WO2015083769A1 - Production method for polyhydroxyalkanoate using only photosynthesis - Google Patents

Production method for polyhydroxyalkanoate using only photosynthesis Download PDF

Info

Publication number
WO2015083769A1
WO2015083769A1 PCT/JP2014/082073 JP2014082073W WO2015083769A1 WO 2015083769 A1 WO2015083769 A1 WO 2015083769A1 JP 2014082073 W JP2014082073 W JP 2014082073W WO 2015083769 A1 WO2015083769 A1 WO 2015083769A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
pha
algae
acetoacetyl
cyanobacteria
gene
Prior art date
Application number
PCT/JP2014/082073
Other languages
French (fr)
Japanese (ja)
Inventor
松井 南
志夫 栗原
ニョクシン ラウ
フーンチュン ピン
スーディッシュ クマール
Original Assignee
国立研究開発法人理化学研究所
ユニバーシティ サインス マレーシア
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 国立研究開発法人理化学研究所, ユニバーシティ サインス マレーシア filed Critical 国立研究開発法人理化学研究所
Priority to JP2015551556A priority Critical patent/JP6492011B2/en
Publication of WO2015083769A1 publication Critical patent/WO2015083769A1/en

Links

Images

Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C12BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12NMICROORGANISMS OR ENZYMES; COMPOSITIONS THEREOF; PROPAGATING, PRESERVING, OR MAINTAINING MICROORGANISMS; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING; CULTURE MEDIA
    • C12N9/00Enzymes; Proenzymes; Compositions thereof; Processes for preparing, activating, inhibiting, separating or purifying enzymes
    • C12N9/93Ligases (6)
    • 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
    • C12N1/00Microorganisms, e.g. protozoa; Compositions thereof; Processes of propagating, maintaining or preserving microorganisms or compositions thereof; Processes of preparing or isolating a composition containing a microorganism; Culture media therefor
    • C12N1/12Unicellular algae; Culture media therefor
    • 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
    • C12N9/0004Oxidoreductases (1.)
    • C12N9/0006Oxidoreductases (1.) acting on CH-OH groups as donors (1.1)
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C12BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12PFERMENTATION OR ENZYME-USING PROCESSES TO SYNTHESISE A DESIRED CHEMICAL COMPOUND OR COMPOSITION OR TO SEPARATE OPTICAL ISOMERS FROM A RACEMIC MIXTURE
    • C12P7/00Preparation of oxygen-containing organic compounds
    • C12P7/62Carboxylic acid esters
    • C12P7/625Polyesters of hydroxy carboxylic acids
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C12BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12YENZYMES
    • C12Y101/00Oxidoreductases acting on the CH-OH group of donors (1.1)
    • C12Y101/01Oxidoreductases acting on the CH-OH group of donors (1.1) with NAD+ or NADP+ as acceptor (1.1.1)
    • C12Y101/01036Acetoacetyl-CoA reductase (1.1.1.36)
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C12BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12YENZYMES
    • C12Y602/00Ligases forming carbon-sulfur bonds (6.2)
    • C12Y602/01Acid-Thiol Ligases (6.2.1)
    • C12Y602/01016Acetoacetate-CoA ligase (6.2.1.16)

Abstract

As a result of introducing genes that encode acetoacetyl-CoA synthase in cyanobacteria, the present invention succeeds in producing PHA at a significantly high level of efficiency even when cultivation is performed in an inorganic salt culture solution that does not contain sugar and photosynthesis is performed using CO2 within air as a carbon source.

