WO2021193949A1 - 新規l-ラムノースイソメラーゼ - Google Patents
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Definitions
- the present invention presents a novel L-rhamnose isomerase and a method for producing the same, a microorganism that produces the enzyme, a DNA encoding the enzyme, a recombinant vector containing the same, a transformation host cell, an L-rhamnose isomerase variant, and L-rhamnose isomerase.
- the present invention relates to a method for producing ketose or aldose using a l-rhamnose isomerase or a variant.
- Rare sugars are, according to the definition of the International Rare Sugar Society, "sugars that rarely exist in nature", that is, monosaccharides that are abundant in nature.
- monosaccharides tetrose
- aldose two types of ketose
- ketose two types of ketose
- sugar alcohols three types of sugar alcohols.
- aldose four types of ketose
- sugar alcohols four types of sugar alcohols as monosaccharides (pentoses) having five carbon atoms.
- monosaccharides (hexoses) with 6 carbon atoms in total 16 types of aldose, 8 types of ketose, and 10 types of sugar alcohol.
- heptose monosaccharides having 7 carbon atoms
- aldoheptose ketoheptose
- heptitol having 7 carbon atoms
- aldoses there are generally six types of aldoses that are abundant in nature: D-glucose, D-galactose, D-mannose, D-ribose, D-xylose, and L-arabinose.
- Other aldoses such as D-allose are defined as rare sugars.
- the rare sugars are L-allose, L-gulose, L-glucose, L-galactose, L-altrose, L-idose, L-mannose, L-talose, and D-talose.
- D-fructose is abundant in nature, while other kets are not abundant in nature, so it can be said to be a rare sugar.
- D-allulose also known as D-psicose
- D-tagatose D-sorbose
- L-fructose L-allulose
- L-allulose also known as L-psicose
- L-tagatose L- Sorbose
- D-allulose also known as D-psicose
- D-psicose which is the basic raw material for the production of all rare sugars
- D-allose becomes the center of new rare sugar production to D-allose and the like by the enzymatic reaction.
- D-allose is an aldose which is an isomer different only in the OH group direction of the carbon at the 3-position from D-glucose, and is a rare sugar monosaccharide also known as an isomer of the ketose D-allose.
- D-allose is a pharmaceutical composition containing it as an active ingredient for treating renal diseases selected from acute renal failure and uremia (Patent Document 1), and motor disorders caused by muscular atrophic lateral sclerosis.
- Drugs for delaying the onset or progression of uremia Patent Document 2), blood pressure increase inhibitor (Patent Document 3), agents characterized by being used for suppressing angiogenesis (Patent Document 4), T lymphocyte proliferation inhibitor (Patent Document 5) or a peritoneal deterioration inhibitor used in combination with a peritoneal dialysate (Patent Document 6) is known, and is also known as an edible pesticide (Patent Document 7).
- Patent Document 1 renal diseases selected from acute renal failure and uremia
- Patent Document 3 Drugs for delaying the onset or progression of uremia
- Patent Document 3 blood pressure increase inhibitor
- agents characterized by being used for suppressing angiogenesis Patent Document 4
- T lymphocyte proliferation inhibitor Patent Document 5
- Non-Patent Document 1 L-rhamnose isomerase is an enzyme that catalyzes the reversible isomerization reaction between L-rhamnose and L-rhamnose, whereas P. stutzeri-derived L-rhamnose isomerase is not only between L-rhamnose and L-rhamnose.
- L-lyxose-L-xylulose, L-mannose-L-fractose, D-growth-D-sorbose, D-ribose-D-ribbulose, D-allose-D-allose, L-tagatose-L A wide range of substrate specificities that can also act between tagatose have been revealed. Utilizing this broad substrate specificity, it has become possible to produce various rare aldoses and kets on ismoling, centering on the conversion of D-allose to D-allose.
- the rare sugar D-allose is produced by using the pure rare sugar D-allose as a raw material and using a known L-rhamnose isomerase (EC 5.3.1.14).
- L-rhamnose isomerase is an enzyme that catalyzes the isomerization reaction of L-rhamnose to L-rhamnose, and can also catalyze the isomerization of L-rhamnose to L-rhamnose. It is also known to act on the isomerization between D-allose and D-allulose. Since isomerases are named after the substrate that exhibits the highest activity, their substrate specificity varies among the enzymes named L-rhamnose isomerase.
- the present invention is a novel L-rhamnose derived from a microorganism that has been approved for use in the production of foods and is not toxic, has high activity, and can isomerize D-allose to D-allose in high yield.
- An object of the present invention is to provide an isomerase, a microorganism having the enzyme, and a production method using the enzyme.
- the present inventors collected soils in various places, focusing on the non-toxic bacterial species on the list that are approved for use as foods not only in Japan but also in Europe and the United States. Microorganisms were isolated from it, and the search for microorganisms having L-rhamnose isomerase activity was continued. As a result, we found a microorganism belonging to the genus Erwinia that produces a novel L-rhamnose isomerase among many isolated strains. This Erwinia microorganism, Erwinia billingiae, produces a novel L-rhamnose isomerase with high activity and high heat resistance.
- This novel microbial-derived L-lamnose isomerase catalyzes the isomerization reaction between aldose and the corresponding ketose, recognizes and reacts with the CHO group of C1 and the OH group of C2 of aldose, and OH the CHO group of C1. Based on this, the OH group of C2 is converted to a CO group, or the OH group of C1 of ketose and the CO group of C2 are recognized and reacted, and the OH group of C1 is converted to a CHO group and the CO group of C2 is converted to OH. It has an aldose-ketose isomerase activity that converts to a group. Further, when D-allose is produced using D-allose as a substrate, D-altrose, which is a by-product, is not produced, so that it is suitable for producing D-allose.
- the present invention relates to the L-rhamnose isomerase described in the following (1) to (4) and the microorganism described in the following (5).
- L-rhamnose isomerase derived from a microorganism belonging to the genus Erwinia, the molecular weight of the subunit measured by SDS-PAGE is 48 kDa, and the substrate specificities of the following (A) and (B) are determined.
- L-rhamnose isomerase having.
- A) The CHO group of C1 of Ardose and the OH group of C2 are recognized and reacted to convert the CHO group of C1 into an OH group and the OH group of C2 into a CO group, or the OH group of C1 of Ketose.
- the optimum pH for the reaction is 9.
- the optimum reaction temperature is 70 ° C. (3)
- the present invention also describes the protein described in (5) to (7) below, the DNA described in (8) to (11) below, a recombinant vector, or a transformed host cell, or described in (12) below. Regarding microorganisms.
- (5) A protein containing the amino acid sequence represented by SEQ ID NO: 1.
- the CHO group of C1 of Ardose and the OH group of C2 are recognized and reacted to convert the CHO group of C1 into an OH group and the OH group of C2 into a CO group, or the OH group of C1 of Ketose. It has an isomerase activity that recognizes and reacts with the CO group of C2 and converts the OH group of C1 into a CHO group and the CO group of C2 into an OH group.
- a protein that is an amino acid substitution variant of a protein consisting of the amino acid sequence represented by SEQ ID NO: 1, has 78% or more identity with the amino acid sequence represented by SEQ ID NO: 1, and has a SEQ ID NO: K3, L4, I5, Y9, E10, L11, Y16, D18, V19, I21, V23, E24, Q25, V26, M27, T28, G32, I33, R46, N52, E54, of the amino acid sequence represented by 1.
- the reaction temperature is higher than that of a protein having an amino acid substitution at at least one site selected from 419, having the L-ramnose isomerase activity of (A) and (B) below, and consisting of the amino acid sequence represented by SEQ ID NO: 1.
- the ratio of L-ramnose isomerase activity at 70 ° C. and 50 ° C. (T70 / T50) is high, the residual activity after heat retention at 60 ° C.
- the present invention also relates to the immobilized protein according to the following (13) to (16).
- the L-rhamnose isomerase according to any one of (1) to (4) above is in the state of a crude enzyme present in the cell disrupted product, or according to any one of (5) to (7) above.
- Protein is immobilized on a carrier in the form of a crude protein present in a disrupted cell of a transformed host cell.
- the present invention also relates to the method for producing L-rhamnose isomerase, or the method for producing ketose or aldose, described in (17) to (19) below.
- the microbial cell of the genus L-rhamnose isomerase producing L-rhamnose isomerase according to any one of (1) to (4) above or the transformed host cell according to (11) above is cultured in a medium.
- a method for producing ketose or aldose which comprises reacting the protein of 1 or the immobilized protein according to any one of (13) to (16) above to produce a corresponding ketose or aldose, and collecting the ketose or aldose. ..
- the L-rhamnose isomerase of the present invention is characterized by having particularly high heat resistance and high activity as compared with the conventional L-rhamnose isomerase derived from a microorganism.
- the conventional L-rhamnose isomerase derived from Pseudomonas stutzeri has an optimum temperature of 60 ° C.
- the enzyme of the present invention has a high temperature of 70 ° C. and is heat-treated at 60 ° C. for 10 minutes. Since the residual activity of Pseudomonas stella has a thermal stability of 80% or more, it is suitable for use in industrial production.
- the excellent heat resistance of this enzyme can be further enhanced by producing an amino acid substitution mutant of this enzyme.
- the substrate when the substrate is 100 mM D-allose, it has a high conversion activity to D-allose of 2.26 U per unit protein at 60 ° C., and the present invention enables mass production of D-allose.
- the enzyme of the present invention converts only D-allose and does not produce D-altrose, which is a by-product, so that the yield is increased accordingly.
- the present invention relates to L-rhamnose isomerase that can be isolated from a microorganism belonging to the genus Erwinia, and has characteristic properties in high activity and heat resistance.
- the L-lamnose isomerase of the present invention recognizes and reacts with the CHO group of C1 of aldose and the OH group of C2, and converts the CHO group of C1 into an OH group and the OH group of C2 into a CO group to form ketose.
- it has an isomerase activity that recognizes and reacts with the OH group of C1 of ketose and the CO group of C2, and converts the OH group of C1 into a CHO group and the CO group of C2 into an OH group to form an aldose.
- the ketose referred to in the present invention means a ketohexose of six-carbon sugar or a ketopentose of five-carbon sugar having a ketose structure.
- Ketohexose contains allulose (also known as psicose), sorbose, tagatose and fructose, and ketopentose contains ribulose and xylulose.
- aldose as used in the present invention means aldohexose of six-carbon sugar or ald-pentose of five-carbon sugar having an aldose structure.
- Aldohexose includes glucose, allose, altrose, growth, idose, talose, galactose and mannose
- aldopentose includes ribose, arabinose, xylose and lyxose.
- D- or L- means these D-forms and L-forms.
- the L-lamnose isomerase of the present invention acts on L-lamnose, L-lyxose, L-mannose, D-ribose, L-talose, and D-allose, and acts on L-lamnose-L-lamnose, L-lyxose-.
- the L-rhamnose isomerase of the present invention belongs to the genus Erwinia, and by culturing a microorganism capable of producing L-rhamnose isomerase and isolating L-rhamnose isomerase from the cells grown in the culture medium. Can be prepared.
- a microorganism capable of producing L-rhamnose isomerase and isolating L-rhamnose isomerase from the cells grown in the culture medium. can be prepared.
- the microorganism belonging to the genus Erwinia for example, Erwinia billingiae GuaL218-3 and mutant strains thereof can be advantageously used.
- the GuaL218-3 strain was internationally deposited on February 28, 2020 at the Patent Microbiology Depositary, National Institute of Technology and Evaluation, located at 2-5-8 Kazusakamatari, Kisarazu City, Chiba Prefecture, Japan. Then, it was received as receipt number NITE ABP-03142, and then GuaL218-3 shares were formally deposited internationally
- L-rhamnose isomerase-producing bacteria of the genus Elvinia are aerated and cultured in an inorganic salt medium supplemented with L-rhamnose, and then the cells are recovered from the culture solution by centrifugation.
- the recovered cells were washed with 10 mM Tris-HCl buffer (pH 7.5), suspended in 10 mL of 10 mM Tris-HCl buffer (pH 7.5), and lysozyme, a lytic enzyme, was added. Then, the cells are disrupted by enzymatic treatment, or the cells are disrupted with an ultrasonic homogenizer while cooling the bacterial cell suspension in ice water. The crushed material is centrifuged, and the centrifugal supernatant is used as a crude enzyme solution.
- the activity of L-rhamnose isomerase in the crude enzyme solution before purification can be confirmed by measuring the amount of D-rhamnose isomerase produced using D-allulose as a substrate.
- the enzyme activity for converting D-allose to D-allose, which is a reverse reaction, is also measured under the same conditions. These conversion reactions are usually carried out under the following conditions.
- Substrate concentration is 1-60% (w / v), preferably about 5-50% (w / v)
- reaction temperature is 30-80 ° C, preferably about 50-70 ° C
- reaction pH is 6-11.
- the reaction time can be appropriately selected from about 8 to 11, but in the case of a batch reaction, a range of 4 to 20 hours is usually selected.
