Ausbeuten einer Feinchemikalie aus C. glutamicum be- wirken sollen, sollen nicht einschränkend sein; Variationen dieser Mutagenesestrategien sind dem Fachmann leicht ersichtlich. Durch diese Mechanismen können die erfindungsgemäßen Nukleinsäure- und Proteinmoleküle verwendet werden, um C. glutamicum oder verwandte Bakterienstämme, die mutierte HA-Nukleinsäure- und Proteinmoleküle exprimieren, zu erzeugen, so daß die Ausbeute, Produktion und/oder Effizienz der Produktion einer gewünschten Verbindung verbessert wird. Die gewünschte Verbindung kann ein Produkt von C. glutamicum sein, welches die Endprodukte der Biosynthesewege und Zwischenprodukte natürlich vorkommender metabo- lischer Wege sowie Moleküle umfaßt, die im Metabolismus von C. glutamicum nicht natürlich vorkommen, die jedoch von einem erfindungsgemäßen C. glutamicum-Stamm produziert werden.The aforementioned mutagenesis strategies for HA proteins, which are said to bring about increased yields of a fine chemical from C. glutamicum, are not intended to be restrictive; Variations on these mutagenesis strategies are readily apparent to those skilled in the art. By means of these mechanisms, the nucleic acid and protein molecules according to the invention can be used to generate C. glutamicum or related bacterial strains which express mutated HA nucleic acid and protein molecules, so that the yield, production and / or efficiency of the production of a desired compound is improved becomes. The desired compound can be a product of C. glutamicum, which comprises the end products of the biosynthetic pathways and intermediates of naturally occurring metabolic pathways, as well as molecules which do not occur naturally in the metabolism of C. glutamicum, but which come from a C. glutamicum strain according to the invention to be produced.
Diese Erfindung wird durch die nachstehenden Beispiele weiter veranschaulicht, die nicht als einschränkend aufgefasst werden sollen. Die Inhalte sämtlicher, in dieser Patentanmeldung zitierter Literaturstellen, Patentanmeldungen, Patente und veröffent- lichter Patentanmeldungen sind hiermit durch Bezugnahme aufgenommen.This invention is further illustrated by the following examples, which are not to be construed as limiting. The contents of all references, patent applications, patents and published in this patent application light patent applications are hereby incorporated by reference.
BeispieleExamples
Beispiel 1: Präparation der gesamten genomischen DNA aus Corynebacterium glutamicum ATCC13032Example 1: Preparation of the entire genomic DNA from Corynebacterium glutamicum ATCC13032
Eine Kultur von Corynebacterium glutamicum (ATCC 13032) wurde über Nacht bei 30°C unter starkem Schütteln in BHI-Medium (Difco) gezüchtet. Die Zellen wurden durch Zentrifugation geerntet, der Überstand wurde verworfen, und die Zellen wurden in 5ml Puffer I (5% des Ursprungsvolumens der Kultur - sämtliche angegebenen Volumina sind für 100 ml Kulturvolumen berechnet) resuspendiert. Die Zusammensetzung von Puffer I: 140,34 g/1 Saccharose, 2,46 g/1 MgS04 • 7 H20, 10 ml/1 KH2P0-Lösung (100g/l, mit KOH eingestellt auf pH-Wert 6,7), 50 ml/1 M12-Konzentrat (10 g/1 (NH )2S04, 1 g/1 NaCl, 2 g/1 MgS04 • 7 H20, 0,2 g/1 CaCl2, 0,5 g/1 Hefe-Extrakt (Difco) , 10 ml/1 Spurenelemente-Mischung (200 mg/1 FeS04 • H20, 10 mg/1 ZnS04 • 7 H20, 3 mg/1 MnCl2 • 4 H20, 30 mg/1 H3B03, 20 mg/1A culture of Corynebacterium glutamicum (ATCC 13032) was grown overnight at 30 ° C with vigorous shaking in BHI medium (Difco). The cells were harvested by centrifugation, the supernatant was discarded, and the cells were resuspended in 5 ml of buffer I (5% of the original volume of the culture - all stated volumes are calculated for 100 ml of culture volume). The composition of buffer I: 140.34 g / 1 sucrose, 2.46 g / 1 MgS0 4 • 7 H 2 0, 10 ml / 1 KH 2 P0 solution (100 g / l, adjusted to pH 6 with KOH , 7), 50 ml / 1 M12 concentrate (10 g / 1 (NH) 2 S0 4 , 1 g / 1 NaCl, 2 g / 1 MgS0 4 • 7 H 2 0, 0.2 g / 1 CaCl 2 , 0.5 g / 1 yeast extract (Difco), 10 ml / 1 trace element mixture (200 mg / 1 FeS0 4 • H 2 0, 10 mg / 1 ZnS0 4 • 7 H 2 0, 3 mg / 1 MnCl 2 • 4 H 2 0, 30 mg / 1 H 3 B0 3 , 20 mg / 1
CoCl2 • 6 H20, 1 mg/1 NiCl2 • 6 H20, 3 mg/1 Na2Mo04 • 2 H20, 500 mg/1 Komplexbildner (EDTA oder Citronensäure) , 100 ml/1 Vitamingemisch (0,2 ml/1 Biotin, 0,2 mg/1 Folsäure, 20 mg/1 p-Aminobenzoesäure, 20 mg/1 Riboflavin, 40 mg/1 Ca-Panthothenat, 140 mg/1 Nikotin- säure, 40 mg/1 Pyridoxolhydrochlorid, 200 mg/1 Myoinositol) . Ly- sozym wurde in einer Endkonzentration von 2,5 mg/ml zur Suspension gegeben. Nach etwa 4 Std. Inkubation bei 37°C wurde die Zellwand abgebaut, und die erhaltenen Protoplasten wurden durch Zentrifugation geerntet. Das Pellet wurde einmal mit 5 ml Puffer I und einmal mit 5 ml TE-Puffer (10 mM Tris-HCl, 1 mM EDTA, pH-Wert 8) gewaschen. Das Pellet wurde in 4 ml TE-Puffer resuspendiert, und 0,5 ml SDS-Lösung (10%) und 0,5 ml NaCl-Lösung (5 M) wurden zugegeben. Nach Zugabe von Proteinase K in einer Endkonzentration von 200 μg/ml wurde die Suspension etwa 18 Std. bei 37°C inku- biert. Die DNA wurde durch Extraktion mit Phenol, Phenol-Chloro- form-Isoamylalkohol und Chloroform-Isoamylalkohol mittels Standard-Verfahren gereinigt. Dann wurde die DNA durch Zugabe von 1/50 Volumen 3 M Natriumacetat und 2 Volumina Ethanol, anschließender Inkubation für 30 min bei -20°C und 30 min Zentrifugation bei 12000 U/min in einer HochgeschwindigkeitsZentrifuge mit einem SS34-Rotor (Sorvall) gefällt. Die DNA wurde in 1 ml TE-Puffer gelöst, der 20 μg/ml RNase A enthielt, und für mindestens 3 Std. bei 4°C gegen 1000 ml TE-Puffer dialysiert. Während dieser Zeit wurde der Puffer 3mal ausgetauscht. Zu Aliquots von 0,4 ml der dialysierten DNA-Lösung wurden 0,4 ml 2 M LiCl und 0,8 ml Ethanol zugegeben. Nach 30 min Inkubation bei -20°C wurde die DNA durch Zentrifugation gesammelt (13000 U/min, Biofuge Fresco, Heraeus, Hanau, Deutschland). Das DNA-Pellet wurde in TE-Puffer gelöst. Durch dieses Verfahren hergestellte DNA konnte für alle Zwecke verwendet werden, einschließlich Southern-Blotting oder zur Konstruktion genomischer Banken.CoCl 2 • 6 H 2 0, 1 mg / 1 NiCl 2 • 6 H 2 0, 3 mg / 1 Na 2 Mo0 4 • 2 H 2 0, 500 mg / 1 complexing agent (EDTA or citric acid), 100 ml / 1 vitamin mixture (0.2 ml / 1 biotin, 0.2 mg / 1 folic acid, 20 mg / 1 p-aminobenzoic acid, 20 mg / 1 riboflavin, 40 mg / 1 Ca panthothenate, 140 mg / 1 nicotinic acid, 40 mg / 1 pyridoxol hydrochloride, 200 mg / 1 myoinositol). Lysozyme was added to the suspension at a final concentration of 2.5 mg / ml. After about 4 hours of incubation at 37 ° C, the cell wall was broken down and the protoplasts obtained were harvested by centrifugation. The pellet was washed once with 5 ml of buffer I and once with 5 ml of TE buffer (10 mM Tris-HCl, 1 mM EDTA, pH 8). The pellet was resuspended in 4 ml TE buffer and 0.5 ml SDS solution (10%) and 0.5 ml NaCl solution (5 M) were added. After adding proteinase K at a final concentration of 200 μg / ml, the suspension was incubated at 37 ° C. for about 18 hours. The DNA was purified by extraction with phenol, phenol-chloroform-isoamyl alcohol and chloroform-isoamyl alcohol using standard procedures. Then the DNA was precipitated by adding 1/50 volume of 3 M sodium acetate and 2 volumes of ethanol, followed by incubation for 30 min at -20 ° C and 30 min centrifugation at 12000 rpm in a high-speed centrifuge with an SS34 rotor (Sorvall) , The DNA was dissolved in 1 ml of TE buffer containing 20 μg / ml RNase A and dialyzed against 1000 ml of TE buffer at 4 ° C. for at least 3 hours. During this time the buffer was exchanged 3 times. 0.4 ml of 2 M LiCl and 0.8 ml of ethanol were added to 0.4 ml aliquots of the dialyzed DNA solution. After 30 min incubation at -20 ° C the DNA was collected by centrifugation (13000 rpm, Biofuge Fresco, Heraeus, Hanau, Germany). The DNA pellet was dissolved in TE buffer. DNA made by this method could be used for all purposes, including Southern blotting or to construct genomic libraries.
Beispiel 2 : Konstruktion genomischer Corynebacterium glutamicum (ATCC13032)-Banken in Escherichia coliExample 2: Construction of genomic Corynebacterium glutamicum (ATCC13032) banks in Escherichia coli
Ausgehend von DNA, hergestellt wie in Beispiel 1 beschrieben, wurden gemäß bekannter und gut eingeführter Verfahren (siehe . bspw. Sambrook, J. et al. (1989) "Molecular Cloning: A Laboratory Manual". Cold Spring Harbor Laboratory Press oder Ausubel, F.M. et al. (1994) "Current Protocols in Molecular Biology", John Wiley & Sons) Cosmid- und Plasmid-Banken hergestellt.Starting from DNA, produced as described in Example 1, "Molecular Cloning: A Laboratory Manual" was used according to known and well-established methods (see, for example. Sambrook, J. et al. (1989). Cold Spring Harbor Laboratory Press or Ausubel, FM et al. (1994) "Current Protocols in Molecular Biology", John Wiley & Sons) Cosmid and Plasmid banks.