Description

光合成のみによるポリヒドロキシアルカン酸の生産Production of polyhydroxyalkanoic acid by photosynthesis alone
 本発明は、アセトアセチルCoA合成酵素が導入された藻類及びポリヒドロキシアルカン酸(PHA)の製造における当該藻類の利用に関する。 The present invention relates to an algae into which acetoacetyl-CoA synthase has been introduced and use of the algae in the production of polyhydroxyalkanoic acid (PHA).
 ラン藻は、地球上で最古の光合成生物グループの一つであり、今日我々が呼吸している酸素大気の進化において重要な役割を担ってきた(非特許文献1)。現代でもラン藻は、地球全体の炭素のリサイクリング、窒素サイクル、及び、最も重要なことには、大気の組成の維持において中心的な役割を演じている(非特許文献2、3)。ラン藻は、太陽エネルギーを利用して二酸化炭素をバイオマスに固定するため、様々な化学品や生物燃料の理想的な生産者であると考えられている。自然環境下では、窒素濃度の変動が絶えず生じており、微生物は様々な炭素やエネルギー貯蔵化合物を蓄積することによって栄養飢餓に対応している(非特許文献4)。これらの貯蔵ポリマー、特にPHAの研究は、近年、石油化学プラスチックによって生じた廃棄物処理問題に対処する試みにおいて、かなりの興味を引いてきた(非特許文献5)。 Cyanobacteria are one of the oldest photosynthetic organisms on the planet and have played an important role in the evolution of the oxygen atmosphere we breathe today (Non-patent Document 1). Even today, cyanobacteria play a central role in global carbon recycling, the nitrogen cycle, and most importantly, the maintenance of atmospheric composition (Non-Patent Documents 2 and 3). Cyanobacteria are considered to be ideal producers of various chemicals and biofuels because they use solar energy to fix carbon dioxide to biomass. In the natural environment, fluctuations in nitrogen concentration occur constantly, and microorganisms respond to nutrient starvation by accumulating various carbon and energy storage compounds (Non-patent Document 4). Research on these storage polymers, especially PHA, has attracted considerable interest in recent years in an attempt to address the waste disposal problem caused by petrochemical plastics (Non-Patent Document 5).
 現在、PHAの産業生産のために利用されている主要な生物学的プロセスは、従属栄養細菌の発酵である。にもかかわらず、汎用ポリマーとしてのPHAの経済的実用性は、発酵プロセスの間の高価な炭素物質やその他の必要物質による高い生産コストによって制限されている。相当な努力が、より費用効果の高いPHA生産プロセスの研究に注がれてきた(非特許文献6)。興味深くかつ将来性のあるアプローチは、PHA生産の宿主としての光合成ラン藻の利用である。“微生物工場”としてのラン藻は、大気からの二酸化炭素を光合成によって直接的に高分子量PHAに固定することができる。光独立栄養であることに加え、ラン藻は、増殖に最小限の栄養しか要求しないため、炭素源と複合的な増殖培地のコストを削減することができる(非特許文献7)。従って、ラン藻の利用は、この環境に優しいポリマーの生産のために、費用効果的かつ持続可能なアプローチを提供する。 Currently, the main biological process utilized for industrial production of PHA is the fermentation of heterotrophic bacteria. Nevertheless, the economic utility of PHA as a general purpose polymer is limited by high production costs due to expensive carbon materials and other necessary materials during the fermentation process. Considerable efforts have been devoted to researching more cost-effective PHA production processes (Non-Patent Document 6). An interesting and promising approach is the use of photosynthetic cyanobacteria as a host for PHA production. Cyanobacteria as a “microbe factory” can directly fix carbon dioxide from the atmosphere to high molecular weight PHA by photosynthesis. In addition to being photoautotrophic, cyanobacteria require minimal nutrients for growth, thus reducing the cost of a growth medium that is complex with the carbon source (Non-Patent Document 7). Thus, the use of cyanobacteria provides a cost-effective and sustainable approach for the production of this environmentally friendly polymer.
 ラン藻におけるPHAの存在は、Carrによって最初に報告された。この報告では、ポリ(3-ヒドロキシブチレート)(略称:P(3HB))のクロトン酸への酸加水分解とそれに続く加水分解産物のUVスペクトル測定に基づき、クロログレア フリツキ(Chloroglea fritschii)においてPHAを分析した(非特許文献8)。その後、多くの研究が、スイゼンジノリ(Aphanothece sp.)(非特許文献9)、オリラトリア リモサ(Oscillatoria limosa)(非特許文献10)、スピルリナ(Spirulina)属のいくつかの種(非特許文献11、12)、及び好熱性株シネココッカス(Synechococcus sp.)MA19(非特許文献13)を含むいくつかの他のラン藻においてPHAの存在を証明してきた。これまでラン藻は、3-ヒドロキシブチレート(3HB)及び/又は3-ヒドロキシバレレート(3HV)のモノマーのみを含むPHAの生産能力によって特徴づけられている(非特許文献9、10、14)。ラン藻におけるPHAの産生に関する多くの報告があるが、これらの研究の大部分は、ラン藻におけるPHA蓄積の生理学あるいは発酵の観点を探求したものである。 The presence of PHA in cyanobacteria was first reported by Carr. In this report, based on acid hydrolysis of poly (3-hydroxybutyrate) (abbreviation: P (3HB)) to crotonic acid and subsequent UV spectrum measurement of the hydrolyzate, PHA was measured in Chloroglea fritschii. Analyzed (Non-Patent Document 8). Since then, many studies have been conducted on Aphanothece sp. (Non-patent document 9), Oscillatoria limosa (Non-patent document 10), and several species of the genus Spirulina (Non-patent documents 11 and 12). And the presence of PHA in several other cyanobacteria, including the thermophilic strain Synechococcus sp. MA19 (Non-Patent Document 13). To date, cyanobacteria have been characterized by the ability to produce PHA containing only 3-hydroxybutyrate (3HB) and / or 3-hydroxyvalerate (3HV) monomers (Non-Patent Documents 9, 10, and 14). . There are many reports on the production of PHA in cyanobacteria, but most of these studies explore the physiological or fermentation aspects of PHA accumulation in cyanobacteria.
 ラン藻におけるPHA合成の生化学的及び分子的な基礎はあまり理解されていないのが現状である。 The current situation is that the biochemical and molecular basis of PHA synthesis in cyanobacteria is not well understood.
 本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、藻類を利用して高効率かつ廉価でポリヒドロキシアルカン酸を製造することにある。 The present invention has been made in view of such circumstances, and an object thereof is to produce polyhydroxyalkanoic acid with high efficiency and low cost by using algae.
 藻類は、CO2を炭素源とした光合成により、他の栄養源を必要とせずに生育することができる。その中でも、ラン藻(シネコシティス株PCC6803)は、ゲノム情報の利用可能性(Kaneko T et al. (1996) DNA Res 3: 109-136)と自然形質転換能による遺伝操作の容易性(Williams JGK (1988) Method Enzymol 167: 766-778)から、様々なバイオテクノロジー生産に適している。そこで、本発明者は、ラン藻において、PHA生合成への中間体の流れを増加させ、かつ、高活性なPHA合成酵素を導入することによる代謝的な改変を試みた。 Algae can grow without the need for other nutrient sources by photosynthesis using CO 2 as a carbon source. Among them, cyanobacteria (Cinecocity strain PCC6803) uses genomic information (Kaneko T et al. (1996) DNA Res 3: 109-136) and ease of genetic manipulation by natural transformation ability (Williams JGK ( 1988) Method Enzymol 167: 766-778), suitable for various biotechnology production. Therefore, the present inventor has attempted metabolic alterations in cyanobacteria by increasing the flow of intermediates to PHA biosynthesis and introducing a highly active PHA synthase.
 具体的には、まず、ラン藻にPHAを生産させるため、PHA生産に必要なβ-ケトチオラーゼ(phaA;カプリアビダス属由来)、アセトアセチルCoAレダクターゼ(phaB;カプリアビダス属由来)、及びPHA重合酵素(phaC;クロモバクテリア属由来)という3つの酵素をコードする遺伝子の導入を行った。しかしながら、組換え体におけるPHAの生産効率は低かった。 Specifically, in order to produce PHA in cyanobacteria, β-ketothiolase (phaA; derived from Capriavidas), acetoacetyl-CoA reductase (phaB; derived from Capriavidas), and PHA polymerization enzyme (phaC A gene encoding three enzymes (from the genus Chromobacteria). However, PHA production efficiency in the recombinant was low.
 そこで、次に、βケトチオラーゼ遺伝子の代わりに、アセトアセチルCoA合成酵素(nphT7;ストレプトマイセス属由来)をコードする遺伝子を導入し、PHA生産の代謝経路の改変を試みた(図1)。その結果、糖を含まない無機塩類の培養液で育成し、空気中のCO2を炭素源とした光合成を行った場合でも、ラン藻の乾燥重量の14%にあたるPHAを合成させることに成功した。さらに、炭素源として酢酸を加えたところ、ラン藻の乾燥重量の41%までPHAを生産効率を高めることができた(図2)。この値は、光合成のみによるPHA生産の世界最高値である。 Then, next, instead of the β-ketothiolase gene, a gene encoding acetoacetyl-CoA synthase (nphT7; derived from Streptomyces) was introduced to try to modify the metabolic pathway of PHA production (FIG. 1). As a result, it is grown in culture inorganic salts that do not contain sugar, even if the CO 2 in air was carried out photosynthesis the carbon source, and succeeded in synthesizing a PHA corresponding to 14% of the dry weight of the cyanobacteria . Furthermore, when acetic acid was added as a carbon source, the production efficiency of PHA could be increased to 41% of the dry weight of cyanobacteria (Fig. 2). This value is the world's highest value for PHA production by photosynthesis alone.
 驚くべきことに、アセトアセチルCoA合成酵素遺伝子の導入により最も高いPHA生産能を示した株では、ネイティブのPHA生合成関連遺伝子(β-ケトチオラーゼ及びアセトアセチルCoAレダクターゼ)の発現レベルが、これら遺伝子導入を行わない株と比較して相対的に低く、導入したPHA生合成関連遺伝子の発現レベルもまたβ-ケトチオラーゼ遺伝子を導入した株と比較して相対的に低かった(図3、4)。一方、光合成活性に関与する多くの遺伝子の発現が、これらの株と比較して上方制御されていた(図5)。従って、PHA生産において示された顕著な効果は、導入したアセトアセチルCoA合成酵素遺伝子の発現によるPHA生産への流れの強制的な誘導のみならず、予期せず生じた光合成活性の増加にも起因すると考えられる。 Surprisingly, in the strains that showed the highest PHA-producing ability by introducing the acetoacetyl-CoA synthase gene, the expression levels of native PHA biosynthesis-related genes (β-ketothiolase and acetoacetyl-CoA reductase) The expression level of the introduced PHA biosynthesis-related gene was also relatively low compared to the strain into which the β-ketothiolase gene was introduced (FIGS. 3 and 4). On the other hand, the expression of many genes involved in photosynthetic activity was up-regulated compared to these strains (FIG. 5). Therefore, the remarkable effect shown in PHA production is due not only to the forced induction of the flow to PHA production by the expression of the introduced acetoacetyl-CoA synthase gene, but also to an unexpected increase in photosynthetic activity. I think that.
 本発明は、アセトアセチルCoA合成酵素遺伝子が導入された藻類及びポリヒドロキシアルカン酸の製造における当該藻類の利用に関し、より詳しくは、以下の発明を提供するものである。 The present invention relates to the algae into which the acetoacetyl-CoA synthase gene has been introduced and the use of the algae in the production of polyhydroxyalkanoic acid. More specifically, the present invention provides the following inventions.
 [1]アセトアセチルCoA合成酵素が導入された藻類。 [1] Algae introduced with acetoacetyl-CoA synthase.
 [2]さらに、アセトアセチルCoAレダクターゼ及びPHA重合酵素が導入された、[1]に記載の藻類。 [2] The algae according to [1], further introduced with acetoacetyl-CoA reductase and PHA polymerizing enzyme.
 [3]アセトアセチルCoA合成酵素がnphT7である、[1]又は[2]に記載の藻類。 [3] The algae according to [1] or [2], wherein the acetoacetyl-CoA synthase is nphT7.
 [4]アセトアセチルCoAレダクターゼがphaBである、[1]又は[2]に記載の藻類。 [4] Algae according to [1] or [2], wherein the acetoacetyl-CoA reductase is phaB.
 [5]PHA重合酵素がphaCである、[1]又は[2]に記載の藻類。 [5] The algae according to [1] or [2], wherein the PHA polymerizing enzyme is phaC.
 [6]藻類がラン藻である、[1]から[5]のいずれかに記載の藻類。 [6] The algae according to any one of [1] to [5], wherein the algae is cyanobacteria.
 [7]アセトアセチルCoA合成酵素を藻類に導入することを含む、藻類におけるポリヒドロキシアルカン酸の生産能を増強する方法。 [7] A method for enhancing the ability to produce polyhydroxyalkanoic acid in algae, including introducing acetoacetyl-CoA synthase into algae.
 [8][1]から[6]のいずれかに記載の藻類を光合成可能な条件下で培養することを含む、ポリヒドロキシアルカン酸の製造方法。 [8] A method for producing polyhydroxyalkanoic acid, comprising culturing the algae according to any one of [1] to [6] under conditions capable of photosynthesis.
 [9]炭素源の施用下で培養する、[8]に記載の製造方法。 [9] The production method according to [8], wherein the culture is performed under application of a carbon source.
 [10]炭素源が二酸化炭素である、[9]に記載の製造方法。 [10] The production method according to [9], wherein the carbon source is carbon dioxide.
 [11]炭素源が酢酸である、[9]に記載の製造方法。 [11] The production method according to [9], wherein the carbon source is acetic acid.
 [12]空気交換制限条件下で培養を行う、[8]に記載の製造方法。 [12] The production method according to [8], wherein the culture is performed under air exchange restriction conditions.
 バイオプラスチックは生物由来のプラスチックであり、飲料容器や、車の内装、パソコンなどあらゆる用途に使われ始めている。また、微生物による分解性(生分解性)を備えた素材も開発され、石油由来のプラスチックには無い、環境負荷低減効果が期待されている。しかしながら、その生産性は、使用する植物や微生物の乾燥重量の数%以下と非常に低く、また、植物や微生物の生育遅延などの問題も報告されてきた。さらに、バイオプラスチックの生産には、微生物の培養に大量の糖と特別な施設が必要で、コスト面に課題があった。 Bioplastics are bio-derived plastics that are beginning to be used in various applications such as beverage containers, car interiors, and personal computers. In addition, a material having degradability (biodegradability) by microorganisms has been developed, and an environmental load reduction effect that is not found in plastics derived from petroleum is expected. However, its productivity is very low, such as several percent or less of the dry weight of the plant or microorganism used, and problems such as growth delay of the plant and microorganism have been reported. Furthermore, the production of bioplastics requires a large amount of sugar and special facilities for culturing microorganisms, and there are problems in terms of cost.
