WO2004090138A1 - Method for the production of vitamin b12 - Google Patents

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WO2004090138A1
WO2004090138A1 PCT/EP2004/002430 EP2004002430W WO2004090138A1 WO 2004090138 A1 WO2004090138 A1 WO 2004090138A1 EP 2004002430 W EP2004002430 W EP 2004002430W WO 2004090138 A1 WO2004090138 A1 WO 2004090138A1
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vector
vitamin
cbix
gene
microorganism
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Heiko Barg
Dieter Jahn
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Basf Aktiengesellschaft
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    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C12BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12NMICROORGANISMS OR ENZYMES; COMPOSITIONS THEREOF; PROPAGATING, PRESERVING, OR MAINTAINING MICROORGANISMS; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING; CULTURE MEDIA
    • C12N9/00Enzymes; Proenzymes; Compositions thereof; Processes for preparing, activating, inhibiting, separating or purifying enzymes
    • C12N9/88Lyases (4.)

Definitions

  • Another variant of the production method according to the invention is a method in which the vector for selecting the successful transformation into a microorganism has at least one neomycin and / or kanamycin resistance cassette (Schmiedel, D., Vary, PS, Jablonski, L. & Hillen, W ., 1997, Appl. Microbiol. Biotechnol. 47, 543-546).
  • the present invention also relates to a genetically modified microorganism which contains a vector
  • DSMZ 509 :: pHBBM2 in which the vector according to the invention is replicated extrachromosomally. Due to an increased copy number of the cbiX gene by the freely replicable vector in the cell, a corresponding overexpression of the cbiX gene coding for the cobalt chelatase is achieved.
  • PCR polymerase chain reaction
  • 20 ⁇ l PCR reaction batches were carried out. 2 ⁇ l of 10-fold PCR buffer, 20 ng of chromosomal DNA from B. megaterium, 0.2 ⁇ l of 50 mM MgCl 2 solution and 1 ⁇ l of dATP, dCTP, dGTP and dTTP mix of 10 mM each were used per batch.
  • 20 pmol of the two primers were added, made up to 20 ⁇ l with sterile water and covered with a drop of mineral oil in order to avoid evaporation. After quantitative denaturation for 5 min at 96 ° C., 0.5 U Taq polymerase were finally added and the PCR started (hot start).
  • plasmid mini-preps were carried out.
  • the extracted plasmid DNA was cut with Xmal and Spei (Beul) for control.
  • These two enzymes cut pHBBm2 into 6413 bp and 931 bp fragments.
  • An agarose gel from the restriction mixture showed the expected fragments and documents the successful cloning of pHBBm2.
  • a schematic representation of the cloning strategy is shown in FIG. 1.
  • the integrity of the cloned DNA was checked by complete DNA sequence determination.
  • S. typhimurium metE cysG double mutants (AR 3612; Raux et al., 1996, J. Bacteriol., 178: 753-767) were incubated overnight on minimal medium containing methionine and cysteine at 37 ° C., scratched from the plate and at 40 ml of isotonic NaCI solution washed. After centrifugation, the cell sediment was resuspended in isotonic saline. The washed bacterial culture was carefully mixed with 400 ml 47-48 ° C warm, medium medium agar containing cysteine.
  • Figure 7 shows the vitamin B ⁇ production of the B. megaterium strains DSM509, DSM509-pHBBm2 and HBBm3. All strains were cultured in LB medium under aerobic growth conditions. The filled bars show the vitamin B 2 contents of cultures without the addition of cobalt. The striped bars show the vitamin Bi 2 contents of cultures with 250 ⁇ M CoCI addition. It is the content of vitamin B- ⁇ in ⁇ g per liter of bacteria culture given after 5 h of xylose induction. 1 and 2: DSM509 3 and 4: DSM509-pHBBm2 5 and 6: HBBmS

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Abstract

The invention relates to a method for producing vitamin B12, in which a vector containing a nucleotide sequence according to SEQ ID No. 1 is produced, a microorganism is transformed by means of said vector, and the obtained microorganism is used for producing vitamin B12. The invention further relates to said vector and the microorganisms that are transformed therewith.

Description

Verfahren zur Herstellung von Vitamin B12 Process for the production of vitamin B12
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Vitamin B12 wobei ein Vektor, enthaltend eine Nukleotidsequenz gemäß SEQ ID No. 1. hergestellt wird, ein Mikroorganismus mit entsprechendem Vektor transformiert wird und der so hergestellte Mikroorganismus für die Herstellung von Vitamin B12 eingesetzt wird. Ferner betrifft die Erfindung den oben genannten Vektor sowie die damit transformierten Mikroorganismen.The present invention relates to a method for producing vitamin B12, wherein a vector containing a nucleotide sequence according to SEQ ID No. 1. is produced, a microorganism is transformed with a corresponding vector and the microorganism thus produced is used for the production of vitamin B12. The invention further relates to the vector mentioned above and the microorganisms transformed therewith.
Bereits in den zwanziger Jahren unseres Jahrhunderts wurde Vitamin B12 indirekt durch seine Wirkung auf den menschlichen Körper durch George Minot und William Murphy entdeckt (Stryer, L, 1988, In Biochemie, vierte Auflage, pp. 528-531 , Spektrum Akademischer Verlag GmbH, Heidelberg, Berlin, New York). Im Jahre 1948 konnte Vitamin B12 erstmals gereinigt und isoliert werden, so daß bereits acht Jahre später, im Jahre 1956, die Aufklärung seiner komplexen dreidimensionalen Kristallstruktur durch Dorothy Hodgkin gelang (Hodgkin, D. C. et al., 1956, Structure of Vitamin B12. Nature 176, 325-328 und Nature 178, 64-70). Die in der Natur vorkommenden Endprodukte der Vitamin B-i2-Biosynthese sind 5 - Desoxyadenosylcobalamin (Coenzym B12) und Methylcobalamin (MeCbl), während Vitamin B12 per Definition für Cyanocobalamin (CNCbl) steht, das die hauptsächlich von der Industrie hergestellte und gehandelte Form darstellt. In der vorliegenden Erfindung steht, wenn nicht speziell angegeben, Vitamin B12 einheitlich für die Bezeichnung aller drei analogen Moleküle.As early as the 1920s, vitamin B 12 was indirectly discovered by its effects on the human body by George Minot and William Murphy (Stryer, L, 1988, In Biochemie, fourth edition, pp. 528-531, Spektrum Akademischer Verlag GmbH, Heidelberg, Berlin, New York). Vitamin B 12 was first purified and isolated in 1948, so that eight years later, in 1956, Dorothy Hodgkin's complex three-dimensional crystal structure was elucidated (Hodgkin, DC et al., 1956, Structure of Vitamin B 12 . Nature 176, 325-328 and Nature 178, 64-70). The natural end products of vitamin Bi 2 biosynthesis are 5 - deoxyadenosylcobalamin (coenzyme B 12 ) and methylcobalamin (MeCbl), while vitamin B 12 by definition stands for cyanocobalamin (CNCbl), which is the form that is mainly manufactured and traded by industry represents. In the present invention, unless specifically stated, vitamin B 12 stands for the designation of all three analog molecules.
Für eine biotechnologische Herstellung von Vitamin B12 sind verschiedene Mikroorganismengruppen geeignet, wie z.B. Mikroorganismen der Gattungen Bacillus, Pseudomonas, Propionibakterium, Aerobacter, Agrobacterium, Alcaligenes, Azotobacter, Clostridium, Corynebacterium, Flavobacterium, Micromonospora, Mycobacterium, Norcardia, Protaminobacter, Proteus, Rhizobium, Salmonella, Serratia, Streptomyces, Streptococcus oder Xanthomonas.Various groups of microorganisms are suitable for the biotechnological production of vitamin B12, such as, for example, microorganisms of the genera Bacillus, Pseudomonas, Propionibacterium, Aerobacter, Agrobacterium, Alcaligenes, Azotobacter, Clostridium, Corynebacterium, Flavobacterium, Micromonospora, Mycobacterium, Norcardia, Protaminobacter, Proteus, Rhizobium, Salmonella, Serratia, Streptomyces, Streptococcus or Xanthomonas.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein verbessertes mikrobiologisches Verfahren zur Herstellung von Vitamin B12 zur Verfügung zu stellen, mit welchem sich eine gegenüber bisher bekannten Verfahren erhöhte Ausbeute erzielen läßt.The object of the present invention is to provide an improved microbiological process for the production of vitamin B12, with which an increased yield can be achieved compared to previously known processes.
Diese Aufgabe wird gelöst durch die Bereitstellung eines Verfahrens zur Herstellung von Vitamin B12 wobei a) ein Vektor, enthaltend eine Nukleotidsequenz gemäß SEQ ID No. 1. hergestellt wird, b) ein Mikroorganismus mit entsprechendem Vektor transformiert wird und c) der so hergestellte Mikroorganismus für die Herstellung vonThis object is achieved by the provision of a process for the production of vitamin B12 where a) a vector containing a nucleotide sequence according to SEQ ID No. 1. is produced, b) a microorganism is transformed with a corresponding vector and c) the microorganism thus produced for the production of
Vitamin B12 eingesetzt wird.Vitamin B12 is used.
Bevorzugte Ausführungsformen sind ein Verfahren der zuvor genannten Art, bei dem der Mikroorganismus zur Gattung Bacillus, Pseudomonas, Propionibakterium, Aerobacter, Agrobacterium, Alcaligenes, Azotobacter, Clostridium, Corynebacterium, Flavobacterium, Micromonospora, Mycobacterium, Norcardia, Protaminobacter, Proteus, Rhizobium, Salmonella, Serratia, Streptomyces, Streptococcus oder Xanthomonas gehört. Bevorzugt wird ein Mikroorganismus der Gattung Bacillus und besonders bevorzugt die Spezies Bacillus megaterium eingesetzt.Preferred embodiments are a method of the aforementioned type, in which the microorganism belonging to the genus Bacillus, Pseudomonas, Propionibacterium, Aerobacter, Agrobacterium, Alcaligenes, Azotobacter, Clostridium, Corynebacterium, Flavobacterium, Micromonospora, Mycobacterium, Norcardia, Protaminobizoblob, Proteusmonobob Serratia, Streptomyces, Streptococcus or Xanthomonas belongs. A microorganism of the genus Bacillus is preferably used, and particularly preferably the species Bacillus megaterium.
Vorteilhaft ist ferner ein Verfahren zur Herstellung von Vitamin B12 bei dem in Schritt 1.c) ein Kulturmedium enthaltend Xylose eingesetzt wird. In einer Variante kann dem Kulturmedium 0,2-1% Xylose, bevorzugt 0,2% bis 0,7% Xylose, besonders bevorzugt 0,5% Xylose, pro Liter Kulturmedium zugesetzt werden. Ebenso ist in Verfahrensschritt 1.c) der Einsatz eines Kulturmediums enthaltend Cobalt vorteilhaft. In einer Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens kann der Vitamin B-12 Gehalt durch die Zugabe von etwa 200 bis 750 μM, vorzugsweise 250 bis 500 μM Cobalt pro Liter Kulturmedium angehoben werden.A method for producing vitamin B12 is also advantageous, in which a culture medium containing xylose is used in step 1.c). In a variant, 0.2-1% xylose, preferably 0.2% to 0.7% xylose, particularly preferably 0.5% xylose, can be added to the culture medium per liter of culture medium. It is also advantageous in process step 1.c) to use a culture medium containing cobalt. In a variant of the method according to the invention, the vitamin B-12 content can be increased by adding about 200 to 750 μM, preferably 250 to 500 μM cobalt per liter of culture medium.
Auch ist der Einsatz einer Kombination von Xylose und Cobalt in dem verwendeten Kulturmedium hierbei umfaßt.The use of a combination of xylose and cobalt in the culture medium used is also included here.
Eine weitere Ausführungsform stellt ein Verfahren zur Herstellung von Vitamin B12 dar, bei dem in Schritt 1.c) ein Kulturmedium enthaltend Kanamycin oder Neomycin eingesetzt wird. Bevorzugt ist der Zusatz von Kanamycin. Beispielsweise wird eine Endkonzentration von 0,69 μM eingestellt. Auch ist der Einsatz einer Kombination von Kanamycin, Neomycin, Xylose und/oder Cobalt in das Kulturmedium umfaßt.Another embodiment is a method for producing vitamin B12, in which a culture medium containing kanamycin or neomycin is used in step 1.c). The addition of kanamycin is preferred. For example, a final concentration of 0.69 μM is set. The use of a combination of kanamycin, neomycin, xylose and / or cobalt in the culture medium is also included.
Eine weitere Variante des Verfahrens zur Herstellung von Vitamin B12 ist ein Verfahren, bei dem in dem Vektor das cbiX-Gen unter der Kontrolle eines induzierbaren Promotors steht. Hierbei kodiert das cbiX-Gen für eine Cobalt-Chelatase (Leech et al., 2002, Biochem. Soc. Transac, 30 (4): 610-613). Die Bezeichnung cbiX-Gen kodierend für eine Cobalt-Chelatase ist dabei für Bacillus megaterium, Salmonella typhimurium und Pseudomonas denitrificans analog. In Salmonella wird das Gen mit cbiK oder cbiL bezeichnet. Erfindungsgemäß bevorzugt wird das cbiX-Gen aus Bacillus megaterium (Leech et al., 2002, Biochem. Soc. Transac, 30 (4): 610-613). Die Expression des cbiX-Gens wird ausgehend von einem induzierbaren Promotor kontrolliert. Bevorzugt wird hierbei der Xylose-induzierbare xylA- Promotor (Rygus, T. et al., 1991, Appl. Microbiol. Biotechnol. 35: 594-599; Rygus, T. et al., 1992, J. Bacteriol., 174: 3049-3055). Als weitere Ausführungsvarianten in dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung von Vitamin B12 sind hierbei Vektoren zu nennen, bei dem das . cbiX-Gen unter der Kontrolle beispielsweise des induzierbaren Promotors lacZ (Jacob, F. & Monod, J., 1961, J. Mol. Biol., 3: 318-356) tet (Skerra, A., Gene. 151 :131-135) oder des T7-Systems (Moffat, B. A. & Studier, F. W., 1986, J. Mol. Biol. 189: 113-130) steht.Another variant of the method for producing vitamin B12 is a method in which the cbiX gene in the vector is under the control of an inducible promoter. The cbiX gene codes for a cobalt chelatase (Leech et al., 2002, Biochem. Soc. Transac, 30 (4): 610-613). The term cbiX gene coding for a cobalt chelatase is analogous for Bacillus megaterium, Salmonella typhimurium and Pseudomonas denitrificans. In Salmonella, the gene is called cbiK or cbiL. According to the invention, the cbiX gene from Bacillus megaterium is preferred (Leech et al., 2002, Biochem. Soc. Transac, 30 (4): 610-613). The expression of the cbiX gene is controlled from an inducible promoter. The xylose-inducible xylA promoter (Rygus, T. et al., 1991, Appl. Microbiol. Biotechnol. 35: 594-599; Rygus, T. et al., 1992, J. Bacteriol., 174: 3049 to 3055). Vectors are further variants in the process according to the invention for the production of vitamin B12 in which the. cbiX gene under the control of, for example, the inducible Promotors lacZ (Jacob, F. & Monod, J., 1961, J. Mol. Biol., 3: 318-356) tet (Skerra, A., Gene. 151: 131-135) or the T7 system (Moffat , BA & Studier, FW, 1986, J. Mol. Biol. 189: 113-130).