Es ließ sich jedes Plasmid oder Cosmid einsetzen. Besondere Verwendung fanden die Plasmide pBR322 (Sutcliffe, J.G. (1979) Proc. Natl Acad. Sei. USA, 75: 3737-3741); pACYC177 (Change _. Cohen (1978) J. Bacteriol. 134: 1141-1156); Plasmide der pBS-Reihe (pBSSK+, pBSSK- und andere; Stratagene, LaJolla, USA) oderAny plasmid or cosmid could be used. Plasmids pBR322 (Sutcliffe, J.G. (1979) Proc. Natl Acad. Sci. USA, 75: 3737-3741) found particular use; pACYC177 (Change. Cohen (1978) J. Bacteriol. 134: 1141-1156); Plasmids of the pBS series (pBSSK +, pBSSK- and others; Stratagene, LaJolla, USA) or
Cosmide, wie^ SuperCosl (Stratagene, LaJolla, USA) oder Lorist6 (Gibson, T.J. Rosenthal, A-, und Waterson, R.H. (1987) Gene 53: 283-286.Cosmide, such as ^ SuperCosl (Stratagene, LaJolla, USA) or Lorist6 (Gibson, TJ Rosenthal, A-, and Waterson, RH (1987) Gene 53: 283-286.
Beispiel 3 : DNA-Sequenzierung und Computer-FunktionsanalyseExample 3: DNA sequencing and computer function analysis
Genomische Banken, wie in Beispiel 2 beschrieben, wurden zur DNA- Sequenzierung gemäß Standard-Verfahren, insbesondere dem Kettenabbruchverfahren mit ABI377-Sequenziermaschinen (s. z.B. Flei- schman, R.D. et al. (1995) "Whole-genome Random Sequencing and Assembly of Haemophilus Influenzae Rd. , Science 269; 496-512) verwendet. Die Sequenzierprimer mit den folgenden Nukleotidsequenzen wurden verwendet : 5 ' -GGAAACAGTATGACCATG-3 ' oder 5 ' -GTAAAACGACGGCCAGT-3 ' .Genomic banks, as described in Example 2, were used for DNA sequencing according to standard methods, in particular the chain termination method with ABI377 sequencing machines (see, for example, Fleischman, RD et al. (1995) "Whole-genome Random Sequencing and Assembly of Haemophilus Influenzae Rd., Science 269; 496-512) The sequencing primers with the following nucleotide sequences were used: 5 '-GGAAACAGTATGACCATG-3' or 5 '-GTAAAACGACGGCCAGT-3'.
Beispiel 4: In-vivo-MutageneseExample 4: In Vivo Mutagenesis
In vivo-Mutagenese von Corynebacterium glutamicum kann durchgeführt werden, indem eine Plasmid- (oder andere Vektor-) DNA durch E. coli oder andere Mikroorganismen (z.B. Bacillus spp. oder Hefen, wie Saccharomyces cerevisiae) geleitet wird, die die Integrität ihrer genetischen Information nicht aufrechterhalten können. Übliche Mutatorstämme weisen Mutationen in den Genen für das DNA-ReparaturSystem auf (z.B., mutHLS, utD, utT, usw., zum Ver- gleich siehe Rupp, W.D. (1996) DNA repair mechanisms in Escherichia coli and Salmonella, S. 2277-2294, ASM: Washington). Diese Stämme sind dem Fachmann bekannt. Die Verwendung dieser Stämme ist bspw. in Greener, A. und Callahan, M. (1994) Strategies 7; 32-34 veranschaulicht.In vivo mutagenesis of Corynebacterium glutamicum can be performed by passing a plasmid (or other vector) DNA through E. coli or other microorganisms (e.g. Bacillus spp. Or yeasts such as Saccharomyces cerevisiae) that maintain the integrity of their genetic information cannot maintain. Common mutator strains have mutations in the genes for the DNA repair system (eg, mutHLS, utD, utT, etc., for comparison see Rupp, WD (1996) DNA repair mechanisms in Escherichia coli and Salmonella, pp. 2277-2294 , ASM: Washington). These strains are known to the person skilled in the art. The use of these strains is, for example, in Greener, A. and Callahan, M. (1994) Strategies 7; 32-34 illustrates.
Beispiel 5 : DNA-Transfer zwischen Escherichia coli und Corynehac- terium glutamicumExample 5: DNA transfer between Escherichia coli and Corynehacterium glutamicum
Mehrere Corynebacterium- und Brevibacterium-Arten enthalten endogene Plasmide (wie bspw. pHMl519 oder pBLl) die autonom replizieren (für einen Überblick siehe bspw. Martin, J.F. et al. (1987) Biotechnology 5: 137-146). Shuttle-Vektoren für Escherichia coli und Corynebacterium glutamicum lassen sich leicht mittels Standard-Vektoren für E. coli konstruieren (Sambrook, J. et al., (1989), "Molecular Cloning: A Laboratory Manual", Cold Spring Harbor Laboratory Press oder Ausubel, F.M. et al. (1994) "Current Protocols in Molecular Biology", John Wiley & Sons), denen ein Replikationsursprung für und ein geeigneter Marker aus Corynebacterium glutamicum beigegeben wird. Solche Replikationsursprünge werden vorzugsweise von endogenen Plasmiden entnommen, die aus Corynebacterium- und Brevi actertium-Arten isoliert worden sind. Besondere Verwendung als Transformationsmarker für diese Arten sind Gene für Kanamycin-Resistenz (wie solche, die vom Tn5- oder Tn-903-Transposon stammen) oder für Chloramphenicol (Winnacker, E.L. (1987) "From Genes to Clones - Introduction to Gene Technology, VCH, Weinheim) . Es gibt zahlreiche Beispiele in der Litera- tur zur Herstellung einer großen Vielzahl von Shuttle-Vektoren, die in E. coli und C. glutamicum repliziert werden, und die für verschiedene Zwecke verwendet werden können, ' einschließlich Gen- Überexpression (siehe bspw. Yoshihama, M. et al. (1985) J. Bacteriol. 162: 591-597, Martin, J.F. et al., (1987) Biotechnology, 5: 137-146 und Eikmanns, B.J. et al. (1992) Gene 102: 93-98).Several Corynebacterium and Brevibacterium species contain endogenous plasmids (such as pHMl519 or pBLl) that replicate autonomously (for an overview see, for example, Martin, J.F. et al. (1987) Biotechnology 5: 137-146). Shuttle vectors for Escherichia coli and Corynebacterium glutamicum can easily be constructed using standard vectors for E. coli (Sambrook, J. et al., (1989), "Molecular Cloning: A Laboratory Manual", Cold Spring Harbor Laboratory Press or Ausubel , FM et al. (1994) "Current Protocols in Molecular Biology", John Wiley & Sons), to which an origin of replication for and a suitable marker from Corynebacterium glutamicum is added. Such origins of replication are preferably taken from endogenous plasmids isolated from Corynebacterium and Brevi actertium species. Particular uses as transformation markers for these species are genes for kanamycin resistance (such as those derived from the Tn5 or Tn-903 transposon) or for chloramphenicol (Winnacker, EL (1987) "From Genes to Clones - Introduction to Gene Technology, VCH, Weinheim) There are numerous examples in the literature for the production of a wide variety of shuttle vectors which are replicated in E. coli and C. glutamicum and which can be used for various purposes, including gene overexpression (See, e.g., Yoshihama, M. et al. (1985) J. Bacteriol. 162: 591-597, Martin, JF et al., (1987) Biotechnology, 5: 137-146 and Eikmanns, BJ et al. (1992 ) Genes 102: 93-98).
Mittels Standard-Verfahren ist es möglich, ein Gen von Interesse in einen der vorstehend beschriebenen Shuttle-Vektoren zu klonie- ren und solche Hybrid-Vektoren in Corynebacterium glutamicum- Stämme einzubringen. Die Transformation von C. glutamicum läßt sich durch Protoplastentransformation (Kastsumata, R. et al., (1984) J. Bacteriol. 159, 306-311), Elektroporation (Liebl, E. et al., (1989) FEMS Microbiol. Letters, 53: 399-303) und in Fällen, bei denen spezielle Vektoren verwendet werden, auch durch Konjugation erzielen (wie z.B. beschrieben in Schäfer, A. , et (1990) J. Bacteriol. 172: 1663-1666). Es ist ebenfalls möglich, die Shuttle-Vektoren für C. glutamicum auf E. coli zu übertragen, indem Plasmid-DNA aus C. glutamicum (mittels im Fachgebiet bekann- ter Standard-Verfahren) präpariert wird und in E. coli transformiert wird. Dieser Transformationsschritt kann mit Standard-Verfahren erfolgen, jedoch wird vorteilhafterweise ein Mcr-defizien- ter E. coli-Stamm verwendet, wie NM522 (Gough & Murray (1983) J. Mol. Biol. 166: 1-19) .Using standard methods, it is possible to clone a gene of interest into one of the shuttle vectors described above and to introduce such hybrid vectors into Corynebacterium glutamicum strains. The transformation of C. glutamicum can be carried out by protoplast transformation (Kastsumata, R. et al., (1984) J. Bacteriol. 159, 306-311), electroporation (Liebl, E. et al., (1989) FEMS Microbiol. Letters , 53: 399-303) and, in cases where special vectors are used, can also be achieved by conjugation (as described, for example, in Schaefer, A., et (1990) J. Bacteriol. 172: 1663-1666). It is also possible to transfer the shuttle vectors for C. glutamicum to E. coli by preparing plasmid DNA from C. glutamicum (using standard methods known in the art) and transforming it into E. coli. This transformation step can be carried out using standard methods, but an Mcr deficit is advantageously the E. coli strain was used, such as NM522 (Gough & Murray (1983) J. Mol. Biol. 166: 1-19).