 本発明においては、アセトアセチルCoA合成酵素遺伝子を導入した藻類を利用することにより、予想外の光合成活性の増加も相まって、溶液の炭素源なしでラン藻の乾燥重量の14%、さらに炭素源として微量の酢酸を加えることで41%という世界最高レベルのPHAの生産効率を達成することができた。本発明により、藻類におけるPHAの生産効率を飛躍的に高めるとともに、生産コストを大幅に低減することが可能となった。 In the present invention, by using an algae into which an acetoacetyl-CoA synthase gene has been introduced, together with an unexpected increase in photosynthetic activity, 14% of the dry weight of cyanobacteria without a solution carbon source, and further as a carbon source By adding a small amount of acetic acid, the world's highest level of PHA production efficiency of 41% was achieved. According to the present invention, it has become possible to dramatically increase the production efficiency of PHA in algae and to greatly reduce the production cost.
本発明者が開発したPHA生産の代謝経路を示す図である。It is a figure which shows the metabolic pathway of PHA production which this inventor developed. シネコシスティスPCC6803株(pTKP2031V、CCsACnBCn、及びCCsNphT7BCn)におけるP(3HB)の蓄積の比較を示すグラフである。(A)2-3% CO2でバブルしたもの、(B)0.4%(w/v)酢酸で補充して振とうしたもの、(C)空気交換制限条件下、0.4%(w/v)酢酸で補充して振とうしたもの。Synechocystis PCC6803 strain is a graph showing a comparison of accumulation of P (3HB) in (pTKP2031V, C Cs A Cn B Cn, and C Cs NphT7B Cn). (A) those bubble 2-3% CO 2, (B) 0.4% (w / v) which was shaken supplemented with acetic acid, (C) air exchange limited conditions, 0.4% (w / v) It was replenished with acetic acid and shaken. シネコシスティスPCC6803株におけるPHA生合成遺伝子の発現レベルを比較定量した結果を示すグラフである。(A)pTKP2031V(標準)に対するCCsACnBCn、及びCCsNphT7BCn(標的)の結果(ネイティブ遺伝子を検出)、(B)CCsACnBCn(標準)に対するCCsNphT7BCn(標的)の結果(導入遺伝子を検出)。It is a graph which shows the result of having quantified the expression level of the PHA biosynthesis gene in Synecocystis strain PCC6803. (A) pTKP2031V C Cs A Cn B Cn for (standard), and C Cs NphT7B Cn of (target) results (detection native gene), (B) C Cs A Cn B C against Cn (standard) Cs NphT7B Cn ( Target) results (detect transgene). 組換えシネコシスティスにおけるPHA合成関連遺伝子発現の制御を示す図である。It is a figure which shows control of the PHA synthesis related gene expression in recombinant Synechocystis. 組換えシネコシスティスにおける細胞内変化を示す図である。(a)pTKP2031Vに対するCCsACnBCn、及びCCsNphT7BCnの結果、(b)CCsACnBCnに対するCCsNphT7BCnの結果。黒の破線は、設計したルートを示す。発現の変動が見られた遺伝子を斜体で示した。下方制御された遺伝子には、遺伝子名の脇に下向きの矢印を示した。下向きの矢印が付されていな遺伝子は、全て上方制御された遺伝子である。なお、図中の略称と対応する正式名称の関係は次の通りである。AP, アロフィコシアニン(allophycocyanin); PC/PEC, フィコシアニン/フィコエリトロシアニン(phycocyanin/phycoerythrocyanin); Cytb6/f, シトクローム b6/f 複合体(cytochrome b6/f complex); PQ, プラストキノン(plastoquinone); FNR,  フェレドキシン-NADP(+) レダクターゼ(ferredoxin-NADP(+) reductase); Pc, プラストシアニン(plastocyanin); PSI, 光化学系I(photosystem I); PSII, 光化学系II(photosystem II); Ndh, NADHデヒドロゲナーゼ(NADH dehydrogenase); Glc-6-P, グルコース-6-リン酸(glucose-6-phosphate); Fru-6-P, フルクトース-6-リン酸(fructose-6-phosphate); Fru-1,6-bp, フルクトース-1,6-ビスリン酸(fructose-1,6-biphosphate); Glycerate-1,3-P2, 1,3-ビスホスホグリセリン酸(1,3-biphosphoglycerate); 3-P-Glycerate, 3-ホスホグリセリン酸(3-phosphoglycerate); Ru-1,5-bisP, リブロース-1,5-二リン酸(ribulose-1,5-biphosphate); PEP, ホスホエノールピルビン酸(phosphoenolpyruvate)。It is a figure which shows the intracellular change in recombinant Synechocystis. (a) C Cs A Cn B Cn for PTKP2031V, and C Cs NphT7B Cn results, (b) C Cs A Cn B Cn C Cs NphT7B Cn results for. The black broken line shows the designed route. Genes in which expression variation was observed are shown in italics. Down-regulated genes are indicated with a down arrow beside the gene name. All genes without a downward arrow are genes that are up-regulated. The relationship between the abbreviations in the figure and the corresponding formal names is as follows. AP, allophycocyanin; PC / PEC, phycocyanin / phycoerythrocyanin; Cytb 6 / f, cytochrome b6 / f complex; PQ, plastoquinone FNR, ferredoxin-NADP (+) reductase; Pc, plastocyanin; PSI, photosystem I; PSII, photosystem II; Ndh, NADH dehydrogenase; Glc-6-P, glucose-6-phosphate; Fru-6-P, fructose-6-phosphate; Fru-1 , 6-bp, fructose-1,6-bisphosphate; Glycerate-1,3-P 2 , 1,3-bisphosphoglycerate (1,3-biphosphoglycerate); 3- P-Glycerate, 3-phosphoglycerate; Ru-1,5-bisP, ribulose-1,5-biphosphate; PEP, phosphoenolpyruvate.
 本発明は、アセトアセチルCoA合成酵素が導入された藻類を提供する。本発明において「藻類」とは、水圏に棲む生物のうち、光合成能をもつものを意味する。本発明において用いられる藻類としては、例えば、ラン藻や海洋性藻類が挙げられるが、増殖速度が速いこと、遺伝子組換え手法が確立していること、ゲノム配列が解読されていること、及び遺伝子発現ベクターが整備されていることなどの理由からラン藻が好ましい。ラン藻の具体例としては、シネコシスティス(Synechocystis)属ラン藻、ミクロキスティス(Microcystis)属ラン藻(例えばミクロキスティス エルギノーサ/Microcystis aeruginosa)、アルスロスピラ(Arthrospira)属ラン藻(例えばアルスロスピラ プラテンシス/Arthrospira platensis)、シアノセイス(Cyanothece)属ラン藻、アルカリゲネス(Alcaligenes)属ラン藻(例えばアルカリゲネス ユートロフス/Alcaligenes eurtophus)、アナベナ(Anabaena)属ラン藻、シネココッカス(Synechococcus)属ラン藻、サーモシネココッカス(Thermosynechococcus)属ラン藻(例えばサーモシネココッカス エロンガタス/Thermosynechococcus elongats)、フロエオバクター(Gloeobacter)属ラン藻(例えばグロエオバクター ビオラセウス/Gloeobacter violaceus)、アカリオクロリス(Acaryochloris)属ラン藻(例えばアカリオクロリス マリーナ/Acaryochloris marina)、ノストック(Nostoc)属ラン藻(例えばノストック パンクチフォルメ/Nostoc punctiforme)、トリコデスミウム(Trichodesmium)属ラン藻、プロクロロン(Prochloron)属ラン藻、プロクロロコッカス(Prochlorococcus)属ラン藻などが挙げられる。 The present invention provides algae into which acetoacetyl-CoA synthase has been introduced. In the present invention, “algae” means an organism having photosynthetic ability among organisms living in the hydrosphere. Examples of the algae used in the present invention include cyanobacteria and marine algae. However, the growth rate is fast, the genetic recombination technique is established, the genome sequence is decoded, and the gene Cyanobacteria are preferable for the reason that expression vectors are maintained. Specific examples of cyanobacteria include the genus Synechocystis, the genus Microcystis (for example, Microcystis aeruginosa), the genus Arthrospira (for example, Arthrospira platensis), Cyanothece genus cyanobacteria, Alcaligenes genus cyanobacterium (eg, Alcaligenes eurtophus), Anabaena genus cyanobacterium, Synechococcus genus cyanobacterium, Thermosynechococcus (Thermosynechococcus) (E.g., Thermosynechococcus elongats), Gloeobacter genus cyanobacterium (e.g., Gloeobacter violaceus), Acaryochris (Acaryoch) loris) cyanobacterium (for example, Acaryochloris marina), Nostoc genus cyanobacterium (for example, Nostock punctiforme), Trichodesmium genus cyanobacterium, Prochloron Examples include the genus cyanobacteria and the genus Prochlorococcus genus cyanobacteria.
 本発明に用いられる「アセトアセチルCoA合成酵素」は、アセチルCoAとマロニルCoAとの不可逆的縮合によりアセトアセチルCoAを生成する反応を触媒する酵素である。当該酵素を藻類に導入することにより、PHA生産への流れを強制的に誘導することができる(図1)。藻類に導入するアセトアセチルCoA合成酵素としては、上記酵素活性を有する限り特に制限はないが、nphT7が好ましい。典型的なストレプトマイセス属由来のnphT7の塩基配列及びアミノ酸配列をそれぞれ配列番号:1及び2に示す。 The “acetoacetyl CoA synthase” used in the present invention is an enzyme that catalyzes a reaction for producing acetoacetyl CoA by irreversible condensation of acetyl CoA and malonyl CoA. By introducing the enzyme into algae, the flow to PHA production can be forcibly induced (FIG. 1). The acetoacetyl CoA synthetase introduced into the algae is not particularly limited as long as it has the above enzyme activity, but nphT7 is preferable. The nucleotide sequence and amino acid sequence of typical nphT7 derived from the genus Streptomyces are shown in SEQ ID NOs: 1 and 2, respectively.
 本発明においては、さらに、アセトアセチルCoAレダクターゼ及びPHA重合酵素を藻類に導入することができる。本発明における「アセトアセチルCoAレダクターゼ」は、アセトアセチルCoAから3-ヒドロキシブチルCoAを生成する反応を触媒する酵素である。藻類に導入するアセトアセチルCoAレダクターゼとしては、上記酵素活性を有する限り特に制限はないが、phaBが好ましい。典型的なカプリアビダス属由来のphaBの塩基配列及びアミノ酸配列をそれぞれ配列番号:3及び4に示し、典型的なシュードモナス属由来のphaBの塩基配列及びアミノ酸配列をそれぞれ配列番号:5及び6に示す。また、本発明における「PHA重合酵素」は、3-ヒドロキシブチルCoAからPHAを生成する反応を触媒する酵素である。藻類に導入するPHA重合酵素としては、上記酵素活性を有する限り特に制限はないが、phaCが好ましい。典型的なクロモバクテリア属由来のphaCの塩基配列及びアミノ酸配列をそれぞれ配列番号:7及び8に示す。 In the present invention, acetoacetyl CoA reductase and PHA polymerizing enzyme can be further introduced into algae. The “acetoacetyl CoA reductase” in the present invention is an enzyme that catalyzes a reaction for producing 3-hydroxybutyl CoA from acetoacetyl CoA. The acetoacetyl CoA reductase introduced into the algae is not particularly limited as long as it has the above enzyme activity, but phaB is preferable. The base sequence and amino acid sequence of typical phaB derived from the genus Capriavidas are shown in SEQ ID NOs: 3 and 4, respectively, and the base sequence and amino acid sequence of phaB from a typical Pseudomonas genus are shown in SEQ ID NOs: 5 and 6, respectively. Further, the “PHA polymerization enzyme” in the present invention is an enzyme that catalyzes a reaction for producing PHA from 3-hydroxybutyl CoA. The PHA polymerase introduced into the algae is not particularly limited as long as it has the above enzyme activity, but phaC is preferable. The base sequence and amino acid sequence of phaC derived from a typical genus Chromobacterium are shown in SEQ ID NOs: 7 and 8, respectively.
 なお、藻類に導入する上記の酵素のアミノ酸配列は、自然界において変異することがあり、また、人工的に変異させることもできる。上記酵素活性を有する限り、1若しくは複数のアミノ酸(例えば、30アミノ酸以内、10アミノ酸以内、5アミノ酸以内、3アミノ酸以内)が変異(置換、欠失、挿入、付加)した酵素も本発明において使用することができる。 It should be noted that the amino acid sequence of the above-mentioned enzyme introduced into algae may be mutated in nature, or may be artificially mutated. As long as it has the above enzyme activity, an enzyme in which one or more amino acids (for example, within 30 amino acids, within 10 amino acids, within 5 amino acids, within 3 amino acids) are mutated (substitution, deletion, insertion, addition) is also used in the present invention can do.
 本発明において上記酵素が藻類に「導入された」とは、遺伝子として藻類に導入された場合及びタンパク質として藻類に導入された場合の双方を含む意である。上記酵素をコードする遺伝子は、適当なベクターに挿入し、例えば、自然形質転換法、エレクトロポレーション法、接合法などの一般的な方法で藻類に導入することができる。遺伝子を発現させるためのプロモーターとしては、例えば、光誘導性のpsbAIIプロモーターを利用することができる。上記酵素をタンパク質の形態で藻類に導入する場合には、例えば、マイクロインジェクション法やシグナルペプチドと結合して導入する方法を利用することができる。 In the present invention, the phrase “introduced” into the algae means that the enzyme is introduced into the algae as a gene and includes the case where the enzyme is introduced into the algae as a protein. The gene encoding the enzyme can be inserted into an appropriate vector and introduced into algae by a general method such as natural transformation, electroporation, or conjugation. As a promoter for expressing a gene, for example, a light-inducible psbAII promoter can be used. When introducing the enzyme into algae in the form of a protein, for example, a microinjection method or a method of introducing it in combination with a signal peptide can be used.
 こうして上記酵素が導入された藻類においては、PHAの生産能が増強される。従って、本発明は、上記酵素を藻類に導入することを含む、藻類におけるPHAの生産能を増強する方法を提供する。また、こうしてPHAの生産能が増強された藻類を光合成可能な条件下で培養することにより、PHAを高効率で製造することができる。従って、本発明は、上記酵素が導入された藻類を光合成可能な条件下で培養することを含む、PHAの製造方法をも提供する。 Thus, in the algae into which the above enzyme has been introduced, the production capacity of PHA is enhanced. Therefore, the present invention provides a method for enhancing the ability to produce PHA in algae, which comprises introducing the enzyme into the algae. In addition, PHA can be produced with high efficiency by culturing the algae with enhanced PHA production ability under conditions capable of photosynthesis. Therefore, the present invention also provides a method for producing PHA, which comprises culturing the algae into which the enzyme is introduced under conditions capable of photosynthesis.