- the crude enzyme solution can be sequentially purified by ion exchange chromatography and hydrophobic chromatography to isolate the purified enzyme.
- SDS-PAGE gel concentration 12.5%
- the L-rhamnose isomerase of the present invention purified as described above is a metal enzyme having a subunit molecular weight of about 48 kDa by SDS-PAGE and its degree of activation regulated by metal ions.
- the reaction with the substrate can be carried out in the presence of a metal ion selected from the group consisting of manganese, cobalt, nickel, magnesium, iron, copper, zinc and calcium at a concentration of 0.5-5 mM.
- the L-rhamnose isomerase of the present invention has a predetermined amino acid sequence, and as an example, a protein having the amino acid sequence represented by SEQ ID NO: 1 or an amino acid sequence homologous thereto has an equivalent L. -Proteins that maintain l-rhamnose isomerase activity can be mentioned.
- the homologous amino acid sequence is, for example, 75% or more, 78% or more, 80% or more, preferably 85% or more, more preferably 90% or more, still more preferably 95% or more amino acids with the amino acid sequence of SEQ ID NO: 1. Refers to having sequence identity.
- the identity (%) of two amino acid sequences or two nucleic acid sequences can be determined, for example, by the following procedure. First, arrange the two arrays for optimal comparison. At this time, for example, a gap may be introduced in the first sequence to optimize the alignment with the second sequence. When the molecule at a specific position (amino acid residue or nucleotide) in the first sequence is the same as the molecule at the corresponding position in the second sequence, it can be said that the molecule at that position is the same.
- comparison of two sequences and determination of identity can be realized using a mathematical algorithm.
- mathematical algorithms available for sequence comparison include Karlin and Altschul (1990) Proc. Natl. Acad. Sci. USA 87: 2264-68, Karlin and Altschul (1993) Proc. Natl. Acad. Sci. There is an algorithm modified in USA 90: 5873-77, but it is not limited to this. Such an algorithm is described in Altschul et al. (1990) J. Mol. Mol. Biol. 215: It is incorporated into the NBLAST program and the XBLAST program (version 2.0) described in 403-10.
- the DNA of the present invention is a gene encoding the protein and has a predetermined base sequence.
- Examples thereof include a DNA sequence encoding the amino acid sequence represented by SEQ ID NO: 1, a base sequence represented by SEQ ID NO: 2, or a base sequence homologous to the base sequence represented by SEQ ID NO: 2.
- the homologous base sequence is, for example, 75% or more, 78% or more, 80% or more, preferably 85% or more, more preferably 90% or more, still more preferably 95% or more of the base sequence of SEQ ID NO: 2. Refers to having sequence identity.
- the DNA of the present invention can also be inserted into an appropriate vector capable of autonomous replication to obtain a recombinant vector.
- the recombinant vector is composed of DNA and a vector capable of autonomous replication, and if DNA is available, it can be relatively easily prepared by a conventional recombinant DNA technique.
- Appropriate vectors are selected according to the purpose of use, such as cloning and protein expression, and depending on the host cell.
- vectors examples include plasmid vectors such as pBR322, pUC18, pUB110, pTZ4, pC194, pHV14, TRp7, YEp7, pBS7 and phage vectors such as ⁇ gt ⁇ ⁇ C, ⁇ gt ⁇ ⁇ B, ⁇ 11, ⁇ 1, ⁇ 105. Be done.
- the recombinant vector thus obtained can be introduced into an appropriate host cell such as Escherichia coli, Bacillus subtilis, actinomycete, and yeast.
- an appropriate host cell such as Escherichia coli, Bacillus subtilis, actinomycete, and yeast.
- introduction method a known method such as a calcium phosphate co-precipitation method, an electroporation method, a lipofection method, or a microinjection method is used.
- a colony hybridization method or the like is applied to obtain transformed host cells.
- the method for producing a protein having L-rhamnose isomerase and L-rhamnose isomerase activity of the present invention is not particularly limited, and a known method can be adopted.
- the L-rhamnose isomerase of the present invention is a host cell transformed with a DNA encoding a microorganism capable of producing L-rhamnose isomerase of the present invention or a protein having L-rhamnose isomerase activity of the present invention.
- a known method can be used as the culturing method, and for example, either liquid culture or solid culture can be used.
- the enzyme and protein of the present invention are purified and recovered.
- a method for purifying / recovering an enzyme or protein a known method can be freely selected. For example, when recovering from a culture solution, for example, the culture supernatant is filtered, centrifuged, or the like to insolubilize the culture supernatant. After removing the substance, separation and purification can be performed by appropriately combining concentration with an ultrafiltration membrane, salting out such as sulphate precipitation, dialysis, and various chromatographies such as ion exchange resins.
- the cells are crushed by lytic enzyme treatment, ultrasonic treatment, or the like, and then separated and purified in the same manner.
- the L-rhamnose isomerase of the present invention can be used by immobilizing an enzyme like other isomerases, and a highly active immobilized enzyme can be obtained by various immobilization methods.
- an immobilized enzyme By using an immobilized enzyme, a large amount of isomerization reaction can be continuously carried out, and a known immobilization means such as a carrier binding method, a cross-linking method, a gel encapsulation method, a microencapsulation method and the like can be used. It can be an immobilized enzyme, and the carrier may be any known carrier.
- One aspect of the method for immobilizing L-rhamnose isomerase of the present invention is immobilization using a crude enzyme solution.
- the crude enzyme solution containing L-rhamnose isomerase obtained by ultrasonically treating the cell suspension is added to an ion exchange resin or the like and bound at a low temperature to immobilize the L-rhamnose isomerase. be able to.
- an ion exchange resin or the like In order to extract L-rhamnose isomerase from the cells, it is necessary to crush the cell walls of the cells, and as described above, there is a crushing method by ultrasonic treatment or enzyme treatment such as lysozyme. It was found that the crude enzyme solution obtained by ultrasonic treatment contained a large amount of active L-rhamnose isomerase.
- any known immobilized carrier can be used, but ion exchange resins, sodium alginate, synthetic adsorbents and the like are convenient and often used.
- the basic anion exchange resin for example, either a strong basic anion exchange resin or a weakly basic anion exchange resin can be used.
- the strong basic anion exchange resin examples thereof include SA20A and PA418 (manufactured by Mitsubishi Chemical Co., Ltd.), and examples of the weakly basic anion exchange resin include WA30 (manufactured by Mitsubishi Chemical Co., Ltd.), FPA54, FPA95 (manufactured by Organo Co., Ltd.) and the like.
- the synthetic adsorbent include XAD7HP (manufactured by Organo Corporation).
- the immobilized L-rhamnose isomerase When an immobilized enzyme is produced using a weakly basic anion exchange resin as a carrier, the immobilized L-rhamnose isomerase can be easily eluted after the reaction, and thus the regeneration of the immobilized enzyme is very high. It can be done easily and the production efficiency is good.
- the L-rhamnose isomerase of the present invention is obtained by culturing a host cell transformed with a DNA encoding a microorganism capable of producing L-rhamnose isomerase or a protein having L-rhamnose isomerase activity of the present invention in a nutrient medium. It can be produced by collecting a protein having L-rhamnose isomerase activity from the culture obtained in the above.
- a known method can be used as the culturing method, and for example, either liquid culture or solid culture can be used.
- the L-rhamnose isomerase of the present invention is purified and recovered.
- a known method can be freely selected. For example, when recovering from the culture solution, for example, the culture supernatant is filtered, centrifuged, or the like to obtain an insoluble matter. After removal, separation and purification can be performed by appropriately combining concentration with an ultrafiltration membrane, salting out such as sulphate precipitation, dialysis, and various chromatographies such as ion exchange resins.
- the cells are crushed by lytic enzyme treatment, ultrasonic treatment, or the like, and then separated and purified in the same manner.
- the purified L-rhamnose isomerase of the present invention or the immobilized enzyme is used to act on a solution containing one or more selected from possible substrates of aldose or ketose to produce the corresponding ketose or ketose. , These can be manufactured. Since the L-rhamnose isomerase of the present invention has a higher substrate specificity for D-allose than the conventional L-rhamnose isomerase, a large amount of the rare sugar D-allose is contained in the presence of D-allose which can be a substrate. Can be manufactured.
- a mutation is introduced into the gene of L-rhamnose isomerase of the present invention, and the corresponding amino acid residue is replaced with another amino acid residue by a site-specific mutation operation to obtain a mutant having various amino acid substitutions.
- an enzyme having high D-allulose isomerase activity at an optimum temperature and an enzyme having high heat resistance can be obtained from a wild-type enzyme without amino acid substitution.
- the heat resistance is evaluated by four indexes that the ratio of loin isomerase activity (T80 / optimum temperature) is high.
- the L-rhamnose isomerase of the present invention retains the enzyme activity even in a variant having an amino acid sequence identity of about 78%, and has an optimum temperature as compared with the wild-type enzyme of SEQ ID NO: 1.
- the ratio of D-l-rhamnose isomerase activity (T70 / T50) at reaction temperatures of 70 ° C. and 50 ° C. is higher, the residual activity after heat retention at 60 ° C. for 1 hour is higher, or the reaction temperature is 80 ° C.
- a variant having a higher ratio of D-allulose isomerase activity (T80 / optimum temperature) at the optimum temperature can be obtained.
- Patent Document 8 the method for creating a phylogenetic tree described in Patent Document 8 was referred to. All the DNA sequences encoding the enzyme having an activity similar to that of L-rhamnose isomerase represented by SEQ ID NO: 1 of the present invention or the putative enzyme are extracted, and the method of Patent Document 8 is used to obtain a phylogenetic tree as a common ancestral DNA. Create a phylogenetic tree that is phylogenetically derived from the DNA sequence of developmental origin.
- amino acid sequences encoded by the obtained DNA sequences that are the same lineage as SEQ ID NO: 1 of the present invention are compared, and attention is paid to the amino acid sequences of the parts having different sequences.
- various L-ramnorse isomerase variants are prepared by changing the amino acids and the like corresponding to the different sites of SEQ ID NO: 1 by base substitution by introducing a site-specific mutation. From among them, amino acid substitution mutants having high D-allulose isomerase activity at the optimum temperature and amino acid substitution mutants having high thermostability are selected from wild-type enzymes.
- the amino acid substitution variants of the present invention include, as an exception, a variant in which one amino acid residue is added to the amino acid at position 418 at the C-terminal.
- the site-specific mutagenesis method should be performed by any method such as inverse PCR method or annealing method (edited by Muramatsu et al., "Revised 4th Edition New Genetic Engineering Handbook", Yodosha, p.82-88). Can be done. If necessary, various commercially available site-directed mutagenesis kits such as Stratagene's QuickChange II Site-Directed Mutagenesis Kit and QuickChange Multi Site-Directed Mutagenesis Kit can be used. Site-specific mutagenesis can most commonly be performed with mutation primers containing the nucleotide mutations to be introduced.
- Such a mutation primer is annealed to a region containing a nucleotide sequence encoding an amino acid residue to be modified in a gene, and is modified in place of the nucleotide sequence (codon) encoding the amino acid residue to be modified. It may be designed to include a base sequence having a nucleotide sequence (codon) encoding an amino acid residue.
- amino acid substitution variant means a variant in which an amino acid in the original sequence is substituted with a different amino acid.
- substitution there are conservative substitutions and non-conservative substitutions, and there is no particular concern about the substitutions.
- the substitution is a conservative substitution.
- Conservative substitutions are amino acids that have the same properties (basic, acidic, or neutral) and polarity (hydrophilic or hydrophobic), such as basic to basic, acidic to acidic, and polar to polar. , Substitution between aromatic amino acids or between aliphatic amino acids, and the like.
- Conservative substitutions include, for example, basic amino acids (Arg, Lys, His), acidic amino acids (Glu, Asp), neutral non-polar amino acids (Gly, Ala, Val, Leu, Ile, Met), aliphatic amino acids (Ala). , Val, Leu, Ile, Met), polar amino acids (Gln, Asn, Ser, Thr), aromatic amino acids (Phe, Trp, Tyr) and the like.
- a non-conservative substitution is to exchange with an amino acid of a member outside the above group, for example, by deleting Cys or substituting with another amino acid to prevent folding into a protein in a tertiary structure.
- the Hydropathy Index of Amino Acids J.I. Amino acids are substituted in consideration of Mol. Biol. (1982) Vol. 157, p. 105-132).
- it may be replaced with an amino acid having less steric hindrance than the original amino acid, or a charged amino acid may be replaced with an uncharged amino acid.