Eine weitere Variante des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens ist ein Verfahren bei dem der Vektor zur Selektion der erfolgreichen Transformation in einen Mikroorganismus wenigstens eine Neomycin und/oder Kanamycin-Resistenz-Kassette (Schmiedel, D., Vary, P. S., Jablonski, L. & Hillen, W., 1997, Appl. Microbiol. Biotechnol. 47, 543-546) aufweist.Another variant of the production method according to the invention is a method in which the vector for selecting the successful transformation into a microorganism has at least one neomycin and / or kanamycin resistance cassette (Schmiedel, D., Vary, PS, Jablonski, L. & Hillen, W ., 1997, Appl. Microbiol. Biotechnol. 47, 543-546).
Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltungsvariante des Herstellungsverfahrens für Vitamin B12 ist ein Verfahren, bei dem der Vektor in den Mikroorganismen extrachromosomal replizierbar ist. Das bedeutet, der Vektor liegt nach der Transformation in den Mikroorganismus frei in der Zelle vor und wird ausgehend von einem sogenannten Replikationsursprung des Vektors repliziert. In einer vorteilhaften Variante des vorliegenden Verfahrens zur Herstellung von Vitamin B12 ist auch ein Vektor umfaßt, der einen temperatur-sensitiven Replikationsursprung orits (Schmiedel, D., Vary, P. S., Jablonski, L. & Hillen, W., 1997, Appl. Microbiol. Biotechnol., 47, 543-546) aufweist. Bevorzugt wird der oripE194ts (Schmiedel, D., Vary, P. S., Jablonski, L. & Hillen, W., 1997, Appl. Microbiol. Biotechnol., 47, 543-546). Der temperatursensitive Replikationsursprung aus pE194ts für B. megaterium lässt eine stabile Replikation des Vektors in B. megaterium nur unterhalb von 40 °C zu. Oberhalb dieser permissiven Temperatur findet keine Replikation des Vektors statt. Durch ein dem Fachmann bekanntes Verfahren des Temperaturshifts während der Kultivierung eines Mikroorganismus, beispielsweise von 30 °C auf 42 °C, wird die Replikation des Vektors unterbunden. Aufgrund der Kultivierung der den Vektor enthaltenen Transformaten in Antibiotika-haltigem Medium erfolgt ein Selektionsdruck hin zu einer Integration des Vektors in das Chromosom des Mikroorganismus. Diese Integration kann aufgrund des in dem Vektor enthaltenen cbiX-Gens in einen homologen Abschnitt des Chromosoms eines geeigneten Mikroorganismus, bevorzugt Bacillus megaterium, über Single-Crossing-Over-Rekombination in das Chromosom erfolgen. Eine bevorzugte Ausgestaltungsform des Verfahrens zur Herstellung von Vitamin B12 ist somit ein Verfahren, bei dem der Vektor in das Chromosom des Mikroorganismus integriert ist und chromosomal repliziert wird. D.h. der Vektor unterliegt der chromosomalen Replikation des Genoms in der Wirtszelle.A particularly advantageous embodiment of the production process for vitamin B12 is a process in which the vector can be replicated extrachromosomally in the microorganisms. This means that the vector is freely present in the cell after transformation into the microorganism and is replicated based on a so-called origin of replication of the vector. In an advantageous variant of the present method for producing vitamin B12, a vector is also included which ori ts a temperature-sensitive origin of replication (Schmiedel, D., Vary, PS, Jablonski, L. & Hillen, W., 1997, Appl. Microbiol. Biotechnol., 47, 543-546). The oripE194ts (Schmiedel, D., Vary, PS, Jablonski, L. & Hillen, W., 1997, Appl. Microbiol. Biotechnol., 47, 543-546) is preferred. The temperature-sensitive origin of replication from pE194ts for B. megaterium permits stable replication of the vector in B. megaterium only below 40 ° C. No replication of the vector takes place above this permissive temperature. The replication of the vector is prevented by a method of temperature shift during the cultivation of a microorganism known to the person skilled in the art, for example from 30 ° C. to 42 ° C. Due to the cultivation of the transforms contained in the vector in medium containing antibiotics, a Selection pressure towards an integration of the vector into the chromosome of the microorganism. Due to the cbiX gene contained in the vector, this integration can take place in a homologous section of the chromosome of a suitable microorganism, preferably Bacillus megaterium, via single crossing-over recombination into the chromosome. A preferred embodiment of the process for the production of vitamin B12 is thus a process in which the vector is integrated into the chromosome of the microorganism and is replicated chromosomally. Ie the vector is subject to chromosomal replication of the genome in the host cell.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ferner ein Vektor, enthaltend eine Nukleotidsequenz gemäß SEQ ID No. 1.The present invention furthermore relates to a vector containing a nucleotide sequence according to SEQ ID No. 1.
Dieser Vektor besitzt die Eigenschaft, daß er in einer Wirtszelle frei replizierbar ist, also extrachromosomal vorliegt und zu dem repliziert wird. Die Kopienzahl des Vektors in der Wirtszelle kann, in Abhängigkeit von dem vorliegenden Replikationsursprung des Vektors, zwischen zwei und mehreren hundert Kopien liegen. Der Vektor kann auch gezielt in das Genom der Wirtszelle integrierbar sein, so daß er der Kontrolle der chromosomalen Replikation der Wirtszelle unterliegt. Durch das Einführen von bekannten DNA-Sequenzen des Ziel-Locus des gewünschten Integrationsorts in das Genom der Wirtszelle kann spezifisch das Sinlge-Crossing-Over- Rekombinationsereignis gesteuert werden. Durch die Integration ist es ferner möglich, chromosomal kodierte Gene der Wirtszelle unter die Expressionskontrolle eines induzierbaren Promotors zu stellen.This vector has the property that it is freely replicable in a host cell, that is, it is present extrachromosomally and to which it is replicated. The copy number of the vector in the host cell can range from two to several hundred copies, depending on the origin of replication of the vector. The vector can also be specifically integrated into the genome of the host cell, so that it is subject to the control of the chromosomal replication of the host cell. By introducing known DNA sequences of the target locus of the desired integration site into the genome of the host cell, the single-crossing-over recombination event can be specifically controlled. The integration also makes it possible to place chromosomally encoded genes of the host cell under the expression control of an inducible promoter.
Der erfindungsgemäße Vektor enthält Elemente zur Replikation in E. coli (Replikationsursprung aus pBR322) und in B. megateriumThe vector according to the invention contains elements for replication in E. coli (origin of replication from pBR322) and in B. megaterium
(Replikationsursprung aus pE194ts und das repF-Gen). Das repF- Genprodukt wird beschrieben als ein trans-agierender Faktor, der für die Replikation des Plasmids in Gram-positiven Bakterien erforderlich ist (Villafane et al., 1987, J. Bacteriol., 169: 4822-4829). Eine weitere Ausführungsvariante ist somit ein Vektor der einen temperatur-sensitiven Replikationsursprung orits aufweist. Bevorzugt wird beispielsweise der oripE194ts (Schmiedel, D., Vary, P. S., Jablonski, L. & Hillen, W., 1997, Appl. Microbiol. Biotechnol., 47, 543-546). Der temperatursensitive Replikationsursprung aus pE194ts für B. megaterium lässt eine stabile Replikation dieser Plasmide in B. megaterium nur unterhalb von 40 °C zu. Oberhalb dieser permissiven Temperatur findet keine Replikation des Plasmids statt. Dadurch können durch Kultivierungsbedingungen oberhalb von 40 °C Klone selektioniert werden, bei denen das Plasmid ins B. megaterium Chromosom integriert ist (Rygus & Hillen, 1992, J. Bacteriol., 174: 3049-3055).(Origin of replication from pE194ts and the repF gene). The repF- Gene product is described as a trans-acting factor necessary for replication of the plasmid in Gram-positive bacteria (Villafane et al., 1987, J. Bacteriol., 169: 4822-4829). A further embodiment variant is thus a vector which has a temperature-sensitive origin of replication ori ts . For example, the oripE194ts (Schmiedel, D., Vary, PS, Jablonski, L. & Hillen, W., 1997, Appl. Microbiol. Biotechnol., 47, 543-546) is preferred. The temperature-sensitive origin of replication from pE194ts for B. megaterium allows stable replication of these plasmids in B. megaterium only below 40 ° C. The plasmid does not replicate above this permissive temperature. As a result, clones in which the plasmid is integrated into the B. megaterium chromosome can be selected by culturing conditions above 40 ° C. (Rygus & Hillen, 1992, J. Bacteriol., 174: 3049-3055).
In einer bevorzugten Ausgestaltung weist der Vektor das cbiX-Gen des cobl-Operons (Raux et al., 1998, Biochem. J., 335: 159-166 und Raux et al., 1998, Biochem. J., 335: 167-173) unter der Kontrolle eines induzierbaren Promotors auf. Hierbei kodiert das cbiX-Gen für eine Cobalt-Chelatase (Leech et al., 2002, Biochem. Soc. Transac, 30 (4): 610-613). Die Bezeichnung cbiX-Gen kodierend für eine Cobalt-Chelatase ist dabei für Bacillus megaterium, Salmonella typhimurium und Pseudomonas denitrificans analog. Bevorzugt wird das cbiX-Gen aus Bacillus megaterium (Leech et al., 2002, Biochem. Soc. Transac, 30 (4): 610-613). Bevorzugt wird die Expression des cbiX-Gens durch den Xylose-induzierbaren xylA-Promotor (Rygus, T. et al., 1991 , Appl. Microbiol. Biotechnol. 35: 594-599; Rygus, T. et al., 1992, J. Bacteriol., 174: 3049-3055) kontrolliert. Dieser Promotor ermöglicht die Induktion von in die Multiple-Cloning-Site des Vektors eingefügten Genen. Diese Multiple-Cloning-Site liegt direkt stromabwärts des xylA-Promotors. Schließlich weist der Vektor eine Ampicillinresistenz zur Selektion in E. coli- und verschiedene Antibiotikumsresistenzen zur Selektion in B. megaterium-Transformanten auf. In einer bevorzugten Variante zeichnet sich der Vektor dadurch aus, daß er zur Selektion erfolgreich transformierter Mikroorganismenzellen wenigstens eine Neomycin und/oder Kanamycin-Resistenz-Kassette aufweist.In a preferred embodiment, the vector has the cbiX gene of the cobl operon (Raux et al., 1998, Biochem. J., 335: 159-166 and Raux et al., 1998, Biochem. J., 335: 167- 173) under the control of an inducible promoter. The cbiX gene codes for a cobalt chelatase (Leech et al., 2002, Biochem. Soc. Transac, 30 (4): 610-613). The term cbiX gene coding for a cobalt chelatase is analogous for Bacillus megaterium, Salmonella typhimurium and Pseudomonas denitrificans. The cbiX gene from Bacillus megaterium is preferred (Leech et al., 2002, Biochem. Soc. Transac, 30 (4): 610-613). Expression of the cbiX gene by the xylose-inducible xylA promoter is preferred (Rygus, T. et al., 1991, Appl. Microbiol. Biotechnol. 35: 594-599; Rygus, T. et al., 1992, J. Bacteriol., 174: 3049-3055). This promoter enables the induction of genes inserted into the multiple cloning site of the vector. This multiple cloning site is located directly downstream of the xylA promoter. Finally, the vector has ampicillin resistance for selection in E. coli and various antibiotic resistance for selection in B. megaterium transformants. In a preferred variant, the vector is characterized in that it has at least one neomycin and / or kanamycin resistance cassette for the selection of successfully transformed microorganism cells.
Die einzelnen Komponenten des Vektors werden dabei nach gängigen Rekombinations- und Klonierungstechniken, wie sie beispielsweise in Sambrook, J. et al., 1989, In Molecular cloning; a laboratory manual. 2nd Ed., Cold Spring Harbor Laboratory Press, Cold Spring Harbor, New York beschrieben sind, operativ verknüpft. Unter einer operativen Verknüpfung versteht man die sequenzielle Anordnung beispielsweise von Promotor, kodierender Sequenz, Terminator und ggf. weiterer regulatorischer Elemente derart, daß jedes der regulatorischen Elemente seine Funktion bei der Expression der kodierenden Sequenz bestimmungsgemäß erfüllen kann. Diese regulatorischen Nukleotidsequenzen können natürlichen Ursprungs sein oder durch chemische Synthese erhalten werden. Für die Verbindung der DNA-Fragmente miteinander können an die Fragmente Adaptoren oder Linker angesetzt werden.The individual components of the vector are used according to common recombination and cloning techniques, as described, for example, in Sambrook, J. et al., 1989, In Molecular cloning; a laboratory manual. 2 nd Ed., Cold Spring Harbor Laboratory Press, Cold Spring Harbor, New York described operatively linked. An operative link is understood to mean the sequential arrangement of, for example, the promoter, coding sequence, terminator and, if appropriate, further regulatory elements in such a way that each of the regulatory elements can fulfill its function as intended when expressing the coding sequence. These regulatory nucleotide sequences can be of natural origin or can be obtained by chemical synthesis. To connect the DNA fragments to one another, adapters or linkers can be attached to the fragments.
Die Herstellung eines erfindungsgemäßen Vektors erfolgt durch Fusion eines geeigneten induzierbaren Promotors mit der Nukleotidsequenz des cbiX-Gens nach gängigen Rekombinations- und Klonierungstechniken, wie sie beispielsweise in Sambrook, J. et al., 1989, In Molecular cloning; a laboratory manual. 2nd Ed., Cold Spring Harbor Laboratory Press, Cold Spring Harbor, New York beschrieben sind.A vector according to the invention is produced by fusing a suitable inducible promoter with the nucleotide sequence of the cbiX gene using common recombination and cloning techniques, as described, for example, in Sambrook, J. et al., 1989, In Molecular cloning; a laboratory manual. 2 nd Ed., Cold Spring Harbor Laboratory Press, Cold Spring Harbor, New York described.
Der kodierende Bereich des cbiX-Gens wurde mittels PCR anhand chromosomaler DNA aus B. megaterium amplifiziert. Geeignete induzierbare Promotoren sind z. B. xylA, lacZ, tet oder T7, wobei der Xylose-induzierbare xylA-Promotor bevorzugt wird. Ein Beispiel für einen erfindungsgemäßen Vektor ist der Vektor pHBBM2 mit einer Nukleotidsequenz gemäß SEQ ID No. 1.The coding region of the cbiX gene was amplified by means of PCR using chromosomal DNA from B. megaterium. Suitable inducible promoters are e.g. B. xylA, lacZ, tet or T7, with the xylose-inducible xylA promoter being preferred. An example of a vector according to the invention is the vector pHBBM2 with a nucleotide sequence according to SEQ ID No. 1.
Der erfindungsgemäße Vektor kann aufgrund des enthaltenen cbiX-Gens in einen homologen Abschnitt des Chromosoms eines geeignetenBecause of the cbiX gene contained, the vector according to the invention can be inserted into a homologous section of the chromosome of a suitable one
Mikroorganismus, bevorzugt Bacillus megaterium, über Single-Crossing-Microorganism, preferably Bacillus megaterium, via single crossing
Over-Rekombination in das Chromosom integrieren. Zur Selektion diesesIntegrate over-recombination into the chromosome. To select this
Integrationsereignisses ist der temperatursensitive Origin von Bedeutung.Integration event, the temperature-sensitive origin is important.