 上記酵素が導入された藻類の培養は、糖を含まない無機塩類の培地で行うことができ、これにより培養コストを低減することができる。使用する培地としては、例えば、BG-11培地などを用いることができる。一定期間藻類を増殖させた後、栄養源を制限した培地(例えば、硝酸ナトリウムを欠くBG-11培地)に移植して培養すると、PHAの生産効率をより高めることができる。培地のpH、培養温度、及び照明の条件としては、一般的な条件、例えば、pH8.0、30℃、100μmol photons m-2s-1の条件を利用することができる。培養においては、振とうや空気によるバブルを行うことが好ましい。 The cultivation of the algae into which the enzyme has been introduced can be carried out in a medium of an inorganic salt containing no sugar, thereby reducing the cultivation cost. As the medium to be used, for example, BG-11 medium or the like can be used. When the algae are grown for a certain period of time and then transplanted and cultured in a medium with a limited nutrient source (for example, a BG-11 medium lacking sodium nitrate), the production efficiency of PHA can be further increased. As conditions for the pH of the medium, the culture temperature, and the illumination, general conditions such as pH 8.0, 30 ° C., and 100 μmol photons m −2 s −1 can be used. In culture, it is preferable to perform shaking or bubble with air.
 本発明においては、培養を炭素源の施用下で行うことにより、PHAの生産効率を飛躍的に高めることができる。炭素源としては、二酸化炭素や酢酸を利用することができる。二酸化炭素を施用する場合には、バブルする空気を二酸化炭素で富化すればよい。この場合の二酸化炭素の濃度は、2~3%(v/v)が好ましい。また、酢酸を施用する場合には、培地に酢酸を添加すればよい。添加する酢酸の濃度は、0.4%(w/v)以上が好ましい。 In the present invention, PHA production efficiency can be dramatically increased by culturing under the application of a carbon source. Carbon dioxide or acetic acid can be used as the carbon source. When carbon dioxide is applied, the bubbled air may be enriched with carbon dioxide. In this case, the concentration of carbon dioxide is preferably 2 to 3% (v / v). Moreover, what is necessary is just to add acetic acid to a culture medium, when applying acetic acid. The concentration of acetic acid to be added is preferably 0.4% (w / v) or more.
 本発明においては、空気交換制限条件にすることによっても、PHAの生産効率を飛躍的に高めることができる。空気交換制限条件は、例えば、培養器の口を綿栓で塞ぎ、アルミフォイルで覆うことにより作り出すことができる。 In the present invention, the production efficiency of PHA can be remarkably increased by setting the air exchange restriction condition. The air exchange restriction condition can be created, for example, by closing the mouth of the incubator with a cotton plug and covering with an aluminum foil.
 こうして培養した藻類からのPHAの回収は、例えば、メタノールやエタノールを利用した抽出法あるいはBeadsbeader等の菌破砕装置を利用した方法により行うことができる。 The recovery of PHA from the algae thus cultured can be performed, for example, by an extraction method using methanol or ethanol, or a method using a crushing device such as Beadsbeader.
 なお、培養した藻類においてPHAの生産能が増強されたか否かは、上記酵素が導入された藻類において、対照(上記酵素が導入されていない藻類、例えば、上記酵素遺伝子を含まないベクターが導入された藻類)と比較して、PHAの生産量が増加しているか否かで評価することができる。藻類におけるPHAの生産量の定量は、例えば、本実施例に記載のように、乾燥させた細胞に対してクロロホルム抽出を行い、その抽出物をメタノール分解し、ヒドロキシアシルメチルエステルを含む有機相をガスクロマトグラフィー質量分析に供することにより行うことができる。 It should be noted that whether or not the ability of PHA production in cultured algae was enhanced depends on the control (algae into which the enzyme has not been introduced, for example, a vector that does not contain the enzyme gene has been introduced). It is possible to evaluate whether or not the production amount of PHA is increased as compared with (algae). For example, as described in this example, the amount of PHA produced in algae can be quantified by subjecting the dried cells to chloroform extraction, decomposing the extract with methanol, and removing the organic phase containing hydroxyacylmethyl ester. It can be performed by subjecting to gas chromatography mass spectrometry.
 以下、実施例に基づいて本発明をより具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。 Hereinafter, the present invention will be described more specifically based on examples, but the present invention is not limited to the following examples.
 [材料と方法]
 (1)化学品と試薬
 特に明記しなければ、全ての化学品は、ナカライテスク(Tokyo, Japan)又は和光純薬(Tokyo, Japan)から購入した。KODプラス高正確性DNAポリメラーゼは、東洋紡から購入した(Tokyo, Japan)。制限酵素とDNAライゲーションキットは、タカラから購入した(Shiga, Japan)。
[Materials and methods]
(1) Chemicals and reagents Unless otherwise stated, all chemicals were purchased from Nacalai Tesque (Tokyo, Japan) or Wako Pure Chemical (Tokyo, Japan). KOD plus highly accurate DNA polymerase was purchased from Toyobo (Tokyo, Japan). Restriction enzymes and DNA ligation kits were purchased from Takara (Shiga, Japan).
 (2)生物と培養条件
 全てのシネコシスティスPCC6803株(Williams JGK (1988) Method Enzymol 167: 766-778)は、100μmol photons m-2s-1の連続照明下、30℃で、20mM HEPES-KOH(pH8.0)で緩衝したBG-11培地(Rippka R et al. (1979) Journal of General Microbiology 111: 1-61)中で培養した。液体培養は、振とう(100r.p.m.)するか又は2-3%(v/v)CO2で富化した空気でバブルした。プラスミドクローニングに使用した大腸菌(Escherichia coli)DH5αは、振とう(180r.p.m)下、37度にてLB培地中で増殖させた。プラスミドの選抜と維持のために、カナマイシン(50μg/mL)又はアンピシリン(100μg/mL)を添加した。ラン藻におけるPHA生合成を促進するために、2段階培養を実施した。培養物は、最初に、後期対数増殖期までBG-11培地中で増殖させ、その後、回収し、洗浄し、硝酸ナトリウムを欠くBG-11培地に移植した。リン欠乏は、リン酸カリウムを含まないBG-11中で細胞を培養することによって行った。PHA蓄積における炭素補充の効果を研究するために、異なる炭素[0.2%(w/v)及び0.4%(w/v)のフルクトース及び/又は酢酸]を添加した。培養における空気交換制限条件は、棉栓で培養器の口を塞ぎ、アルミニウムフォイルで覆うことによって行った(上記非特許文献7)。ラン藻培養物は、上記の培養条件で、7日間、10日間、又は14日間培養を行い、遠心(8000g, 10分)によって回収し、その後、凍結乾燥した。
(2) Living organisms and culture conditions All Synechocystis strain PCC6803 (Williams JGK (1988) Method Enzymol 167: 766-778) is 20 mM HEPES-KOH (at 30 ° C. under continuous illumination of 100 μmol photons m −2 s −1 ). The cells were cultured in BG-11 medium (Rippka R et al. (1979) Journal of General Microbiology 111: 1-61) buffered with pH 8.0. Liquid cultures were shaken (100 rpm) or bubbled with air enriched with 2-3% (v / v) CO 2 . Escherichia coli DH5α used for plasmid cloning was grown in LB medium at 37 degrees with shaking (180 rpm). Kanamycin (50 μg / mL) or ampicillin (100 μg / mL) was added for selection and maintenance of the plasmid. To promote PHA biosynthesis in cyanobacteria, a two-stage culture was performed. Cultures were first grown in BG-11 medium until late logarithmic growth phase, then harvested, washed and transferred to BG-11 medium lacking sodium nitrate. Phosphorus deficiency was performed by culturing cells in BG-11 without potassium phosphate. To study the effects of carbon supplementation on PHA accumulation, different carbons [0.2% (w / v) and 0.4% (w / v) fructose and / or acetic acid] were added. The conditions for restricting air exchange in culture were performed by closing the mouth of the incubator with a spigot and covering with an aluminum foil (Non-patent Document 7). The cyanobacterial culture was cultured for 7 days, 10 days, or 14 days under the above culture conditions, collected by centrifugation (8000 g, 10 minutes), and then freeze-dried.
 (3)プラスミド構築とシネコシスティスの形質転換
 シネコシスティスの形質転換のための構築物は、pTKP2031Vに由来する。pTKP2031Vを、カナマイシン耐性カセットとともに、部位slr2030とslr2031の間のゲノムに相同組換えで挿入するためにデザインした(Satoh S et al. (2001) J Biol Chem 276: 4293-4297)。全てのラン藻構築物の発現は、psbAIIプロモーターの制御下とした。β-ケトチオラーゼ(phaACn)とアセトアセチルCoAレダクターゼ(phaBCn)を含む遺伝子クラスターを、プライマーphaABCn(F;NdeI)及びphaABCn(R;HpaI)(表1)を用いて、C.ネカトールH16の染色体DNAから増幅した。
(3) Plasmid construction and transformation of Synechocystis The construct for the transformation of Synechocystis is derived from pTKP2031V. pTKP2031V was designed for homologous recombination with the kanamycin resistance cassette into the genome between sites slr2030 and slr2031 (Satoh S et al. (2001) J Biol Chem 276: 4293-4297). Expression of all cyanobacteria constructs was under the control of the psbAII promoter. A gene cluster containing β-ketothiolase (phaA Cn ) and acetoacetyl CoA reductase (phaB Cn ) was transformed into C. nekatol H16 using primers phaAB Cn (F; NdeI) and phaAB Cn (R; HpaI) (Table 1). Amplified from chromosomal DNA.
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
 なお、表中のアンダーラインは、制限酵素消化部位を示す。 The underline in the table indicates the restriction enzyme digestion site.
 得られたPCR産物をNdeIとHpaIで消化し、NdeIとHpaIで消化したpTKP2031Vに挿入してpTKP2031V-phaABCnを得た。PHA合成酵素(phaCCs)を、プライマーphaCCs(F;SfuI)とphaCCs(R;AatI)を用いてクロモバクテリウム(Chromobacterium sp.)USM2の染色体DNAから調製した。このPCR断片をSfuIとAatIで消化し、ライゲーションによりpTKP2031V-phaABCnの適当な制限酵素部位にサブクローニングしてpTKP2031V-phaCCsACnBCnを得た。pTKP2031V-phaCCsnphT7phaBCnは、pTKP2031V-phaCCsACnBCnにおけるphaACnをnphT7で置換することにより構築した。ストレプトマイセス(Streptomyces sp.)CL190由来のnphT7遺伝子は、プライマーnphT7(F;SfuI)とnphT7(R;AatI)を用いて、前もって調製した鋳型pHis_nphT7(Okamura E et al. (2010) Proc Natl Acad Sci USA 107: 11265-11270)から増幅した。シネコシスティスの形質転換は、従前の報告に従い行った(Osanai T et al. (2011) J Biol Chem 286: 30962-30971)。簡単に述べると、100-200μLの対数増殖培養物をプラスミド溶液と混合し、終濃度1-2.5μg/mLとした。その混合物をBG-11プレート上のニトロセルロース膜フィルターの上に広げ、連続的な白色光(75-100μmol photons/m2s)下で30℃にてオーバーナイトでインキュベートした。膜フィルターを50μg/mLのカナマイシンを含む新しいBG-11プレート上に移した。カナマイシン耐性クローンを単離し、3回、再播種した。ラン藻ゲノムにおける異種遺伝子の存在と分離をPCR分析と配列決定により確認した。 The obtained PCR product was digested with NdeI and HpaI and inserted into pTKP2031V digested with NdeI and HpaI to obtain pTKP2031V-phaAB Cn . PHA synthase (phaC Cs ) was prepared from chromosomal DNA of Chromobacterium sp. USM2 using primers phaC Cs (F; SfuI) and phaC Cs (R; AatI). This PCR fragment was digested with SfuI and AatI and subcloned into an appropriate restriction enzyme site of pTKP2031V-phaAB Cn by ligation to obtain pTKP2031V-phaC Cs A Cn B Cn . pTKP2031V-phaC Cs nphT7phaB Cn was constructed by replacing phaA Cn with nphT7 in pTKP2031V-phaC Cs A Cn B Cn . The nphT7 gene derived from Streptomyces sp. 190 was prepared using the template pHis_nphT7 (Okamura E et al. (2010) Proc Natl Acad, which was prepared in advance using primers nphT7 (F; SfuI) and nphT7 (R; AatI). Sci USA 107: 11265-11270). The transformation of Synechocystis was performed according to a previous report (Osanai T et al. (2011) J Biol Chem 286: 30962-30971). Briefly, 100-200 μL of logarithmic growth culture was mixed with the plasmid solution to a final concentration of 1-2.5 μg / mL. The mixture was spread on a nitrocellulose membrane filter on a BG-11 plate and incubated overnight at 30 ° C. under continuous white light (75-100 μmol photons / m 2 s). The membrane filter was transferred onto a new BG-11 plate containing 50 μg / mL kanamycin. Kanamycin resistant clones were isolated and replated three times. The presence and isolation of heterologous genes in cyanobacteria genome was confirmed by PCR analysis and sequencing.
 (4)PHAの定量分析
 約25-30mgの凍結乾燥させたラン藻細胞をメタノールで洗浄し、65℃でオーバーナイトで乾燥させた。続いて乾燥細胞を65℃で48時間クロロホルムで抽出した。クロロホルム抽出物を85%(v/v)メタノールと15%(v/v)濃硫酸からなる溶液で、100℃で140分間、メタノール分解に供した(Braunegg G et al. (1978) Eur J Appl Microbiol Biotechnol 6: 29-37)。ヒドロキシアシルメチルエステルを含む有機相を、HP-5 column(Agilent, USA)を装備したAgilent 7890A GC/5975 MSD systemを用いてガスクロマトグラフィー質量分析を行った。
(4) Quantitative analysis of PHA About 25-30 mg of lyophilized cyanobacteria cells were washed with methanol and dried at 65 ° C. overnight. Subsequently, the dried cells were extracted with chloroform at 65 ° C. for 48 hours. The chloroform extract was subjected to methanol decomposition with a solution consisting of 85% (v / v) methanol and 15% (v / v) concentrated sulfuric acid at 100 ° C. for 140 minutes (Braunegg G et al. (1978) Eur J Appl Microbiol Biotechnol 6: 29-37). The organic phase containing hydroxyacylmethyl ester was subjected to gas chromatography mass spectrometry using an Agilent 7890A GC / 5975 MSD system equipped with an HP-5 column (Agilent, USA).
 (5)RNA調製
 トリゾール試薬(Invitrogen, USA)をPureLink RNA Mini Kit(Invitrogen, USA)と組み合わせて用い、製造業者のプロトコールに従って、全RNAを細胞から抽出した。RNA試料に残っている微量のDNAをDNase I(Takara, Japan)で消化することにより除去した。RNA試料の量と質をBioanalyzer 2100(Agilent, USA)を用いて分析した。
(5) RNA preparation Total RNA was extracted from cells using Trizol reagent (Invitrogen, USA) in combination with PureLink RNA Mini Kit (Invitrogen, USA) according to the manufacturer's protocol. A small amount of DNA remaining in the RNA sample was removed by digestion with DNase I (Takara, Japan). The quantity and quality of RNA samples were analyzed using a Bioanalyzer 2100 (Agilent, USA).
 (6)リアルタイムPCR分析
 cDNA合成には、250ngのRNAを使用し、QuantiTect Reverse Transcription Kit(Qiagen, USA)を利用した。リアルタイムPCR定量には、Thunderbird SYBR qPCR Mix(Toyobo, Japan)及び遺伝子特異的プライマーを使用し、Mx3000P QPCR system(Agilent, USA)を利用した。サイクリング条件は、次の通りである。95℃で10分を40サイクル、95℃で15秒、及び60℃で1分。反応特異性を保証するため、各増幅の後に融解曲線分析(60℃-95℃)を行った。転写レベルは、定量化サイクル(Ct)の決定に基づき定量した。対象となる遺伝子の転写レベルを、本研究に用いたハウスキーピング遺伝子(16S rRNA)のレベルで標準化した。pTKP2031V(標準物質)に対するシネコシスティスPCC6803株CCsNphT7BCn及びCCsACnBCn(標的)における対象遺伝子の発現レベル、及びCCsACnBCn(標準物質)に対するCCsNphT7BCn(標的)における対象遺伝子の発現レベルを比較するために、比較定量化を行った。