- substitutions there are conservative substitutions and non-conservative substitutions, for example, Ala to Ser or Thr substitution, Arg to Gln, His or Lys substitution, Asn to Glu, Gln, Lys, His or Asp. Substitution to Asp to Asn, Glu or Gln, Cys to Ser or Ala, Gln to Asn, Glu, Lys, His, Asp or Arg, Glu to Asn, Gln, Lys or Asp Substitution to, Gly to Pro substitution, His to Asn, Lys, Gln, Arg or Tyr substitution, Ile to Leu, Met, Val or Phe substitution, Leu to Ile, Met, Val or Phe Substitution, Lys to Asn, Glu, Gln, His or Arg, Met to Ile, Leu, Val or Phe, Phe to Trp, Tyr, Met, Ile or Leu, Ser to Thr or Ala Substitution to Thr to Ser or Ala, Trp to Ph or Tyr, Tyr to His,
- a wild-type enzyme having the amino acid sequence of SEQ ID NO: 1 a large number of multiple mutants in which 90 amino acids are substituted are prepared from a mutant in which one amino acid is substituted, and an enzyme activity and heat resistance test are performed. As a result, 58 mutants were selected. Of these, 13 out of 58 mutants were confirmed to have higher D-allulose isomerase activity at the optimum temperature than the wild-type enzyme without amino acid substitution. In addition, 52 out of 58 mutants having a higher ratio of D-allulose isomerase activity (T70 / T50) at reaction temperatures of 70 ° C. and 50 ° C. than wild-type enzymes, and kept warm at 60 ° C. for 1 hour compared to wild-type enzymes.
- T70 / T50 ratio of D-allulose isomerase activity
- the L-rhamnose isomerase of the present invention is also excellent in that many mutants having higher heat resistance than the wild-type L-rhamnose isomerase can be obtained.
- ⁇ Experiment 3 Preparation of crude enzyme> Bacterial cells were collected by centrifugation from the respective culture solutions of the GuaL218-3 strain and the AgM30 strain. The recovered cells were washed with 10 mM Glycine-NaOH buffer (pH 9.0), and then the cells were suspended in 10 mL of Glycine-NaOH buffer (pH 9.0), and then the cells were suspended. The cells were disrupted with an ultrasonic homogenizer (Emerson Japan, Ltd.) while cooling the turbid liquid in ice water. The crushed product was centrifuged at 12,000 rpm for 20 minutes, and the centrifugation supernatant was used as each crude enzyme.
- an ultrasonic homogenizer Emerson Japan, Ltd.
- Example 4 Production of D-allose by crude enzyme> Using the two crude enzyme solutions obtained, D-allulose was added as a substrate to a final concentration of 100 mM, and the enzyme reaction was carried out at 30 ° C. for 4 hours, and then the amount of D-allose produced was measured. Then, the amount of D-allose produced was compared by the area area of HPLC. Specifically, the composition of the enzyme reaction solution is 50 mM Glycine-NaOH buffer (pH 9.0), 100 mM D-allulose, crude enzyme solution, 1 mM manganese chloride, reacted at 30 ° C. for 4 hours, and boiled for 2 minutes. After stopping the reaction, the liquid composition after the reaction was measured by HPLC.
- the ratio of the area area of D-allose produced by HPLC analysis is shown in FIG.
- the amount of conversion of D-allose to D-allose per amount of the same culture solution was about 23 times that of the control crude enzyme derived from the GuaL218-3 strain and that of the control crude enzyme derived from the AgM30 strain. rice field.
- the enzyme purified by ion exchange chromatography was further purified by hydrophobic chromatography.
- the column used was HiTrap PHENYL, which was dissolved by adding ammonium sulfate to an enzyme solution so as to have a concentration of 2M, and the concentration was reduced from 100% to 0% of 2M ammonium sulfate at a flow rate of 5 mL / min to elute and fractionate by 5 mL.
- the fraction in which the enzyme activity was detected was dialyzed to remove ammonium sulfate to obtain a hydrophobic chromatographic separation and purification enzyme.
- FIG. 6 shows the residual activity of this enzyme and the control enzyme after being kept warm at each temperature for 10 minutes under the reaction conditions (10 minutes) for which the optimum temperature was determined.
- the decrease in relative activity of this enzyme at 60 ° C. was less than 20%, which was overwhelmingly less than the decrease of 80% in the control enzyme. In comparison, it was found to be a more stable enzyme at high temperatures.
- D-allose or D-allose isomerase activity Regarding the measurement of the D-allose isomerase activity of this enzyme, the same experiment as in Experiment 6 was carried out to carry out an enzymatic reaction. Using 100 mM D-allose as a substrate, an enzymatic reaction is carried out at 60 ° C. for 60 minutes, and after the reaction, the reaction is stopped by putting the reaction solution in a boiling solution for 3 minutes, and the liquid composition after the reaction is measured by HPLC.
- the enzyme activity of 1 unit (U) is the amount of enzyme that isomerizes D-allose to produce 1 ⁇ mol of D-allose per minute under the above conditions.
- the reaction conditions are shown in Table 4. D-allulose isomerase activity was measured under similar conditions.
- the enzyme activity of 1 unit (U) is the amount of enzyme that isomerizes D-allose to produce 1 ⁇ mol of D-allose per minute under the above conditions.
- L-rhamnose The activity against L-rhamnose was the strongest, followed by L-lyxose, L-mannose, D-ribose, L-talose, and D-allose.
- L-rhamnose, L-lyxose, L-mannose, D-ribose, and D-allose were in that order, and did not react with L-talose.
- This enzyme is used between L-rhamnose and L-ramnose, between L-lyxose and L-xylulose, between L-mannose and L-fructoses, between D-ribose and D-ribulose, between L-talose and L-tagatose, and D.
- ⁇ Experiment 7 Preparation of immobilized enzyme> The cells of the Erwinia billingiae GuaL218-3 strain, which had been cultured and recovered in the same manner as in Experiment 2, were used. 1. Acquisition of crude enzyme by ultrasonic treatment of bacterial cells 40 mL of 50 mM Glycine-NaOH buffer (pH 9.0) is suspended in 1 L of the culture solution, and the bacterial cell suspension is ultrasonically cooled in ice water. It was crushed with a homogenizer. The crushed product was centrifuged at 15,000 ⁇ g for 30 minutes, and the centrifugal supernatant was used as a crude enzyme solution.
- Glycine-NaOH buffer pH 9.0
- the enzyme activity of the immobilized enzyme was measured by measuring the amount of D-allose produced when the enzyme reaction was carried out using D-allulose as a substrate. First, a solution (500 ⁇ L) of 100 mg of an immobilized enzyme resin, Glycine-NaOH buffer (pH 9.0) (final concentration 50 mM), manganese chloride (final concentration 1 mM), and D-allulose (final concentration 100 mM) was added to the reaction solution. The composition was adjusted, and the reaction was carried out in a constant temperature water bath at 30 ° C. for 24 minutes, and then boiled at 100 ° C. for 2 minutes to immediately stop the reaction.
- ⁇ Experiment 8-1 Determination of the entire base sequence of chromosomal DNA> Unlike existing similar enzymes, the D-allose isomerase enzyme of this bacterium could not be isolated using the PCR amplification method or the existing protein database. Therefore, the entire genome sequence of Erwinia billingiae GuaL218-3 strain was determined, and a database of proteins encoded by all ORFs in the genome was constructed. Erwinia billingiae GuaL218-3 strain cultured cells were requested to Macrogen Japan Co., Ltd. as test cells, and next-generation sequence analysis using PacBio-RSII / Sequence was requested.
- ⁇ Experiment 8-2 Construction of protein database> Based on the obtained DNA sequence of about 5.7 Mb, 5,357 ORFs were estimated using the Prokka program, and the amino acid sequence was estimated for each ORF. The 5,357 amino acid sequences were used as a protein database of Erwinia billingiae GuaL218-3 strain.
- a phylogenetic tree was prepared by the amino acid sequence of L-ramnorse isomerase represented by SEQ ID NO: 1 of the present invention and the method described in Patent Document 8, and classified into the same strain as the DNA sequence of SEQ ID NO: 2 of the present invention.
- the amino acid sequence encoded by the DNA sequence is compared with the amino acid sequence of SEQ ID NO: 1, and the amino acids and the like corresponding to the sites different from SEQ ID NO: 1 are changed by base substitution by site-specific mutagenesis, and various L-ramnorse isomerases are used.
- a variant was created.
- the amino acid substitution mutants of the present invention included a mutant in which one amino acid residue (G) was added to the amino acid at position 418 at the C-terminal.
- a 1-amino acid substitution mutant was prepared by introducing a site-specific mutation.
- the PCR reaction was performed.
- the obtained PCR fragment was transformed into host Escherichia coli, and the plasmid DNA was extracted from the obtained clone to confirm that the target mutation was introduced by sequence analysis.
- the multiple substitution mutant was prepared by repeating the above method.
- Recombinant E. coli expressing recombinant enzymes containing site-specific mutant enzymes are 3.5% polypeptone with ampicillin added to a final concentration of 100 ⁇ g / ml, 2.0% yeast extract, 1.0% chloride.
- Preculture was performed at 30 ° C. and 200 rpm for 12 hours in a medium containing sodium and 2 mM manganese chloride.
- the preculture solution was inoculated into an expression medium containing ampicillin so as to have a final concentration of 100 ⁇ g / ml in a volume of 1/20, and main culture was carried out at 30 ° C. and 200 rpm for 2 hours.
- IPTG was added so as to have a final concentration of 0.1 mM, and the expression of the recombinant enzyme was induced at 30 ° C. and 200 rpm overnight.
- the composition of the medium for expression of recombinant Escherichia coli is shown in Table 8.
- the enzymatic activity of the wild-type enzyme obtained by recombination and the crude enzyme of the amino acid substitution mutant is Tris-HCl buffer (pH 8.0) having a final concentration of 50 mM as a buffer using D-allulose having a final concentration of 100 mM as a substrate.
- the reaction was carried out at each temperature for 10 minutes, and the sugar composition in the reaction solution was measured by measuring the amount of D-allose produced using HPLC.
- the enzyme solution was heat-treated at 60 ° C. for 1 hour, and then the enzyme reaction was carried out at 60 ° C. for 10 minutes with the reaction composition shown in Table 9 to measure the residual activity. bottom.
- the composition of the reaction solution is shown in Table 9 below.
- the reaction optimum temperature and relative activity of each mutant were measured, and an amino acid substitution mutant having higher D-allulose isomerase activity than the wild-type enzyme at the reaction optimum temperature of each mutant was selected.
- the wild-type enzyme is a crude enzyme produced by recombination, and the optimum temperature for D-allose production was 60 ° C., which was lower than the optimum temperature of 70 ° C. for L-ramnose of the purified enzyme, but mutation was caused. Some mutants returned to the optimum temperature by insertion. As a result, 13 mutants having a higher optimum temperature or higher D-allulose isomerase activity at the optimum temperature than the wild-type enzyme were obtained (Table 10).
- the ratio of D-allulose isomerase activity at reaction temperatures of 70 ° C. and 50 ° C. of each variant is the same as the measurement of the optimum reaction temperature and relative activity of each variant.
- the ratio of the residual activity after heat retention at 60 ° C. for 1 hour and the D-allulose isomerase activity at the reaction temperature of 80 ° C. and the optimum temperature (T80 / optimum temperature) was measured. Then, mutants having a higher index than wild-type enzymes were selected (Tables 11 to 13).
- amino acid substitution sites and the like shown below are different from those shown in SEQ ID NOs: 3 to 60 in the sequence listing, the amino acid sequence shown in the sequence listing is the correct sequence.
- the number in parentheses at the end of each sequence indicates the number of amino acid substitutions.
- amino acid substitution mutants of sequences 3 to 60 have specific amino acid substitutions at the following 122 sites.
- amino acid substitution mutants of sequences 3 to 60 are subjected to amino acid substitution and addition of one amino acid residue at the following 122 sites.
- the largest number of amino acid substitutions in sequences 3 to 60 is 90 in sequence 33, and the amino acid sequence identity of the wild-type enzyme in sequence 1 is 78%.
- the one having the largest number of amino acid substitutions is 84 of Sequence 32.
- the number is 80%, and the identity of the sequence 1 with the amino acid sequence is 80%.
- Table 11 shows the numbers of 52 sequences having a higher ratio of D-allulose isomerase activity (T70 / T50) at reaction temperatures of 70 ° C. and 50 ° C. than the wild-type enzyme of sequence 1.
- Table 12 shows the numbers of 17 sequences having higher residual activity after being kept warm at 60 ° C. for 1 hour than the wild-type enzyme of sequence 1.
- Table 13 shows the numbers of 56 sequences having a higher ratio of D-allulose isomerase activity (T80 / optimum temperature) at a reaction temperature of 80 ° C. and an optimum temperature than the wild-type enzyme of sequence 1.
- the L-rhamnose isomerase of the present invention is characterized by having particularly high heat resistance and high activity as compared with the conventional L-rhamnose isomerase derived from a microorganism.
- the conventional L-rhamnose isomerase derived from Pseudomonas stutzeri has an optimum temperature of 60 ° C.
- the enzyme of the present invention has a high temperature of 70 ° C. and is heat-treated at 60 ° C. for 10 minutes. Since the residual activity of Pseudomonas stella has a thermal stability of 80% or more, it is suitable for use in industrial production.
- the substrate when the substrate is D-allose, it has a high conversion activity to D-allose of 2.26 U per mg protein at 60 ° C., and the present invention opens the way for mass production of D-allose. ..