Beispiel 6 : Bestimmung der Expression des mutierten ProteinsExample 6: Determination of expression of the mutant protein
Die Beobachtungen der Aktivität eines mutierten Proteins in einer transformierten Wirtszelle beruhen auf der Tatsache, daß das mutierte Protein auf ähnliche Weise und in ähnlicher Menge exprimiert wird wie das Wildtyp-Protein. Ein geeignetes Verfahren zur Bestimmung der Transkriptionsmenge des mutierten Gens (ein Anzeichen für die mRNA-Menge, die für die Translation des Genprodukts verfügbar ist) ist die Durchführung eines Northern-Blots (s. bspw. Ausubel et al., (1988) Current Protocols in Molecular Biology, Wiley: New York) , wobei ein Primer, der so ausgestaltet ist, daß er an das Gen von Interesse bindet, mit einer nachweisbaren (gewöhnlich radioaktiven oder chemilumineszierenden) Markierung versehen wird, so daß - wenn die Gesamt-RNA einer Kultur des Organismus extrahiert, auf einem Gel aufgetrennt, auf eine stabile Matrix übertragen und mit dieser Sonde inkubiert wird - die Bindung und die Quantität der Bindung der Sonde das Vorliegen und auch die Menge von mRNA für dieses Gen anzeigt. Diese Infom- ration ist ein Nachweis für das Ausmaß der Transkription des mutierten Gens . Gesamt-Zell-RNA läßt sich durch verschiedene Verfahren aus Corynebacterium glutamicum isolieren, die im Fachge- biet bekannt sind, wie beschrieben in Bormann, E.R. et al., (1992) Mol. Microbiol. 6: 317-326.The observations of the activity of a mutant protein in a transformed host cell are based on the fact that the mutant protein is expressed in a similar manner and in a similar amount as the wild-type protein. A suitable method for determining the amount of transcription of the mutated gene (an indication of the amount of mRNA available for the translation of the gene product) is to carry out a Northern blot (see, for example, Ausubel et al., (1988) Current Protocols in Molecular Biology, Wiley: New York), wherein a primer that is designed to bind to the gene of interest is provided with a detectable (usually radioactive or chemiluminescent) label so that - if the total RNA is one Culture of the organism extracted, separated on a gel, transferred to a stable matrix and incubated with this probe - the binding and the quantity of binding of the probe indicates the presence and also the amount of mRNA for this gene. This information is evidence of the extent of the transcription of the mutated gene. Total cell RNA can be isolated from Corynebacterium glutamicum by various methods known in the art, as described in Bormann, E.R. et al., (1992) Mol. Microbiol. 6: 317-326.
Zur Bestimmung des Vorliegens oder der relativen Menge von Protein, das aus dieser mRNA translatiert wird, können Standard- Techniken, wie Western-Blot, eingesetzt werden (s. bspw. Ausubel et al. (1988) "Current Protocols in Molecular Biology", Wiley, New York) . Bei diesem Verfahren werden Gesamt-Zellproteine extrahiert, durch Gelelektrophorese getrennt, auf eine Matrix, wie Ni- trocellulose, übertragen und mit einer Sonde, wie einem Antikör- per, inkubiert, die an das gewünschte Protein spezifisch bindet. Diese Sonde ist gewöhnlich mit einer chemilumineszierenden oder kolorimetrischen Markierung versehen, die sich leicht nachweisen läßt. Das Vorliegen und die beobachtete Menge an Markierung zeigt das Vorliegen und die Menge des gesuchten Mutantenproteins in der Zelle an.Standard techniques, such as Western blot, can be used to determine the presence or the relative amount of protein that is translated from this mRNA (see, for example, Ausubel et al. (1988) "Current Protocols in Molecular Biology", Wiley, New York). In this method, total cell proteins are extracted, separated by gel electrophoresis, transferred to a matrix, such as nitrocellulose, and incubated with a probe, such as an antibody, which specifically binds to the desired protein. This probe is usually provided with a chemiluminescent or colorimetric label that is easy to detect. The presence and amount of label observed indicates the presence and amount of the mutant protein sought in the cell.
Beispiel 7 : Wachstum von genetisch verändertem Corynebacterium glutamicum - Medien und AnzuchtbedingungenExample 7: Growth of genetically modified Corynebacterium glutamicum media and growing conditions
Genetisch veränderte Corynebakterien werden in synthetischen oder natürlichen Wachstumsmedien gezüchtet. Eine Anzahl unterschiedlicher Wachstumsmedien für Corynebakterian sind bekannt und leicht erhältlich (Lieb et al. (1989) Appl. Microbiol. Biotechnol. 32: 205-210; von der Osten et al. (1998) Biotechnology Letters 11: 11-16; Patent DE 4 120 867; Liebl (1992) "The Genus Corynebacterium", in: The Procaryotes, Bd. II, Balows, A. , et al., Hrsg. Springer-Verlag). Diese Medien bestehen aus einer oder mehreren Kohlenstoffquellen, Stickstoffquellen, anorganischen Salzen, Vitaminen und Spurenelementen. Bevorzugte Kohlenstoffquellen sind Zucker, wie Mono-, Di- oder Polysaccharide. Sehr gute Kohlenstoffquellen sind bspw. Glucose, Fructose, Mannose, Galactose, Ribose, Sorbose, Ribulose, Lactose, Maltose, Saccharose, Raffinose, Stärke oder Cellulose. Man kann Zucker auch über komplexe Verbindungen, wie Melassen, oder andere Nebenprodukte aus der Zucker-Raffinierung zu den Medien geben. Es kann auch vorteilhaft sein, Gemische verschiedener Kohlenstoffquellen zuzu- geben. Andere mögliche Kohlenstoffquellen sind Alkohole und organische Säuren, wie Methanol, Ethanol, Essigsäure oder Milchsäure. Stickstoffquellen sind gewöhnlich organische oder anorganische StickstoffVerbindungen oder Materialien, die diese Verbindungen enthalten. Beispielhafte Stickstoffquellen umfassen Ammoniak-Gas oder Ammoniumsalze, wie NH4C1 oder (NH4) S0 , NH40H, Nitrate,Genetically modified Corynebacteria are grown in synthetic or natural growth media. A number of different growth media for Corynebakterian are known and easy available (Lieb et al. (1989) Appl. Microbiol. Biotechnol. 32: 205-210; von der Osten et al. (1998) Biotechnology Letters 11: 11-16; Patent DE 4 120 867; Liebl (1992) "The Genus Corynebacterium ", in: The Procaryotes, Vol. II, Balows, A., et al., Ed. Springer-Verlag). These media consist of one or more carbon sources, nitrogen sources, inorganic salts, vitamins and trace elements. Preferred carbon sources are sugars, such as mono-, di- or polysaccharides. Very good carbon sources are, for example, glucose, fructose, mannose, galactose, ribose, sorbose, ribulose, lactose, maltose, sucrose, raffinose, starch or cellulose. Sugar can also be added to the media via complex compounds such as molasses or other by-products from sugar refining. It can also be advantageous to add mixtures of different carbon sources. Other possible carbon sources are alcohols and organic acids such as methanol, ethanol, acetic acid or lactic acid. Sources of nitrogen are usually organic or inorganic nitrogen compounds or materials containing these compounds. Exemplary nitrogen sources include ammonia gas or ammonium salts, such as NH 4 C1 or (NH 4 ) S0, NH 4 0H, nitrates,
Harnstoff, Aminosäuren oder komplexe Stickstoffquellen, wie Maisquellwasser, Sojamehl, Sojaprotein, Hefeextrakte, Fleischextrakte und andere.Urea, amino acids or complex nitrogen sources such as corn steep liquor, soy flour, soy protein, yeast extracts, meat extracts and others.
Anorganische SalzVerbindungen, die in den Medien enthalten sein können, umfassen die Chlorid-, Phosphor-, oder Sulfatsalze von Calcium, Magnesium, Natrium, Kobalt, Molybdän, Kalium, Mangan, Zink, Kupfer und Eisen. Chelatbildner können zum Medium gegeben werden, um die Metallionen in Lösung zu halten. Besonders geei- gnete Chelatbildner umfassen Dihydroxyphenole, wie Catechol oder Protocatechuat oder organische Säuren, wie Citronensäure. Die Medien enthalten üblicherweise auch andere Wachstumsfaktoren, wie Vitamine oder Wachstumsförderer, zu denen bspw. Biotin, Riboflavin, Thiamin, Folsäure, Nikotinsäure, Panthothenat und Pyridoxin gehören. Wachstumsfaktoren und Salze stammen häufig von komplexen Medienkomponenten, wie Hefeextrakt, Melassen, Maisquellwasser und dergleichen. Die genaue Zusammensetzung der Medienverbindungen hängt stark vom jeweiligen Experiment ab und wird für jeden Fall individuell entschieden. Information über die Medienoptimierung ist erhältlich aus dem Lehrbuch "Applied Microbiol. Physiology, A Practical Approach" (Hrsg. P.M. Rhodes, P.F. Stanbury, IRL Press (1997) S. 53-73, ISBN 0 19 963577 3). Wachstumsmedien lassen sich auch von- kommerziellen Anbietern beziehen, wie Standard 1 (Merck) oder BHI (Brain heart infusion, DIFCO) und dergleichen. Sämtliche Medienkomponenten sind sterilisiert, entweder durch Hitze (20 min bei 1,5 bar und 121°C) oder durch Sterilfiltration. Die Komponenten können entweder zusammen oder nötigenfalls getrennt sterilisiert werden. Sämtliche Medienkomponenten können zu Beginn der Anzucht zugegen sein oder wahlfrei kontinuierlich oder chargenweise hinzugegeben werden.Inorganic salt compounds that may be included in the media include the chloride, phosphorus, or sulfate salts of calcium, magnesium, sodium, cobalt, molybdenum, potassium, manganese, zinc, copper and iron. Chelating agents can be added to the medium to keep the metal ions in solution. Particularly suitable chelating agents include dihydroxyphenols such as catechol or protocatechuate or organic acids such as citric acid. The media usually also contain other growth factors, such as vitamins or growth promoters, which include, for example, biotin, riboflavin, thiamine, folic acid, nicotinic acid, panthothenate and pyridoxine. Growth factors and salts often come from complex media components such as yeast extract, molasses, corn steep liquor and the like. The exact composition of the media connections depends heavily on the respective experiment and is decided individually for each case. Information about media optimization is available from the textbook "Applied Microbiol. Physiology, A Practical Approach" (Ed. PM Rhodes, PF Stanbury, IRL Press (1997) pp. 53-73, ISBN 0 19 963577 3). Growth media can also be obtained from commercial suppliers, such as Standard 1 (Merck) or BHI (Brain heart infusion, DIFCO) and the like. All media components are sterilized, either by heat (20 min at 1.5 bar and 121 ° C) or by sterile filtration. The components can be sterilized either together or, if necessary, separately. All media components can be present at the beginning of the cultivation or can be added continuously or in batches.