(6) Real-time PCR analysis For cDNA synthesis, 250 ng of RNA was used and QuantiTect Reverse Transcription Kit (Qiagen, USA) was used. For real-time PCR quantification, Thunderbird SYBR qPCR Mix (Toyobo, Japan) and gene-specific primers were used, and Mx3000P QPCR system (Agilent, USA) was used. Cycling conditions are as follows. 40 cycles of 10 minutes at 95 ° C, 15 seconds at 95 ° C, and 1 minute at 60 ° C. To ensure reaction specificity, a melting curve analysis (60 ° C-95 ° C) was performed after each amplification. Transcription levels were quantified based on determination of quantification cycle (Ct). The transcription level of the gene of interest was normalized to the level of the housekeeping gene (16S rRNA) used in this study. Synechocystis strain PCC6803 strain C Cs NphT7B Cn and C Cs A Cn B Cn (target) expression level for pTKP2031V (reference material) and C Cs A Cn B Cn (reference material) C Cs NphT7B Cn (target) In order to compare the expression level of the gene of interest, comparative quantification was performed.
 (7)RNA-seqライブラリー調製、Illumina配列決定、及びデータ解析
 各試料につき、2μgの全RNAをRibo-Zero rRNA removal kit(Epicentre, USA)を用いたリボソームRNA除去に供した。RNA-seqのためのcDNAライブラリーは、製造業者の説明書に従って、Illumina TruSeq Stranded mRNA Sample Preparation Kit(Illumina, USA)を利用しrRNAを除去した全RNAから構築した。簡単に言うと、cDNAライブラリーの調製は、次の段階を含む。RNA断片化、cDNA合成、3’末端アデニル化、アダプターライゲーション、及びcDNA鋳型の富化。ライブラリーの定量は、Bioanalyzer 2100(Agilent, USA)を用いて行い、4~6pMの鋳型をクラスター生成に用いた。ライブラリーは、2x250 paired endプロトコールによりMiseq(Illumina, USA)装置で配列決定した。配列データは、アクセション番号GSE50688としてNCBI Gene Expression Omnibus(GEO)に供している。RNA-seqデータ分析は、CLC Genomics Workbench 6 software(CLC bio, Denmark)を利用して行った。配列の読み取りは、低品質の読み取りを整え、20bpよりも短い読み取りを選別するために前処理した。選別した配列の読み取りをシネコシスティスPCC 6803ゲノム(NC_000911)にマップし、最大2つのミスマッチを許容した。参照ゲノム配列及び注釈をNCBIからダウンロードした(2013年5月23日)。非コードRNAにマップされた配列読み取り及び特有の位置にマップされなかった読み取りは、さらなる解析から除外した。転写産物レベルは、遺伝子の長さと試料においてマップされた読み取りの全数により遺伝子の読み取り数を標準化するRPKM(reads per kilobase of exon model per million mapped reads)(Mortazavi A et al. (2008) Nat Meth 5: 621-628)で表した。統計解析を行い、FDR(False Discovery Rate)p値補正が<0.05である遺伝子を、差異のある制御を受けた遺伝子として決定した(Baggerly KA et al. (2003) Bioinformatics 19: 1477-1483)。
(7) RNA-seq library preparation, Illumina sequencing, and data analysis For each sample, 2 μg of total RNA was subjected to ribosomal RNA removal using Ribo-Zero rRNA removal kit (Epicentre, USA). A cDNA library for RNA-seq was constructed from total RNA from which rRNA was removed using the Illumina TruSeq Stranded mRNA Sample Preparation Kit (Illumina, USA) according to the manufacturer's instructions. Briefly, the preparation of a cDNA library includes the following steps. RNA fragmentation, cDNA synthesis, 3 ′ end adenylation, adapter ligation, and enrichment of cDNA templates. Library quantification was performed using a Bioanalyzer 2100 (Agilent, USA) and a 4-6 pM template was used for cluster generation. The library was sequenced on a Miseq (Illumina, USA) instrument with a 2x250 paired end protocol. The sequence data is provided to NCBI Gene Expression Omnibus (GEO) as accession number GSE50688. RNA-seq data analysis was performed using CLC Genomics Workbench 6 software (CLC bio, Denmark). Sequence reads were pre-processed to trim low quality reads and screen for reads shorter than 20 bp. The sorted sequence reads were mapped to the Synechocystis PCC 6803 genome (NC_000911), allowing up to two mismatches. Reference genome sequences and annotations were downloaded from NCBI (23 May 2013). Sequence reads mapped to non-coding RNA and reads that did not map to a unique position were excluded from further analysis. Transcript level is RPKM (Mortazavi A et al. (2008) Nat Meth 5), which normalizes the number of gene reads by the length of the gene and the total number of reads mapped in the sample. : 621-628). Statistical analysis was performed, and a gene with a FDR (False Discovery Rate) p-value correction of <0.05 was determined as a differentially controlled gene (Baggerly KA et al. (2003) Bioinformatics 19: 1477-1483).
 [結果]
 (1)組換えラン藻における増強されたPHA生産
 よく研究されたカプリアビダス ネカトール(Cupriavidus necator)の生合成経路において、P(3HB)合成は3段階の反応で生じ、β-ケトチオラーゼによるアセチルCoAのアセトアセチルCoAへの縮合で始まる(Tsuge T (2002) Journal of Bioscience and Bioengineering 94: 579-584)。ラン藻におけるアセチルCoAプールは、光合成条件下で熱力学的に好ましくない縮合反応を前に推進するのに不十分であると仮定されている(Lan EI, Liao JC (2012) Proc Natl Acad Sci USA 109: 6018-6023)。アセトアセチルCoAを生成させるために、ネイティブのβ-ケトチオラーゼが仲介する縮合のみに依存することに代え、ストレプトマイセス(Streptomyces sp.)CL190由来のアセトアセチルCoA合成酵素(nphT7Ss)をP(3HB)経路デザインに組み入れた。
[result]
(1) Enhanced PHA production in recombinant cyanobacteria In the well-studied Capriavidus necator biosynthetic pathway, P (3HB) synthesis occurs in a three-step reaction, and acetyl-CoA acetoidase by β-ketothiolase It begins with condensation to acetyl-CoA (Tsuge T (2002) Journal of Bioscience and Bioengineering 94: 579-584). It is postulated that the acetyl-CoA pool in cyanobacteria is insufficient to previously drive a thermodynamically unfavorable condensation reaction under photosynthesis conditions (Lan EI, Liao JC (2012) Proc Natl Acad Sci USA 109: 6018-6023). Instead of relying solely on the condensation mediated by native β-ketothiolase to generate acetoacetyl-CoA, Streptomyces sp. CL190-derived acetoacetyl-CoA synthase (nphT7 Ss ) was converted to P (3HB ) Incorporated into the route design.
 nphT7Ss遺伝子は、アセトアセチルCoAを生成するためにアセチルCoAとマロニルCoAとの不可逆的縮合を触媒し、PHAの生成への反応を推進する。縮合反応からの二酸化炭素の発生は、アセトアセチルCoAの生成への反応を効率的に押し進める(Okamura E et al. (2010) Proc Natl Acad Sci USA 107: 11265-11270)。クロモバクテリウム(Chromobacterium sp.)由来の高活性PHA合成酵素であるUSM2(phaCCs)(Bhubalan K et al. (2011) Appl Environ Microbiol 77: 2926-2933)をnphT7Ssと共発現させ、シネコシスティスにおけるP(3HB)の光合成生産を改良した。PHA蓄積における栄養制限、炭素補充、及び空気交換制限の同時効果(上記非特許文献7、Sharma L, Mallick N (2005) Bioresour Technol 96: 1304-1310)の観点から、これらの培養条件、すなわち、窒素又はリンの欠乏、空気交換制限、及び/又は炭素源(CO2、酢酸、及び/又はフルクトース)の存在下での生合成実験をデザインした。 The nphT7 Ss gene catalyzes the irreversible condensation of acetyl-CoA and malonyl-CoA to produce acetoacetyl-CoA and drives the reaction to PHA production. The generation of carbon dioxide from the condensation reaction efficiently pushes the reaction towards the production of acetoacetyl CoA (Okamura E et al. (2010) Proc Natl Acad Sci USA 107: 11265-11270). USM2 (phaC Cs ) (Bhubalan K et al. (2011) Appl Environ Microbiol 77: 2926-2933), a highly active PHA synthase derived from Chromobacterium sp., Was co-expressed with nphT7 Ss in Synechocystis The photosynthetic production of P (3HB) was improved. From the viewpoint of simultaneous effects of nutrient limitation, carbon supplementation, and air exchange limitation on PHA accumulation (Non-patent Document 7, Sharma L, Mallick N (2005) Bioresour Technol 96: 1304-1310), these culture conditions, Biosynthetic experiments in the presence of nitrogen or phosphorus deficiency, air exchange limitations, and / or carbon sources (CO 2 , acetic acid, and / or fructose) were designed.
 シネコシスティスにおけるPHA生産経路のデザインのために、ベクタープラスミドpTKP2031Vを利用し、slr2030とslr2031の部位の間の相同組換えを介して異種遺伝子を導入した(Satoh S et al. (2001) J Biol Chem 276: 4293-4297)。光誘導性psbAIIプロモーターの制御下でphaCCs遺伝子、nphT7Ss遺伝子、及びC.ネカトール アセトアセチルCoAレダクターゼ(phaBCn)遺伝子を保持するプラスミドでシネコシスティスを形質転換した。成功した形質転換体株であるCCsNphT7BCnにつき、連続する細胞増殖段階とPHA蓄積段階からなる2段階培養系の下でPHA生産を分析した。CCsNphT7BCn株は、CO2からのPHAの直接光合成生産が助長され、培養7日目において最大の14wt% P(3HB)容量に達した(図1A)。これと比較して、phaCCs、C.ネカトールβ-ケトチオラーゼ(phaACn)、及びphaBCnを発現するCCsACnBCnでは同じ培養条件でP(3HB)容量(7wt%)において減少が認められた。唯一、カナマイシン耐性カセットがゲノムに組み込まれているpTKP2031V株は、最も低いP(3HB)生産能(5wt%)を示した。しかしながら、14日目までの延長した培養は、光独立栄養条件でのラン藻のP(3HB)蓄積能において有意な影響を及ぼさなかった。より高い細胞密度では、二酸化炭素と光の競合によって、P(3HB)蓄積が制限されるのかもしれない。 For the design of the PHA production pathway in Synechocystis, the vector plasmid pTKP2031V was used to introduce a heterologous gene via homologous recombination between the sites of slr2030 and slr2031 (Satoh S et al. (2001) J Biol Chem 276 : 4293-4297). Synechocystis was transformed with a plasmid carrying the phaC Cs gene, nphT7 Ss gene, and C. nekatol acetoacetyl CoA reductase (phaB Cn ) gene under the control of the light-inducible psbAII promoter. A successful transformant strain, C Cs NphT7B Cn , was analyzed for PHA production under a two-stage culture system consisting of a continuous cell growth stage and a PHA accumulation stage. The C Cs NphT7B Cn strain was facilitated by direct photosynthesis of PHA from CO 2 and reached a maximum 14 wt% P (3HB) capacity on day 7 of culture (FIG. 1A). In comparison, phaC Cs, C. Nekatoru β- ketothiolase (phaA Cn), and C Cs A Cn B Cn in P under the same culture conditions (3HB) capacity to express phaB Cn (7wt%) reduction observed in It was. Only the pTKP2031V strain in which the kanamycin resistance cassette was integrated in the genome showed the lowest P (3HB) productivity (5 wt%). However, prolonged culture up to day 14 had no significant effect on the ability of cyanobacteria to accumulate P (3HB) under photoautotrophic conditions. At higher cell densities, competition for carbon dioxide and light may limit P (3HB) accumulation.
 P(3HB)生産を増大させるために、PHA蓄積段階において、外部からの炭素源[0.4%(w/v)酢酸]をラン藻培養に供給した。CCsNphT7BCn株は、培養10日目において最大のPHA容量29wt%を記録した(図1B)。炭素源の添加によるP(3HB)プールの増加は、PHA生産における外部からの炭素源の補充が与える影響に関する初期の知見を支持する(上記非特許文献7、Sharma L, Mallick N (2005) Bioresour Technol 96: 1304-1310)。空気交換制限の効果においては、CCsNphT7BCn株においてP(3HB)の有意な増加(41wt%まで)が観察された(図1C)。これらの観察は、シネコシスティスにおけるP(3HB)蓄積能が炭素源と空気交換の供給によって影響されることを暗示する。興味深いことに、シネコシスティスの光独立培養に対するCO2供給の増加(5%)が、CCsNphT7BCn株におけるPHA容量を16wt%まで増加させることが見出された(表2)。pTKP2031V株の窒素とリンの欠乏培養に対する酢酸とフルクトースの同時添加は、光独立条件(5%CO2)と比較してP(3HB)蓄積の減少を示した。同様の条件下においてCCsNphT7BCn株とCCsACnBCn株では、P(3HB)容量において有意な変化は見られなかった。本研究において試験した培養条件下での7日目における組換えシネコシスティスのPHA生産能の順は、CCsNphT7BCn>CCsACnBCn>pTKP2031Vである。 In order to increase P (3HB) production, an external carbon source [0.4% (w / v) acetic acid] was fed to the cyanobacterial culture during the PHA accumulation phase. The C Cs NphT7B Cn strain recorded a maximum PHA volume of 29 wt% on the 10th day of culture (FIG. 1B). The increase in the P (3HB) pool by the addition of the carbon source supports the initial findings regarding the effects of external carbon source supplementation on PHA production (Non-Patent Document 7, Sharma L, Mallick N (2005) Bioresour Technol 96: 1304-1310). In the effect of air exchange restriction, a significant increase (up to 41 wt%) of P (3HB) was observed in the C Cs NphT7B Cn strain (FIG. 1C). These observations imply that P (3HB) accumulation capacity in Synechocystis is affected by the supply of carbon source and air exchange. Interestingly, it was found that an increase in CO 2 supply (5%) to the light-independent culture of Synechocystis increased the PHA capacity in the C Cs NphT7B Cn strain to 16 wt% (Table 2). Simultaneous addition of acetic acid and fructose to nitrogen and phosphorus deficient cultures of pTKP2031V strain showed a decrease in P (3HB) accumulation compared to light-independent conditions (5% CO 2 ). Under the same conditions, there was no significant change in the P (3HB) capacity in the C Cs NphT7B Cn strain and the C Cs A Cn B Cn strain. The order of PHA-producing ability of recombinant Synechocystis on day 7 under the culture conditions tested in this study is C Cs NphT7B Cn > C Cs A Cn B Cn > pTKP2031V.
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
 (2)PHA合成関連遺伝子の発現レベル
 phaCSs、phaASs及びphaBSsから構成されるシネコシスティスのネイティブPHA生合成遺伝子の発現レベルをリアルタイムPCR分析によりモニターした(図2A及び2B)。驚くべきことに、シネコシスティスCCsNphT7BCn株におけるphaASsとphaBSsの発現レベルを定量化すると、TKP2031V株に対して約2倍低い発現が示された。しかしながら、調査した組換えシネコシスティス(pTKP2013V、CCsACnBCn、及びCCsNphT7BCn)において、ネイティブphaCSs遺伝子の発現レベルには、有意な差異は認められなかった。同じオペロン上のゲノムに導入されたphaCCsとphaBCnの発現レベルは、CCsNphT7BCn株では、CCsACnBCn株と比較して少なくとも3倍低い発現を示した。CCsNphT7BCnにおけるより高いPHA蓄積レベルにもかかわらず、この株における大部分のPHA生合成関連遺伝子の発現レベルは、CCsACnBCn及びpTKP2013Vと比較して相対的に低かった。