- the L-rhamnose isomerase of the present invention can obtain a highly active immobilized enzyme by various immobilization methods, and by using the immobilized enzyme, it is possible to carry out a continuous and large amount of isomerization reaction. Is. By being able to be fixed industrially, the target aldose can be mass-produced.
- many amino acid-substituted variants of L-rhamnose isomerase of the present invention include those having higher enzyme activity or heat resistance than the present enzyme before mutation. Therefore, the establishment of the L-rhamnose isomerase and its variants of the present invention and the method for producing the same is extremely significant not only in the sugar manufacturing industry but also in the food, cosmetics, pharmaceuticals, and agrochemical industries related thereto.
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Abstract
Description
炭素数が4つの単糖(テトロース)は、アルドース4種類、ケトース2種類および糖アルコール3種類ある。炭素数が5つの単糖(ペントース)は、アルドース8種類、ケトース4種類および糖アルコール4種類ある。炭素数が6つの単糖(ヘキソース)は全部で34種類あり、アルドースが16種類、ケトースが8種類、糖アルコールが10種類ある。炭素数が7つの単糖(ヘプトース)の種類は、炭素数7のアルドヘプトース、ケトヘプトース、ヘプチトールはそれぞれ32,16,16種類存在する。
例えば、六炭糖(ヘキソース)には、一般に、自然界に多量に存在するアルドースは、D-グルコース、D-ガラクトース、D-マンノース、D-リボース、D-キシロース、L-アラビノースの6種類であり、それ以外のD-アロースなどのアルドースは希少糖と定義される。すなわち、アルドースのうち希少糖とされるものとしては、L-アロース、L-グロース、L-グルコース、L-ガラクトース、L-アルトロース、L-イドース、L-マンノース、L-タロース、D-タロース、D-イドース、D-アルトロース、D-グロース、D-アロースが挙げられる。ケトースとしては、D-フラクトースは自然界に多量に存在するのに対し、他のケトースは、自然界に多量に存在しないので、希少糖といえる。ケトースのうち希少糖とされるものとしては、D-アルロース(別名D-プシコース)、D-タガトース、D-ソルボース、L-フラクトース、L-アルロース(別名L-プシコース)、L-タガトース、L-ソルボースが挙げられる。
D-アロースは、D-グルコースと3位の炭素のOH基方向のみ異なる異性体であるアルドースであって、ケトースであるD-アルロースの異性体としても知られる希少糖単糖類である。D-アロースは、それを有効成分とする、急性腎不全および尿毒症から選択される腎疾患を治療するための医薬組成物(特許文献1)、筋萎縮性側索硬化症に起因する運動障害の発症または進行を遅延するための医薬品(特許文献2)、血圧上昇抑制剤(特許文献3)、血管新生の抑制に用いることを特徴とする剤(特許文献4)、Tリンパ球増殖抑制剤(特許文献5)、または腹膜透析液に配合して使用される腹膜劣化抑制剤(特許文献6)が知られており、また、食することのできる農薬(特許文献7)としても知られている。最近では、腎細胞癌細胞に取り込まれての抗腫瘍効果(特願2019-52195号)、ヒト尿路上皮癌細胞に対する強い抗腫瘍効果(特願2019-58477号)に関する発明が出願されている。このような特徴から、D-アロースは医薬、農薬分野で次世代の核心的な素材として注目を浴びており、D-アルロースの次はD-アロースの大量生産技術の確立が求められている。
また、該公知の酵素にはD-アロース生成時に、アルドースであるD-アルトロース(D-altrose)も副産物として生成させるものがあり、副産物であるD-アルトロースの存在は、D-アロース精製工程におけるD-アロースの収率低下の原因となっていた。そこで、大量生産による希少糖D-アロースの純度も課題の一つとなった。
その結果、数多く単離した菌株の中に新規なL-ラムノースイソメラーゼを産生するエルビニア(Erwinia)属に属する微生物を見出した。このエルビニア属微生物であるエルビニア ビリンゲ(Erwinia billingiae)は、活性が高くかつ高耐熱性の新規なL-ラムノースイソメラーゼを産生する。
(1)エルビニア(Erwinia)属に属する微生物由来のL-ラムノースイソメラーゼであって、SDS-PAGEで測定したサブユニットの分子質量が48kDaであり、下記(A)および(B)の基質特異性を有するL-ラムノースイソメラーゼ。
(A)アルドースのC1のCHO基とC2のOH基を認識して反応し、C1のCHO基をOH基に、C2のOH基をCO基に変換するか、あるいは、ケトースのC1のOH基とC2のCO基を認識して反応し、C1のOH基をCHO基に、C2のCO基をOH基に変換するイソメラーゼ活性を有する。
(B)L-ラムノースとL-ラムニュロース間、L-リキソースとL-キシルロース間、L-マンノースとL-フラクトース間、D-リボースとD-リブロース間、L-タロースとL-タガトース間、及びD-アロースとD-アルロース間の異性化反応を触媒する活性を有する。
(2)下記(C)および(D)の理化学的性質を有する、上記(1)に記載のL-ラムノースイソメラーゼ。
(C)反応至適pHは9である。
(D)反応至適温度は70℃である。
(3)エルビニア属に属する微生物がエルビニア ビリンゲ(Erwinia billingiae)である、上記(1)または(2)に記載のL-ラムノースイソメラーゼ。
(4)エルビニア属に属する微生物が特許微生物寄託センターに受託番号NITE BP-03142として国際寄託されているエルビニア ビリンゲ(Erwinia billingiae) GuaL218-3である、上記(1)ないし(3)のいずれかに記載のL-ラムノースイソメラーゼ。
(5)配列番号1で表されるアミノ酸配列を含むタンパク質。
(6)配列番号1で表されるアミノ酸配列からなるタンパク質のアミノ酸置換変異体であるタンパク質であって、配列番号1で表されるアミノ酸配列と80%以上の同一性を有し、かつ配列番号1で表されるアミノ酸配列のK3、L4、I5、Y9、E10、L11、Y16、D18、V19、I21、V23、Q25、V26、M27、T28、G32、I33、R46、N52、E54、R68、H73、A77、I79、E80、K81、M83、A89、D102、T103、E106、D108、A109、E111、Q113、S116、H117、Q124、H125、K126、S134、S148、D151、K152、G153、C162、I168、H171、P179、V186、L193、I195、L198、A199、E202、A205、S206、V211、F216、D217、A218、S219、C245、L246、A250、T257、T275、V280、L300、T310、A313、N315、K316、N319、K320、A345、S357、D358、Q359、R361、K362、L365、E366、A371、L375、V387、A390、W391、L393、H395、V397、D400、A401、S402、S405、E406、H409、Q412、Q413、T414、R416、L417、419から選ばれる少なくとも1つの部位のアミノ酸置換を有し、下記(A)および(B)のL-ラムノースイソメラーゼ活性を有し、かつ配列番号1で表されるアミノ酸配列からなるタンパク質より、至適温度におけるL-ラムノースイソメラーゼ活性が高いタンパク質。
(A)アルドースのC1のCHO基とC2のOH基を認識して反応し、C1のCHO基をOH基に、C2のOH基をCO基に変換するか、あるいは、ケトースのC1のOH基とC2のCO基を認識して反応し、C1のOH基をCHO基に、C2のCO基をOH基に変換するイソメラーゼ活性を有する。
(B)L-ラムノースとL-ラムニュロース間、L-リキソースとL-キシルロース間、L-マンノースとL-フラクトース間、D-リボースとD-リブロース間、L-タロースとL-タガトース間、及びD-アロースとD-アルロース間の異性化反応を触媒する活性を有する。
(7)配列番号1で表されるアミノ酸配列からなるタンパク質のアミノ酸置換変異体であるタンパク質であって、配列番号1で表されるアミノ酸配列と78%以上の同一性を有し、かつ配列番号1で表されるアミノ酸配列のK3、L4、I5、Y9、E10、L11、Y16、D18、V19、I21、V23、E24、Q25、V26、M27、T28、G32、I33、R46、N52、E54、R68、H73、A77、I79、E80、K81、A82、M83、S84、A89、K90、I97、D102、T103、E106、D108、A109、E111、Q113、S116、H117、E120、Q124、H125、K126、S134、P139、L140、S148、A150、D151、K152、G153、I154、C162、R167、I168、H171、P179、V186、L193、I195、L198、A199、E202、A205、S206、E210、V211、K215、F216、D217、A218、S219、C245、L246、A250、T254、T257、T275、V280、R282、L300、T310、A313、N315、K316、N319、K320、A345、S357、D358、Q359、R361、K362、L363、L365、E366、Y369、A371、A374、L375、S381、V387、A390、W391、L393、H395、V397、D400、A401、S402、S405、E406、H409、Q412、Q413、T414、R416、L417、419から選ばれる少なくとも1つの部位のアミノ酸置換を有し、下記(A)および(B)のL-ラムノースイソメラーゼ活性を有し、かつ配列番号1で表されるアミノ酸配列からなるタンパク質より、反応温度70℃と50℃におけるL-ラムノースイソメラーゼ活性の比(T70/T50)が高いか、60℃で1時間保温後の残存活性が高いか、または反応温度80℃と至適温度におけるL-ラムノースイソメラーゼ活性の比(T80/至適温度)が高いタンパク質。
(A)アルドースのC1のCHO基とC2のOH基を認識して反応し、C1のCHO基をOH基に、C2のOH基をCO基に変換するか、あるいは、ケトースのC1のOH基とC2のCO基を認識して反応し、C1のOH基をCHO基に、C2のCO基をOH基に変換するイソメラーゼ活性を有する。
(B)L-ラムノースとL-ラムニュロース間、L-リキソースとL-キシルロース間、L-マンノースとL-フラクトース間、D-リボースとD-リブロース間、L-タロースとL-タガトース間、及びD-アロースとD-アルロース間の異性化反応を触媒する活性を有する。
(8)上記(5)ないし(7)のいずれかに記載のタンパク質をコードするDNA。
(9)配列番号2で表される塩基配列を含むDNA。
(10)上記(8)または(9)に記載のDNAを含有する組換えベクター。
(11)上記(10)に記載の組換えベクターにより形質転換された形質転換宿主細胞。
(12)上記(1)ないし(4)のいずれかに記載のL-ラムノースイソメラーゼを生産する、特許微生物寄託センターに受託番号NITE BP-03142として国際寄託されているエルビニア ビリンゲ(Erwinia billingiae) GuaL218-3。
(13)上記(1)ないし(4)のいずれかに記載のL-ラムノースイソメラーゼ、または上記(5)ないし(7)のいずれかに記載のタンパク質が担体に固定化されている、固定化タンパク質。
(14)上記(1)ないし(4)のいずれかに記載のL-ラムノースイソメラーゼが菌体破砕物中に存在する粗酵素の状態で、または上記(5)ないし(7)のいずれかに記載のタンパク質が形質転換宿主細胞の、菌体破砕物中に存在する粗タンパク質の状態で担体に固定化されている、固定化タンパク質。
(15)前記担体が、イオン交換樹脂または合成吸着剤である上記(13)または(14)に記載の固定化タンパク質。
(16)前記担体が、WA30、FPA54、またはFPA95である上記(15)に記載の固定化タンパク質。
(17)上記(1)ないし(4)のいずれかに記載のL-ラムノースイソメラーゼを生産するエルビニア属微生物、または上記(11)に記載の形質転換宿主細胞を培地中で培養し、微生物菌体中に当該L-ラムノースイソメラーゼを蓄積させ、これを採取するL-ラムノースイソメラーゼの製造方法。(18)前記培地がL-ラムノースを添加した無機塩培地である、上記(17)に記載のL-ラムノースイソメラーゼの製造方法。
(19)アルドースまたはケトースから選ばれる1種以上を含有する溶液に、上記(1)ないし(4)のいずれかに記載のL-ラムノースイソメラーゼ、上記(5)ないし(7)のいずれかに記載のタンパク質、または上記(13)ないし(16)のいずれかに記載の固定化タンパク質を作用させて、対応するケトースまたはアルドースを生成せしめ、これを採取することを特徴とするケトースまたはアルドースの製造方法。
また、基質が100mMのD-アルロースである場合に、60℃で単位タンパク当たり2.26Uの高いD-アロースへの転換活性を有し、本発明によりD-アロースの大量生産が可能になる。特に、基質がD-アルロースである場合、本発明の酵素はD-アロースのみに変換し、副生成物であるD-アルトロースを生成しないので、収率がその分高くなる。
本発明のL-ラムノースイソメラーゼは、アルドースのC1のCHO基とC2のOH基を認識して反応し、C1のCHO基をOH基に、C2のOH基をCO基に変換してケトースにするか、あるいは、ケトースのC1のOH基とC2のCO基を認識して反応し、C1のOH基をCHO基に、C2のCO基をOH基に変換してアルドースにするイソメラーゼ活性を有する。