Die Anzuchtbedingungen werden für jedes Experiment gesondert definiert. Die Temperatur sollte zwischen 15°C und 45°C liegen und kann während des Experimentes konstant gehalten oder verändert werden. Der pH-Wert des Mediums sollte im Bereich von 5 bis 8,5, vorzugsweise um 7,0 liegen, und kann durch Zugabe von Puffern zu den Medien aufrechterhalten werden. Ein beispielhafter Puffer für diesen Zweck ist ein Kaliumphosphatpuffer. Synthetische Puffer, wie MOPS, HEPES; ACES usw., können alternativ oder gleichzeitig verwendet werden. Der Anzucht-pH-Wert lässt sich während der Anzucht auch durch Zugabe von NaOH oder NH40H konstant halten. Werden komplexe Medienkomponenten, wie Hefe-Extrakt verwendet, sinkt der Bedarf an zusätzlichen Puffern, da viele komplexe Verbindun- gen eine hohe Pufferkapazität aufweisen. Beim Einsatz eines Fermenters für die Anzucht von Mikroorganismen kann der pH-Wert auch mit gasförmigem Ammoniak reguliert werden.The growing conditions are defined separately for each experiment. The temperature should be between 15 ° C and 45 ° C and can be kept constant or changed during the experiment. The pH of the medium should be in the range of 5 to 8.5, preferably around 7.0, and can be maintained by adding buffers to the media. An exemplary buffer for this purpose is a potassium phosphate buffer. Synthetic buffers such as MOPS, HEPES; ACES etc. can be used alternatively or simultaneously. The cultivation pH value can also be kept constant during the cultivation by adding NaOH or NH 4 0H. If complex media components, such as yeast extract, are used, the need for additional buffers is reduced, since many complex compounds have a high buffer capacity. When using a fermenter for the cultivation of microorganisms, the pH value can also be regulated with gaseous ammonia.
Die Inkubationsdauer liegt gewöhnlich in einem Bereich von mehre- ren Stunden bis zu mehreren Tagen. Diese Zeit wird so ausgewählt, daß sich die maximale Menge Produkt in der Brühe ansammelt. Die offenbarten Wachstumsexperimente können in einer Vielzahl von Behältern, wie Mikrotiterplatten, Glasröhrchen, Glaskolben oder Glas- oder Metallfermentern unterschiedlicher Größen durchgeführt werden. Zum Screening einer großen Anzahl von Klonen sollten die Mikroorganismen in Mikrotiterplatten, Glasröhrchen oder Schüttelkolben entweder mit oder ohne Schikanen gezüchtet werden. Vorzugsweise werden 100-ml-Schüttelkolben verwendet, die mit 10% (bezogen auf das Volumen) des erforderlichen Wachstumsmediums ge- füllt sind. Die Kolben sollten auf einem Kreiselschüttler (Amplitude 25 mm) mit einer Geschwindigkeit im Bereich von 100-300 U/ min geschüttelt werden. Verdampfungsverluste können durch Aufrechterhalten einer feuchten Atmosphäre verringert werden; alternativ sollte für die Verdampfungsverluste eine mathematische Kor- rektur durchgeführt werden.The incubation period is usually in the range of several hours to several days. This time is selected so that the maximum amount of product accumulates in the broth. The disclosed growth experiments can be carried out in a variety of containers, such as microtiter plates, glass tubes, glass flasks or glass or metal fermenters of different sizes. To screen a large number of clones, the microorganisms should be grown in microtiter plates, glass tubes or shake flasks with or without baffles. Preferably 100 ml shake flasks are used, which are filled with 10% (by volume) of the required growth medium. The flasks should be shaken on a rotary shaker (amplitude 25 mm) at a speed in the range of 100-300 rpm. Evaporation losses can be reduced by maintaining a humid atmosphere; alternatively, a mathematical correction should be carried out for the evaporation losses.
Werden genetisch modifizierte Klone untersucht, sollten auch ein unmodifizierter Kontrollklon oder ein Kontrollklon getestet werden, der das Basisplasmid ohne Insertion enthält. Das Medium wird auf eine OD600 von 0,5 - 1,5 angeimpft, wobei Zellen verwendet werden, die auf Agarplatten gezüchtet wurden, wie CM-Platten (10 g/1 Glucose, 2,5 g/1 NaCl, 2 g/1 Harnstoff, 10 g/1 Polypepton, 5 g/1 Hefeextrakt, 5 g/1 Fleischextrakt, 22 g/1 Agar pH-Wert 6,8 mit 2 M NaOH) , die bei 30°C inkubiert worden sind. Das Animpfen der Medien erfolgt entweder durch Einbringen einer Kochsalzlösung von C. glutamicum-Zellen von CM-Platten oder durch Zugabe einer flüssigen Vorkultur dieses Bakteriums.If genetically modified clones are examined, an unmodified control clone or a control clone which contains the base plasmid without insertion should also be tested. The medium is seeded to an OD 600 of 0.5-1.5 using cells grown on agar plates, such as CM plates (10 g / 1 glucose, 2.5 g / 1 NaCl, 2 g / 1 urea, 10 g / 1 polypeptone, 5 g / 1 yeast extract, 5 g / 1 meat extract, 22 g / 1 agar pH 6.8 with 2 M NaOH), which have been incubated at 30 ° C. The inoculation of the media is carried out either by introducing a saline solution of C. glutamicum cells from CM plates or by adding a liquid preculture of this bacterium.
Beispiel 8: In-vitro-Analyse der Funktion mutierter ProteineExample 8: In vitro analysis of the function of mutated proteins
Die Bestimmung der Aktivitäten und kinetischen Parameter von En- zymen ist im Fachgebiet gut bekannt. Experimente zur Bestimmung der Aktivität eines bestimmten veränderten Enzyms müssen an die spezifische Aktivität des Wildtypenzyms angepasst werden, was innerhalb der Fähigkeiten des Fachmann liegt. Überblicke über Enzyme im Allgemeinen sowie spezifische Einzelheiten, die die Struktur, Kinetiken, Prinzipien, Verfahren, Anwendungen und Beispiele zur Bestimmung vieler Enzymaktivitäten betreffen, können bspw. in den nachstehenden Literaturstellen gefunden werden: Di- xon, M. , und Webb, E.C: (1979) Enzymes, Longmans, London; Fersht (1985) Enzyme Structure and Mechanism, Freeman, New York; Walsh (1979) Enzymatic Reaction Mechanisms. Freeman, San Francisco; Price, N.C., Stevens, L. (1982) Fundamentals of Enzymology. Oxford Univ. Press: Oxford; Boyer, P.D: Hrsg. (1983) The Enzymes, 3. Aufl. Academic Press, New York; Bisswanger, H. (1994) Enzymkinetik, 2. Aufl. VCH, Weinheim (ISBN 3527300325); Berg- meyer, H.U., Bergmeyer, J., Graßl, M. Hrsg. (1983-1986) Methods of Enzymatic Analysis, 3. Aufl. Bd. I-XII, Verlag Chemie: Weinheim; und Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry (1987) Bd. A9, "Enzymes", VCH, Weinheim, S. 352-363.Determining the activities and kinetic parameters of enzymes is well known in the art. Experiments to determine the activity of a particular altered enzyme must be adapted to the specific activity of the wild-type enzyme, which is within the ability of the person skilled in the art. Overviews of enzymes in general as well as specific details relating to the structure, kinetics, principles, processes, applications and examples for determining many enzyme activities can be found, for example, in the following literature references: Dixon, M., and Webb, EC: (1979) Enzymes, Longmans, London; Fersht (1985) Enzyme Structure and Mechanism, Freeman, New York; Walsh (1979) Enzymatic Reaction Mechanisms. Freeman, San Francisco; Price, N.C., Stevens, L. (1982) Fundamentals of Enzymology. Oxford Univ. Press: Oxford; Boyer, P.D: Ed. (1983) The Enzymes, 3rd Edition Academic Press, New York; Bisswanger, H. (1994) Enzyme Kinetics, 2nd Edition VCH, Weinheim (ISBN 3527300325); Bergmeyer, H.U., Bergmeyer, J., Graßl, M. Ed. (1983-1986) Methods of Enzymatic Analysis, 3rd edition Vol. I-XII, Verlag Chemie: Weinheim; and Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry (1987) Vol. A9, "Enzymes", VCH, Weinheim, pp. 352-363.
Die Aktivität von Proteinen, die an DNA binden, kann durch viele gut eingeführte Verfahren gemessen werden, wie DNA-Banden-Shift- Assays (die auch als Gelretardations-Assays bezeichnet werden) . Die Wirkung dieser Proteine auf die Expression anderer Moleküle kann mit Reportergenassays (wie beschrieben in Kolmar, H. et al., (1995) EMBO J. 14: 3895-3904 und den darin zitierten Literaturstellen) gemessen werden. Reportergen-Testsysteme sind wohlbekannt und für Anwendungen in pro- und eukaryotischen Zellen etabliert, wobei Enzyme, wie beta-Galactosidase, Grün-Fluoreszenz- Protein und mehrere andere verwendet werden.The activity of proteins that bind to DNA can be measured by many well-established methods, such as DNA band shift assays (also referred to as gel retardation assays). The effect of these proteins on the expression of other molecules can be measured using reporter gene assays (as described in Kolmar, H. et al., (1995) EMBO J. 14: 3895-3904 and the references cited therein). Reporter gene test systems are well known and established for use in pro- and eukaryotic cells using enzymes such as beta-galactosidase, green fluorescent protein and several others.