(2) Expression levels of PHA synthesis-related genes Expression levels of Synechocystis native PHA biosynthesis genes composed of phaC Ss , phaA Ss and phaB Ss were monitored by real-time PCR analysis (FIGS. 2A and 2B). Surprisingly, quantifying the expression levels of phaA Ss and phaB Ss in Synechocystis C Cs NphT7B Cn strain showed about 2-fold lower expression relative to the TKP2031V strain. However, in the investigated recombinant Synechocystis (pTKP2013V, C Cs A Cn B Cn , and C Cs NphT7B Cn ), there was no significant difference in the expression level of the native phaC Ss gene. The expression levels of phaC Cs and phaB Cn introduced into the genome on the same operon were at least 3 times lower in the C Cs NphT7B Cn strain than in the C Cs A Cn B Cn strain. Despite the higher PHA accumulation level in C Cs NphT7B Cn, the expression levels of most PHA biosynthesis-related genes in this strain were relatively low compared to C Cs A Cn B Cn and pTKP2013V.
 (3)光独立栄養PHA蓄積条件下でのシネコシスティス転写応答の解析
 ラン藻におけるPHA蓄積への知見を得るために、異なるPHA生産能を持つ組換えシネコシスティスの転写産物を解析した。光独立栄養条件下、窒素欠乏BG-11で7日間培養した細胞からRNA-seqライブラリーを調製した。6サンプルに対して全体で9300万の読み取り(サンプル当たりに平均1550万の読み取り)をもたらすイルミナプラットフォーム(Illumina platform)を用いて配列決定を行った。各組換えネコシティスサンプルに対する2つの生物学的反復実験の間の散布図が0.96-0.98の間の相関係数を示したが、これは配列データの再現性を示している。各遺伝子の発現レベルは、RPKM(reads per kilobase of exon model per million mapped reads)として定量化した。
(3) Analysis of Synechocystis Transcriptional Response under Photoautotrophic PHA Accumulation Conditions To obtain knowledge about PHA accumulation in cyanobacteria, transcripts of recombinant Synechocystis with different PHA-producing ability were analyzed. An RNA-seq library was prepared from cells cultured for 7 days in nitrogen-deficient BG-11 under photoautotrophic conditions. Sequencing was performed using an Illumina platform that yielded a total of 93 million reads (average of 15.5 million reads per sample) for 6 samples. Scatter plots between two biological replicates for each recombinant feline city sample showed a correlation coefficient between 0.96-0.98, indicating the reproducibility of the sequence data. The expression level of each gene was quantified as RPKM (reads per kilobase of exon model per million mapped reads).
 RNA-seqデータは、組換えシネコシスティス株pTKP2013V、CCsACnBCn、及びCCsNphT7BCnにおいて、光独立栄養PHA蓄積条件に応答して制御される遺伝子の詳細な情報を提供する。概して、シネコシスティスでより高い発現を示した遺伝子は、主として光合成、電子伝達鎖、タンパク質代謝プロセス、及び核酸代謝に関与していた。特に、光化学系I(psaB、psaA、psaF、及びpsaL)と光化学系II(psbA3、psbA2、psbX、psbY、psbU、psbK及びpsbD2)の活性に関与する遺伝子の転写レベルは、最も豊富であった。参照株(pTKP2013V)に対してPHA生産がより効率的であった組換え株(CCsACnBCn及びCCsNphT7BCn)における遺伝子発現の比較を行った。CCsACnBCn株及びCCsNphT7BCn株において上方制御された遺伝子は、光合成、輸送、及び細胞間情報伝達を有意に高めるものであった。対照的に、下方制御された遺伝子は、概ね、コファクターとビタミン、タンパク質代謝プロセス、及びDNA結合に関与していることが見出された。ラン藻においてのみ検出されている光化学系I反応中心サブユニットXII遺伝子(psaM)は、CCsACnBCnとCCsNphT7BCnの双方で強く上方制御されていた。他の光化学系I反応中心サブユニット遺伝子であるpsaJは、10倍以上も上方制御されていることが見出された。これらのサブユニットの双方が機能的な光化学系Iの形成に必要である(Xu W et al. (2001) Biochim Biophys Acta 1507: 32-40)。光化学系Iサブユニットをコードする遺伝子に加えて、光化学系IIに関与する遺伝子も有意に上方制御されていた。光化学系IIの安定に不可欠であるとされているPsbX及びPsbKは、CCsACnBCn及びCCsNphT7BCnの双方で5倍以上誘導されていた。シトクロームB6-f複合体サブユニットであり、その複合体の安定あるいは会合に重要なPetG及びPetLの上方制御も観察された(Schwenkert S et al. (2007) Plant Physiol 144: 1924-1935)。ポルフィリンと葉緑素の代謝に関与する2つの遺伝子であるマグネシウム-プロトポルフィリンIXモノメチルエステルシクラーゼ(sll1874)とプロトヘムIXファネシルトランスフェラーゼ(sll1899)が双方の株で上方制御されていた。全体として、光合成活性、例えば、光化学系IとII、シトクローム、及び葉緑素の代謝といった、いくつかの観点に関与するタンパク質をコードする遺伝子が、活発にPHAを合成する組換えシネコシスティスにおいて上方制御されていた。 RNA-seq data provides detailed information on genes that are regulated in response to photoautotrophic PHA accumulation conditions in recombinant Synechocystis strains pTKP2013V, C Cs A Cn B Cn, and C Cs NphT7B Cn . In general, genes that showed higher expression in Synechocystis were primarily involved in photosynthesis, electron transport chains, protein metabolic processes, and nucleic acid metabolism. In particular, transcription levels of genes involved in the activities of photosystem I (psaB, psaA, psaF, and psaL) and photosystem II (psbA3, psbA2, psbX, psbY, psbU, psbK, and psbD2) were the most abundant. . The gene expression was compared in the recombinant strains (C Cs A Cn B Cn and C Cs NphT7B Cn ) in which PHA production was more efficient than the reference strain (pTKP2013V). Genes up-regulated in C Cs A Cn B Cn and C Cs NphT7B Cn strains significantly enhanced photosynthesis, transport, and intercellular communication. In contrast, down-regulated genes have been found to be largely involved in cofactors and vitamins, protein metabolic processes, and DNA binding. The photosystem I reaction center subunit XII gene (psaM) detected only in cyanobacteria was strongly up-regulated in both C Cs A Cn B Cn and C Cs NphT7B Cn . PsaJ, another photosystem I reaction center subunit gene, was found to be up-regulated more than 10 times. Both of these subunits are required for the formation of functional photosystem I (Xu W et al. (2001) Biochim Biophys Acta 1507: 32-40). In addition to genes encoding photosystem I subunits, genes involved in photosystem II were also significantly upregulated. PsbX and PsbK, which are considered essential for the stability of Photosystem II, were induced more than 5 times in both C Cs A Cn B Cn and C Cs NphT7B Cn . Upregulation of PetG and PetL, which is a cytochrome B6-f complex subunit and important for the stability or association of the complex, was also observed (Schwenkert S et al. (2007) Plant Physiol 144: 1924-1935). Two genes involved in porphyrin and chlorophyll metabolism, magnesium-protoporphyrin IX monomethyl ester cyclase (sll1874) and protoheme IX fanesyltransferase (sll1899), were up-regulated in both strains. Overall, genes encoding proteins involved in several aspects, such as photosynthetic activity, such as metabolism of photosystems I and II, cytochromes, and chlorophyll, are up-regulated in recombinant Synechocystis that actively synthesizes PHA. It was.
 その一方、タンパク質代謝(転写、翻訳、アミノ酸合成など)に関与するタンパク質をコードする遺伝子の転写レベルは、組換えシネコシスティス株CCsACnBCn及びCCsNphT7BCnにおいて減少していた。これらのタンパク質[DNAミスマッチタンパク質(MutL)メチオニンスルホキシドレダクターゼB(sll1680)、プロヒビチン(slr1106)、エキソザイムS合成タンパク質B(ExsB)、3-デヒドロキナ酸デヒドラター(AroQ)及びヒドロゲナーゼ(HypA)]をコードする遺伝子の転写レベルの減少は、窒素欠乏条件下でのシネコシスティスの減少した増殖に関係しているのかもしれない。細胞は、栄養制限条件に対して、PHA蓄積と同時に生じる代謝活性の減少によって応答している。コファクターとビタミンの代謝に関係している遺伝子[リポペプチド抗生物質イチュリンa生合成タンパク質(slr0495)、コバラミンシンターゼ(CobS)、4-ヒドロキシスレオニン-4-リン酸デヒドロゲナーゼ(PdxA)、コバルト-プレコリン-6xリダクターゼ(CobK)、リボフラビン生合成タンパク質(RibG)、リポリトレンスフェラーゼ(LipB)、及びo-スクシニル安息香酸シンターゼ(sll0409)]の発現レベルの減少が観察された。 On the other hand, the transcription level of the gene encoding the protein involved in protein metabolism (transcription, translation, amino acid synthesis, etc.) was decreased in the recombinant Synechocystis strains C Cs A Cn B Cn and C Cs NphT7B Cn . Genes encoding these proteins [DNA mismatch protein (MutL) methionine sulfoxide reductase B (sll1680), prohibitin (slr1106), exozyme S synthetic protein B (ExsB), 3-dehydroquinate dehydrator (AroQ) and hydrogenase (HypA)] This decrease in transcription levels may be related to decreased growth of Synechocystis under nitrogen deficient conditions. Cells respond to nutrient-restricted conditions by a decrease in metabolic activity that occurs concomitant with PHA accumulation. Genes involved in cofactor and vitamin metabolism [lipopeptide antibiotics iturin a biosynthetic protein (slr0495), cobalamin synthase (CobS), 4-hydroxythreonine-4-phosphate dehydrogenase (PdxA), cobalt precorin Decreased expression levels of 6x reductase (CobK), riboflavin biosynthetic protein (RibG), repolitol transferase (LipB), and o-succinylbenzoate synthase (sll0409)] were observed.
 過剰なPHA蓄積に適応するためのラン藻の全体的な応答について実質的な知見を得るために、組換えシネコシスティス株CCsNphT7BCn及びCCsACnBCnにおける遺伝子発現の間の比較を行った。この解析により、CCsNphT7BCn株が、PHA蓄積段階の間、誘導されたストレス応答、光合成、エネルギー代謝、及び輸送の組み合わせを利用していることが示された。特に、光合成活性のいくつかの観点に関与するタンパク質、例えば、ウロポルフィノーゲンデカルボキシラーゼ(HemE)、フェレドキシンコンポーネント(slr1205)、プロトクロロフィリドリダクターゼサブユニット(BchB)、プロトホームIXファネシルトランスフェラーゼ(CtaB)、光科学系II反応中心タンパク質N(PsbN)、及び鉄ストレスクロロフィルII結合タンパク質(IsiA)をコードする遺伝子が、CCsACnBCn株と比較してCCsNphT7BCn株で上方制御されていた。 A comparison between gene expression in recombinant Synechocystis strains C Cs NphT7B Cn and C Cs A Cn B Cn was performed to gain substantial insight into the overall response of cyanobacteria to adapt to excessive PHA accumulation It was. This analysis indicated that the C Cs NphT7B Cn strain utilizes a combination of induced stress response, photosynthesis, energy metabolism, and transport during the PHA accumulation phase. In particular, proteins involved in several aspects of photosynthetic activity, such as uroporfinogen decarboxylase (HemE), ferredoxin component (slr1205), protochlorophyllidoductase subunit (BchB), protohome IX fanesyltransferase (CtaB ), Genes encoding photosystem II reaction center protein N (PsbN), and iron stress chlorophyll II binding protein (IsiA) are up-regulated in C Cs NphT7B Cn strain compared to C Cs A Cn B Cn strain It was.
 増強された光合成活性は、ポリマーへの炭素の増加された流用に適応するために、炭素固定能が増強されたことを示唆する。ポリヒドロキシアルカン酸は、生理的ストレス条件への応答において合成される細菌の貯蔵化合物である(Anderson AJ, Dawes EA (1990) Microbiol Rev 54: 450-472)。最近の研究では、コシャペロニン(groES)、ホリデージャンクションリゾルバーゼ(ruvC)、分子シャペロン(groEL)、スーパーオキシドディスムターゼ(sodB)、及び熱ショックタンパク質90(htpG)を含むラン藻におけるストレス関連遺伝子が、わずかに上方制御されていた。PHA蓄積は、変化する環境における生存とストレス耐性を与えるのではないかと考えられているが(Pham TH et al. (2004) Microbiology 150: 3405-3413)、ストレス条件はPHA生産を支持する反応を刺激するのかもしれない。加えて、全体的な窒素制御因子であるNtcAの転写レベルが、増加したレベルで検出された。NtcAは、窒素代謝に関与する数多くの遺伝子の発現を制御することが知られており(Bradley RL, Reddy KJ (1997) J Bacteriol 179: 4407-4410)、このタンパク質をコードする遺伝子の誘導は、シネコシスティスにおけるPHA合成を増加させるために適用された窒素欠乏培養条件に関係しうる。逆に、DNA結合、輸送、翻訳、及びDNA修復に関与する遺伝子の下方制御が、CCsNphT7BCn株で観察された。 The enhanced photosynthetic activity suggests that the carbon fixation capacity has been enhanced to accommodate increased diversion of carbon to the polymer. Polyhydroxyalkanoic acids are bacterial storage compounds that are synthesized in response to physiological stress conditions (Anderson AJ, Dawes EA (1990) Microbiol Rev 54: 450-472). In recent studies, stress-related genes in cyanobacteria, including cochaperonin (groES), holiday junction resolvase (ruvC), molecular chaperone (groEL), superoxide dismutase (sodB), and heat shock protein 90 (htpG), Slightly up-regulated. Although PHA accumulation is thought to confer survival and stress tolerance in a changing environment (Pham TH et al. (2004) Microbiology 150: 3405-3413), stress conditions are reactions that support PHA production. May be stimulating. In addition, the transcriptional level of the overall nitrogen regulator NtcA was detected at increased levels. NtcA is known to regulate the expression of many genes involved in nitrogen metabolism (Bradley RL, Reddy KJ (1997) J Bacteriol 179: 4407-4410), and the induction of the gene encoding this protein is It may be related to nitrogen-deficient culture conditions applied to increase PHA synthesis in Synechocystis. Conversely, down-regulation of genes involved in DNA binding, transport, translation, and DNA repair was observed in the C Cs NphT7B Cn strain.
 上記の通り、本発明により、バイオプラスチックの1つであるPHAを、高効率かつ廉価で製造することが可能となった。従って、本発明は、PHAを利用する様々な化学品や生物燃料の生産に大きく貢献しうるものである。 As described above, according to the present invention, PHA, which is one of the bioplastics, can be produced with high efficiency and low cost. Therefore, the present invention can greatly contribute to the production of various chemicals and biofuels using PHA.
配列番号9~26
<223> 人工的に合成されたプライマーの配列
SEQ ID NOs: 9-26
<223> Artificially synthesized primer sequences