Der Vektor wird bei 30 °C repliziert. Mikroorganismen, die den Vektor durch Transformation aufgenommen haben, lassen sich durch Neomycin bzw. Kanamycin selektionieren. Bei Erhöhung der Temperatur auf 42 °C kann der Vektor nicht mehr repliziert werden. Dies bedeutet, daß nur dieThe vector is replicated at 30 ° C. Microorganisms that have taken up the vector by transformation can be selected by neomycin or kanamycin. When the temperature is raised to 42 ° C, the vector can no longer be replicated. This means that only the
Transformanten wachsen können, die den Vektor und damit dieTransformants can grow the vector and thus the
Neomycin-Resistenz in ihr Chromosom integriert haben. Es können sowohl Neomycin als auch Kanamycin zur Selektion verwendet werden, da beide zur Familie der Aminoglycoside gehören und sich in ihrer chemischen Struktur sehr ähneln. Bevorzugt wird Kanamycin eingesetzt.Have integrated neomycin resistance into their chromosome. Both neomycin and kanamycin can be used for selection, since both belong to the aminoglycoside family and are very similar in their chemical structure. Kanamycin is preferably used.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ferner ein genetisch veränderter Mikroorganismus, der einem Vektor, enthaltend eineThe present invention also relates to a genetically modified microorganism which contains a vector
Nukleotidsequenz gemäß SEQ ID No. 1, aufweist. Eine möglicheNucleotide sequence according to SEQ ID No. 1. A possible
Ausführungsvariante ist ein genetisch veränderter Mikroorganismus, bei dem der zuvor beschriebene Vektor extrachromosomal replizierbar ist.The variant is a genetically modified microorganism in which the vector described above can be replicated extrachromosomally.
Eine weitere Variante ist ein genetisch veränderter Mikroorganismus, bei dem der zuvor beschriebene Vektor in das Chromosom desAnother variant is a genetically modified microorganism, in which the vector described above into the chromosome of the
Mikroorganismus integriert ist und chromosomal repliziert wird.Microorganism is integrated and is replicated chromosomally.
Bevorzugt wird ein genetisch veränderter Mikroorganismus der zurA genetically modified microorganism is preferred which is used for
Spezies Bacillus megaterium gehört.Species belonging to Bacillus megaterium.
Denkbar ist erfindungsgemäß auch die Transformation von pflanzlichen Zellen mit einem Vektor enthaltend eine Nukleotidsequenz gemäß SEQ IDAccording to the invention, the transformation of plant cells with a vector containing a nucleotide sequence according to SEQ ID is also conceivable
No. 1. Grundsätzlich können für die Zwecke der vorliegenden Erfindung alle üblichen B. megaterium-Stämme eingesetzt werden, die als Vitamin B12- Produktionsstämme geeignet sind. Unter Vitamin B12- Produktionsstämmen sind im Sinne der vorliegenden Erfindung Bacillus megaterium-Stämme oder homologe Mikroorganismen zu verstehen, die durch klassische und/oder molekulargenetische Methoden derart verändert sind, daß ihr Stoffwechselfluß verstärkt in die Richtung der Biosynthese von Vitamin B12 oder dessen Abkömmlingen verläuft (metabolic engineering). Interessante Ansatzpunkte zur gezielten gentechnischen Manipulation sind u.a. Verzweigungsstellen der zum Vitamin B-12 führenden Biosynthesewege, durch die der Stoffwechselfluß gezielt in Richtung einer maximalen Vitamin Bi2-Produktion gesteuert werden kann. Gezielte Modifikationen von an der Regulation des Stoffwechesflusses beteiligten Genen schließt auch Untersuchungen und Veränderungen der regulatorischen Bereiche vor und hinter den Strukturgenen ein, wie z.B. die Optimierung und/oder den Austausch von Promotoren, Enhancern, Terminatoren, Ribosomenbindungsstellen etc.. Auch die Verbesserung der Stabilität der DNA, mRNA oder der durch sie kodierten Proteine, beispielsweise durch die Verringerung oder Verhinderung des Abbaus durch Nukleasen bzw. Proteasen ist erfindungsgemäß umfaßt. Beispielsweise sind bei diesen Produktionsstämmen ein oder mehrere Gen(e) und/oder die korrespondierenden Enzyme, die an entscheidenden und entsprechend komplex regulierten Schlüsselpositionen des Stoffwechselweges (Flaschenhals) stehen in ihrer Regulation verändert oder sogar dereguliert. Die vorliegende Erfindung umfaßt hierbei sämtliche bereits bekannte Vitamin B12-Produktionsstämrrie der Gattung Bacillus oder homologer Organismen. Zu den erfindungsgemäß vorteilhaften Stämmen gehören insbesondere die Stämme von B. megaterium DSMZ 32, DSMZ 509 und DSMZ 2894. Besonders bevorzugt wird der Stamm B. megaterium DSMZ 509.No. 1. In principle, all the usual B. megaterium strains which are suitable as vitamin B12 production strains can be used for the purposes of the present invention. For the purposes of the present invention, vitamin B12 production strains are to be understood as Bacillus megaterium strains or homologous microorganisms which are modified by classic and / or molecular genetic methods in such a way that their metabolic flow is increasingly in the direction of the biosynthesis of vitamin B12 or its derivatives ( metabolic engineering). Interesting starting points for targeted genetic engineering manipulation include branches of the biosynthetic pathways leading to vitamin B-12, through which the metabolic flow can be controlled in the direction of maximum vitamin Bi 2 production. Targeted modifications of genes involved in the regulation of the metabolic flow also include studies and changes in the regulatory areas before and after the structural genes, such as the optimization and / or the exchange of promoters, enhancers, terminators, ribosome binding sites, etc. Also the improvement of stability the DNA, mRNA or the proteins encoded by them, for example by reducing or preventing degradation by nucleases or proteases, is included according to the invention. For example, in these production strains, one or more genes and / or the corresponding enzymes, which are at key and correspondingly complexly regulated key positions in the metabolic pathway (bottleneck), are changed or even deregulated. The present invention encompasses all known vitamin B12 production strains of the genus Bacillus or homologous organisms. The strains advantageous according to the invention include in particular the strains of B. megaterium DSMZ 32, DSMZ 509 and DSMZ 2894. The strain B. megaterium DSMZ 509 is particularly preferred.
Durch Übertragung eines erfindungsgemäßen Vektors beispielsweise in Bacillus megaterium DSMZ 509 resultiert der Stamm B. megateriumThe strain B. megaterium results from the transfer of a vector according to the invention, for example into Bacillus megaterium DSMZ 509
DSMZ 509::pHBBM2, bei dem der eingebrachte erfindungsgemäße Vektor extrachromosomal repliziert wird. Aufgrund einer erhöhten Kopienzahl des cbiX-Gens durch den in der Zelle frei replizierbaren Vektor wird eine entsprechende Überexpression des cbiX-Gens kodierend für die Cobalt- Chelatase erreicht. Durch Kultivierung des genetisch verändertenDSMZ 509 :: pHBBM2, in which the vector according to the invention is replicated extrachromosomally. Due to an increased copy number of the cbiX gene by the freely replicable vector in the cell, a corresponding overexpression of the cbiX gene coding for the cobalt chelatase is achieved. By cultivating the genetically modified
Mikroorganismus unter Zugabe von Xylose in das Kulturmedium kann dieMicroorganism with the addition of xylose in the culture medium can
Expression des cbiX-Gens nochmals verstärkt initiert werden. D.h. derExpression of the cbiX gene can be initiated again intensified. That the
Vektor kann zur induzierten Überexpression des cbiX-Gens kodierend für die Cobalt-Chelatase in einer Wirtszelle, bevorzugt B. megaterium, genutzt werden.Vector can be used for the induced overexpression of the cbiX gene coding for the cobalt chelatase in a host cell, preferably B. megaterium.
Bei Integration des erfindungsgemäßen Vektors in das Genom von B. megaterium DSMZ 509 (über das cbiX-Gen) resultiert der B. megaterium Stamm, der mit HBBM3 bezeichnet wird. Bemerkenswert für diesen Stamm ist, daß er die induzierbare Überexpression des cbiX-Gens und der weiteren (11) Gene des cobl-Operons, die stromabwärts von cbiX organisiert sind, erlaubt. Eine Ausführungsform eines genetisch veränderten Mikroorganismus zeichnet sich somit dadurch aus, daß er eine induzierbare Expression der chromosomal kodierten Gene cbiX, cbiJ, cbiC, cbiD, cbiET, cbiL, cbiF, cbiG, cbiA, cysGA, cbiY und/oder btuR des cobl-Operons aufweist. Sofern das cbiX-Gen unter der Kontrolle des xylA- Promotor liegt, kann die Genexpression des cobl-Operons ausgehend von cbiX durch die Zugabe von Xylose zum Kulturmedium nochmals verstärkt initiiert werden. Die Kontrolle der Genexpression durch induzierbare Promotoren, wie z. B. Xylose, erlaubt so im Verlauf der Kultivierung des genetisch veränderten Mikroorganismus in Abhängigkeit von der Wachstumsphase des Organismus die Vitamin B12 Produktion optimal zu steigern.When the vector according to the invention is integrated into the genome of B. megaterium DSMZ 509 (via the cbiX gene), the B. megaterium strain results, which is designated HBBM3. It is noteworthy for this strain that it allows inducible overexpression of the cbiX gene and the other (11) genes of the cobl operon that are organized downstream of cbiX. One embodiment of a genetically modified microorganism is thus characterized in that it has an inducible expression of the chromosomally encoded genes cbiX, cbiJ, cbiC, cbiD, cbiET, cbiL, cbiF, cbiG, cbiA, cysG A , cbiY and / or btuR of the cobl- Has operons. If the cbiX gene is under the control of the xylA promoter, the gene expression of the cobl operon starting from cbiX can be initiated again by adding xylose to the culture medium. Control of gene expression by inducible promoters, such as. B. xylose, allowed in the course of culturing the genetically modified microorganism depending on the Growth phase of the organism to optimally increase vitamin B12 production.
In weiteren Ausgestaltugnsvariante der vorliegenden Erfindung kann neben der Überexpression der Gene cbiX oder der Gene des gesamten cobl-Operons ausgehend von cbiX auch die Aktivität der kodierten Enzyme selbst erhöht sein oder durch die Verhinderung des Abbaus der Enzymproteine verstärkt werden. Ferner könnten Gene überexprimiert werden, die für Enzyme kodieren, die in ihrer Regulation verändert sind, beispielsweise keiner feedback-Hemmung durch Endprodukte unterliegen.In a further embodiment of the present invention, in addition to the overexpression of the cbiX genes or the genes of the entire cobl operon based on cbiX, the activity of the encoded enzymes themselves can also be increased or increased by preventing the degradation of the enzyme proteins. Furthermore, genes could be overexpressed that code for enzymes that are altered in their regulation, for example not subject to feedback inhibition by end products.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ferner die Verwendung eines Vektors der zuvor beschriebenen Ausführungsformen zur Transformation von Mikroorganismen. Besonders vorteilhaft ist die Verwendung eines Vektors enthaltend eine Nukleotidsequenz gemäß SEQ ID No. 1. Dies umfaßt die Verwendung eines Vektors zur induzierbaren Expression wenigstens des cbiX-Gens des cobl-Operons. Die Verwendung eines Vektors enthaltend eine Nukleotidsequenz gemäß SEQ ID No. 1 zur Integration des unter der Kontrolle eines induzierbaren Promotors stehenden cbiX-Gens in das chromosomale cobl-Operon einer Wirtszelle ist ebenfalls Gegenstand der vorliegenden Erfindung, wobei das cbiX-Gen und die ihm folgenden Gene in der chromosomalen Organisation des cobl-Operons unter der Kontrolle eines induzierbaren Promotors stehen. Somit ist auch eine Verwendung eines Vektors zur induzierbaren Expression der chromosomal kodierten . Gene des cobl-Operons ausgehend von cbiX umfaßt, wobei der Vektor durch homologe Rekombination über das cbiX-Gen in das Genom des Wirtsorganimsus integriert ist. Dies umfaßt somit die Verwendung eines Vektors enthaltend eine Nukleotidsequenz gemäß SEQ ID No. 1 zur induzierbaren Expression der chromosomal kodierten Gene cbiX, cbiJ, cbiC, cbiD, cbiET, cbiL, cbiF, cbiG, cbiA, cysGA, cbiY und/oder btuR des cobl- Operons.The present invention furthermore relates to the use of a vector of the above-described embodiments for transforming microorganisms. It is particularly advantageous to use a vector containing a nucleotide sequence according to SEQ ID No. 1. This includes the use of a vector for the inducible expression of at least the cbiX gene of the cobl operon. The use of a vector containing a nucleotide sequence according to SEQ ID No. 1 for the integration of the cbiX gene under the control of an inducible promoter into the chromosomal cobl operon of a host cell is also the subject of the present invention, the cbiX gene and the genes following it in the chromosomal organization of the cobl operon under the control of an inducible promoter. Thus, the use of a vector for the inducible expression of the chromosomally encoded is also. Genes of the cobl operon comprising cbiX are included, the vector being integrated into the genome of the host organism by homologous recombination via the cbiX gene. This therefore includes the use of a vector containing a nucleotide sequence according to SEQ ID No. 1 for the inducible expression of the chromosomally coded genes cbiX, cbiJ, cbiC, cbiD, cbiET, cbiL, cbiF, cbiG, cbiA, cysG A , cbiY and / or btuR of the cobl operon.
Ebenso umfaßt die vorliegende Erfindung die Verwendung eines Vektors der zuvor beschriebenen Varianten zur Herstellung von Vitamin B12. Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist auch die Verwendung eines genetisch veränderte Mikroorganismus nach einer der zuvor beschriebenen Ausführungsformen zur Herstellung von Vitamin B12. The present invention also includes the use of a vector of the variants described above for the production of vitamin B12. The present invention also relates to the use of a genetically modified microorganism according to one of the embodiments described above for the production of vitamin B12.
Die nachfolgenden Beispiele dienen der Erläuterung der vorliegenden Erfindung. Sie wirken sich jedoch nicht limitierend auf die Erfindung aus.The following examples serve to explain the present invention. However, they have no limiting effect on the invention.
1. Bakterienstämme und Plasmide1. Bacterial strains and plasmids
Alle in dieser Arbeit verwendeten Bakterienstämme und Vektoren sind in den Tabellen 1 und 2 aufgeführt.All bacterial strains and vectors used in this work are listed in Tables 1 and 2.
Tab. 1 : BakterienslämmeTab. 1: Bacterial lambs
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Figure imgf000014_0001
* DSMZ: Deutsche Sammlung von Mikroorganismen und Zellkulturen, Braunschweig * DSMZ: German collection of microorganisms and cell cultures, Braunschweig
Tab. 2: VektorenTab. 2: Vectors
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2. Medien und Medienzusätze2. Media and media supplements
Vollmedienfull media
Falls nicht gesondert angegeben, wurde mit Vollmedium Luria-BertaniUnless otherwise specified, Luria-Bertani was used with full medium
Broth (LB) wie bei Sambrook et. al (1989, In Molecular cloning; a laboratory manual. 2nd Ed., Cold Spring Harbor Laboratory Press, ColdBroth (LB) as with Sambrook et. al (1989, In Molecular cloning;. A Laboratory Manual 2 nd Ed, Cold Spring Harbor Laboratory Press, Cold.