本発明でいうアルドースとは、アルドース構造を有する六炭糖のアルドヘキソースまたは五炭糖のアルドペントースを意味する。アルドヘキソースには、グルコース、アロース、アルトロース、グロース、イドース、タロース、ガラクトース、マンノースが、アルドペントースには、リボース、アラビノース、キシロース、リキソースが含まれる。D-またはL-とは、これらのD-体およびL-体を意味する。
本発明のL-ラムノースイソメラーゼは、L-ラムノース、L-リキソース、L-マンノース、D-リボース、L-タロース、およびD-アロースに作用し、L-ラムノース-L-ラムニュロース間、L-リキソース-L-キシロース間、L-マンノース-L-フラクトース間、D-リボース-D-リブロース間、L-タロース-L-タガトース間、およびD-アロース-D-アルロース間の変換を触媒できる、幅広い基質特異性を有する。
逆反応であるD-アロースからD-アルロースへ変換する酵素活性についても同様の条件で測定する。これらの変換反応は、通常、次の条件で行なわれる。基質濃度は1~60%(w/v)、望ましくは、約5~50%(w/v)、反応温度は30~80℃、望ましくは、約50~70℃、反応pHは6~11、望ましくは、約8~11、反応時間は適宜選択できるが、バッチ反応の場合には、通常4~20時間の範囲が選ばれる。
上記のように精製された本発明のL-ラムノースイソメラーゼは、SDS-PAGEによるサブユニット分子質量が約48kDaであり、その活性化度が金属イオンによって調節される金属酵素である。基質との反応は、マンガン、コバルト、ニッケル、マグネシウム、鉄、銅、亜鉛、およびカルシウムからなる群より選択された金属イオンの濃度0.5~5mMでの存在下で行われうる。
菌体内から、L-ラムノースイソメラーゼを取り出すためには、菌体細胞壁を破砕する必要があり、超音波処理あるいはリゾチームなどの酵素処理による破砕方法があるのは、上述のとおりである。超音波処理により得られる粗酵素液中に、活性を有するL-ラムノースイソメラーゼが多く含まれることがわかった。粗酵素液から酵素を固定化する担体としても、固定化担体として公知の任意のものを用いることができるが、イオン交換樹脂、アルギン酸ナトリウム、合成吸着剤等が便利でよく用いられる。
弱塩基性陰イオン交換樹脂を担体に用いて固定化酵素を製造した場合、固定化した、L-ラムノースイソメラーゼは、その反応後容易に溶離させることができることから、固定化酵素の再生を非常に簡便に行うことができ、生産効率が良い。
本発明のL-ラムノースイソメラーゼはアミノ酸配列の同一性が78%程度の変異体であっても、酵素活性を保持しつつ、かつ、配列番号1の野生型酵素と比較して、至適温度が上がるか、反応温度70℃と50℃におけるD-アルロースイソメラーゼ活性の比(T70/T50)がより高いか、60℃で1時間保温後の残存活性がより高いか、または反応温度80℃と至適温度におけるD-アルロースイソメラーゼ活性の比(T80/至適温度)がより高い変異体を得ることができる。
本発明の配列番号1で表されるL-ラムノースイソメラーゼと類似する活性を有する酵素あるいは推定酵素をコードするDNA配列を全て抽出し、特許文献8の方法を用いて、共通の祖先DNAとしての系統発生起源のDNA配列から系統発生的に派生する系統樹を作製する。そして、系統樹において本発明の配列番号1と同じ系統となる得られたDNA配列がコードするアミノ酸配列を比較して、配列が相違する部分のアミノ酸配列に着目し、アミノ酸残基が異なる部位は酵素活性への関与が小さいと予想して、配列番号1のその相違する部位に対応するアミノ酸等を、部位特異的変異導入による塩基置換により変化させて各種L-ラムノースイソメラーゼ変異体を作製する。その中から、野生型酵素より、至適温度におけるD-アルロースイソメラーゼ活性が高いアミノ酸置換変異体や耐熱性の高いアミノ酸置換変異体を選択する。
また、本発明のアミノ酸置換変異体には例外的に、C末端の418位のアミノ酸に、1アミノ酸残基を付加した変異体が包含されている。
部位特異的変異導入は、最も一般的には、導入すべきヌクレオチド変異を含む変異プライマーを用いて行うことができる。そのような変異プライマーは、遺伝子内の改変対象のアミノ酸残基をコードするヌクレオチド配列を含む領域にアニーリングし、かつその改変対象のアミノ酸残基をコードするヌクレオチド配列(コドン)に代えて改変後のアミノ酸残基をコードするヌクレオチド配列(コドン)を有する塩基配列を含むように設計すればよい。
保存的置換は、例えば、塩基性アミノ酸(Arg、Lys、His)、酸性アミノ酸(Glu、Asp)、中性非極性アミノ酸(Gly、Ala、Val、Leu、Ile、Met)、脂肪族アミノ酸(Ala、Val、Leu、Ile、Met)、極性アミノ酸(Gln、Asn、Ser、Thr)、芳香族アミノ酸(Phe、Trp、Tyr)等のグループ内により行われる。
また、元のアミノ酸よりも立体障害の少ないアミノ酸への置換、電荷を持つアミノ酸から電荷を持たないアミノ酸へ置換することもある。
また、野生型酵素より、反応温度70℃と50℃におけるD-アルロースイソメラーゼ活性の比(T70/T50)が高い変異体は、58種中52種、野生型酵素より60℃で1時間保温後の残存活性が高い変異体が、58種中17種、野生型酵素より反応温度80℃と至適温度におけるD-アルロースイソメラーゼ活性の比(T80/至適温度)が高い変異体が、58種中56種確認された。
本発明のL-ラムノースイソメラーゼは、耐熱性が野生型L-ラムノースイソメラーゼよりも高い変異体が数多く得られる点でも優れている。
<実験1:菌株の由来および同定>
本発明者等はスクリーニングにより単離した数多くの菌を、L-ラムノースを添加した液体培地に植菌して振とう培養を行い、L-ラムノースを基質としてL-ラムニュロースの生成量を測定することにより、L-ラムノースイソメラーゼの活性を測定した。
このようにして、最も活性の高い菌株として微生物GuaL218-3株を見出し、GuaL218-3株は16SrRNA遺伝子塩基配列相同性に基づく系統解析により、エルビニアに属することが判明した。
(1)16SrRNA遺伝子塩基配列相同性
16SrRNA遺伝子の1-500bp領域を解析し、塩基数500bpを特定した。
(2)相同性検索
この菌株の16SrRNA遺伝子の塩基配列について、BLASTサーチ(日本DNAデータバンク)により基準菌株とされている既知の菌種との相同性検索を行った。上記特定した塩基数500bpの塩基配列に対し、相同性98%以上であった菌株名と相同性(%)の値から、GuaL218-3株の微生物は、エルビニア ビリンゲ(Erwinia billingiae)であることが決定された。
このGuaL218-3株は、2020年2月28日付けで、独立行政法人製品評価技術基盤機構 特許微生物寄託センターに国際寄託し、受託番号NITE BP-03142として国際寄託された。
L-ラムノース1.0%を炭素源とし硫安を窒素源とする無機塩液体培地に、エルビニア ビリンゲ(Erwinia billingiae) GuaL218-3(受託番号 NITE BP-03142)株の種培養液1%(v/v)を無菌的に添加し、通気撹拌しながら30℃で24時間培養した。
本発明の菌株と比較のための対照菌株として、アルスロバクター グロビフォルミス(Arthrobacter globiformis)M30(NITE BP-1111)株(以下、「AgM30株」という。)を、GuaL218-3株と同様の培地および培養条件で培養した。
GuaL218-3株とAgM30株のそれぞれの培養液から、遠心分離により菌体を回収した。回収した菌体は、それぞれ10mMGlycine-NaOH緩衝液(pH9.0)を用いて洗浄し、次いで、菌体を10mLのGlycine-NaOH緩衝液(pH9.0)に懸濁した後、その菌体懸濁液を氷水中で冷却しながら超音波ホモジナイザー(日本エマソン株式会社)で細胞破砕した。破砕物を12,000rpmで20分間遠心し、その遠心上清をそれぞれの粗酵素とした。
得られた2つの粗酵素液を用いて、それぞれ基質として終濃度100mMになるようにD-アルロースを添加して、30℃で4時間酵素反応を行った後、D-アロースの生成量を測定し、D-アロースの生成量をHPLCのエリア面積により比較した。具体的には、酵素反応液組成は、50mMGlycine-NaOH緩衝液(pH9.0)、100mM D-アルロース、粗酵素液、1mM塩化マンガンを用い、30℃4時間反応させ、2分間ボイルすることで反応を止めてから、HPLCにかけて反応後の液組成を測定した。HPLC分析による生成されたD-アロースのエリア面積の比を図1に示す。
同培養液量当たりの粗酵素を用いた際のD-アルロースからD-アロースへの変換量は、GuaL218-3株由来の本粗酵素が、AgM30株由来の対照粗酵素の約23倍であった。
1.イオン交換クロマトグラフィー、疎水クロマトグラフィーによる精製
2つの粗酵素液をイオンクロマトグラフィーによる精製を行った。用いたカラムは緩衝液(20mM Tris-HCl pH7.5)で平衡化したHiTrapQ HPであり、AKTAシステムを用い流速5mL/minで1M NaClの濃度勾配で0%から100%を5mLずつのフラクションに分けて分画した。酵素活性が検出されたフラクションを回収してイオン交換クロマト分離による精製酵素を得た。
常法に従いSDS-PAGE(ゲル濃度12.5%)を行い、精製酵素の純度を確認した。図2では、左が標準の蛋白質であり、中央と右のレーンが疎水クロマトグラフィーを用いて精製した後の酵素である。この結果は約48kDaに単一なバンドが認められ、これにより酵素は純粋に精製されたことが確認され、精製した本酵素は、SDS‐PAGEによるサブユニット分子質量が約48kDaであることが判明した。
精製酵素であるL-ラムノースイソメラーゼ活性の測定については、下記の実験を行って酵素反応を行った。基質として5mM L-ラムノースを用い、10分間の酵素反応を各条件下で行い、反応後、反応液に10%トリクロロ酢酸溶液を50μL加えることで反応を停止し、システインカルバゾール硫酸法により生成したL-ラムニュロースを測定した。
測定にあたり、反応の至適pHについて5mM L-ラムノースを基質として用い、各種緩衝液pH3~11を用いて30℃で10分間反応し、生成したL-ラムニュロースを、システインカルバゾール硫酸法を用いて測定することで求めた。
反応条件を表1に示す。使用したバッファーを表2に示す。
次に、表2のpH4~11の4つの緩衝液を用いて、各緩衝液中で、30℃で24時間保持した後の残存活性を図4に示す。
本酵素も対照酵素もpH6~11において安定であるが、対照酵素のpH安定性がpH6で最も高いのに対して、本酵素ではpH7.5と10において、最も安定であった。
Glycine-NaOH緩衝液によりpHを9に調整し、30-80℃の様々な温度での反応を行い。至適温度を求めた。反応条件は表3に示す。40℃から80℃の温度範囲が本酵素の好適な温度であり、反応温度と相対活性を測定した結果を示す図5から、本酵素の至適温度は70℃であることが明らかとなった。
表3に示した上記3.で至適温度を求めた反応条件(10分)により、本酵素と対照酵素を各温度で10分間保温した後の残存活性を、図6に示す。10分間保温した後の温度安定性において、本酵素の60℃での相対活性の減少は20%未満であり、対照酵素の80%の減少より圧倒的に少ないことから、本酵素は対照酵素に比べて、高温でより安定な酵素であることがわかった。
本酵素のD-アロースイソメラーゼ活性の測定については、実験6と同様の実験を行って酵素反応を行った。基質として100mM D-アロースを用い、60℃で60分間の酵素反応を行い、反応後、反応液を3分間沸騰液中にいれることで反応を止めHPLCによって、反応後の液組成を測定する。酵素活性1単位(U)は、上記条件下において、D-アロースを異性化し1分間に1μmolのD-アルロースを生成する酵素量である。反応条件を表4に示す。
同様な条件で、D-アルロースイソメラーゼ活性を測定した。基質として100mM D-アルロースを用いて、60℃で60分の酵素反応を行い、D-アロースを生成させた。酵素活性1単位(U)は、上記条件下において、D-アルロースを異性化し1分間に1μmolのD-アロースを生成する酵素量である。
しかも、本酵素によりD-アルロースをD-アロースに異性化する際、副生成物のD-アルトロースは生成されなかった。
L-ラムノースと5種類のアルドース(D-アロース、L-タロース、L-リキソース、D-リボース、L-マンノース)に対する、本酵素の異性化活性について検討した。酵素反応組成は、下記表5に示したように各基質終濃度5mM、酵素液(終濃度50mMリン酸緩衝液 pH8.0)で、70℃10分間反応しHPLCによる分析によりそれぞれのアルドースから異性化されたケトースを測定した。
L-ラムノースの異性化活性を100として、それぞれのアルドースに対する活性を、相対活性として示している。
D-アロース(D-Allose)、L-マンノース(L-Mannose)、L-タロース(L-Talose)、L-リキソース(L-Lyxose)、D-リボース(D-Ribose)を基質として活性を相対活性として、表6と図7に示す。
次に、D-アロースイソメラーゼ活性に対する金属イオンの影響を調べる目的で、酵素を一部透析して酵素活性を測定した。透析は、酵素液をセルロース膜に入れ、20mMEDTAを含むGlycine-NaOH緩衝液(pH9.0)に浸し、この緩衝液をゆっくりと16時間かけて撹拌することにより行い、他の金属イオンの影響を取り除いた。こうして得られた酵素の酵素活性を、各種二価金属イオン1mMの存在下(表7の反応条件下)で反応後、システインカルバゾール法により測定した。
その結果、CoCl2は本酵素活性を著しく上昇させ、本酵素は金属依存性を示した(図7)。
実験2と同様に培養して回収したエルビニア ビリンゲ(Erwinia billingiae) GuaL218-3株の菌体を使用した。
1.菌体の超音波処理による粗酵素の取得
培養液1L分の菌体を50mMGlycine-NaOH緩衝液(pH9.0)40mL懸濁し、その菌体懸濁液を氷水中で冷却しながら超音波ホモジナイザーで細破砕した。破砕物を15,000×gで30分間遠心し、その遠心上清を粗酵素液とした。
純水でよく洗浄して膨潤させた後に50mMGlycine-NaOH緩衝液(pH9.0)で平衡化したイオン交換樹脂または合成吸着剤に上記で得た粗酵素液を添加し、4℃で20時間緩やかに混和することで粗酵素タンパク質を結合させた。次いで、50mMGlycine-NaOH緩衝液(pH9.0)で洗浄し、固定化酵素を得た。
固定化担体として、強塩基性陰イオン交換樹脂(三菱ケミカル社製のSA10A、SA11A、NSA100、SA20A、PA306S、PA308、PA312、PA316、PA408、PA412、PA418、弱塩基性陰イオン交換樹脂(三菱ケミカル社製のWA10、WA20、WA21J、WA30およびオルガノ社製のFPA54、FPA60CL、FPA95)、または合成吸着剤(オルガノ社製のXAD7HP、XAD118ON)を用いた。