Claims (12)

  1. アセトアセチルCoA合成酵素が導入された藻類。 Algae introduced with acetoacetyl-CoA synthase.
  2. さらに、アセトアセチルCoAレダクターゼ及びPHA重合酵素が導入された、請求項1に記載の藻類。 Furthermore, the algae of Claim 1 into which the acetoacetyl CoA reductase and PHA polymerizing enzyme were introduce | transduced.
  3. アセトアセチルCoA合成酵素がnphT7である、請求項1又は2に記載の藻類。 The algae according to claim 1 or 2, wherein the acetoacetyl-CoA synthase is nphT7.
  4. アセトアセチルCoAレダクターゼがphaBである、請求項1又は2に記載の藻類。 The algae according to claim 1 or 2, wherein the acetoacetyl-CoA reductase is phaB.
  5. PHA重合酵素がphaCである、請求項1又は2に記載の藻類。 The algae according to claim 1 or 2, wherein the PHA polymerizing enzyme is phaC.
  6. 藻類がラン藻である、請求項1から5のいずれかに記載の藻類。 The algae according to any one of claims 1 to 5, wherein the algae is cyanobacteria.
  7. アセトアセチルCoA合成酵素を藻類に導入することを含む、藻類におけるポリヒドロキシアルカン酸の生産能を増強する方法。 A method for enhancing the ability to produce polyhydroxyalkanoic acid in algae, which comprises introducing acetoacetyl-CoA synthase into the algae.
  8. 請求項1から6のいずれかに記載の藻類を光合成可能な条件下で培養することを含む、ポリヒドロキシアルカン酸の製造方法。 A method for producing polyhydroxyalkanoic acid, comprising culturing the algae according to any one of claims 1 to 6 under conditions capable of photosynthesis.
  9. 炭素源の施用下で培養する、請求項8に記載の製造方法。 The production method according to claim 8, wherein the culture is performed under application of a carbon source.
  10. 炭素源が二酸化炭素である、請求項9に記載の製造方法。 The production method according to claim 9, wherein the carbon source is carbon dioxide.
  11. 炭素源が酢酸である、請求項9に記載の製造方法。 The production method according to claim 9, wherein the carbon source is acetic acid.
  12. 空気交換制限条件下で培養を行う、請求項8に記載の製造方法。 The production method according to claim 8, wherein the culture is performed under air exchange restriction conditions.
PCT/JP2014/082073 2013-12-04 2014-12-04 Production method for polyhydroxyalkanoate using only photosynthesis WO2015083769A1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2015551556A JP6492011B2 (en) 2013-12-04 2014-12-04 Production of polyhydroxyalkanoic acid by photosynthesis alone