Die Bestimmung der Aktivität von Membran-Transportproteinen kann gemäß den Techniken, wie beschrieben in Gennis, R.B. (1989) "Po- res, Channels and Transporters", in Biomembranes, Molecular Structure and Function, Springer: Heidelberg, S. 85-137; 199-234; und 270-322, erfolgen. Beispiel 9 : Analyse des Einflusses von mutiertem Protein auf die Produktion des gewünschten ProduktesThe activity of membrane transport proteins can be determined according to the techniques as described in Gennis, RB (1989) "Pores, Channels and Transporters", in Biomembranes, Molecular Structure and Function, Springer: Heidelberg, pp. 85-137; 199-234; and 270-322. Example 9: Analysis of the influence of mutated protein on the production of the desired product
Die Wirkung der genetischen Modifikation in C. glutamicum auf die Produktion einer gewünschten Verbindung (wie einer Aminosäure) kann bestimmt werden, indem die modifizierten Mikroorganismen unter geeigneten Bedingungen (wie solchen, die vorstehend beschrieben sind) gezüchtet werden und das Medium und/oder die zellulären Komponenten auf die erhöhte Produktion des gewünschten Produktes (d.h. einer Aminosäure) untersucht wird. Solche Analysetechniken . sind dem Fachmann wohlbekannt und umfassen Spektroskopie, Dünnschichtchromatographie, Färbeverfahren verschiedener Art, enzymatische und mikrobiologische Verfahren sowie analytische Chromatographie, wie Hochleistungs-Flüssigkeitschromatographie (s. bspw. Ullman, Encyclopedia of Industrial Chemistry, Bd. A-2, S. 89-90 und S. 443-613, VCH: Weinheim (1985); Fallon, A. , et al., (1987) "Applications of HPLC in Biochemistry" in: Laboratory Techniques in Biochemistry and Molecular Biology, Bd. 17; Rehm et al. (1993) Biotechnology, Bd. 3, Kapitel III: "Product recovery and purification" , S. 469-714, VCH: Weinheim; Belter, P.A. et al. (1988) Bioseparations: downstream processing for Biotechnology, John Wiley and Sons; Kennedy, J.F. und Cabral, J.M.S. (1992) Recovery processes for biological Materials, John Wiley and Sons; Shaeiwitz, J.A. und Henry, J.D. (1988) Biochemical Separations, in Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, Bd. B3; Kapitel 11, S. 1-27, VCH: Weinheim; und Dechow, F.J. (1989) Separation and purification techniques in biotechnology, Noyes Publica- tions) .The effect of the genetic modification in C. glutamicum on the production of a desired compound (such as an amino acid) can be determined by growing the modified microorganisms under suitable conditions (such as those described above) and the medium and / or the cellular Components for the increased production of the desired product (ie an amino acid) is examined. Such analysis techniques. are well known to the person skilled in the art and include spectroscopy, thin-layer chromatography, staining methods of various types, enzymatic and microbiological methods and analytical chromatography, such as high-performance liquid chromatography (see, for example, Ullman, Encyclopedia of Industrial Chemistry, vol. A-2, pp. 89-90 and Pp. 443-613, VCH: Weinheim (1985); Fallon, A., et al., (1987) "Applications of HPLC in Biochemistry" in: Laboratory Techniques in Biochemistry and Molecular Biology, Vol. 17; Rehm et al. (1993) Biotechnology, Vol. 3, Chapter III: "Product recovery and purification", pp. 469-714, VCH: Weinheim; Belter, PA et al. (1988) Bioseparations: downstream processing for Biotechnology, John Wiley and Sons; Kennedy, JF and Cabral, JMS (1992) Recovery processes for biological Materials, John Wiley and Sons; Shaeiwitz, JA and Henry, JD (1988) Biochemical Separations, in Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, Vol. B3; Kapitel 11, S. 1-27, VCH: Weinheim; and Dechow, FJ (1989) Separation and purification techniques in biotechnology, Noyes Publications).
Zusätzlich zur Messung des Fermentationsendproduktes ist es ebenfalls möglich, andere Komponenten der Stoffwechselwege zu analysieren, die zur Produktion der gewünschten Verbindung verwendet werden, wie Zwischen- und Nebenprodukte, um die Gesamt-Produkti- vität des Organismus, die Ausbeute und/oder die Effizienz der Produktion der Verbindung zu bestimmen. Die Analyseverfahren umfassen Messungen der Nährstoffmengen im Medium (bspw. Zucker, Kohlenwasserstoffe, Stickstoffquellen, Phosphat und andere Ionen) , Messungen der Biomassezusammensetzung und des Wachstums, Analyse der Produktion gewöhnlicher Metabolite aus Biosynthesewe- gen und Messungen von Gasen, die während der Fermentation erzeugt werden. Standardverfahren für diese Messungen sind in Applied Mi- crobial Physiology; A Practical Approach, P.M. Rhodes und P.F. Stanbury, Hrsg. IRL Press, S. 103-129; 131-163 und 165-192 (ISBN: 0199635773) und den darin angegebenen Literaturstellen beschrie- ben. Beispiel 10: Reinigung des gewünschten Produktes aus C. glutami- cum-KulturIn addition to measuring the final fermentation product, it is also possible to analyze other components of the metabolic pathways that are used to produce the desired compound, such as intermediates and by-products, to determine the overall productivity of the organism, the yield and / or the efficiency of the To determine production of the connection. The analysis methods include measurements of the amount of nutrients in the medium (e.g. sugar, hydrocarbons, nitrogen sources, phosphate and other ions), measurements of the biomass composition and growth, analysis of the production of common metabolites from biosynthetic pathways and measurements of gases that are produced during fermentation , Standard methods for these measurements are in Applied Microbial Physiology; A Practical Approach, PM Rhodes and PF Stanbury, ed. IRL Press, pp. 103-129; 131-163 and 165-192 (ISBN: 0199635773) and the literature references specified therein. Example 10: Purification of the desired product from C. glutamicum culture
Die Gewinnung des gewünschten Produktes aus C. glutamicum-Zellen oder aus dem Überstand der vorstehend beschriebenen Kultur kann durch verschiedene, im Fachgebiet bekannte Verfahren erfolgen. Wird das gewünschte Produkt von den Zellen nicht sezerniert, können die Zellen aus der Kultur durch langsame Zentrifugation geerntet werden, die Zellen können durch Standard-Techniken, wie mechanische Kraft oder Ultrabeschallung, lysiert werden. Die Zelltrümmer werden durch Zentrifugation entfernt, und die Überstandsfraktion, die die löslichen Proteine enthält, wird zur weiteren Reinigung der gewünschten Verbindung erhalten. Wird das Produkt von den C. glutamicum-Zellen sezerniert, werden die Zel- len duch langsame Zentrifugation aus der Kultur entfernt, und die Überstandsfraktion wird zur weiteren Reinigung behalten.The desired product can be obtained from C. glutamicum cells or from the supernatant of the culture described above by various methods known in the art. If the desired product is not secreted by the cells, the cells can be harvested from the culture by slow centrifugation, the cells can be lysed by standard techniques such as mechanical force or ultrasound. The cell debris is removed by centrifugation and the supernatant fraction containing the soluble proteins is obtained for further purification of the desired compound. If the product is secreted by the C. glutamicum cells, the cells are removed from the culture by slow centrifugation and the supernatant fraction is kept for further purification.
Die Überstandsfraktion aus beiden Reinigungsverfahren wird einer Chromatographie mit einem geeigneten Harz unterworfen, wobei das gewünschte Molekül entweder auf dem Chromatographieharz zurückgehalten wird, viele Verunreinigungen in der Probe jedoch nicht, oder wobei die Verunreinigungen auf dem Harz zurückbleiben, die Probe hingegen nicht. Diese Chromatographieschritte können nötigenfalls wiederholt werden, wobei die gleichen oder andere Chro- ■ matographieharze verwendet werden. Der Fachmann ist in der Auswahl der geeigneten Chromatographieharze und der wirksamsten Anwendung für ein bestimmtes, zu reinigendes Molekül bewandert. Das gereinigte Produkt kann durch Filtration oder Ultrafiltration konzentriert und bei einer Temperatur aufbewahrt werden, bei der die Stabilität des Produktes maximal ist.The supernatant fraction from both purification procedures is subjected to chromatography with an appropriate resin, either with the desired molecule retained on the chromatography resin but not with many contaminants in the sample, or with the contaminants remaining on the resin but not the sample. If necessary, these chromatography steps can be repeated using the same or different chromatography resins. The person skilled in the art is skilled in the selection of the suitable chromatography resins and the most effective application for a particular molecule to be purified. The purified product can be concentrated by filtration or ultrafiltration and kept at a temperature at which the stability of the product is maximum.
Im Fachgebiet sind viele Reinigungsverfahren bekannt, die nicht auf das vorhergehende Reinigungsverfahren eingeschränkt sind. Diese sind bspw. beschrieben in Bailey, J.E. & Ollis, D.F. Biochemical Engineering Fundamentals, McGraw-Hill: New York (1986) .Many cleaning methods are known in the art that are not limited to the previous cleaning method. These are described, for example, in Bailey, J.E. & Ollis, D.F. Biochemical Engineering Fundamentals, McGraw-Hill: New York (1986).
Die Identität und Reinheit der isolierten Verbindungen kann durch Standard-Techniken des Fachgebiets bestimmt werden. Diese umfas- sen Hochleistungs-Flüssigkeitschromatographie (HPLC) , spektroskopische Verfahren, Färbeverfahren, Dünnschichtchromatographie, NIRS, Enzymtest oder mikrobiologische Tests. Diese Analyseverfahren sind zusammengefasst in: Patek et al. (1994) Appl. Environ. Microbiol. 60: 133-140; Malakhova et al. (1996) Biotekhnologiya 11: 27-32; und Schmidt et al . (1998) Bioprocess Engineer. 19: 67-70. Ulmann' s Encyclopedia of Industrial Chemistry (1996) Bd. A27, VCH: Weinheim, S. 89-90, S. 521-540, S. 540-5.47, S. 559-566, 575-581 und S. 581-587; Michal, G (1999) Biochemical Pathways: An Atlas of Biochemistry and Molecular Biology, John Wiley and Sons; Fallon, A. et al. (1987) Applications of HPLC in Biochemistry in: Laboratory Techniques in Biochemistry and Molecular Biology, Bd. 17.The identity and purity of the isolated compounds can be determined by standard techniques in the art. These include high-performance liquid chromatography (HPLC), spectroscopic methods, staining methods, thin-layer chromatography, NIRS, enzyme tests or microbiological tests. These analysis methods are summarized in: Patek et al. (1994) Appl. Environ. Microbiol. 60: 133-140; Malakhova et al. (1996) Biotekhnologiya 11: 27-32; and Schmidt et al. (1998) Bioprocess Engineer. 19: 67-70. Ulmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry (1996) Vol. A27, VCH: Weinheim, pp. 89-90, pp. 521-540, pp. 540-5.47, pp. 559-566, 575-581 and pp. 581-587; Michal, G (1999) Biochemical Pathways: An Atlas of Biochemistry and Molecular Biology, John Wiley and Sons; Fallon, A. et al. (1987) Applications of HPLC in Biochemistry in: Laboratory Techniques in Biochemistry and Molecular Biology, Vol. 17.