固定化酵素の酵素活性の測定は、D-アルロースを基質として酵素反応させたときのD-アロースの生成量を測定することにより行った。
まず、100mgの固定化酵素樹脂、Glycine-NaOH緩衝液(pH9.0)(終濃度50mM)、塩化マンガン(終濃度1mM)、及びD-アルロース(終濃度100mM)の溶液(500μL)を反応液組成とし、30℃恒温水槽で24分間反応させた後、100℃で2分間ボイルすることで直ちに反応を停止させた。この反応後の溶液を室温まで冷却してからイオン交換樹脂(200CT及びIRA67の混合樹脂(いずれもオルガノ社製))で脱塩し、さらにフィルター処理をして分析サンプルとした。分析は、高速液体クロマトグラフィー(カラム:GL-C611(Hitachi)、温度:60℃、溶離液:0.1mM NaOH、流速:1.0mL/分、検出器:RID-20A(島津))を用いて、生成したD-アロースのピーク面積を測定することにより行った。
酵素固定化に用いる担体による影響を確認するため、上記2に記載の各担体に固定化した本酵素の酵素活性を比較した。なお、相対値は、比較サンプルのうち活性発現率の最も高いサンプルを100として算出することにより求めた。
図9に、各種固定化酵素の活性発現率の相対値を示す。
D-アルロースイソメラーゼ活性を有するタンパク質をコードするDNAをエルビニア ビリンゲ(Erwinia billingiae) GuaL218-3株からクローニングし、自立複製可能な組換えDNAの作製、酵素をコードするDNAの塩基配列の決定、及び形質転換微生物の調製を行った。
本菌のD-アロースイソメラーゼ酵素は既存の類似酵素と異なり、PCR増幅の手法や既存のタンパク質データベースを用いて単離することが出来なかった。そこで、エルビニア ビリンゲ(Erwinia billingiae)GuaL218-3株の全ゲノム配列を決定し、そのゲノム中の全ORFのコードするタンパク質群のデータベースの構築を行った。エルビニア ビリンゲ(Erwinia billingiae)GuaL218-3株培養菌体を供試菌体として株式会社マクロジェン・ジャパンに依頼しPacBio-RSII/Sequelを用いた次世代シーケンス解析を依頼した。
その結果、塩基数4,301,131bpと1,024,754bp、280,568bp、126,938bpの4つのコンティグが得られた。この4つのコンティグで約5.7Mbであることから、エルビニア ビリンゲ(Erwinia billingiae)GuaL218-3株の全ゲノム配列をカバー出来ていると考えた。
得られた約5.7MbのDNA配列を基に、Prokkaプログラムを用いて5,357個のORFを推定し、それぞれのORFについてアミノ酸配列を推定した。この5,357個のアミノ酸配列をエルビニア ビリンゲ(Erwinia billingiae)GuaL218-3株のタンパク質データベースとした。
上記のタンパク質データベースを用いて、タンパク質同定システムであるMASCOTserver(マトリックスサイエンス社)に登録し、D-アルロースイソメラーゼ活性が見られたタンパク質の同定を行った。供試サンプルには、段落[0045]のSDS-PAGEの48kDaのバンドを用い、還元処理、アルキル化処理の後、トリプシン消化した断片をMALDI-TOF-MS解析に供した。
その結果、下記の418アミノ酸からなる配列1(配列表の配列番号1)のアミノ酸配列中で下線を引いて示すアミノ酸配列と78%の相似性が見られたことから、本タンパク質がエルビニア ビリンゲ(Erwinia billingiae)GuaL218-3株のL-ラムノースイソメラーゼであることが強く示唆された。
MTKLIEQAYELAKQRYADVGIDVEQVMTQLDGIPVSMHCWQGDDVRGFENPNGELTGGIQATGNYPGRARNAHELRADIEKAMSLIPGAKRLNLHAIYLESDTPVERDAIEPQHFSHWVEWAKQHKLGLDFNPSCFSHPLSADGFTLSHADKGIRQFWIDHCKASRRISAHFGEQLGTPSVMNIWVPDGMKDLTIDRLAPRERLASALDEVISEKFDASHHIDAVESKLFGIGAESYTVGSNEFCLGYAASRQTALTLDAGHFHPTEVISDKISTAMLYVPRLLLHVSRPVRWDSDHVVLLDDETQAIATEIARNKLFNKVHIGLDFFDASINRIAAWVIGTRNAKKALLRALLEPSDQLRKLELEGDYTARLALLEEQKSLPWQAVWEAWCLRHDVPADASWLSEVRHYEQQTLRLR
(配列1 エルビニア ビリンゲ(Erwinia billingiae)GuaL218-3株のタンパク質データベースを用いて同定したアミノ酸配列。下線部で示すアミノ酸配列がMALDI-TOF-MS解析で得られたピークと一致した配列。)
アミノ酸配列より同定した遺伝子の配列2のDNA配列(配列表の配列番号2)を合成し、pQE60ベクター(Qiagen社)に組み込み、発現用大腸菌を形質転換した。構築した大腸菌発現系を用いて誘導酵素の確認を行った。SDS-PAGEの結果は図10に示すように、誘導タンパク質が可溶性画分に確認された。また、この誘導された組換酵素を用いて、60%(w/v)のD-アルロースを基質に30℃で24時間反応させ、HPLCでD-アルロースイソメラーゼ活性を確認した結果を図11に示した。この図のリテンションタイム22.48分のピークはD-アロース、リテンションタイム29.67分のピークはD-アルロースであり、本組換え酵素は、D-アルロースからD-アロースへ異性化反応を触媒し、副生成物として懸念されていたD-アルトロースも生成しなかった。
ATGACAAAGCTGATTGAACAAGCTTATGAACTGGCTAAACAACGTTACGCTGACGTAGGAATTGATGTGGAGCAGGTGATGACGCAATTGGATGGGATTCCTGTGTCGATGCACTGCTGGCAGGGGGATGACGTGCGCGGCTTCGAAAACCCCAATGGCGAACTCACCGGCGGGATTCAGGCCACAGGTAACTATCCGGGACGCGCGCGTAATGCGCATGAACTGCGCGCCGATATCGAAAAAGCCATGTCGCTGATTCCAGGCGCTAAGCGCCTCAATCTGCACGCCATCTATCTGGAAAGCGACACGCCGGTAGAACGTGATGCTATCGAACCGCAACACTTCAGCCACTGGGTGGAGTGGGCAAAACAGCATAAATTAGGGCTCGATTTTAATCCAAGCTGCTTCTCGCATCCTTTAAGTGCCGATGGTTTTACCCTGTCACACGCTGACAAAGGCATCCGCCAGTTCTGGATTGATCACTGCAAGGCCAGTCGCCGCATCTCGGCACATTTTGGTGAACAACTGGGCACGCCCTCAGTGATGAACATCTGGGTTCCGGACGGTATGAAAGATCTCACCATTGATCGCCTGGCGCCGCGTGAACGTTTAGCCAGCGCGCTGGATGAAGTGATCAGCGAAAAATTCGATGCCAGTCATCATATCGACGCCGTCGAAAGTAAGTTATTCGGGATTGGTGCTGAGAGTTATACCGTGGGGTCCAATGAGTTTTGCCTTGGCTACGCTGCCAGCCGCCAGACCGCGCTGACACTTGATGCCGGGCATTTCCATCCCACTGAAGTGATCTCCGACAAAATCTCCACCGCGATGCTGTATGTCCCGCGCCTGTTATTGCACGTCAGCCGTCCGGTGCGTTGGGACAGCGACCATGTGGTGCTGCTGGATGATGAAACCCAGGCCATTGCCACTGAAATTGCGCGTAACAAGCTGTTCAACAAAGTGCATATCGGCCTCGACTTCTTTGATGCTTCCATCAACCGCATCGCGGCGTGGGTGATTGGTACCCGCAATGCCAAAAAGGCGTTACTGCGTGCGCTGTTGGAGCCGAGTGACCAACTGCGCAAACTGGAGCTTGAGGGGGATTACACCGCACGTCTGGCGCTGCTGGAGGAGCAAAAGTCATTGCCATGGCAGGCTGTCTGGGAAGCCTGGTGCTTGCGTCACGATGTCCCTGCTGATGCCAGTTGGCTCAGCGAAGTCCGTCATTATGAACAACAAACACTGCGTCTACGTTAA
本発明の配列番号1で表されるL-ラムノースイソメラーゼのアミノ酸配列と、特許文献8に記載された方法で系統樹を作成し、本発明の配列番号2のDNA配列と同じ系統に分類されたDNA配列がコードするアミノ酸配列と配列番号1のアミノ酸配列を比較して、配列番号1と相違する部位に対応するアミノ酸等を部位特異的変異導入による塩基置換により変化させて、各種L-ラムノースイソメラーゼ変異体を作成した。本発明のアミノ酸置換変異体には例外的に、C末端の418位のアミノ酸に、1アミノ酸残基(G)を付加した変異体を含めた。
組換え大腸菌の発現用培地の組成を、表8に示す。
また、これら粗酵素の60℃で1時間保温後の残存活性として、酵素液を60℃で1時間熱処理した後、表9の反応組成で60℃で10分間酵素反応を行い、残存活性を測定した。
反応液の組成を、下記表9に示す。
野生型酵素は組換えで製造された粗酵素のことであり、D-アロース生産における至適温度は60℃であり、精製酵素のL-ラムノースに対する至適温度70℃より下がったが、変異を挿入することで至適温度が戻った変異体も存在した。
結果として、野生型酵素より、至適温度が高いかまたは至適温度におけるD-アルロースイソメラーゼ活性が高い変異体が、13個得られた(表10)。
これら配列表の配列番号3~60のアミノ酸配列を有する各変異体を、「配列3~60」と名付ける。
以下、配列3~60における野生型酵素(配列番号1)からのアミノ酸置換部位(位置)と置換アミノ酸をそれぞれ示す。この場合、以下に示すアミノ酸置換部位等が、配列表の配列番号3~60に示すものと相違している場合には、配列表に示すアミノ酸配列が正しい配列である。また各配列の最後の括弧内の数字は、アミノ酸置換の数をしめす。
4 V280I (1)
5 V387I (1)
6 L198F (1)
7 S405E (1)
8 N52E (1)
9 Q124R (1)
10 D102T (1)
11 Q359L (1)
12 K152P (1)
13 D18A、F216L、T310S、L365Q (4)
14 D18A、F216L、L365Q (3)
15 Y9F、D18A、V19I、I21V、Q25K、T28A、H73D、A77S、I79V、T103K、E106D、Q113K、H117N、Q124T、P179A、I195V、A199G、E202Q、F216L、D217N、A218P、S219A、A250S、L300I、N315H、N319D、S357T、L365S、A371G、L375M、L417Q (31)
16 Y9F、D18A、V19I、I21V、T28A、H73D、A77S、I79V、T103K、E106D、Q113K、H117N、Q124T、P179A、I195V、E202Q、F216L、D217N、A218P、S219A、A250S、L300I、N315H、N319D、S357T、L365N、A371G、L375M、L417Q (29)
17 D18A、V19I、I21V、T28A、H73D、A77S、I79V、T103K、E106D、Q113K、H117N、Q124T、P179A、I195V、E202Q、F216L、D217N、A218P、S219A、A250S、L300I、N315H、N319D、S357T、L365S、A371G、L375M (27)
18 D18A、V19I、I21V、T28A、I79V、Q113K、H117N、Q124P、I195V、E202Q、F216L、A218P、S219A、A250T、T310S、N315H、N319D、S357T、L365N、L417Q (20)
19 D18A、V19I、I21V、T28A、H73D、T103K、 Q113K、H117N、Q124N、H125N、E202Q、F216L、 D217N、A218P、S219Q、A250T、N315H、N319D、L365N (19)
20 D18A、V19I、I21V、T28A、H73D、T103K、Q113K、H117N、Q124N、H125N、I195V、E202Q、F216L、D217N、A218P、S219Q、A250T、N315H、N319D、S357T、L365N (21)
22 D18A、V19I、I21V、M27L、T28G、G32R、N52Q、E54A、H73D、I79L、K81Q、T103K、E106A、A109E、Q113E、H117N、Q124N、K126Q、S134T、H171Y、I195V、E202Q、V211I、F216L、D217N、A218P、S219Q、A250T、T275A、T310N、N315Q、K316N、N319D、K320R、S357T、D358A、K362Q、L365N、E406D (39)
23 Y9F、D18A、V19I、I21V、T28G、N52Q、E54A、H73D、I79L、T103K、Q113E、H117N、Q124N、S134T、H171Y、I195V、E202Q、F216L、D217N、A218P、S219Q、A250T、T275A、T310N、N315Q、N319D、S357T、K362Q、L365N、E406D (30)
24 Y9F、D18A、V19I、I21V、T28A、N52Q、E54A、H73D、I79L、T103K、Q113E、H117N、Q124N、H125N、S134T、H171Y、I195V、E202Q、V211I、F216L、D217N、A218P、S219Q、A250T、T310N、N315Q、N319D、S357T、K362Q、L365N、E406D (31)
25 D18A、V19I、I21V、T28A、N52Q、E54A、H73D、I79L、T103K、Q113E、H117N、Q124K、S134T、H171Y、I195V、E202Q、V211I、F216L、D217N、A218P、S219Q、A250S、T310N、N315Q、N319D、S357T、L365N (27)
26 D18A、V19I、I21V、V26A、T28A、G32R、N52Q、E54A、H73D、I79L、E80D、T103K、Q113E、H117N、Q124K、S134T、H171Y、I195V、E202Q、A205V、F216L、D217N、A218P、S219Q、A250T、T310N、N315Q、N319D、S357T、K362Q、L365N (31)