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US201361911809P 2013-12-04 2013-12-04
US61/911809 2013-12-04

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2015083769A1 true WO2015083769A1 (en) 2015-06-11

Family

ID=53273529

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/JP2014/082073 WO2015083769A1 (en) 2013-12-04 2014-12-04 Production method for polyhydroxyalkanoate using only photosynthesis

Country Status (2)

Country Link
JP (1) JP6492011B2 (en)
WO (1) WO2015083769A1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2020536520A (en) * 2017-10-04 2020-12-17 ランザテク,インコーポレイテッド Production of polyhydroxybutyrate in WOOD-LJUNGDAHL microorganisms

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH08187085A (en) * 1994-11-25 1996-07-23 Agency Of Ind Science & Technol Production of poly-beta-hydroxybutyric acid by gene recmobinant blue-green alga

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SG11201403163QA (en) * 2011-12-23 2014-09-26 Danisco Us Inc Enhanced production of isoprene using host cells having decreased ispa activity

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH08187085A (en) * 1994-11-25 1996-07-23 Agency Of Ind Science & Technol Production of poly-beta-hydroxybutyric acid by gene recmobinant blue-green alga

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
EIJI OKAMURA ET AL.: "Unprecedented acetoacetyl- coenzyme A synthesizing enzyme of the thiolase superfamily involved in the mevalonate pathway", PNAS, vol. 107, no. 25, 2010, pages 11265 - 11270, XP002688558, DOI: doi:10.1073/pnas.1000532107 *
MASATO MIYAKE ET AL.: "Production of Biodegradable Plastics from CO_2 by Cyanobacteria", JOURNAL OF THE AGRICULTURAL CHEMICAL SOCIETY OF JAPAN, vol. 72, no. 4, 1998, pages 528 - 531 *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2020536520A (en) * 2017-10-04 2020-12-17 ランザテク,インコーポレイテッド Production of polyhydroxybutyrate in WOOD-LJUNGDAHL microorganisms
JP7399082B2 (en) 2017-10-04 2023-12-15 ランザテク,インコーポレイテッド WOOD-LJUNGDAHL Production of polyhydroxybutyrate in microorganisms

Also Published As

Publication number Publication date
JP6492011B2 (en) 2019-03-27
JPWO2015083769A1 (en) 2017-03-16

Similar Documents

Publication Publication Date Title
ES2905957T3 (en) Functional expression of monooxygenases and methods of use
Hur et al. Highly efficient bioconversion of methane to methanol using a novel type I Methylomonas sp. DH‐1 newly isolated from brewery waste sludge
US20200277636A1 (en) Synthetic methanotrophic and methylotrophic microorganisms
Pérez-García et al. Fermentative production of L‐pipecolic acid from glucose and alternative carbon sources
Lau et al. RNA-Seq analysis provides insights for understanding photoautotrophic polyhydroxyalkanoate production in recombinant Synechocystis Sp.
Tang et al. Metabolic engineering of Cupriavidus necator H16 for improved chemoautotrophic growth and PHB production under oxygen-limiting conditions
Pavan et al. Advances in systems metabolic engineering of autotrophic carbon oxide-fixing biocatalysts towards a circular economy
CN109880782A (en) Synthesis gas or other gaseous carbon sources and methanol are converted into the method and organism of 1,3 butylene glycol
CN104508136A (en) Recombinant microorganisms and uses therefor
TW201928048A (en) Microorganisms and methods for enhancing the availability of reducing equivalents in the presence of methanol, and for producing adipate, 6-aminocaproate, hexamethylenediamine or caprolactam related thereto
CN110678541A (en) Genetically optimized microorganisms for producing molecules of interest
US9944955B1 (en) Photosynthetic production of 3-hydroxybutyrate from carbon dioxide
EP3129489B1 (en) Production of succinic acid from organic waste or biogas or methane using recombinant methanotrophic bacterium
JP2020506722A (en) Genetically optimized microorganisms for producing target molecules
CN104093836A (en) Hydrocarbon synthase gene, and use thereor
ES2697757T3 (en) Use of enzymes that catalyze the synthesis of pyruvate from formate and acetyl-CoA and bacteria that express the same
Petushkova et al. Acetate metabolism in the purple non-sulfur bacterium Rhodobacter capsulatus
FR3074188A1 (en) GENETICALLY MODIFIED BACTERIA FOR PRODUCING LACTATE FROM CO2
JP6492011B2 (en) Production of polyhydroxyalkanoic acid by photosynthesis alone
US9783581B2 (en) Method for producing plastic raw material from blue-green algae
JP6562374B1 (en) Hydrogenophyllus bacterium transformant producing lactic acid
US20170088850A1 (en) Constructs and systems and methods for engineering a co2 fixing photorespiratory by-pass pathway
JP5946080B2 (en) Method for producing plastic raw materials and related substances in cyanobacteria
Bysani et al. Engineering and evolution of the complete Reductive Glycine Pathway in Saccharomyces cerevisiae for formate and CO2 assimilation
CN116348608A (en) Synthetic growth based on one-carbon substrates

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 14867626

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 2015551556

Country of ref document: JP

Kind code of ref document: A

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 14867626

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1