Spring Harbor, New York) beschrieben, gearbeitet. Für feste Medien wurden zusätzlich 15 g Agar pro Liter zugesetzt.Spring Harbor, New York). For solid media, an additional 15 g agar per liter was added.
Minimalmedienminimal media
Mopso-Minimalmedium Mopso (pH 7.0) 50.0 mMMopso minimal medium Mopso (pH 7.0) 50.0 mM
Tricin (pH 7.0) 5.0 mMTricin (pH 7.0) 5.0 mM
MgCI2 520.0 μMMgCI 2 520.0 µM
K2S04 276.0 μMK 2 S0 4 276.0 μM
FeS04 50.0 μM CaCI2 1.0 mMFeS0 4 50.0 μM CaCI 2 1.0 mM
MnCI2 100.0 μMMnCI 2 100.0 μM
NaCI 50.0 mMNaCI 50.0 mM
KCI 10.0 mMKCI 10.0 mM
K2HP04 1.3 mM (NH4)6Mo7024 30.0 pMK 2 HP0 4 1.3 mM (NH 4 ) 6 Mo 7 0 24 30.0 pM
H3B03 4.0 nMH 3 B0 3 4.0 nM
CoCI2 300.0 pMCoCI 2 300.0 pM
CuS04 100.0 pMCuS0 4 100.0 pM
ZnS0 100.0 pM D-Glucose 20.2 mMZnS0 100.0 pM D-glucose 20.2 mM
NH4CI 37.4 mMNH 4 CI 37.4 mM
Titrationsreagenz war KOH-Lösung. Salmonella typhimurium-MinimalmediumTitration reagent was KOH solution. Salmonella typhimurium minimal medium
NaCI 8.6 mMNaCI 8.6 mM
Na2HP04 33.7 mMNa 2 HP0 4 33.7 mM
KH2PQ4 22.0 mMKH 2 PQ 4 22.0 mM
NH4CI 18.7 mMNH 4 CI 18.7 mM
D-Glucose 20.2 mMD-glucose 20.2 mM
MgS04 2.0 mMMgSO 4 2.0 mM
CaCI2 0.1 mMCaCI 2 0.1 mM
Für feste Medien wurden 15 g/l Agar-Agar zugesetzt.15 g / l agar agar was added for solid media.
Zusätzeadditions
Zusätze wie Kohlenstoffquellen, Aminosäuren, Antibiotika oder Salze wurden entweder den Medien zugefügt und zusammen mit diesen autoklaviert oder als konzentrierte Stammlösungen in Wasser angesetzt und sterilisiert oder sterilfiltriert. Die Substanzen wurden den autoklavierten und auf unter 50 °C abgekühlten Medien zugesetzt. Bei lichtempfindlichen Substanzen wie Tetracyclin wurde auf Inkubation im Dunkeln geachtet. Die üblicherweise verwendeten Endkonzentrationen waren folgende:Additives such as carbon sources, amino acids, antibiotics or salts were either added to the media and autoclaved together with them, or prepared as concentrated stock solutions in water and sterilized or sterile filtered. The substances were added to the autoclaved and cooled to below 50 ° C media. In the case of light-sensitive substances such as tetracycline, care was taken to incubate in the dark. The final concentrations commonly used were as follows:
ALA 298 μMALA 298 µM
Ampicillin 296 μM C Caassaammiinnooaacciiddss 0,025 % (w/v)Ampicillin 296 μM C Caassaammiinnooaacciiddss 0.025% (w / v)
CoCI2 (in aeroben Kulturen) 250 μMCoCI 2 (in aerobic cultures) 250 μM
CoCI2 (in anaeroben Kulturen) 500 μMCoCI 2 (in anaerobic cultures) 500 μM
Cystein 285 μMCysteine 285 µM
Erythromycin 6,8 μM G Glluuccoossee 22 MErythromycin 6.8 μM G Glluuccoossee 22 M.
Glycerin 217 mMGlycerin 217 mM
Kanamycin 0,69 μMKanamycin 0.69 µM
Lysozym 1 mg/mlLysozyme 1 mg / ml
Methionin 335 μM T Teettrraaccyycclliinn ( (iinn ffeesstteenn MMeeddiieenn)) 23 μMMethionine 335 μM T Teettrraaccyycclliinn ((iinn ffeesstteenn MMeeddiieenn)) 23 μM
Tetracyclin (in flüssigen Medien) 68 μMTetracycline (in liquid media) 68 μM
Xylose 33 MXylose 33 M
3. Mikrobiologische Techniken Sterilisation3. Microbiological techniques sterilization
Soweit nicht anders angegeben wurden sämtliche Medien und Puffer für 20 min bei 120 °C und 1 bar Überdruck dampfsterilisiert. Temperaturempfindliche Substanzen wurden sterilfiltriert (Porendurchmesser des Filters 0.2 μm), Glaswaren mindestens 3 h bei 180 °C hitzesterilisiert.Unless otherwise stated, all media and buffers were steam sterilized for 20 min at 120 ° C and 1 bar overpressure. Temperature-sensitive substances were sterile filtered (pore diameter of the filter 0.2 μm), glassware was heat sterilized at 180 ° C for at least 3 h.
Wachstumsbedinqungen für Bacillus megateriumGrowth conditions for Bacillus megaterium
Mit einer sterilen Impföse wurden von einer LB-Agar-Platte oder aus einer Glycerinkultur Bakterien entnommen und in das Nährmedium gegeben, welches bei Bedarf ein Antibiotikum enthielt.Bacteria were removed from a LB agar plate or from a glycerol culture using a sterile inoculation loop and added to the nutrient medium, which contained an antibiotic if required.
Aerobe Bakterienkulturen wurden in Schikanekolben bei 37 °C und einer Drehzahl von 250 rpm inkubiert. Die Inkubationszeiten wurden entsprechend den erwünschten optischen Dichten der Bakterienkulturen variiert.Aerobic bacterial cultures were incubated in baffled flasks at 37 ° C and a speed of 250 rpm. The incubation times were varied according to the desired optical densities of the bacterial cultures.
Bestimmung der ZelldichteDetermination of cell density
Die Zelldichte einer Bakterienkultur wurde durch Messung der optischen Dichte (OD) bei 578 nm bestimmt, wobei davon ausgegangen wurde, dass einer OD578 von eins eine Zellzahl von 1x109 Zellen entspricht.The cell density of a bacterial culture was determined by measuring the optical density (OD) at 578 nm, it being assumed that an OD 578 of one corresponds to a cell count of 1x10 9 cells.
4. Molekularbiologische Methoden4. Molecular biological methods
Allgemeine Techniken, wie DNA-Präparation, Restriktion von DNA, Ligation, PCR, Sequenzierung, funktioneile Komplementation, Proteinexpression etc gehören zur gängigen Laborpraxis und sind bei Sambrook, J. et al. (1989, In Molecular cloning; a laboratory manual. 2nd Ed., Cold Spring Harbor Laboratory Press, Cold Spring Harbor, New York) beschrieben.General techniques such as DNA preparation, restriction of DNA, ligation, PCR, sequencing, functional complementation, protein expression etc. are part of common laboratory practice and are described by Sambrook, J. et al. (1989, In Molecular cloning;.. A laboratory manual 2nd Ed, Cold Spring Harbor Laboratory Press, Cold Spring Harbor, New York).
Herstellung kompetenter Escherichia coli ZellenProduction of competent Escherichia coli cells
Zur Herstellung von kompetenten E. coli-Zellen wurden 500 mlTo produce competent E. coli cells, 500 ml
Flüssigkulturen mit LB-Medium bis zu einer OD578 von 0.5-1 kultiviert. Die Kultur wurde auf Eis abgekühlt und zentrifugiert (4000 x g; 15 min; 4 °C). Das Zellsediment wurde in sterilem, deionisiertem Wasser gut resuspendiert, abzentrifugiert (4000 x g; 8 min; 4 °C), erneut mit sterilem, deionisiertem Wasser gewaschen und wieder zentrifugiert (4000 x g; 8 min; 4 °C). Nach Waschen des Sediments mit 10%iger (v/v) Glycerin- Lösung wurde abzentrifugiert (4000 x g; 8 min; 4 °C) und das Sediment in so wenig wie möglich 10%iger (v/v) Glycerin-Lösung resuspendiert. Die kompetenten E. coli-Zellen wurden sofort für die Transformation verwendet.Liquid cultures cultivated with LB medium up to an OD 578 of 0.5-1. The Culture was cooled on ice and centrifuged (4000 xg; 15 min; 4 ° C). The cell sediment was well resuspended in sterile, deionized water, centrifuged (4000 xg; 8 min; 4 ° C), washed again with sterile, deionized water and centrifuged again (4000 xg; 8 min; 4 ° C). After washing the sediment with 10% (v / v) glycerol solution, centrifugation was carried out (4000 × g; 8 min; 4 ° C.) and the sediment was resuspended in as little as possible 10% (v / v) glycerol solution. The competent E. coli cells were used immediately for the transformation.
Transformation von Bakterien durch Elektroporation Die Transformation erfolgte durch Elektroporation mit Hilfe eines Gene Pulsers mit angeschlossenem Pulse Controller (BioRad). Dazu wurden je 40 μl kompetente E. coli- bzw. B. megaterium-Zellen und 1 μg Plasmid- DNA in eine Transformationsküvette überführt und im Gene Pulser einer Feldstärke von 12 kV/cm bei 25 μF und einem parallelen Widerstand von 200 Ω ausgesetzt. Dabei wurde der Parallel-Widerstand und die Kapazität im Falle von B. megaterium, wie im Ergebnisteil beschrieben, variiert. Zur anschließenden Regeneration wurden die transformierten Zellen sofort nach der Transformation in 1 ml LB-Medium eine halbe, im Falle von B. megaterium eine Stunde bei 37 °C auf dem Thermoschüttler inkubiert. Von den Ansätzen wurden anschließend verschiedene Volumina auf LB-Platten mit entsprechendem Antibiotikazusatz ausgestrichen und über Nacht bei 37 °C inkubiert.Transformation of bacteria by electroporation The transformation was carried out by electroporation using a gene pulser with a connected pulse controller (BioRad). For this purpose, 40 μl of competent E. coli or B. megaterium cells and 1 μg of plasmid DNA were transferred to a transformation cuvette and exposed to a field strength of 12 kV / cm at 25 μF and a parallel resistance of 200 Ω in the Gene Pulser. The parallel resistance and the capacitance in the case of B. megaterium were varied as described in the results section. For the subsequent regeneration, the transformed cells were incubated in a 1 ml LB medium immediately after the transformation, in the case of B. megaterium for one hour at 37 ° C. on a thermal shaker. Various volumes of the batches were then spread out on LB plates with the appropriate addition of antibiotics and incubated at 37 ° C. overnight.
Protoplastentransformation von Bacillus megaterium ProtoplastenpräparationProtoplast transformation of Bacillus megaterium protoplast preparation
50 ml LB-Medium wurden mit 1 ml einer Übernachtkultur von B. megaterium angeimpft und bei 37 °C inkubiert. Bei einer OD578 von 1 wurden die Zellen abzentrifugiert (10000 x g; 15 min; 4 °C) und in 5 ml frisch hergestellten SMMP-Puffer resuspendiert. Nach Zugabe von Lysozym in SMMP-Puffer wurde die Suspension 60 min bei 37 °C inkubiert und die Protoplastenbildung unter dem Mikroskop kontrolliert. Nach Ernten der Zellen durch Zentrifugation (3000 x g; 8 min; Rt) wurde das Zellsediment vorsichtig in 5 ml SiVIMP-Puffer resuspendiert und der Zentrifugations- und Waschschritt ein zweites mal durchgeführt. Die Protoplastensuspension konnte nun, nach Zugabe von 10 % (v/v) Glycerin, portioniert und bei -80 °C eingefroren werden.50 ml LB medium were inoculated with 1 ml of an overnight culture of B. megaterium and incubated at 37 ° C. At an OD 578 of 1, the cells were centrifuged off (10000 × g; 15 min; 4 ° C.) and resuspended in 5 ml of freshly prepared SMMP buffer. After adding Lysozyme in SMMP buffer, the suspension was incubated for 60 min at 37 ° C and protoplast formation was checked under the microscope. After harvesting the cells by centrifugation (3000 xg; 8 min; Rt), the cell sediment was carefully resuspended in 5 ml SiVIMP buffer and the centrifugation and washing step was carried out a second time. After adding 10% (v / v) glycerol, the protoplast suspension could now be portioned and frozen at -80 ° C.
Transformation 500 μl der Protoplastensuspension wurden mit 0.5 bis 1 μg DNA in SMMP-Puffer versetzt und 1.5 ml PEG-P-Lösung zugegeben. Nach Inkubation bei Rt für 2 min wurden 5 ml SMMP-Puffer hinzugefügt, vorsichtig gemischt und die Suspension zentrifugiert (3000 x g; 5 min; Rt). Sofort danach wurde der Überstand abgenommen und das kaum sichtbare Sediment in 500 μl SMMP-Puffer resuspendiert. Die Suspension wurde 90 min bei 37 °C unter leichtem Schütteln inkubiert. Danach wurden 50 - 200 μl der transformierten Zellen mit 2.5 ml cR5-Topagar gemischt und auf LB-Agar-Platten gegeben, die die für die Selektion geeigneten Antibiotika enthielten. Transformierte Kolonien wurden nach eintägiger Inkubation bei 37 °C sichtbar.Transformation 500 μl of the protoplast suspension were mixed with 0.5 to 1 μg DNA in SMMP buffer and 1.5 ml PEG-P solution was added. After incubation at Rt for 2 min, 5 ml of SMMP buffer were added, mixed gently and the suspension centrifuged (3000 x g; 5 min; Rt). Immediately afterwards, the supernatant was removed and the barely visible sediment was resuspended in 500 μl SMMP buffer. The suspension was incubated at 37 ° C. for 90 min with gentle shaking. Then 50-200 μl of the transformed cells were mixed with 2.5 ml of cR5 top agar and placed on LB agar plates which contained the antibiotics suitable for the selection. Transformed colonies became visible after one day incubation at 37 ° C.
Benötigte Lösungen:Required solutions:
SMMP-Puffer Antibiotic Medium No. 3 (Difco) 17.5 g/lSMMP buffer Antibiotic Medium No. 3 (Difco) 17.5 g / l
Saccharose 500.0 mMSucrose 500.0 mM
Na-Maleinat (pH 6.5) 20.0 mMNa maleinate (pH 6.5) 20.0 mM
MgCI2 20.0 mM Titrationsreagenz war NaOH-Lösung.MgCI 2 20.0 mM titration reagent was NaOH solution.
PEG-P-LösungPEG-P solution
PEG 6000 40.0 % (w/v)PEG 6000 40.0% (w / v)
Saccharose 500.0 mMSucrose 500.0 mM
Na-Maleinat (pH 6.5) 20.0 mM MgCI2 20.0 mM Titrationsreagenz war NaOH-Lösung. cR5 Top-AgarNa maleinate (pH 6.5) 20.0 mM MgCl 2 20.0 mM The titration reagent was NaOH solution. cR5 top agar
Saccharose 300.0 mMSucrose 300.0 mM
Mops (pH 7.3) 31.1 mMPug (pH 7.3) 31.1 mM
NaOH 15.0 mMNaOH 15.0 mM
L-Prolin 52.1 mML-proline 52.1 mM
D-Glucose 50.5 mMD-glucose 50.5 mM
K2SO4 1.3 mMK 2 SO 4 1.3 mM
MgCI2 x 6 H2O 45.3 mMMgCl 2 x 6 H 2 O 45.3 mM
313.0 μM313.0 µM
CaC 13.8 mMCaC 13.8 mM
Agar-Agar 4.0 % (w/v)Agar 4.0% (w / v)
Casaminoacids 0.2 % (w/v)Casaminoacids 0.2% (w / v)
Hefe-Extrakt 10.0 % (w/v)Yeast extract 10.0% (w / v)
Titrationsreagenz war NaOH-Lösung.The titration reagent was NaOH solution.