Äquivalenteequivalent
Der Fachmann erkennt oder kann - indem er lediglich Routinever- fahren verwendet - viele Äquivalente der erfindungsgemäßen spezifischen Ausführungsformen feststellen. Diese Äquivalente sollen von den nachstehenden Patentansprüchen umfaßt sein.Those skilled in the art will recognize or can - by using only routine methods - determine many equivalents of the specific embodiments of the invention. These equivalents are intended to be encompassed by the claims below.
Die Angaben in Tabelle 1 sind folgendermassen zu verstehen:The information in Table 1 is to be understood as follows:
In Spalte 1"DNA-ID" bezieht sich die jeweilige Zahl auf die SEQ ID NO des anhängenden Sequenzprotokolls. Eine "5" in der Spalte "DNA-ID" bedeutet demzufolge ein Verweis auf SEQ ID NO: 5.In column 1 "DNA-ID" the respective number refers to the SEQ ID NO of the attached sequence listing. A "5" in the "DNA-ID" column therefore means a reference to SEQ ID NO: 5.
In Spalte 2"AS-ID" bezieht sich die jeweilige Zahl auf die SEQ. ID NO des anhängenden Sequenzprotokolls. Eine "6" in der Spalte "AS-ID" bedeutet demzufolge ein Verweis auf SEQ ID NO: 6.In column 2 "AS-ID" the respective number refers to the SEQ. ID NO of the attached sequence listing. A "6" in the "AS-ID" column therefore means a reference to SEQ ID NO: 6.
In Spalte 3"Identifikation" wird eine eindeutige interne Bezeich- nung für jede Sequenz aufgeführt.Column 3 "Identification" contains a unique internal name for each sequence.
In Spalte 4 "AS-POS" bezieht sich die jeweilige Zahl auf die Aminosäureposition der Polypeptidsequenz "AS-ID" in der gleichen Zeile. Eine "26" in der Spalte "AS-POS" bedeutet demzufolge die Aminosäureposition 26 der entsprechend angegebenen Polypeptidsequenz . Die Zählung der Position beginnt N-Terminal bei +1.In column 4 "AS-POS" the respective number refers to the amino acid position of the polypeptide sequence "AS-ID" in the same line. A “26” in the “AS-POS” column consequently means the amino acid position 26 of the correspondingly indicated polypeptide sequence. The position of the N-Terminal starts at +1.
In Spalte 5 "AS-Wildtyp" bezeichnet der jeweilige Buchstabe die Aminosäure - dargestellt im Ein-Buchstaben-Code- an der in Spalte 4 angegebenen Position beim entsprechenden Wildtyp-Stamm.In column 5 "AS wild type", the respective letter denotes the amino acid - represented in the one-letter code - at the position indicated in column 4 in the corresponding wild type strain.
In Spalte 6 "AS-Mutante" bezeichnet der jeweilige Buchstabe die Aminosäure - dargestellt im Ein-Buchstaben-Code- an der in Spalte 4 angegebenen Position beim entsprechenden Mutanten-Stamm.In column 6 "AS mutant" the respective letter denotes the amino acid - shown in the one-letter code - at the position indicated in column 4 in the corresponding mutant strain.
In Spalte 7"Funktion" wird die physiologische Funktion der entsprechenden Polypeptidsequenz aufgeführt. Ein-Buchstaben-Code der proteinogenen Aminosäuren:Column 7 "Function" lists the physiological function of the corresponding polypeptide sequence. One letter code of proteinogenic amino acids:
A AlaninA alanine
C CysteinC cysteine
D AspartatD aspartate
E GlutamatE glutamate
F PhenylalaninF phenylalanine
G GlycinG glycine
H HisH His
I IsoleucinI isoleucine
K LysinK lysine
L LeucinL leucine
M MethioninM methionine
N AsparaginN asparagine
P ProlinP proline
Q GlutaminQ glutamine
R ArgininR arginine
S SerinS serine
T ThreoninT threonine
V ValinV valine
W TryptophanW tryptophan
Y Tyrösin Y Tyrösin
Tabelle 1Table 1
Gene die für Homeostase- und Adaptions-Proteine codierenGenes that code for homeostasis and adaptation proteins
DNA AS Identifikation: AS AS AS Funktion:DNA AS identification: AS AS AS function:
ID: ID: Pos: WWiillddtyp MutanteID: ID: Pos: WWiillddtyp mutant
1 2 RXA00048 39 G S 3-(3-HYDROXYPHENYL) PROPIONATE HYDROXYLASE1 2 RXA00048 39 G S 3- (3-HYDROXYPHENYL) PROPIONATE HYDROXYLASE
3 4 RXA00110 172 S F Hypothetical Membrane Spanning Protein3 4 RXA00110 172 S F Hypothetical Membrane Spanning Protein
5 6 RXA00137 304 A T XAA-PRO DIPEPTIDASE (EC 3.4.13.9)5 6 RXA00137 304 A T XAA-PRO DIPEPTIDASE (EC 3.4.13.9)
7 8 RXA00152 96 P S STOMATIN LIKE PROTEIN 237 G S STOMATIN LIKE PROTEIN
Figure imgf000059_0001
g 10 RXA00166 103 T I METHYLTRANSFERASE (EC 2.1.1.-)
7 8 RXA00152 96 HP STOMATIN LIKE PROTEIN 237 GS STOMATIN LIKE PROTEIN
Figure imgf000059_0001
g 10 RXA00166 103 TI METHYL TRANSFERASE (EC 2.1.1.-)
11 12 RXA00197 322 A V MEMBRANE METALLOPROTEASE11 12 RXA00197 322 A V MEMBRANE METALLOPROTEASE
13 14 RXA00332 167 P S ALKANAL MONOOXYGENASE ALPHA CHAIN (EC 1.14.14.3) 251 E K ALKANAL MONOOXYGENASE ALPHA CHAIN (EC 1.14.14.3)13 14 RXA00332 167 P S ALKANAL MONOOXYGENASE ALPHA CHAIN (EC 1.14.14.3) 251 E K ALKANAL MONOOXYGENASE ALPHA CHAIN (EC 1.14.14.3)
15 16 RXA00397 236 A V XAA-PRO AMINOPEPTIDASE (EC 3.4.11.9)15 16 RXA00397 236 A V XAA-PRO AMINOPEPTIDASE (EC 3.4.11.9)
17 18 RXA00502 115 G D O-SIALOGLYCOPROTEIN ENDOPEPTIDASE (EC 3.4.24.57)17 18 RXA00502 115 G D O-SIALOGLYCOPROTEIN ENDOPEPTIDASE (EC 3.4.24.57)
19 20 RXA00550 554 S F PENICILLIN-BINDING PROTEIN 1 A19 20 RXA00550 554 S F PENICILLIN BINDING PROTEIN 1 A
21 22 RXA00566 190 E K ATP-DEPENDENT CLP PROTEASE PROTEOLYTIC SUBUNIT (EC 3.4.21.92)21 22 RXA00566 190 E K ATP-DEPENDENT CLP PROTEASE PROTEOLYTIC SUBUNIT (EC 3.4.21.92)
23 24 RXA00641 275 S F BENZOATE 1 ,2-DIOXYGENASE ALPHA SUBUNIT (EC 1.14.12.10) /TOLUATE 1 ,2-DIOXYGENASE ALPHA SUBUNIT (EC 1.14.12.-) 23 24 RXA00641 275 SF BENZOATE 1, 2-DIOXYGENASE ALPHA SUBUNIT (EC 1.14.12.10) / TOLUATE 1, 2-DIOXYGENASE ALPHA SUBUNIT (EC 1.14.12.-)
275 BENZOATE 1,2-DIOXYGENASE ALPHA SUBUNIT (EC 1.14.12.10) /TOLUATE 1 ,2-DIOXYGENASE ALPHA SUBUNIT (EC 1.14.12.-)275 BENZOATE 1,2-DIOXYGENASE ALPHA SUBUNIT (EC 1.14.12.10) / TOLUATE 1, 2-DIOXYGENASE ALPHA SUBUNIT (EC 1.14.12.-)
26 RXA00663 172 R H PHOH PROTEIN HOMOLOG26 RXA00663 172 R H PHOH PROTEIN HOMOLOG
172 R H PHOH PROTEIN HOMOLOG172 R H PHOH PROTEIN HOMOLOG
28 RXA00675 72 P S METHIONINE AMINOPEPTIDASE (EC 3.4.11.18)28 RXA00675 72 P S METHIONINE AMINOPEPTIDASE (EC 3.4.11.18)
72 P S METHIONINE AMINOPEPTIDASE (EC 3.4.11.18)72 P S METHIONINE AMINOPEPTIDASE (EC 3.4.11.18)
30 RXA00689 485 D N BETAINE ALDEHYDE DEHYDROGENASE (EC 1.2.1.8)30 RXA00689 485 D N BETAINE ALDEHYDE DEHYDROGENASE (EC 1.2.1.8)
32 RXA00772 143 A T SUCCINYL-COA:COENZYME A TRANSFERASE (EC 2.8.3.-)32 RXA00772 143 A T SUCCINYL-COA: COENZYME A TRANSFERASE (EC 2.8.3.-)
34 RXA00818 165 E K PHOSPHOSERINE PHOSPHATASE (EC 3.1.3.3)34 RXA00818 165 E K PHOSPHOSERINE PHOSPHATASE (EC 3.1.3.3)
36 RXA00844 166 P S Secretory Serine Protease (EC 3.4.21.-)36 RXA00844 166 P S Secretory Serine Protease (EC 3.4.21.-)
38 RXA00888 347 E K PHOH PROTEIN38 RXA00888 347 E K PHOH PROTEIN