27 L4Q、Y9F、V19I、I21V、V26A、M27I、T28R、G32R、N52Q、E54A、H73D、A77S、E80D、T103K、Q113A、S116A、H117N、E120A、Q124E、L140M、A150S、G153T、I154V、H171Y、L193I、I195V、E202Q、A205M、F216L、D217N、A218P、S219Q、T257C、T275A、T310S、A313V、N315H、K316Q、N319D、A345T、S357T、Q359R、K362Q、L363A、L365N、A374T、S405G、E406D (48)
28 V19I、I21V、V26A、M27I、T28R、G32R、N52Q、E54A、H73D、A77S、E80D、T103K、Q113A、S116A、H117N、E120A、Q124E、L140M、A150S、G153T、I154V、H171Y、L193I、I195V、E202Q、A205M、F216L、D217N、A218P、S219Q、T257C、T275A、T310S、A313V、N315H、K316Q、N319D、A345T、S357T、Q359R、K362Q、L363A、L365N、A374T、S405G、E406D (46)
29 D18E、V19N、I21V、E24D、Q25L、T28A、G32E、E54Q、H73D、M83I、K90M、D102S、T103Q、Q113K、H117N、E120A、Q124S、H125N、K126R、S134T、P139A、L140K、K152T、R167H、H171Y、L198F、E202Q、E210A、V211I、K215Q、F216L、D217N、A218P、S219Q、A250S、T254I、T310H、N315Q、N319D、Q359R、K362R、L365S、Y369F (43)
30 K3T、L4Q、I5L、Y9W、E10D、Y16F、D18A、I21V、Q25E、V26A、M27L、T28R、G32R、I33L、R46A、N52G、E54S、R68K、H73T、I79L、K81L、A82T、M83L、A89P、T103E、E106A、D108N、A109E、E111K、Q113E、S116K、H117N、Q124A、H125N、S148A、K152D、G153E、C162V、I168V、H171Y、V186I、L193I、I195V、E202Q、A205L、S206A、V211A、F216L、A218P、S219A、C245Y、L246M、T257C、T275A、T310S、A313I、N315H、K316D、N319D、K320R、A345M、S357T、D358A、Q359E、R361K、L365A、E366N、A390M、W391Y、L393Q、H395N、V397A、D400G、A401S、S402Q、S405D、E406N、H409A、Q412E、Q413D、T414V、R416S、L417Q、419G (84)
32 K3T、L4Q、I5L、Y9W、E10D、Y16F、D18A、I21V、Q25E、V26A、M27L、T28R、G32R、I33L、R46A、N52G、E54S、R68K、H73T、I79L、K81L、M83L、A89P、T103E、E106A、D108N、A109E、E111K、Q113G、S116T、H117N、Q124A、H125N、S148A、K152D、G153E、C162V、I168V、H171Y、V186I、L193I、I195V、E202Q、A205L、S206A、V211A、F216L、A218P、S219A、C245Y、L246M、A250T、T257C、T275A、T310S、A313I、N315H、K316D、N319D、K320R、A345M、S357T、D358A、Q359E、R361K、L365A、E366N、A390M、W391Y、L393Q、H395N、V397A、D400G、A401S、S402Q、S405D、E406N、H409A、Q412K、Q413D、T414V、R416S、L417Q、419G (84)
33 K3T、L4Q、I5L、Y9W、E10D、D18A、I21V、E24D、Q25E、V26A、M27L、T28R、G32R、I33L、R46A、N52G、E54S、R68K、H73T、I79L、K81L、M83L、A89P、E106A、D108N、A109E、E111K、Q113A、S116K、H117N、E120A、Q124A、H125N、K126Q、S148A、D151N、K152D、G153D、C162V、I168V、H171Y、V186I、L193I、I195V、E202Q、A205L、S206A、V211A、F216L、D217N、A218P、S219A、C245Y、L246M、A250T、T257C、T275A、T310N、A313I、N315H、K316D、N319D、K320R、A345M、S357T、D358S、Q359A、R361K、K362Q、L365E、E366N、A374V、S381T、A390M、W391Y、L393Q、H395N、V397T、D400G、A401S、S402Q、S405D、E406N、H409M、Q412K、Q413D、T414V、R416S、L417Q、419G (90)
34 L11I、D18A、I21V、Q25E、V26A、M27L、T28R、G32R、I33L、R46A、N52E、E54S、R68K、H73G、I79L、K81Q、M83L、A89P、E106A、D108N、A109E、E111K、Q113E、S116K、H117N、Q124A、H125N、D151N、K152D、G153E、I168V、H171Y、V186I、L193I、I195V、L198F、E202Q、A205L、S206N、F216L、A218P、S219A、C245Y、L246M、A250T、T257C、T275A、V280I、T310S、A313I、N315H、K316N、N319D、K320R、A345M、S357T、D358E、K362Q、L365A、E366D (60)
35 D18A、I21V、Q25E、V26A、M27L、T28R、G32R、I33L、R46A、N52E、E54S、R68K、H73G、I79L、K81Q、M83L、A89P、I97L、E106A、D108N、A109E、E111K、Q113E、S116K、H117N、Q124T、H125N、D151N、K152N、G153E、I168V、H171Y、V186I、L193I、I195V、L198F、E202Q、A205L、S206N、F216L、A218P、S219A、C245Y、L246M、A250T、T257C、T275A、V280I、T310S、A313I、N315H、K316N、N319D、K320R、A345M、S357T、D358E、K362Q、L365A、E366D、S381C (61)
36 Y16F、D18A、I21V、Q25E、V26A、M27L、T28R、G32R、I33L、R46A、N52E、E54A、R68K、H73T、I79L、K81Q、M83L、A89P、E106A、D108N、A109E、E111K、Q113E、S116K、H117N、Q124A、H125N、D151N、K152D、G153E、I168V、H171Y、V186I、L193I、I195V、E202Q、A205L、S206D、F216L、A218P、S219A、C245Y、L246M、A250T、T257C、T275A、T310S、A313I、N315H、K316N、N319D、K320R、A345M、S357T、K362Q、L365A、E366D (57)
37 Y16F、D18A、I21V、Q25E、V26A、M27L、T28R、G32R、I33L、R46A、N52E、E54A、R68K、H73T、I79L、K81Q、M83L、A89P、E106A、D108N、A109E、E111K、Q113E、S116K、H117N、Q124A、H125N、D151N、K152D、G153E、C162V、I168V、H171Y、V186I、L193I、I195V、E202Q、A205L、S206D、F216L、D217N、A218P、S219A、C245Y、L246M、A250T、T257C、T275A、T310S、A313I、N315H、K316N、N319D、K320R、A345M、S357T、K362Q、L365A、E366D (59)
38 Y16F、D18A、I21V、Q25E、V26A、M27L、T28R、G32R、I33L、R46A、N52E、E54A、R68K、H73T、I79L、K81Q、M83L、A89P、E106A、D108N、A109E、E111K、Q113E、S116K、H117N、Q124A、H125N、D151N、K152N、G153E、I168V、H171Y、V186I、L193I、I195V、E202Q、A205L、S206A、F216L、A218P、S219A、C245Y、L246M、A250T、T257C、T275A、T310S、A313I、N315H、K316N、N319D、K320R、A345M、S357T、D358E、K362Q、L365A、E366D (58)
39 Y16F、D18A、I21V、Q25E、V26A、M27L、T28R、G32R、I33L、R46A、N52E、E54A、R68K、H73T、I79L、K81Q、M83L、A89P、E106A、D108N、A109E、E111K、Q113E、S116K、H117N、Q124A、H125N、K152N、G153E、I168V、H171Y、V186I、L193I、I195V、E202Q、A205L、S206A、F216L、A218P、S219A、C245Y、L246M、A250T、T257C、T275A、T310S、A313I、N315H、K316N、N319D、K320R、A345M、S357T、D358E、K362Q、L365A、E366N (57)
40 Y16F、D18A、Q25E、V26A、M27L、T28R、G32R、I33L、R46A、N52E、E54S、R68K、H73T、I79L、K81Q、M83L、A89P、E106S、A109Q、E111K、Q113E、S116K、H117N、Q124A、H125N、K126Q、K152N、G153K、I168V、H171Y、V186I、L193I、I195V、E202Q、A205L、S206D、F216L、A218P、S219A、C245Y、L246M、A250T、T257C、T275A、T310S、A313V、N315H、K316N、N319D、K320R、A345M、S357T、D358E、K362Q、L365A、E366S (56)
42 Y16F、D18A、I21V、V26A、M27L、T28P、G32R、I33L、R46A、N52Q、E54A、R68K、H73T、I79L、K81Q、A89P、D108N、E111K、Q113E、S116K、H117N、Q124E、K152N、G153D、H171Y、V186I、L193I、I195V、E202Q、A205L、S206A、F216L、A218P、S219A、C245Y、L246M、A250T、T257C、T275A、T310S、A313I、N315H、K316N、N319D、K320R、A345M、S357T、K362Q、L365A、E366N (50)
43 Y16F、D18A、Q25E、V26A、M27L、T28R、G32R、I33L、R46S、N52E、E54S、R68K、H73S、I79L、K81Q、S84R、A89P、E106S、A109Q、E111K、Q113E、S116K、H117N、Q124A、H125N、K126Q、K152N、G153S、I168V、H171Y、V186I、L193I、I195V、E202Q、A205L、S206A、F216L、A218P、S219A、C245Y、L246M、A250T、T257C、T275A、R282Q、T310S、A313V、N315H、K316D、N319D、K320R、A345M、S357T、D358A、Q359E、L365A、E366A (57)
44 Y16F、D18A、Q25E、V26A、M27L、T28R、G32R、I33L、R46S、N52E、E54S、R68K、H73S、I79L、K81Q、S84R、A89P、E106S、A109Q、E111K、Q113E、S116K、H117N、Q124A、H125N、K126Q、K152N、G153S、I168V、H171Y、V186I、L193I、I195V、E202Q、A205L、S206A、F216L、D217N、A218P、S219A、C245Y、A250T、T257C、T275A、R282Q、T310S、A313V、N315H、K316D、N319D、K320R、A345M、S357T、D358A、Q359E、L365A、E366A (57)
45 Y16F、D18A、Q25E、V26A、M27L、T28R、G32R、I33L、R46S、N52E、E54S、R68K、H73S、A77T、I79L、K81Q、S84R、A89P、E106S、A109Q、E111K、Q113E、S116K、H117N、Q124A、H125N、K126Q、K152N、G153S、I168V、H171Y、V186I、L193I、I195V、E202Q、A205L、S206A、F216L、D217N、A218P、S219A、C245Y、L246M、A250T、T257C、T275A、R282Q、T310S、A313V、N315H、K316D、N319D、K320R、A345M、S357T、D358A、Q359E、L365A、E366A (59)
46 Y16F、D18A、I21V、Q25E、V26A、M27L、T28R、G32R、I33L、R46A、N52G、E54A、R68K、H73T、I79L、K81L、M83L、A89P、T103E、E106A、D108N、A109E、E111K、Q113E、S116K、H117N、Q124A、H125N、K152D、G153E、C162V、I168V、H171Y、V186I、L193I、I195V、E202Q、A205L、S206A、F216L、D217N、A218P、S219A、C245Y、L246M、A250T、T257C、T275A、T310S、A313I、N315H、K316D、N319D、K320R、A345M、S357T、D358A、Q359E、K362Q、L365A、E366D (61)