DNA-Amplifikation mittels Polymerase-Kettenreaktion (PCR) Zur Amplifikation gewünschter DNA-Fragmente aus dem B. megaterium- Chromosom wurden 20 μl PCR-Reaktionsansätze gefahren. Pro Ansatz verwendete man 2 μl 10fach-PCR-Puffer, 20 ng chromosomale DNA von B. megaterium, 0.2 μl 50 mM MgCI2-Lösung und jeweils 1 μl dATP-, dCTP- dGTP- und dTTP-Mix Qeweils 10 mM). Dazu wurden jeweils 20 pmol der beiden Primer gegeben, auf 20 μl mit sterilem Wasser aufgefüllt und mit einem Tropfen Mineralöl überschichtet, um eine Verdunstung zu vermeiden. Nach der quantitativen Denaturierung für 5 min bei 96 °C wurden schließlich jeweils 0.5 U Taq-Polymerase zugegeben und die PCR gestartet (Hot Start).DNA amplification by means of polymerase chain reaction (PCR) To amplify the desired DNA fragments from the B. megaterium chromosome, 20 μl PCR reaction batches were carried out. 2 μl of 10-fold PCR buffer, 20 ng of chromosomal DNA from B. megaterium, 0.2 μl of 50 mM MgCl 2 solution and 1 μl of dATP, dCTP, dGTP and dTTP mix of 10 mM each were used per batch. To this end, 20 pmol of the two primers were added, made up to 20 μl with sterile water and covered with a drop of mineral oil in order to avoid evaporation. After quantitative denaturation for 5 min at 96 ° C., 0.5 U Taq polymerase were finally added and the PCR started (hot start).
Üblicherweise benutztes Temperaturprogramm der PCRUsually used temperature program of the PCR
Figure imgf000020_0001
Die Berechnung der theoretischen Hybridisierungstemperatur wurde ausgeführt nach folgender Gleichung:
Figure imgf000020_0001
The theoretical hybridization temperature was calculated using the following equation:
TM =69.3°C + 0.41oC - (%GC )-^^ nT M = 69.3 ° C + 0.41 o C - (% GC ) - ^^ n
Hierbei stehen (%GC) für den GC-Gehalt der Primer in Prozent und n für die Anzahl der Basen. Als Korrektur wurde pro Prozent Fehlpaarung 1 °C abgezogen. Die Polymerisationszeit richtete sich nach der Länge des zu amplifizierenden PCR-Produktes. Dabei polymerisiert die für die meisten PCR-Reaktionen verwendete Taq-DNA-Polymerase ca. 1000 bp pro Minute.Here (% GC) stands for the GC content of the primers in percent and n for the number of bases. As a correction, 1 ° C was deducted per percent mismatch. The polymerization time depended on the length of the PCR product to be amplified. The Taq DNA polymerase used for most PCR reactions polymerizes at about 1000 bp per minute.
Reinigung von PCR-AmplifikatenPurification of PCR amplificates
Für die Reinigung von PCR-Amplifikaten wurde der gesamte PCR-Ansatz elektrophoretisch durch ein Agarosegel aufgetrennt. Nach Ethidiumbromid-Färbung wurde das interessierende DNA-Fragment aus dem Agarosegel ausgestochen und die DNA über ein DNA-Agarosegel- Extraktions Kit (E.Z.N.A.-Gel-Extraction-Kit) der Firma peQLab nach dem angegebenen Protokoll gereinigt.For the purification of PCR amplificates, the entire PCR batch was separated electrophoretically using an agarose gel. After staining for ethidium bromide, the DNA fragment of interest was cut out of the agarose gel and the DNA was purified using a peQLab DNA agarose gel extraction kit (E.Z.N.A. gel extraction kit) from the company PeQLab.
Rekombinante Proteinproduktion Überexpression von Genen in Bacillus megaterium 150 ml LB-Medium wurden mit 1 ,5 ml einer rekombinanten B. megaterium Übernachtkultur angeimpft und bei 37 °C aerob inkubiert. Die Bakterien wurden durch das jeweilige Antibiotikum selektioniert. Nach Erreichen einer ODδ78 von 0,3 wurde der xyl-Promotor des Expressionsplasmides durch Zugabe von 0,5 % (w/v) Xylose induziert. Vor der Induktion, sowie zu bestimmten Zeitpunkten nach der Induktion, wurde jeweils eine Probe von 3 OD578-Äquivalenten abgenommen. Die entnommenen Proben wurden zentrifugiert (12000 x g; 3 min; Rt) und die sedimentierten Zellen in 40 μl Aufschlusspuffer resuspendiert. Anschließend wurde die Suspension 30 min bei 37 °C inkubiert. 20 μl des Aufschlusses wurden mit 5 μl SDS-PAGE-Probenpuffer versetzt und nach 15 minütigem Kochen im Wasserbad 30 min bei 15000 rpm zentrifugiert (8000 x g; 10 min; Rt). Der Überstand wurde durch eine SDS-PAGE analysiert.Recombinant protein production Overexpression of genes in Bacillus megaterium 150 ml LB medium were inoculated with 1.5 ml of a recombinant B. megaterium overnight culture and incubated aerobically at 37 ° C. The bacteria were selected by the respective antibiotic. After an OD δ78 of 0.3 was reached, the xyl promoter of the expression plasmid was induced by adding 0.5% (w / v) xylose. Before induction and at certain times after induction, a sample of 3 OD 578 equivalents was taken. The samples taken were centrifuged (12000 xg; 3 min; Rt) and the sedimented cells were resuspended in 40 μl digestion buffer. The suspension was then incubated at 37 ° C. for 30 min. 5 μl of SDS-PAGE sample buffer were added to 20 μl of the digestion and, after boiling for 15 minutes in a water bath, centrifuged at 15,000 rpm for 30 min (8000 × g; 10 min; Rt). The supernatant was analyzed by SDS-PAGE.
Benötigte Lösungen: AufschlusspufferRequired solutions: digestion buffer
EDTA (pH 6.5) 20.0 mMEDTA (pH 6.5) 20.0 mM
Na3PO4 100.0 mMNa 3 PO 4 100.0 mM
Lysozym 5 mg/ml Titrationsreagenz war H3PO4-Lösung.Lysozyme 5 mg / ml titration reagent was H 3 PO 4 solution.
Konstruktion der Vektoren pHBintE, pHBintT. pHBintN pHBintE Als Ausgangsplasmide fungierten pWH1967E (Schmiedel et al., 1997, Appl. Microbiol. Biotechnol., 47: 543-546) und pMM1520 (Malten, 2002, Diplomarbeit Technische Universität Carolo-Wilhelmina zu Braunschweig, Braunschweig). Die beiden Plasmide wurden zunächst jeweils mit Pstl und Hindill geschnitten. Anschließend wurde jeweils der komplette Ansatz auf ein Agarosegel aufgetragen und die interessierenden Fragmente eluiert. Das 4198 bp lange Fragment von pWH1967E enthielt das Gen für eine Erythromycinresistenz, das repF-Gen, den temperatursensitiven Replikationsursprung aus pE194ts für B. megaterium und DNA für etwa die C-terminale Hälfte der Ampicillinresistenz vermittelnden beta- Lactamase.Construction of the vectors pHBintE, pHBintT. pHBintN pHBintE The starting plasmids were pWH1967E (Schmiedel et al., 1997, Appl. Microbiol. Biotechnol., 47: 543-546) and pMM1520 (Malten, 2002, diploma thesis at the Technical University Carolo-Wilhelmina in Braunschweig, Braunschweig). The two plasmids were first cut with Pstl and Hindill. The complete batch was then applied to an agarose gel and the fragments of interest eluted. The 4198 bp fragment of pWH1967E contained the gene for erythromycin resistance, the repF gene, the temperature-sensitive origin of replication from pE194ts for B. megaterium and DNA for about the C-terminal half of the ampicillin resistance-mediating beta-lactamase.
Das 1485 bp lange Fragment von pMM1520 enthielt den xylA-Promotor aus B. megaterium, direkt stromaufwärts des Promotors eine Multiple- Cloning-Site, den Replikationsursprung aus pBR322 für E. coli und die DNA für die N-terminale Hälfte der beta-Lactamase, die damit im Zielvektor die Ampicillinresistenz wiederherstellt. Die kohäsiven Enden der beiden Fragmente wurden ligiert. Diese Art der Klonierung ist äußerst vorteilhaft, da nur der korrekt ligierte Zielvektor ein vollständigesThe 1485 bp fragment of pMM1520 contained the xylA promoter from B. megaterium, a multiple cloning site directly upstream of the promoter, the origin of replication from pBR322 for E. coli and the DNA for the N-terminal half of the beta-lactamase, the so in Target vector restores ampicillin resistance. The cohesive ends of the two fragments were ligated. This type of cloning is extremely advantageous since only the correctly ligated target vector is complete
Resistenzgen für E. coli aufweist. Das so erhaltene Plasmid erhielt die Bezeichnung pHBintE, wobei E für die Erythromycin-Resistenz in B. megaterium steht.Resistance gene for E. coli has. The plasmid obtained in this way was given the name pHBintE, E standing for the erythromycin resistance in B. megaterium.
pHBintTpHBintT
Ausgehend von pHBintE wurde zunächst der Erythromycin-Resistenz vermittelnde DNA-Bereich aus pHBintE ausgeschnitten und durch eine entsprechende Tetracyclin-Resistenz (tet) vermittelnde DNA-Sequenz ersetzt. Dazu wurde das Tetracyclin-Resistenzgen aus dem Vektor pMM1520 mittels PCR und nachfolgender Primer amplifiziert. Es wurden eine Nsil-Schnittstelle in den Forward- und eine Hindlll-Schnittstelle in den Reverse-Primer integriert (unterstrichen).Starting from pHBintE, the DNA region mediating erythromycin resistance was first cut out of pHBintE and replaced by a corresponding DNA sequence mediating tetracycline resistance (tet). For this purpose, the tetracycline resistance gene from the vector pMM1520 was amplified by means of PCR and subsequent primers. An Nsil interface was integrated in the forward and a HindII interface in the reverse primer (underlined).
Forward 5' - AAGCATGCATCAGGGTTATTGTCTCATGAGCGG - 3' Reverse 5' - AAAAAAGCTTCCTTGATGACACAGAAGAAGGCG - 3'Forward 5 '- AAGCATGCATCAGGGTTATTGTCTCATGAGCGG - 3' Reverse 5 '- AAAAAAGCTTCCTTGATGACACAGAAGAAGGCG - 3'
Anschließend wurde das tet-Gen enthaltende DNA-Fragment über ein Agarosegel gereinigt und die DNA eluiert. pHBintE und das amplifizierte tet-Fragment wurden mit den Restriktionsenzymen Nsil (Mph1103l) und Hindill geschnitten, gereinigt und ligiert. Das so erhaltene Plasmid erhielt die Bezeichnung pHBintT. Die Integrität der klonierten DNA wurde durch komplette DNA-Sequenzbestimmung überprüft.The DNA fragment containing the tet gene was then purified on an agarose gel and the DNA was eluted. pHBintE and the amplified tet fragment were cut, purified and ligated with the restriction enzymes Nsil (Mph1103l) and HindIII. The resulting plasmid was called pHBintT. The integrity of the cloned DNA was checked by complete DNA sequence determination.
pHBintNpHBintN
Zur Herstellung Vektors pHBintN mit einem Neomycin-Reistenzgen wurden die Plasmide pHBintT und pWH1967K (Schmiedel et al., 1997, Appl. Microbiol. Biotechnol., 47: 543-546) verwendet. Dazu wurde die DNA für den größeren N-terminalen Teil des Tetracyclin-Resistenz vermittelnden Proteins aus pHBintT mit Ncol und Hindlll herausgeschnitten. Das im pWH1967K enthaltene Neömycin- Resistenzgen (neo) wurde mittels PCR und den nachfolgend aufgeführten Primern amplifiziert und nach dem Schneiden mit Ncol und Hindlll mit dem geschnittenen pHBintT ligiert. Hierbei wurden eine Ncol-Schnittstelle in den Forward- und eine Hindlll-Schnittstelle in den Reverse-Primer integriert (unterstrichen). Zusätzlich wurde die Integrität der onierten DNA durch komplette DNA-Sequeηzbestimmung überprüft.The plasmids pHBintT and pWH1967K (Schmiedel et al., 1997, Appl. Microbiol. Biotechnol., 47: 543-546) were used to produce the vector pHBintN with a neomycin resistance gene. To do this, the DNA for the larger N-terminal part of the tetracycline resistance mediating protein from pHBintT with Ncol and Hindlll cut out. The neömycin resistance gene (neo) contained in pWH1967K was amplified by means of PCR and the primers listed below and, after cutting with Ncol and HindIII, ligated with the cut pHBintT. Here, an Ncol interface was integrated in the forward and a HindII interface in the reverse primer (underlined). In addition, the integrity of the ononized DNA was checked by complete DNA sequence determination.
Forward 5' - GGATCCATGGGTCGACTCTAGAGCTTGGG - 3'Forward 5 '- GGATCCATGGGTCGACTCTAGAGCTTGGG - 3'
Reverse 5' - CCACAAGCTTGTCATCGTTCAAAATGGTATGCG - 3'Reverse 5 '- CCACAAGCTTGTCATCGTTCAAAATGGTATGCG - 3'
Das neue Plasmid pHBintN hat somit die gleichen Eigenschaften wie pHBintE oder pHBintT, außer dass Bacillus-Transformanten mit diesem integrativen Vektor auf Neomycin anstatt auf Erythromycin oder Tetracyclin selektioniert werden können.The new plasmid pHBintN thus has the same properties as pHBintE or pHBintT, except that Bacillus transformants can be selected with this integrative vector for neomycin instead of erythromycin or tetracycline.
Konstuktion des Vektors pHBBm2Construction of the vector pHBBm2
Hierzu wurde zunächst das cbiX-Gen mittels PCR amplifiziert. AlsFor this purpose, the cbiX gene was first amplified by means of PCR. As
Template diente chromosomale B. megaterium DNA. Da die Sequenz des cbiX-Gens von B. megaterium bekannt ist (Leech et al., 2002, Biochem. Soc. Transac, 30 (4): 610-613) konnten Primer abgeleitet werden, die nachfolgend aufgeführt sind. Bei den Primern wurden an die zum B. megaterium-Gen homologe Sequenz eine sechs Basen lange Restriktionsschnittstelle (Spei und Xmal) und vier zusätzliche Basen angefügt.Chromosomal B. megaterium DNA was used as template. Since the sequence of the cbiX gene from B. megaterium is known (Leech et al., 2002, Biochem. Soc. Transac, 30 (4): 610-613), primers could be derived, which are listed below. A six-base restriction site (Spei and Xmal) and four additional bases were added to the sequence homologous to the B. megaterium gene for the primers.