40 RXA00892 146 G D PARA-NITROBENZYL ESTERASE (EC 3.1.1.-) u40 RXA00892 146 G D PARA-NITROBENZYL ESTERASE (EC 3.1.1.-) u
160 G D PARA-NITROBENZYL ESTERASE (EC 3.1.1.-)160 G D PARA-NITROBENZYL ESTERASE (EC 3.1.1.-)
248 A V PARA-NITROBENZYL ESTERASE (EC 3.1.1.-)248 A V PARA-NITROBENZYL ESTERASE (EC 3.1.1.-)
42 RXA00963 211 P S 2-HYDROXYHEPTA-2.4-DIENE-1 ,7-DIOATE ISOMERASE (EC 5.3.3.-) / 5-CARBOXYMETHYL-2- OXO-HEX-3-ENE-1 ,7-DIOATE DECARBOXYLASE (EC 4.1.1.-)42 RXA00963 211 PS 2-HYDROXYHEPTA-2.4-DIENE-1, 7-DIOATE ISOMERASE (EC 5.3.3.-) / 5-CARBOXYMETHYL-2-OXO-HEX-3-ENE-1, 7-DIOATE DECARBOXYLASE (EC 4.1 .1.-)
44 RXA00982 242 L F PROTEINASE44 RXA00982 242 L F PROTEINASE
242 L F PROTEINASE242 L F PROTEINASE
46 RXA01014 AMINOPEPTIDASE N (EC 3.4.11.2)46 RXA01014 AMINOPEPTIDASE N (EC 3.4.11.2)
48 RXA01046 408 A V ATP-DEPENDENT CLP PROTEASE ATP-BINDING SUBUNIT CLPA48 RXA01046 408 A V ATP-DEPENDENT CLP PROTEASE ATP-BINDING SUBUNIT CLPA
50 RXA01120 155 A T ATP-DEPENDENT CLP PROTEASE ATP-BINDING SUBUNIT CLPX50 RXA01120 155 A T ATP-DEPENDENT CLP PROTEASE ATP-BINDING SUBUNIT CLPX
50 RXA01120 155 A T ATP-DEPENDENT CLP PROTEASE ATP-BINDING SUBUNIT CLPX50 RXA01120 155 A T ATP-DEPENDENT CLP PROTEASE ATP-BINDING SUBUNIT CLPX
54 RXA01182 84 L F OXIDOREDUCTASE (EC 1.1.1.-) 54 RXA01182 84 LF OXIDOREDUCTASE (EC 1.1.1.-)
56 RXA01214 46 A T LACCASE 1 PRECURSOR (EC 1.10.3.2)56 RXA01214 46 A T LACCASE 1 PRECURSOR (EC 1.10.3.2)
58 RXA01224 100 P s 2-NITROPROPANE DIOXYGENASE (EC 1.13.11.32)58 RXA01224 100 P s 2-NITROPROPANE DIOXYGENASE (EC 1.13.11.32)
60 RXA01277 704 G s PROLYL ENDOPEPTIDASE (EC 3.4.21.26)60 RXA01277 704 G s PROLYL ENDOPEPTIDASE (EC 3.4.21.26)
704 G s PROLYL ENDOPEPTIDASE (EC 3.4.21.26)704 G s PROLYL ENDOPEPTIDASE (EC 3.4.21.26)
62 RXA01302 185 A T NITRATE REDUCTASE ALPHA CHAIN (EC 1.7.99.4)62 RXA01302 185 A T NITRATE REDUCTASE ALPHA CHAIN (EC 1.7.99.4)
522 L F NITRATE REDUCTASE ALPHA CHAIN (EC 1.7.99.4)522 L F NITRATE REDUCTASE ALPHA CHAIN (EC 1.7.99.4)
613 P s NITRATE REDUCTASE ALPHA CHAIN (EC 1.7.99.4)613 P s NITRATE REDUCTASE ALPHA CHAIN (EC 1.7.99.4)
1090 V I NITRATE REDUCTASE ALPHA CHAIN (EC 1.7.99.4)1090 V I NITRATE REDUCTASE ALPHA CHAIN (EC 1.7.99.4)
1092 G D NITRATE REDUCTASE ALPHA CHAIN (EC 1.7.99.4)1092 G D NITRATE REDUCTASE ALPHA CHAIN (EC 1.7.99.4)
64 RXA01385 427 D N PHENOL 2-MONOOXYGENASE (EC 1.14.13.7)64 RXA01385 427 D N PHENOL 2-MONOOXYGENASE (EC 1.14.13.7)
427 D N PHENOL 2-MONOOXYGENASE (EC 1.14.13.7)427 D N PHENOL 2-MONOOXYGENASE (EC 1.14.13.7)
475 V I PHENOL 2-MONOOXYGENASE (EC 1.14.13.7)475 V I PHENOL 2-MONOOXYGENASE (EC 1.14.13.7)
475 V I PHENOL 2-MONOOXYGENASE (EC 1.14.13.7)475 V I PHENOL 2-MONOOXYGENASE (EC 1.14.13.7)
66 RXA01386 100 V I TRANSCRIPTIONAL REGULATORY PROTEIN66 RXA01386 100 V I TRANSCRIPTIONAL REGULATORY PROTEIN
68 RXA01430 254 P L N-ACETYLMURAMOYL-L-ALANINE AMIDASE (EC 3.5.1.28)68 RXA01430 254 P L N-ACETYLMURAMOYL-L-ALANINE AMIDASE (EC 3.5.1.28)
70 RXA01435 204 L F SERINEtTHREONINE PROTEIN KINASE (EC 2.7.1.37)70 RXA01435 204 L F SERINEtTHREONINE PROTEIN KINASE (EC 2.7.1.37)
72 RXA01477 192 A V ALKALINE PHOSPHATASE D PRECURSOR (EC 3.1.3.1)72 RXA01477 192 A V ALKALINE PHOSPHATASE D PRECURSOR (EC 3.1.3.1)
74 RXA01607 142 R W TRANSCRIPTIONAL REGULATORY PROTEIN74 RXA01607 142 R W TRANSCRIPTIONAL REGULATORY PROTEIN
179 A T TRANSCRIPTIONAL REGULATORY PROTEIN179 A T TRANSCRIPTIONAL REGULATORY PROTEIN
76 RXA01642 165 G E EXTRACELLULAR SUBTILISIN-LIKE PROTEASE PRECURSOR (EC 3.4.21.-)76 RXA01642 165 G E EXTRACELLULAR SUBTILISIN-LIKE PROTEASE PRECURSOR (EC 3.4.21.-)
294 A T EXTRACELLULAR SUBTILISIN-LIKE PROTEASE PRECURSOR (EC 3.4.21.-)294 AT EXTRACELLULAR SUBTILISIN-LIKE PROTEASE PRECURSOR (EC 3.4.21.-)
78 RXA01653 167 T I DIBENZOTHIOPHENE DESULFURIZATION ENZYME A 167 T I DIBENZOTHIOPHENE DESULFURIZATION ENZYME A 78 RXA01653 167 TI DIBENZOTHIOPHENE DESULFURIZATION ENZYME A 167 TI DIBENZOTHIOPHENE DESULFURIZATION ENZYME A
79 80 RXA01664 267 T I THIOSULFATE SULFURTRANSFERASE (EC 2.8.1.1)79 80 RXA01664 267 T I THIOSULFATE SULFURTRANSFERASE (EC 2.8.1.1)
81 82 RXA01728 331 V I BETA C-S LYASE (EC 3.-.-.-) 356 T I BETA C-S LYASE (EC 3.-.-.-)81 82 RXA01728 331 V I BETA C-S LYASE (EC 3.-.-.-) 356 T I BETA C-S LYASE (EC 3.-.-.-)
83 84 RXA01842 246 P S QUINONE OXIDOREDUCTASE (EC 1.6.5.5)83 84 RXA01842 246 P S QUINONE OXIDOREDUCTASE (EC 1.6.5.5)
85 86 RXA01849 86 G S MAGNESIUM-CHELATASE SUBUNIT CHLI85 86 RXA01849 86 G S MAGNESIUM CHELATASE SUBUNIT CHLI
87 88 RXA02016 207 V F NITRATE REDUCTASE GAMMA CHAIN (EC 1.7.99.4)87 88 RXA02016 207 V F NITRATE REDUCTASE GAMMA CHAIN (EC 1.7.99.4)
89 90 RXA02021 305 S F 2,3,4,5-TETRAHYDROPYRIDINE-2-CARBOXYLATE N-SUCCINYLTRANSFERASE (HOMOLOG)89 90 RXA02021 305 S F 2,3,4,5-TETRAHYDROPYRIDINE-2-CARBOXYLATE N-SUCCINYLTRANSFERASE (HOMOLOG)
91 92 RXA02053 66 H Y DRGA PROTEIN91 92 RXA02053 66 H Y DRGA PROTEIN
93 94 RXA02064 138 S F CAFFEOYL-COA O-METHYLTRANSFERASE (EC 2.1.1.104)93 94 RXA02064 138 S F CAFFEOYL-COA O-METHYLTRANSFERASE (EC 2.1.1.104)
95 96 RXA02083 339 D N DIMETHYLANILINE MONOOXYGENASE (N-OXIDE FORMING) 2 (EC 1.14.13.8)95 96 RXA02083 339 D N DIMETHYLANILINE MONOOXYGENASE (N-OXIDE FORMING) 2 (EC 1.14.13.8)
97 98 RXA02092 409 A V PARA-NITROBENZYL ESTERASE (EC 3.1.1.-)97 98 RXA02092 409 A V PARA-NITROBENZYL ESTERASE (EC 3.1.1.-)
99 100 RXA02120 222 A T CARBOXYVINYL-CARBOXYPHOSPHONATE PHOSPHORYLMUTASE (EC 2.7.8.23)99 100 RXA02120 222 A T CARBOXYVINYL-CARBOXYPHOSPHONATE PHOSPHORYLMUTASE (EC 2.7.8.23)
101 102 RXA02448 96 G D MALEYLACETATE REDUCTASE (EC 1.3.1.32)101 102 RXA02448 96 G D MALEYL ACETATE REDUCTASE (EC 1.3.1.32)
103 104 RXA02449 299 P S hydroxyquinol 1 ,2-dioxygenase (EC 1.13.11.37)103 104 RXA02449 299 P S hydroxyquinol 1, 2-dioxygenase (EC 1.13.11.37)
105 106 RXA02474 7 E K (S.S)-butane-2,3-diol dθhydrogenase (EC 1.1.1.76)105 106 RXA02474 7 E K (S.S) -butane-2,3-diol dθhydrogenase (EC 1.1.1.76)
107 108 RXA02535 99 V I XYLENE MONOOXYGENASE ELECTRON TRANSFER COMPONENT107 108 RXA02535 99 V I XYLENE MONOOXYGENASE ELECTRON TRANSFER COMPONENT
109 110 RXA02560 138 G E OXYGEN-INSENSITIVE NAD(P)H NITROREDUCTASE (EC 1.-.-.-) / DIHYDROPTERIDINE REDUCTASE (EC 1.6.99.7)109 110 RXA02560 138 G E OXYGEN-INSENSITIVE NAD (P) H NITROREDUCTASE (EC 1.-.-.-) / DIHYDROPTERIDINE REDUCTASE (EC 1.6.99.7)
192 OXYGEN-INSENSITIVE NAD(P)H NITROREDUCTASE (EC 1.-.-.-) / DIHYDROPTERIDINE REDUCTASE (EC 1.6.99.7)192 OXYGEN-INSENSITIVE NAD (P) H NITROREDUCTASE (EC 1.-.-.-) / DIHYDROPTERIDINE REDUCTASE (EC 1.6.99.7)
111 112 RXA02630 250 G C PROTEASE DO (EC 3.4.21.-)111 112 RXA02630 250 G C PROTEASE DO (EC 3.4.21.-)
274 S F PROTEASE DO (EC 3.4.21.-)274 S F PROTEASE DO (EC 3.4.21.-)
113 114 RXA02643 136 S N ALKANAL MONOOXYGENASE ALPHA CHAIN (EC 1.14.14.3) 113 114 RXA02643 136 SN ALKANAL MONOOXYGENASE ALPHA CHAIN (EC 1.14.14.3)