Darstellung der PCR-Primer für die Amplifizierung des cbiX-Gens durch PCR. Es wurden eine Spel-Schnittstelle in den Forward- und eine Xmal- Schnittstelle in den Reverse-Primer integriert (unterstrichen). Forward 5' - AGATACTAGTGAAATGGGAGGACATTATATG - 3' Reverse 5' - ACAACCCGGGCATTTTAGCTCGCCGACC - 3'Representation of the PCR primers for the amplification of the cbiX gene by PCR. A Spel interface was integrated in the forward and an Xmal interface in the reverse primer (underlined). Forward 5 '- AGATACTAGTGAAATGGGAGGACATTATATG - 3' Reverse 5 '- ACAACCCGGGCATTTTAGCTCGCCGACC - 3'
Zur Klonierung des Vektors pHBBm2 wurden pHBintN und das durch PCR amplifizierte cbiX-Fragment mit Spei (Beul) und Xmal geschnitten. In pHBintN liegen die beiden Restriktionsschnittstellen hinter dem xylA- Promotor in der Multiple-Cloning-Site. Die durch die Restriktion entstandenen kohäsiven Enden wurden schließlich zum Integrationsvektor pHBBm2 ligiert. Mit dem Ligationsansatz wurden kompetente E. coli DH10B durch Elektroporation transformiert und auf LB-Platten mit Ampicillin-Zusatz ausgestrichen und über Nacht bei 37 °C inkubiert.To clone the vector pHBBm2, pHBintN and the PCR-amplified cbiX fragment were cut with Spei (Beul) and X times. In pHBintN, the two restriction sites are located behind the xylA promoter in the multiple cloning site. The cohesive ends resulting from the restriction were finally ligated to the integration vector pHBBm2. With the ligation mixture, competent E. coli DH10B were transformed by electroporation and spread on LB plates with ampicillin addition and incubated at 37 ° C. overnight.
Zur Überprüfung der Plasmidkonstruktion von pHBBm2 wurden Plasmid- Mini-Präps durchgeführt. Die extrahierte Plasmid-DNA wurde zur Kontrolle mit Xmal und Spei (Beul) geschnitten. Diese beiden Enzyme schneiden pHBBm2 in Fragmente der Größen 6413 bp und 931 bp. Ein Agarosegel des Restriktionsansatzes zeigte die erwarteten Fragmente und dokumentiert die erfolgreiche Klonierung von pHBBm2. Eine schematische Darstellung der Klonierungsstrategie ist in Figur 1 wiedergegeben. Zusätzlich wurde die Integrität der klonierten DNA durch komplette DNA-Sequenzbestimrηung überprüft.To check the plasmid construction of pHBBm2, plasmid mini-preps were carried out. The extracted plasmid DNA was cut with Xmal and Spei (Beul) for control. These two enzymes cut pHBBm2 into 6413 bp and 931 bp fragments. An agarose gel from the restriction mixture showed the expected fragments and documents the successful cloning of pHBBm2. A schematic representation of the cloning strategy is shown in FIG. 1. In addition, the integrity of the cloned DNA was checked by complete DNA sequence determination.
Der Integrationsvektor pHBBm2 enthält eine Ampicillin- und Neomycinresistenz zur Selektion in E. coli bzw. in B. megaterium aus pHBintN. Zur Replikation in E. coli dient der Replikationsursprung aus pBR322 und in B. megaterium der temperatursensitive Replikationsursprung aus pE194ts.The integration vector pHBBm2 contains ampicillin and neomycin resistance for selection in E. coli or in B. megaterium from pHBintN. The replication origin from pBR322 is used for replication in E. coli and the temperature-sensitive origin of replication from pE194ts in B. megaterium.
Durch die Sequenzierung von pHBBm2 konnte außerdem ein Fehler in der veröffentlichten Sequenz des cbiX-Gens (Leech et al., 2002, Biochem. Soc. Transac, 30 (4): 610-613) nachgewiesen werden: CbiX enthält zwei zusätzliche Aminosäuren, die auch durch einenSequencing pHBBm2 also revealed an error in the published sequence of the cbiX gene (Leech et al., 2002, Biochem. Soc. Transac, 30 (4): 610-613): CbiX contains two additional amino acids, also through a
Aminosäuresequenzvergleich von cbiX-Genen aus unterschiedlichen Bakterien aufgezeigt werden konnten (Figuren 2 und 3).Amino acid sequence comparison of cbiX genes from different bacteria could be shown (Figures 2 and 3).
Chromosomale Integration von pHBBM2 in Bacillus megateriumChromosomal integration of pHBBM2 in Bacillus megaterium
Der Integrationsvektor pHBBm2 kann, da er auf Grund der cbiX-lnsertion einen homologen Abschnitt zum B. megaterium Chromosom besitzt, über Single-Crossing-Over-Rekombination in das Chromosom integrieren (Figur 4).The integration vector pHBBm2, since it has a homologous section to the B. megaterium chromosome due to the cbiX insertion, can integrate into the chromosome via single crossing-over recombination (FIG. 4).
Zur Selektion dieses Integrationsereignisses ist der temperatursensitive Replikationsursprung aus pE194ts von Bedeutung. B. megaterium DSM509-Transformanten, die das Plasmid durch Protoplasten- Transformation aufgenommen haben, lassen sich durch Resistenz gegen die Antibiotika Neomycin bzw. Kanamycin selektionieren. Bei Erhöhung der Temperatur auf 42 °C kann das Plasmid nicht mehr frei repliziert werden und muss entweder ins Chromosom integrieren oder geht verloren. Dies bedeutet, dass nur die Transformanten wachsen können, die das Plasmid und damit die Neomycin-Resistenz in ihr Chromosom integriert haben. Es können sowohl Neomycin als auch Kanamycin zur Selektion verwendet werden, da beide zur Familie der Aminoglycoside gehören, sich in ihrer chemischen Struktur sehr ähneln und daher vom Resistenz vermittelnden Enzym umgesetzt werden. Um pHBBM2 in das Chromosom zu integrieren, wurde eine LB-Kultur der Transformante B. megaterium DSM509-pHBBM2 mit 5 μg/ml Erythromycin und 0,23 % Xylose unter aeroben Bedingungen bei 30 °C inkubiert. Nach ca. 12 h wurde die Temperatur auf 42 °C erhöht, so dass keine weitere Replikation des Plasmids mehr erfolgen konnte. Nach weiteren 12 h wurde in neues LB-Medium überimpft und weiter bei 42 °C inkubiert. Es wurde insgesamt über 3 Tage kultiviert, wobei jeweils nach 12 Stunden auf neues Medium überimpft wurde. Nach dieser Zeit zeigte sich ein guter Bewuchs des LB-Mediums, der die Integration des Plasmids ins Chromosom anzeigte. Die Integration selbst erfolgt über einen Single- Crossing-Over-Mechanismus zwischen dem chromosomal lokalisiertem cbiX und dem homologen cbiX-Gen des pHBBM2-Plasmids. Dabei wird der Xylsose-induzierbare xylA-Promotor stromaufwärts des cbiX-Gens nach der Integration in das Chromosom eingebaut (Figur 4). Der mit der Integration des pHBBM2-Plasmids entstandene neue B. megaterium Stamm wurde HBBm3 genannt. Mit HBBmS lassen sich zusätzlich zu cbiX auch die 11 Gene des cobl-Operons überexprimieren, die hinter cbiX im Chromosom lokalisiert sind (Figur 5).The temperature-sensitive origin of replication from pE194ts is important for the selection of this integration event. B. megaterium DSM509 transformants, which have taken up the plasmid by protoplast transformation, can be selected by resistance to the antibiotics neomycin or kanamycin. When the temperature is raised to 42 ° C, the plasmid can no longer be freely replicated and must either integrate into the chromosome or be lost. This means that only those transformants can grow that have integrated the plasmid and thus the neomycin resistance in their chromosome. Both neomycin and kanamycin can be used for selection, since both belong to the aminoglycoside family, are very similar in their chemical structure and are therefore converted by the resistance-mediating enzyme. In order to integrate pHBBM2 into the chromosome, an LB culture of the transformant B. megaterium DSM509-pHBBM2 with 5 μg / ml erythromycin and 0.23% xylose was incubated under aerobic conditions at 30 ° C. After approx. 12 h, the temperature was raised to 42 ° C., so that the plasmid could no longer be replicated. After a further 12 h, inoculation was carried out in new LB medium and incubation was continued at 42 ° C. Cultivation was carried out over a total of 3 days, with inoculation on new medium after every 12 hours. After that time showed there was good growth of the LB medium, which indicated the integration of the plasmid into the chromosome. The integration itself takes place via a single crossing-over mechanism between the chromosomally localized cbiX and the homologous cbiX gene of the pHBBM2 plasmid. The xylsose-inducible xylA promoter is installed upstream of the cbiX gene after integration into the chromosome (FIG. 4). The new B. megaterium strain created with the integration of the pHBBM2 plasmid was called HBBm3. In addition to cbiX, HBBmS can also be used to overexpress the 11 genes of the cobl operon that are located behind cbiX in the chromosome (FIG. 5).
5. Bestimmung von Vitamin Bι?-Konzentrationen Zur quantitativen Vitamin Bι2-Bestimmung wurden zwei verschiedene Methoden angewendet. Zum einen erfolgte die Bestimmung anhand der Wachstumsrate von5. Determination of Vitamin Bι? Concentrations Two different methods were used for quantitative vitamin Bι 2 determination. Firstly, the determination was made based on the growth rate of
S. typhimurium metE cysG Doppelmutanten, zum anderen mit dem RIDASCREEN®FAST Vitamin B12 ELISA Test der Firma r-biopharm im Mikrotiterplatten-Format.S. typhimurium metE cysG double mutants, on the other hand with the RIDASCREEN ® FAST Vitamin B 12 ELISA test from r-biopharm in microtiter plate format.
Vitamin B-g-Bestimmung mit S. tvphimurium metE cvsG Doppelmutanten Es wurden in verschiedenen Wachstumsphasen Proben von B. megaterium-Kulturen genommen. Nach Bestimmung der OD578 wurden die Zellen durch Zentrifugieren (4000 x g; 15 min; 4 °C) vom Medium abgetrennt. Die erhaltenen Zellsedimente sowie die abgenommenen Medien wurden anschließend gefriergetrocknet.Vitamin Bg determination with S. tvphimurium metE cvsG double mutants Samples of B. megaterium cultures were taken in different growth phases. After determining the OD 578 , the cells were separated from the medium by centrifugation (4000 × g; 15 min; 4 ° C.). The cell sediments obtained and the media removed were then freeze-dried.
S. typhimurium metE cysG Doppelmutanten (AR 3612; Raux et al., 1996, J. Bacteriol., 178: 753-767) wurden über Nacht auf Methionin und Cystein enthaltendem Minimalmedium bei 37 °C inkubiert, von der Platte gekratzt und mit 40 ml isotonischer NaCI-Lösung gewaschen. Nach Abzentrifugieren wurde das Zellsediment wieder in isotonischer Kochsalzlösung resuspendiert. Die gewaschene Bakterienkultur wurde sorgfältig mit 400 ml 47-48 °C warmem, Cystein enthaltendem Minimalmedium-Agar gemischt.S. typhimurium metE cysG double mutants (AR 3612; Raux et al., 1996, J. Bacteriol., 178: 753-767) were incubated overnight on minimal medium containing methionine and cysteine at 37 ° C., scratched from the plate and at 40 ml of isotonic NaCI solution washed. After centrifugation, the cell sediment was resuspended in isotonic saline. The washed bacterial culture was carefully mixed with 400 ml 47-48 ° C warm, medium medium agar containing cysteine.
10 μl der in deionisiertem, sterilem Wasser resuspendierten und 15 min im Wasserbad gekochten B. megaterium-Proben wurden auf die abgekühlten Platten gegeben und für 18 h bei 37 °C inkubiert. Die Durchmesser der gewachsenen Salmonellen Kolonien sind dann proportional dem Gehalt an Vitamin Bι2 der aufgetragenen B. megaterium-Proben. Durch Vergleich mit einer Eichkurve, angefertigt aus der Zugabe von 0.01, 0.1 , 1 , 10 und 40 pmol Vitamin Bι2, wurde auf den Gehalt an Vitamin B12 in den untersuchten Proben zurückgeschlossen. Diese Methode erlaubt schnell den Nachweis geringer Vitamin B-ι2-Mengen in biologischen Materialien, ist allerdings mit einer relativ großen Standardabweichung behaftet.10 μl of the B. megaterium samples resuspended in deionized, sterile water and boiled for 15 minutes in a water bath were added to the cooled plates and incubated at 37 ° C. for 18 hours. The diameter of the grown Salmonella colonies are then proportional to the content of vitamin Bι 2 of the applied B. megaterium samples. By comparison with a calibration curve, made from the addition of 0.01, 0.1, 1, 10 and 40 pmol vitamin Bι 2 , the content of vitamin B 12 in the examined samples was inferred. This method quickly allows the detection of small amounts of vitamin B-ι 2 in biological materials, but is associated with a relatively large standard deviation.
Vitamin Bι?-Bestimmung mit dem ELISA-Test Testprinzip:Vitamin Bι? Determination with the ELISA test principle:
Grundlage ist eine Antigen-Antikörper-Reaktion. Die Vertiefungen einer Mikrotiterplatte sind dazu mit spezifischen Antikörpern gegen Vitamin B-ι2 beschichtet. Nach der Zugabe von enzymmarkiertem Vitamin B-ι2 (Enzymkonjugat) und Probelösungen bzw. Vitamin Bi2-Standardlösungen konkurrieren freies und enzymmarkiertes Vitamin B-ι2 um die Vitamin B12- Antikörperbindungsstellen (kompetetiver Enzymimmunoassay). Bei dem Bi2-gekoppeltem Enzym handelt es sich um eine Peroxidase. Nicht gebundenes enzymmarkiertes Vitamin B12 wird anschließend in einem Waschschritt wieder entfernt. Der Nachweis erfolgt durch Zugabe von SubstraWChromogenlösung (Tetramethylbenzidin/Harnstoffperoxid). Gebundenes Enzymkonjugat wandelt das Chromogen in ein blaues Endprodukt um. Die Zugabe des Stop-Reagenzes führt zu einem Farbumschlag von blau nach gelb. Die Messung erfolgt photometrisch bei 450 nm. Da mit steigender Menge an Vitamin B12 in der Probe immer weniger Enzym-gekoppeltes B12 von den Antikörpern gebunden werden kann, ist die Extinktion der Lösung umgekehrt proportional zur Vitamin Bi2-Konzentration in der Probe.It is based on an antigen-antibody reaction. For this purpose, the wells of a microtiter plate are coated with specific antibodies against vitamin B-ι 2 . After the addition of enzyme-labeled vitamin B-ι 2 (enzyme conjugate) and sample solutions or vitamin Bi 2 standard solutions, free and enzyme-labeled vitamin B-ι 2 compete for the vitamin B 12 antibody binding sites (competitive enzyme immunoassay). The Bi 2 -coupled enzyme is a peroxidase. Unbound enzyme-labeled vitamin B 12 is then removed again in a washing step. Evidence is provided by adding SubstraW chromogen solution (tetramethylbenzidine / urea peroxide). Bound enzyme conjugate converts the chromogen into a blue end product. The addition of the stop reagent leads to a color change from blue to yellow. The measurement is carried out photometrically at 450 nm. As the amount of vitamin B12 in the sample increases, fewer and fewer enzyme-coupled B 12 are bound by the antibodies , the absorbance of the solution is inversely proportional to the vitamin Bi 2 concentration in the sample.
Durchführung: Aus der zu messenden B. megaterium-Flüssigkultur wurden 2 ml Proben zu verschiedenen Zeitpunkten des Wachstums entnommen und die OD578 bestimmt. Durch anschließendes Zentrifugieren (4000 x g; 5 min; 4 °C) wurden die Zellen vom Medium getrennt, der Überstand verworfen und das Sediment gefriergetrocknet. Nun wurden die benötigten Reagenzien (Standards, Enzymkonjugat und Waschpuffer-Konzentrat) des Testkits auf Raumtemperatur gebracht und wie in der zugehörigen Vorschrift beschrieben vorbereitet und verdünnt. Unmittelbar vor dem Test erfolgte die Vorbereitung der Proben. Hierzu wurden die gefriergetrockneten Zellen in 0,5 ml sterilem, deionisiertem Wasser resuspendiert. Durch die Zugabe von 50 μl Lysozym-Lösung (1 mg/ml), anschließender Inkubation (30 min; 37 °C; Schütteln bei 300 rpm), Ultraschall (5 min) und Kochen (3 min; 100 °C) wurde ein quantitativer Zellaufschluss erreicht. Die Proben wurden nun mit Eis auf Raumtemperatur gekühlt und zentrifugiert (4000 x g; 5 min; 15 °C). Der Überstand wurde entnommen und mit dem Probenverdünnungspuffer 1 :5 verdünnt.Implementation: 2 ml samples were taken from the B. megaterium liquid culture to be measured at different times of growth and the OD578 was determined. The cells were separated from the medium by subsequent centrifugation (4000 × g; 5 min; 4 ° C.), the supernatant was discarded and the sediment was freeze-dried. Now the required reagents (standards, enzyme conjugate and wash buffer concentrate) of the test kit were brought to room temperature and prepared and diluted as described in the associated instructions. The samples were prepared immediately before the test. For this purpose, the freeze-dried cells were resuspended in 0.5 ml of sterile, deionized water. The addition of 50 μl lysozyme solution (1 mg / ml), subsequent incubation (30 min; 37 ° C; shaking at 300 rpm), ultrasound (5 min) and boiling (3 min; 100 ° C) made a quantitative Cell disruption reached. The samples were then cooled to room temperature with ice and centrifuged (4000 x g; 5 min; 15 ° C). The supernatant was removed and diluted 1: 5 with the sample dilution buffer.
Nun konnten jeweils 50 μl der verdünnten Proben bzw. der verdünnten Vitamin Bi2-Standards in die Kavitäten der Mikrotiterplatte pipettiert werden. Nach der Zugabe von 50 μl des verdünnten Enzymkonjugats, wurde gemischt (Schüttel-Funktion im Mikrotiterplattenlesegerät) und inkubiert (15 min; RT). Im Anschluss an die Inkubation wurden die Kavitäten durch Ausklopfen der Mikrotiterplatte entleert und mit 250 μl Waschpuffer pro Kavität gewaschen. Die Kavitäten wurden wieder durch ausklopfen entleert und der Waschschritt zweimal wiederholt. Nun wurden äquitemporal zwei Tropfen Stop-Reagenz pro Kavität zugegeben, gemischt und 10 min bei Raumtemperatur im Dunkeln inkubiert. Nach der äquitemporalen Zugabe von zwei Tropfen des Stop-Reagenzes pro Kavität wurde die Extinktion bei 450 nm im Mikrotiterplattenlesegerät der Firma Packard gemessen. Zur Auswertung wurde die prozentuale Extinktion wie folgt errechnet:Now it was possible to pipette 50 μl of the diluted samples or the diluted vitamin Bi 2 standards into the cavities of the microtiter plate. After the addition of 50 μl of the diluted enzyme conjugate, the mixture was mixed (shaking function in the microtiter plate reader) and incubated (15 min; RT). Following the incubation, the wells were emptied by tapping the microtiter plate and washed with 250 μl wash buffer per well. The cavities were emptied again by tapping and the washing step was repeated twice. Equitemporally, two drops of stop reagent were added per cavity, mixed and incubated for 10 min at room temperature in the dark. After Equitemporal addition of two drops of the stop reagent per cavity, the absorbance at 450 nm was measured in the Packard microtiter plate reader. The percentage absorbance was calculated as follows for evaluation:
Extinktion Standard bzw. Probe _ _n _ . , . . . . 100 = Extinktion in %Absorbance standard or sample _ _ n _. ,. , , , 100 = absorbance in%
Extinktion NullstandardAbsorbance zero standard
Anhand der Auftragung der Extinktion in % über log(ppb) konnte nun eine Eichgerade ermittelt werden. Über die Geradengleichung, den Verdünnungsfaktor und die bekannte Zelldichte (OD578) konnte anschließend der Vitamin Bι2-Gehalt der Proben in μg/L und μg/(LxOD57s) angegeben werden.A calibration line could now be determined by plotting the absorbance in% over log (ppb). Using the straight line equation, the dilution factor and the known cell density (OD578), the vitamin B 2 content of the samples in μg / L and μg / (LxOD5 7 s) could then be specified.
6. Coproporphyrin HI-Bestimmung durch Fluoreszenzspektroskopie Aus der zu messenden B. megaterium-Flüssigkultur wurden 2 ml Proben zu verschiedenen Zeitpunkten des Wachstums entnommen und die OD5 s bestimmt. Durch anschließendes Zentrifugieren (4000 x g; 5 min; 4 °C) wurden die Zellen vom Medium getrennt, der Überstand verworfen und das Sediment gefriergetrocknet.6. Coproporphyrin HI determination by fluorescence spectroscopy. 2 ml samples were taken from the B. megaterium liquid culture to be measured at different times of growth and the OD was determined for 5 s. The cells were separated from the medium by subsequent centrifugation (4000 × g; 5 min; 4 ° C.), the supernatant was discarded and the sediment was freeze-dried.
Unmittelbar vor einer Messung wurden die Proben in 1 ml sterilem, deionisiertem Wasser resuspendiert und anschließend, die optischen Dichten durch Verdünnen mit Wasser exakt angeglichen. 1 ml dieser angeglichenen Proben wurden nun mit 50 μl Lysozym (1 mg/ml) versetzt und bei 37 °C für 30 min im Rüttler bei 300 rpm inkubiert. Nun wurden die Proben für 10 min ins Ultraschallbad gestellt und im Anschluss 3 min bei 4000 x g zentrifugiert. Mit dem Überstand wurde nun die Fluoreszenzmessung durchgeführt. Dabei lagen folgende Einstellungen vor: Start: 430 nmImmediately before a measurement, the samples were resuspended in 1 ml of sterile, deionized water and then the optical densities were exactly adjusted by dilution with water. 1 ml of these adjusted samples were now mixed with 50 μl lysozyme (1 mg / ml) and incubated at 37 ° C. for 30 min in a shaker at 300 rpm. The samples were then placed in an ultrasound bath for 10 min and then centrifuged at 4000 xg for 3 min. The fluorescence measurement was now carried out with the supernatant. The following settings were made: Start: 430 nm
End: 680 nmEnd: 680 nm
Excitation: 409 nmExcitation: 409 nm
Ex Slit 12 nmEx Slit 12 nm
Em Slit: 12 nmEm Slit: 12 nm
Scan Speed: 200 nm/minScan speed: 200 nm / min
Dabei lässt sich Coproporphyrin III im Fluoreszenzspektrum durch seine Maxima bei 590 nm und 620 nm erkennen.Coproporphyrin III can be recognized in the fluorescence spectrum by its maxima at 590 nm and 620 nm.
7. Aerobes Wachstum und Überexpression von cbiX und des cobl- Operons in Bacillus megaterium DSM509-pHBBm2 und HBBm37. Aerobic growth and overexpression of cbiX and the cobl operon in Bacillus megaterium DSM509-pHBBm2 and HBBm3
Die B. megaterium Stämme HBBm3 und DSM509 mit pHBBm2 wurden in LB-Medium, dem 0,4 μg/mL Kanamycin zugesetzt wurde bei 42° C (DSM509-pHBBm2 bei 30° C) unter aeroben Bedingungen kultiviert. Da in beiden Stämmen die überexprimierte Cobalt-Chelatase CbiX einen verstärkten Einbau von Cobalt in Sirohydrochlorin katalysiert, wurden zusätzliche Wachstumsuntersuchungen mit einem Zusatz von 250 μM CoCI2 durchgeführt, die eine Cobalt-Limitation ausschließen und den vermuteten Katalyseeffekt von CbiX besser nachweisbar machen. Alle Kulturen wurden bei einer OD578 von 0,3 mit 0,5 % Xylose induziert. B. megaterium HBBm3 zeigt keinen signifikanten Unterschied zwischen Wachstum mit und ohne Cobalt-Zusatz. Beide Kulturen erreichen eine maximale OD578 von 2,3. Mit dieser maximalen OD578 liegen sie allerdings deutlich unter der maximalen OD578 von 7,2 des Ausgangsstammes DSM509. Das verminderte Wachstum deutet auf eine Aktivität des integrierten pHBBm2 hin. Bei den Kulturen von B. megaterium DSM509 mit frei replizierbarem pHBBm2 lässt sich ein deutlicher Unterschied zwischen Wachstum mit und ohne C0CI2 ausmachen. Dabei erreicht die Kultur mit Cobalt-Zusatz interessanterweise eine höhere OD578 (2,8) als ohne C0CI2 (OD578 = 2,3). Dies spricht für die Aktivität der Cobalt-Chelatase CbiX, da eine verstärkte Cobalt-Insertion in die Tetrapyrrole des Vitamin B12-Syntheseweges zu einer erniedrigten Konzentration des für die Bakterien toxischen Cobalt in der Zelle führen sollte.The B. megaterium strains HBBm3 and DSM509 with pHBBm2 were cultivated in LB medium to which 0.4 μg / ml kanamycin was added at 42 ° C. (DSM509-pHBBm2 at 30 ° C.) under aerobic conditions. Since the overexpressed cobalt chelatase CbiX catalyzes an increased incorporation of cobalt in sirohydrochlorin in both strains, additional growth studies were carried out with the addition of 250 μM CoCI 2 , which rule out cobalt limitation and make the suspected catalytic effect of CbiX more detectable. All cultures were induced at an OD 578 of 0.3 with 0.5% xylose. B. megaterium HBBm3 shows no significant difference between growth with and without addition of cobalt. Both cultures reach a maximum OD 578 of 2.3. With this maximum OD 578 , however, they are significantly below the maximum OD 578 of 7.2 of the parent strain DSM509. The reduced growth indicates an activity of the integrated pHBBm2. The cultures of B. megaterium DSM509 with freely replicable pHBBm2 show a clear difference between growth with and without C0CI2. Interestingly, the culture with the addition of cobalt achieves a higher OD 578 (2.8) than without C0CI2 (OD 578 = 2.3). This speaks for the activity of the cobalt chelatase CbiX, since an increased cobalt insertion into the tetrapyrroles of the vitamin B 12 synthetic pathway should lead to a reduced concentration of the cobalt which is toxic for the bacteria in the cell.
8. Vitamin B ?-Produktion von Bacillus megaterium DSM509-pHBBm2 und HBBm38. Vitamin B? Production from Bacillus megaterium DSM509-pHBBm2 and HBBm3
Die B. megaterium Stämme HBBm3 und DSM509 mit pHBBm2 wurden in LB-Medium, dem 0,4 μg/mL Kanamycin zugesetzt wurde bei 42° C (DSM509-pHBBm2 bei 30° C) unter aeroben Bedingungen kultiviert. Dabei wurden jeweils sowohl Kulturen mit, als auch ohne Cobalt-Zusatz untersucht. 5 Stunden nach Induktion wurden die Proben mit Hilfe des ELISA-Vitamin B-i2-Tests auf ihre Vitamin B12-Gehalte überprüft. Die Auswertung des ELISA-Tests ist in Figur 1 und Figur 2 dargestellt.The B. megaterium strains HBBm3 and DSM509 with pHBBm2 were cultivated in LB medium to which 0.4 μg / ml kanamycin was added at 42 ° C. (DSM509-pHBBm2 at 30 ° C.) under aerobic conditions. Cultures with and without addition of cobalt were examined. 5 hours after induction, the samples were checked for their vitamin B 12 content using the ELISA vitamin Bi 2 test. The evaluation of the ELISA test is shown in Figure 1 and Figure 2.
Sowohl die Überexpression des cobl-Operons der HBBm3-Kulturen (5 und 6) als auch die Überexpression des cbiX-Gens bei den DSM509- pHBBm2-Kulturen (3 und 4) führt zu einer Steigerung der Vitamin B12- Gehalte gegenüber dem Ausgangsstamm DSM509 (1 und 2).Both the overexpression of the cobl operon of the HBBm3 cultures (5 and 6) and the overexpression of the cbiX gene in the DSM509-pHBBm2 cultures (3 and 4) lead to an increase in vitamin B 12 contents compared to the parent strain DSM509 (1 and 2).
Aus Figur 1 geht hervor, daß es bei Kulturen ohne Cobalt-Zusatz (1 , 3, 5) zu einer Steigerung der Vitamin Bι2-Gehalte von 0,04 μg/LxOD578 beim Ausgangsstamm (1) auf 0,45 μg LxODs78 bei HBBmS (5) kommt. Dies entspricht einer Steigerung um den Faktor 11. Für die DSM509-pHBBm2- Kulturen (3) ergibt sich interessanterweise die gleiche Steigerung (0,43 μg/LxOD57δ), obwohl hier nur die Cobalt-Chelatase überexprimiert worden ist.It can be seen from FIG. 1 that in cultures without addition of cobalt (1, 3, 5) there is an increase in the vitamin B 2 content from 0.04 μg / LxOD 578 in the starting strain (1) to 0.45 μg LxODs 78 HBBmS (5) comes. This corresponds to an increase by a factor of 11. Interestingly, the same increase results for the DSM509-pHBBm2 cultures (3) (0.43 μg / LxOD 5 7δ), although only the cobalt chelatase has been overexpressed here.
Betrachtet man als nächstes die Vitamin Bi2-Gehalte der Kulturen mit 250 μM CoCI2 (2, 4, 6), so fällt eine generelle Steigerung der Vitamin B-j2- Gehalte bei allen Kulturen auf. Interessant ist, daß die transformierten Stämme durch die überexprimierte Cobalt-Chelatase eine höhere Vitamin B 2-Steigerung gegenüber den Kulturen ohne Cobalt-Zusatz zeigen, als dies beim Ausgangsstamm DSM509 der Fall ist. Der Vitamin Bi2-Gehalt des Ausgangsstammes DSM509 (1) steigt bei Cobalt-Zugabe um den Faktor 4 auf 0,16 μg/LxOD578 (2). DSM509-pHBBm2 (4; 0,82 μg/LxOD578) und HBBm3 (6; 0,79 μg/LxOD578) zeigen beide einen Anstieg um den Faktor 5 gegenüber dem Ausgangsstamm mit 250 μM C0CI2 (2). Das bedeutet also, daß der Anstieg der Vitamin Bι2-Gehalte bei den Transformanten nicht allein durch den Effekt des Cobalt-Zusatzes zu erklären ist. Dies bedeutet, daß die cbiX-Überexpression eine Steigerung der Vitamin B-ι2-Produktion der B. megaterium-Transformanten bewirkt.If you next consider the vitamin Bi 2 contents of the cultures with 250 μM CoCI 2 (2, 4, 6), you will notice a general increase in vitamin Bj 2 contents in all cultures. It is interesting that the transformed strains show a higher vitamin B 2 increase compared to the cultures without addition of cobalt due to the overexpressed cobalt chelatase than is the case with the parent strain DSM509. The vitamin Bi 2 content of the parent strain DSM509 (1) increases by a factor of 4 when cobalt was added to 0.16 μg / LxOD 57 8 (2). DSM509-pHBBm2 (4; 0.82 μg / LxOD 578 ) and HBBm3 (6; 0.79 μg / LxOD 578 ) both show a factor 5 increase compared to the starting strain with 250 μM C0CI 2 (2). This means that the increase in vitamin B 2 levels in the transformants cannot be explained solely by the effect of the addition of cobalt. This means that the cbiX overexpression causes an increase in the vitamin B-ι 2 production of the B. megaterium transformants.