166 E K ALKANAL MONOOXYGENASE ALPHA CHAIN (EC 1.14.14.3)166 E K ALKANAL MONOOXYGENASE ALPHA CHAIN (EC 1.14.14.3)
115 116 RXA02705 401 S L UDP-N-ACETYLMURAMOYLALANINE— D-GLUTAMATE LIGASE (EC 6.3.2.9)115 116 RXA02705 401 S L UDP-N-ACETYLMURAMOYLALANINE— D-GLUTAMATE LIGASE (EC 6.3.2.9)
117 118 RXA02710 105 G D UDP-N-ACETYLMURAMOYLA NYL-D-GLUTAMATE— 2,6-DIAMINOPIMELATE LIGASE (EC 6.3.2.13)117 118 RXA02710 105 G D UDP-N-ACETYLMURAMOYLA NYL-D-GLUTAMATE - 2,6-DIAMINOPIMELATE LIGASE (EC 6.3.2.13)
119 120 RXA02711 33 A V PENICILLIN-BINDING PROTEIN 2119 120 RXA02711 33 A V PENICILLIN BINDING PROTEIN 2
121 122 RXA02723 42 R C CELL DIVISION PROTEIN FTSQ121 122 RXA02723 42 R C CELL DIVISION PROTEIN FTSQ
123 124 RXA03088 105 T S METHYLTRANSFERASE (EC 2.1.1.-)123 124 RXA03088 105 T S METHYL TRANSFERASE (EC 2.1.1.-)
125 126 RXA03128 130 A T MORPHINE 6-DEHYDROGENASE (EC 1.1.1.218)125 126 RXA03128 130 A T MORPHINE 6-DEHYDROGENASE (EC 1.1.1.218)
127 128 RXA03133 34 C Y HYDROGENASE 1 MATURATION PROTEASE (EC 3.4.-.-)127 128 RXA03133 34 C Y HYDROGENASE 1 MATURATION PROTEASE (EC 3.4.-.-)
129 130 RXA03150 223 G V ALDEHYDE DEHYDROGENASE (EC 1.2.1.3)129 130 RXA03150 223 G V ALDEHYDE DEHYDROGENASE (EC 1.2.1.3)
131 132 RXA03369 98 E K O-6-METHYLGUANINE-DNA-ALKYLTRANSFERASE (EC 2.1.1.63)131 132 RXA03369 98 E K O-6-METHYLGUANINE-DNA-ALKYLTRANSFERASE (EC 2.1.1.63)
133 134 RXA03433 264 D G ALKALINE PHOSPHATASE (EC 3.1.3.1)133 134 RXA03433 264 D G ALKALINE PHOSPHATASE (EC 3.1.3.1)
135 136 RXA03501 134 G D PHNB PROTEIN135 136 RXA03501 134 G D PHNB PROTEIN
CC
137 138 RXA03503 273 T I 4-HYDROXYBENZOATE3-MONOOXYGENASE (EC 1.14.13.2) N137 138 RXA03503 273 T I 4-HYDROXYBENZOATE3-MONOOXYGENASE (EC 1.14.13.2) N
298 G S 4-HYDROXYBENZOATE 3-MONOOXYGENASE (EC 1.14.13.2)298 G S 4-HYDROXYBENZOATE 3-MONOOXYGENASE (EC 1.14.13.2)
139 140 RXA03545 96 G E TYPE 4 PREPILIN PEPTIDASE PILD (EC 3.4.99.-)139 140 RXA03545 96 G E TYPE 4 PREPILIN PEPTIDASE PILD (EC 3.4.99.-)
141 142 RXA03669 336 D N GTPase (EC 3.6.1.-)141 142 RXA03669 336 D N GTPase (EC 3.6.1.-)
143 144 RXA03993 13 V G METHIONINE AMINOPEPTIDASE (EC 3.4.11.18)143 144 RXA03993 13 V G METHIONINE AMINOPEPTIDASE (EC 3.4.11.18)
145 146 RXA04039 17 G E NITRILOTRIACETATE MONOOXYGENASE COMPONENT A (EC 1.14.13.-)145 146 RXA04039 17 G E NITRILOTRIACETATE MONOOXYGENASE COMPONENT A (EC 1.14.13.-)
147 148 RXA04049 346 R H PROTEASE II (EC 3.4.21.83)147 148 RXA04049 346 R H PROTEASE II (EC 3.4.21.83)
149 150 RXA04098 256 G E ORNITHINE CARBAMOYLTRANSFERASE (EC 2.1.3.3)149 150 RXA04098 256 G E ORNITHINE CARBAMOYL TRANSFERASE (EC 2.1.3.3)
151 152 RXA04205 132 P S Hydrolase (HAD superfamily)151 152 RXA04205 132 P S Hydrolase (HAD superfamily)
153 154 RXA04381 120 A V LACCASE 1 PRECURSOR (EC 1.10.3.2)153 154 RXA04381 120 A V LACCASE 1 PRECURSOR (EC 1.10.3.2)
155 156 RXA04540 175 A T PERIPLASMIC SERINE PROTEASE 155 156 RXA04540 175 AT PERIPLASMIC SERINE PROTEASE
157 158 RXA04618 93 A V UDP-N-ACETYLGLUCOSAMINE 1-CARBOXYVINYLTRANSFERASE (EC 2.5.1.7)157 158 RXA04618 93 A V UDP-N-ACETYLGLUCOSAMINE 1-CARBOXYVINYLTRANSFERASE (EC 2.5.1.7)
159 160 RXA06030 143 L F PROBABLE PERIPLASMIC SERINE PROTEASE DO-LIKE PRECURSOR159 160 RXA06030 143 L F PROBABLE PERIPLASMIC SERINE PROTEASE DO-LIKE PRECURSOR
161 162 RXA07014 142 T A OXIDOREDUCTASE (EC 1.1.1.-)161 162 RXA07014 142 T A OXIDOREDUCTASE (EC 1.1.1.-)
163 164 RXA07015 119 T I OXIDOREDUCTASE (EC 1.1.1.-)163 164 RXA07015 119 T I OXIDOREDUCTASE (EC 1.1.1.-)
165 166 RXA07016 11 W G Secretory Serine Protease (EC 3.4.21.-)165 166 RXA07016 11 W G Secretory Serine Protease (EC 3.4.21.-)
20 F L Seoretory Serine Protease (EC 3.4.21.-)20 F L Seoretory Serine Protease (EC 3.4.21.-)
38 T P Secretory Serine Protease (EC 3.4.21.-)38 T P Secretory Serine Protease (EC 3.4.21.-)
167 168 RXA07025 541 T 1 ENTEROBACTIN SYNTHETASE COMPONENT F167 168 RXA07025 541 T 1 ENTEROBACTIN SYNTHETASE COMPONENT F
1080 E K ENTEROBACTIN SYNTHETASE COMPONENT F1080 E K ENTEROBACTIN SYNTHETASE COMPONENT F
167 168 RXA07025 1200 I V ENTEROBACTIN SYNTHETASE COMPONENT F167 168 RXA07025 1200 IV ENTEROBACTIN SYNTHETASE COMPONENT F
169 170 RXA07026 275 E K PENICILLIN-BINDING PROTEIN 169 170 RXA07026 275 E K PENICILLIN BINDING PROTEIN

Claims

Patentansprüche claims
1. Isoliertes Nukleinsäuremolekül codierend für ein Polypeptid mit der jeweils in Tabellel/Spalte2 in Bezug genommenen1. An isolated nucleic acid molecule coding for a polypeptide with that referred to in Table / Column 2
Aminosäuresequenz wobei das Nukleinsäuremolekül in der in Ta- bellel/Spalte4 angegebenenen Aminosäureposition eine andere proteinogene Aminosäure codiert als die jeweilige in Ta- bellel/Spalte5 in der gleichen Zeile angegebene Aminosäure.Amino acid sequence in which the nucleic acid molecule in the amino acid position specified in Table / column 4 codes a different proteinogenic amino acid than the respective amino acid specified in Table / column 5 in the same line.
2. Isoliertes Nukleinsäuremolekül nach Anspruch 1, wobei das Nukleinsäuremolekül in der in Tabellel/Spalte4 angegebenenen Aminosäureposition die in Tabellel/Spalte6 in der gleichen Zeile angegebene Aminosäure codiert.2. The isolated nucleic acid molecule according to claim 1, wherein the nucleic acid molecule in the amino acid position indicated in table / column 4 encodes the amino acid indicated in table / column 6 in the same row.
3. Ein Vektor, der wenigstens eine Nukleinsäuresequenz nach Anspruch 1 enthält.3. A vector containing at least one nucleic acid sequence according to claim 1.
4. Eine Wirtszelle, die mit wenigstens einem Vektor nach An- spruch 3 transfiziert ist.4. A host cell that is transfected with at least one vector according to claim 3.
5. Eine Wirtszelle nach Anspruch 4, wobei die Expression des besagten Nukleinsäuremoleküle zur Modulation der Produktion einer Feinchemikalie aus besagter Zelle führt.5. A host cell according to claim 4, wherein the expression of said nucleic acid molecule leads to modulation of the production of a fine chemical from said cell.
6. Verfahren zur Herstellung .einer Feinchemikalie welches die Kultivierung einer Zelle beinhaltet, die mit wenigstens einen Vektor nach Anspruch 3 transfiziert worden ist, so dass die Feinchemikalie produziert wird.6. A method for producing a fine chemical which comprises culturing a cell which has been transfected with at least one vector according to claim 3, so that the fine chemical is produced.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Feinchemikalie eine Aminosäure ist.7. The method according to claim 6, characterized in that the fine chemical is an amino acid.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Aminosäure Lysin ist. 8. The method according to claim 7, characterized in that the amino acid is lysine.
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