Betrachtet man auch die für die industrielle Produktion wichtigen Vitamin Bewerte in μg/L (Figur 2), so zeigt sich ein ähnliches Ergebnis wie bei den Werten in μg/LxOD578- Insgesamt liegen die Vitamin Bι2-Steigerungen aber niediger, da die Transformanten ein deutlich schlechteres Wachstum zeigten als der Ausgangsstamm. Dadurch werden die hohen Vitamin B12- Steigerungen pro Zelle (μg/LxODs78) durch die geringere Zellanzahl pro Liter Medium verringert. Dennoch erreicht die B. megaterium- Transformante DSM509 mit pHBBm2 bei Cobalt-Zusatz einen Vitamin B-12- Gehalt von 1 ,59 μg/L. Das entspricht einer Steigerung um den Faktor 3 gegenüber dem Ausgangsstamm DSM509 mit 250 μM C0CI2 (0,56 μg/L).If one also looks at the vitamin values in μg / L that are important for industrial production (Figure 2), the result is similar to the values in μg / LxOD 5 78- Overall, however, the vitamin B 2 increases are lower because the Transformants showed significantly worse growth than the parent strain. This reduces the high vitamin B12 increases per cell (μg / LxODs 78 ) due to the lower number of cells per liter of medium. Nevertheless, the B. megaterium transformant DSM509 with pHBBm2 with added cobalt has a vitamin B-12 content of 1.59 μg / L. This corresponds to an increase by a factor of 3 compared to the parent strain DSM509 with 250 μM C0CI 2 (0.56 μg / L).
Zur besseren Übersicht sind alle Vitamin Bi2-Gehalte der Figuren 1 und 2 in Tabelle 3 zusammengefaßt. Tabelle 3:For a better overview, all vitamin Bi 2 contents of Figures 1 and 2 are summarized in Table 3. Table 3:
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Legende zu den FigurenLegend to the figures
Im folgenden wird die vorliegende Erfindung anhand der Figuren noch erläutert.In the following the present invention will be explained with reference to the figures.
Figur 1 zeigt eine Schematische Darstellung der Klonierungsstrategie des Plasmids pHBBm2. Das durch PCR amplifizierte cbiX-Fragment und der Vektor pHBintN wurden jeweils mit Spei (Beul) und Xmal geschnitten und die entstandenen kohäsiven Enden zum Integrationsvektor pHBBm2 ligiert. Dabei gerät cbiX unter die Kontrolle des xylA-Promotors (schwarz).Figure 1 shows a schematic representation of the cloning strategy of the plasmid pHBBm2. The cbiX fragment amplified by PCR and the vector pHBintN were cut with Spei (Beul) and Xmal and the resulting cohesive ends ligated to the integration vector pHBBm2. CbiX comes under the control of the xylA promoter (black).
Figur 2 zeigt einen Vergleich der DNA-Sequenzen des in der vorliegenden Anmeldung sequenzierten cbiX-Gens aus Bacillus megaterium (NEU.seq) mit dem bislang bekannten cbiX-Gen (ALT.seq) aus Bacillus megaterium (Leech et al., 2002, Biochem. Soc. Transac, 30 (4): 610-613).FIG. 2 shows a comparison of the DNA sequences of the cbiX gene from Bacillus megaterium (NEU.seq) sequenced in the present application with the previously known cbiX gene (ALT.seq) from Bacillus megaterium (Leech et al., 2002, Biochem Soc Transac, 30 (4): 610-613).
Figur 3 zeigt einen Teilvergleich der Amiosäuresequenz abgeleitet von dem in der vorliegenden Anmeldung sequenzierten cbiX-Gen (NEU. pro) mit der Aminosäuresequenz (ALT.pro) des bislang bekannten cbiX-Gens aus Bacillus megaterium (Leech et al., 2002, Biochem. Soc. Transac, 30 (4): 610-613) sowie weiteren bekannten Aminosäuresequenzen des Proteins.FIG. 3 shows a partial comparison of the amino acid sequence derived from the cbiX gene (NEU. Pro) sequenced in the present application with the amino acid sequence (ALT.pro) of the previously known cbiX gene from Bacillus megaterium (Leech et al., 2002, Biochem. Soc. Transac, 30 (4): 610-613) and other known amino acid sequences of the protein.
Figur 4 zeigt eine schematische Darstellung eines Integrationsereignisses von pHBBm2 über Single-Crossing-Over-Rekombination in das B. megaterium Chromosom. Nach der Integration befindet sich das cbiX-Gen mit den nachfolgenden Genen des Operons unter der Kontrolle des xylA- Promotors, die somit mittels Xylose induzierbar sind. Weiß hinterlegt: Gene des B. megaterium Chromosoms. Schwarz hinterlegt: Gene der Plasmid-DNA. Figur 5 zeit eine schematische Darstellung des cobl-Operons aus B. megaterium (Raux et al., 1998 a, b). Durch Integration eines Xylose induzierbaren Promotors (xylA-Promotor aus B. megaterium) vor das cbiX- Gen soll eine Überexpression der nachfolgenden Gene im Operon ermöglicht werden. Dabei wird die vermutete Vitamin Bi2-Feedback- Inhibierung durch cbiW und cbiHeo umgangenFIG. 4 shows a schematic representation of an integration event of pHBBm2 via single crossing-over recombination in the B. megaterium chromosome. After integration, the cbiX gene with the subsequent genes of the operon is under the control of the xylA promoter, which can thus be induced by means of xylose. Highlighted in white: genes of the B. megaterium chromosome. Black background: genes of the plasmid DNA. FIG. 5 shows a schematic representation of the cobl operon from B. megaterium (Raux et al., 1998 a, b). By integrating a xylose inducible promoter (xylA promoter from B. megaterium) in front of the cbiX gene, an overexpression of the following genes in the operon is to be made possible. The suspected vitamin Bi 2 feedback inhibition by cbiW and cbiHeo is avoided
Figur 6 zeigt die Vitamin Bι2-Produktion der B. megaterium Stämme DSM509, DSM509-pHBBm2 und HBBm3. Alle Stämme wurden unter aeroben Wachstumsbedingungen in LB-Medium kultiviert. Die ausgefüllten Balken zeigen die Vitamin Bi2-Gehalte von Kulturen ohne Cobalt-Zusatz. Die gestreiften Balken zeigen die Vitamin Bι2-Gehalte von Kulturen mit 250 μM CoCI2-Zusatz. Es ist der Gehalt an Vitamin B12 pro Zellmasse in μg/LxODs78 angegeben nach 5 h Xylose-Induktion. 1 und 2: OSM509Figure 6 shows the vitamin Bι 2 production of the B. megaterium strains DSM509, DSM509-pHBBm2 and HBBm3. All strains were cultured in LB medium under aerobic growth conditions. The filled bars show the vitamin Bi 2 contents of cultures without added cobalt. The striped bars show the vitamin B 2 contents of cultures with 250 μM CoCI 2 addition. The content of vitamin B 12 per cell mass is given in μg / LxODs7 8 after 5 h of xylose induction. 1 and 2: OSM509
3 und 4: DSM509-pHBBm2 5 und 6: HBBm33 and 4: DSM509-pHBBm2 5 and 6: HBBm3
Figur 7 zeigt die Vitamin Bι -Produktion der B. megaterium Stämme DSM509, DSM509-pHBBm2 und HBBm3. Alle Stämme wurden unter aeroben Wachstumsbedingungen in LB-Medium kultiviert. Die ausgefüllten Balken zeigen die Vitamin Bι2-Gehalte von Kulturen ohne Cobalt-Zusatz. Die gestreiften Balken zeigen die Vitamin Bi2-Gehalte von Kulturen mit 250 μM CoCI -Zusatz. Es ist der Gehalt an Vitamin B-ι in μg pro Liter Bakterien-Kultur angegeben nach 5 h Xylose-Induktion. 1 und 2: DSM509 3 und 4: DSM509-pHBBm2 5 und 6: HBBmS Figure 7 shows the vitamin Bι production of the B. megaterium strains DSM509, DSM509-pHBBm2 and HBBm3. All strains were cultured in LB medium under aerobic growth conditions. The filled bars show the vitamin B 2 contents of cultures without the addition of cobalt. The striped bars show the vitamin Bi 2 contents of cultures with 250 μM CoCI addition. It is the content of vitamin B-ι in μg per liter of bacteria culture given after 5 h of xylose induction. 1 and 2: DSM509 3 and 4: DSM509-pHBBm2 5 and 6: HBBmS

Claims

Ansprüche: Expectations:
1. Verfahren zur Herstellung von Vitamin B12 wobei a) ein Vektor, enthaltend eine Nukleotidsequenz gemäß SEQ ID No. 1. hergestellt wird, b) ein Mikroorganismus mit entsprechendem Vektor transformiert wird und c) der so hergestellte Mikroorganismus für die Herstellung von Vitamin B12 eingesetzt wird.1. Process for the production of vitamin B12 where a) a vector containing a nucleotide sequence according to SEQ ID No. 1. is produced, b) a microorganism is transformed with a corresponding vector and c) the microorganism thus produced is used for the production of vitamin B12.
2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Mikroorganismus zur Gattung Bacillus, Pseudomonas oder Propionibakterium gehört.2. The method according to claim 1, characterized in that the microorganism belongs to the genus Bacillus, Pseudomonas or Propionibacterium.
3. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Mikroorganismus zur Spezies Bacillus megaterium gehört.3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the microorganism belongs to the species Bacillus megaterium.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß in Schritt 1.c) ein Kulturmedium enthaltend Xylose eingesetzt wird.4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that a culture medium containing xylose is used in step 1.c).
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß in Schritt 1.c) ein Kulturmedium enthaltend Cobalt eingesetzt wird.5. The method according to any one of claims 1 to 4, characterized in that a culture medium containing cobalt is used in step 1.c).
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß in Schritt 1.c) ein Kulturmedium enthaltend Kanamycin oder Neomycin eingesetzt wird. 6. The method according to any one of claims 1 to 5, characterized in that in step 1.c) a culture medium containing kanamycin or neomycin is used.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Vektor das cbiX-Gen unter der Kontrolle eines induzierbaren Promotors steht.7. The method according to any one of claims 1 to 6, characterized in that in the vector, the cbiX gene is under the control of an inducible promoter.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Vektor das cbiX-Gen unter der Kontrolle des Xylose-induzierbaren xylA-Promotors steht.8. The method according to any one of claims 1 to 7, characterized in that in the vector, the cbiX gene is under the control of the xylose-inducible xylA promoter.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Vektor zur Selektion wenigstens eine9. The method according to any one of claims 1 to 8, characterized in that the vector for selection at least one
Neomycin und/oder Kanamycin-Resistenz-Kassette aufweist.Neomycin and / or Kanamycin resistance cassette.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Vektor einen temperatur-sensitiven Replikationsursprung orits aufweist.10. The method according to any one of claims 1 to 9, characterized in that the vector has a temperature-sensitive origin of replication ori ts .
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Vektor in den Mikroorganismen extrachromosomal replizierbar ist.11. The method according to any one of claims 1 to 10, characterized in that the vector is replicable extrachromosomally in the microorganisms.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Vektor in das Chromosom des Mikroorganismus integriert ist und chromosomal repliziert wird.12. The method according to any one of claims 1 to 11, characterized in that the vector is integrated into the chromosome of the microorganism and is replicated chromosomally.
13. Vektor, enthaltend eine Nukleotidsequenz gemäß SEQ ID No. 1.13. Vector containing a nucleotide sequence according to SEQ ID No. 1.
14. Vektor gemäß Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das cbiX-Gen unter der Kontrolle eines induzierbaren Promotors steht. 14. Vector according to claim 13, characterized in that the cbiX gene is under the control of an inducible promoter.
15. Vektor gemäß einem der Ansprüche 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß das cbiX-Gen unter der Kontrolle des Xylose- induzierbaren xylA-Promotors steht.15. Vector according to one of claims 13 or 14, characterized in that the cbiX gene is under the control of the xylose-inducible xylA promoter.
16. Vektor gemäß einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß er zur Selektion wenigstens eine Neomycin und/oder Kanamycin-Resistenz-Kassette aufweist.16. Vector according to one of claims 13 to 15, characterized in that it has at least one neomycin and / or kanamycin resistance cassette for selection.
17. Vektor gemäß einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß er einen temperatur-sensitiven17. Vector according to one of claims 13 to 16, characterized in that it is a temperature-sensitive
Replikationsursprung orits aufweist.Origin of replication ori ts .
18. Genetisch veränderter Mikroorganismus enthaltend einen Vektor gemäß einem der Ansprüche 13-17.18. Genetically modified microorganism containing a vector according to any one of claims 13-17.
19. Genetisch veränderter Mikroorganismus gemäß Anspruch 18 dadurch gekennzeichnet, daß der Vektor nach einem der Ansprüche 13-17 extrachromosomal replizierbar ist.19. Genetically modified microorganism according to claim 18, characterized in that the vector according to one of claims 13-17 is replicable extrachromosomally.
20. Genetisch veränderter Mikroorganismus gemäß einem der Ansprüche 18 oder 19 dadurch gekennzeichnet, daß der Vektor nach einem der Ansprüche 13-17 in das Chromosom des Mikroorganismus integriert ist und chromosomal repliziert wird.20. Genetically modified microorganism according to one of claims 18 or 19, characterized in that the vector according to one of claims 13-17 is integrated into the chromosome of the microorganism and is replicated chromosomally.
21. Genetisch veränderter Mikroorganismus gemäß einem der Ansprüche 18 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß er zur Spezies Bacillus megaterium gehört.21. Genetically modified microorganism according to one of claims 18 to 20, characterized in that it belongs to the species Bacillus megaterium.
22. Verwendung eines Vektors nach einem der Ansprüche 13 bis 17 zur Transformation von Mikroorganismen. 22. Use of a vector according to one of claims 13 to 17 for the transformation of microorganisms.
23. Verwendung eines Vektors nach einem der Ansprüche 12 bis 15 zur Herstellung von Vitamin B12.23. Use of a vector according to one of claims 12 to 15 for the production of vitamin B12.
24. Verwendung eines genetisch veränderten Mikroorganismus nach einem der Ansprüche 18 bis 21 zur Herstellung von Vitamin B12. 24. Use of a genetically modified microorganism according to one of claims 18 to 21 for the production of vitamin B12.
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