47 Y16F、D18A、I21V、Q25E、V26A、M27L、T28R、G32R、I33L、R46A、N52G、E54A、R68K、H73T、I79L、K81L、M83L、A89P、T103E、E106A、D108N、A109E、E111K、Q113E、S116K、H117N、Q124A、H125N、S148A、K152D、G153E、C162V、I168V、H171Y、V186I、L193I、I195V、E202Q、A205L、S206A、F216L、D217N、A218P、S219A、C245Y、L246M、A250T、T257C、T275A、T310S、A313I、N315H、K316D、N319D、K320R、A345M、S357T、D358A、Q359E、K362Q、L365A、E366D (62)
48 Y16F、D18A、I21V、Q25E、V26A、M27L、T28R、G32R、I33L、R46A、N52G、E54A、R68K、H73T、I79L、K81L、M83L、A89P、T103E、E106A、D108N、A109E、E111K、Q113E、S116K、H117N、Q124A、H125N、S148A、K152N、G153E、C162V、I168V、H171Y、V186I、L193I、I195V、E202Q、A205L、S206A、F216L、D217N、A218P、S219A、C245Y、L246M、A250T、T257C、T275A、T310S、A313I、N315H、K316D、N319D、K320R、A345M、S357T、D358A、Q359E、K362Q、L365A、E366N (62)
49 E10D、Y16F、D18A、I21V、Q25E、V26A、M27L、T28R、G32R、I33L、R46A、N52G、E54S、R68K、H73T、I79L、K81L、M83L、A89P、T103E、E106A、D108N、A109E、E111K、Q113E、S116K、H117N、Q124A、H125N、S148A、K152D、G153E、C162V、I168V、H171Y、V186I、L193I、I195V、E202Q、A205L、S206A、V211A、F216L、D217N、A218P、S219A、C245Y、L246M、A250T、T257C、T275A、T310S、A313I、N315H、K316D、N319D、K320R、A345M、S357T、D358A、Q359E、R361K、K362Q、L365A、E366N (65)
50 E10D、Y16F、D18A、I21V、Q25E、V26A、M27L、T28R、G32R、I33L、R46A、N52G、E54S、R68K、H73T、I79L、K81L、M83L、A89P、T103E、E106A、D108N、A109E、E111K、Q113E、S116K、H117N、Q124A、H125N、S148A、K152D、G153E、C162V、I168V、H171Y、V186I、L193I、I195V、E202Q、A205L、S206A、V211A、F216L、A218P、S219A、C245Y、L246M、A250T、T257C、T275A、T310S、A313I、N315H、K316D、N319D、K320R、A345M、S357T、D358A、Q359E、R361K、K362Q、L365A、E366N (64)
52 E10D、Y16F、D18A、I21V、Q25E、V26A M27L、T28R、G32R、I33L、R46A、N52G、E54S、R68K、H73T、I79L、K81L、M83L、A89P、T103E、E106A、D108N、A109E、E111K、Q113E、S116K、H117N、Q124A、H125N、K126R、S148A、D151N、K152D、G153E、C162V、I168V、H171Y、V186I、L193I、I195V、E202Q、A205L、S206A、V211A、F216L、A218P、S219A、C245Y、L246M、A250T、T257C、T275A、T310S、A313I、N315H、K316D、N319D、K320R、A345M、S357V、D358A、Q359A、R361K、K362Q、L365E、E366N (66)
53 Y16F、D18A、I21V、Q25E、V26A、M27L、T28R、G32R、I33L、R46A、N52G、E54S、R68K、H73T、I79L、K81L、M83L、A89P、T103E、E106A、D108N、A109E、E111K、Q113E、S116K、H117N、Q124A、H125N、K126R、S148A、D151N、K152N、G153E、C162V、I168V、H171Y、V186I、L193I、I195V、E202Q、A205L、S206A、V211A、F216L、A218P、S219A、C245Y、L246M、A250T、T257C、T275A、T310S、A313I、N315H、K316D、N319D、K320R、A345M、S357V、D358A、Q359A、R361K、K362Q、L365E、E366N (65)
54 E10D、D18A、I21V、E24D、Q25E、V26A、M27L、T28R、G32R、I33L、R46A、N52G、E54S、R68K、H73T、I79L、K81L、M83L、A89P、E106A、D108N、A109E、E111K、Q113A、S116K、H117N、E120A、Q124A、H125N、K126Q、S148A、D151N、K152D、G153D、C162V、I168V、H171Y、V186I、L193I、I195V、E202Q、A205L、S206A、V211A、F216L、D217N、A218P、S219A、C245Y、L246M、A250T、T257C、T275A、T310S、A313I、N315H、K316D、N319D、K320R、A345M、S357T、D358S、Q359A、R361K、K362Q、L365E、E366N、A374V、S381T (69)
55 K3T、L4Q、I5L、Y9W、L11I、D18A、V19I、I21V、V23A、Q25E、V26A、M27L、T28R、G32R、I33L、R46A、N52E、E54S、R68K、H73Q、I79L、K81Q、M83L、A89P、D102T、E106A、D108N、A109E、E111K、Q113E、S116K、Q124R、K126Q、D151N、K152P、G153E、H171Y、L193I、I195V、L198F、E202Q、A205L、S206N、F216L、A218P、S219A、C245Y、L246M、T257C、T275A、V280I、T310S、A313I、N315H、K316N、N319D、K320R、A345M、S357T、D358A、Q359L、K362Q、L365N、E366D、V387I、A390M、W391Y、L393Q、V397T、D400G、A401S、S402Q、S405E、E406N、H409T、Q412K、Q413D、T414V、R416S、L417Q、419G (81)
56 K3T、L4Q、I5L、Y9W、D18A、V19I、I21V、Q25E、V26A、M27L、T28R、G32R、I33L、R46A、N52D、E54S、R68K、I79L、K81Q、M83L、A89P、E106A、D108N、A109E、E111K、Q113E、S116K、H117N、Q124P、K126Q、D151N、K152E、G153E、H171Y、L193I、I195V、E202Q、A205L、S206N、F216L、A218P、S219A、C245Y、L246M、A250T、T257C、T275A、T310S、A313I、N315H、K316N、N319D、K320R、A345M、S357T、D358A、K362Q、L365N、E366D、A390M、W391Y、L393Q、V397T、D400G、A401S、S402Q、S405D、E406N、H409T、Q412K、Q413D、T414V、R416S、L417Q、419G (75)
57 K3T、L4Q、I5L、Y9W、D18A、V19I、I21V、Q25E、V26A、M27L、T28R、G32R、I33L、R46A、N52E、E54T、R68K、H73N、I79L、K81Q、M83L、A89P、E106A、D108N、A109E、E111K、Q113E、S116K、H117N、Q124G、K126Q、D151N、K152E、G153E、H171Y、L193I、I195V、E202Q、A205L、S206N、F216L、A218P、S219A、C245Y、L246M、T257C、T275A、T310S、A313I、N315H、K316N、N319D、K320R、A345M、S357T、D358A、Q359L、K362Q、L365N、E366D、A390M、W391Y、L393Q、V397T、D400G、A401S、S402Q、S405D、E406N、H409T、Q412K (71)
58 Y9W、D18A、V19I、I21V、Q25E、V26A、M27L、T28R、G32R、I33L、R46A、N52E、E54T、R68K、H73N、I79L、K81Q、M83L、A89P、E106A、D108N、A109E、E111K、Q113E、S116K、H117N、Q124G、K126Q、D151N、K152E、G153E、H171Y、L193I、I195V、E202Q、A205L、S206N、F216L、A218P、S219A、C245Y、L246M、T257C、T275A、T310S、A313I、N315H、K316N、N319D、K320R、A345M、S357T、D358A、Q359L、K362Q、L365N、E366D、A390M、W391Y、L393Q、V397T、D400G、A401S、S402Q、S405D、E406N、H409T、Q412K (68)
59 Y9W、D18A、V19I、I21V、Q25E、V26A、M27L、T28R、G32R、I33L、R46A、N52E、E54T、R68K、H73N、I79L、K81Q、M83L、A89P、E106A、D108N、A109E、E111K、Q113E、S116K、H117N、Q124G、K126Q、D151N、K152E、G153E、H171Y、L193I、I195V、E202Q、A205L、S206N、F216L、A218P、S219A、C245Y、L246M、T257C、T275A、T310S、A313I、N315H、K316N、N319D、K320R、A345M、S357T、D358A、Q359L、K362Q、L365N、E366D、A390M、W391Y、L393Q、V397T、D400G、A401S、S402Q、S405D、E406N、H409T (67)
60 K3T、L4Q、I5L、Y9W、Y16F、D18A、Q25E、V26A、M27L、T28R、G32R、I33L、R46S、N52E、E54S、R68K、H73S、I79L、K81Q、S84R、A89P、E106S、A109Q、E111K、Q113E、S116K、H117N、Q124A、H125N、K126Q、K152D、G153S、I168V、H171Y、V186I、L193I、I195V、E202Q、A205L、S206A、F216L、D217N、A218P、S219A、C245Y、L246M、A250T、T257C、T275A、R282Q、T310S、A313V、N315H、K316D、N319D、K320R、A345M、S357T、D358A、Q359E、L365A、E366P、A390M、W391Y、L393Q、V397T、D400G、A401S、S402E、S405E、E406S、H409A、Q412K、Q413E、T414I、R416S、L417R、419G (78)
K3T、L4Q、I5L、Y9F/W、E10D、L11I、Y16F、D18A/E、V19I/N、I21V、V23A、E24D、Q25K/L/E、V26A、M27L/I、T28A/G/R/P、G32E/R、I33L、R46A/S、N52D/E/G/Q、E54A/Q/S/T、R68K、H73D/G/N/S/T/Q、A77S/T、I79L/V、E80D、K81Q/L、A82T、M83I/L、S84R、A89P、K90M、I97L、D102S/T、T103E/K/Q、E106A/D/S、D108N、A109E/Q、E111K、Q113A/E/K/G、S116A/K/T、H117N、E120A、Q124A/E/G/K/N/R/P/S/T、H125N、K126R/Q、S134T、P139A、L140K/M、S148A、A150S、D151N、K152D/E/N/P/T、G153D/E/K/S/T、I154V、C162V、R167H、I168V、H171Y、P179A、V186I、L193I、I195V、L198F、A199G、E202Q、A205L/M/V、S206A/D/N、E210A、V211A/I、K215Q、F216L、D217N、A218P、S219A/Q、C245Y、L246M、A250S/T、T254I、T257C、T275A、V280I、R282Q、L300I、T310N/H/S、A313I/V、N315H/Q、K316D/N/Q、N319D、K320R、A345M/T、S357T/V、D358A/E/S、Q359A/E/L/R、R361K、K362Q/R、L363A、L365A/E/N/S/Q、E366A/D/N/P/S、Y369F、A371G、A374T/V、L375M、S381C/T、V387I、A390M、W391Y、L393Q、H395N、V397A/T、D400G、A401S、S402Q/E、S405D/E/G、E406D/N/S、H409A/T/M、Q412E/K、Q413D/E、T414V/I、R416S、L417Q/R、419G
K3、L4、I5、Y9、E10、L11、Y16、D18、V19、I21、V23、E24、Q25、V26、M27、T28、G32、I33、R46、N52、E54、R68、H73、A77、I79、E80、K81、A82、M83、S84、A89、K90、I97、D102、T103、E106、D108、A109、E111、Q113、S116、H117、E120、Q124、H125、K126、S134、P139、L140、S148、A150、D151、K152、G153、I154、C162、R167、I168、H171、P179、V186、L193、I195、L198、A199、E202、A205、S206、E210、V211、K215、F216、D217、A218、S219、C245、L246、A250、T254、T257、T275、V280、R282、L300、T310、A313、N315、K316、N319、K320、A345、S357、D358、Q359、R361、K362、L363、L365、E366、Y369、A371、A374、L375、S381、V387、A390、W391、L393、H395、V397、D400、A401、S402、S405、E406、H409、Q412、Q413、T414、R416、L417、419
また、下記の表10に示す、配列1の野生型酵素より至適温度におけるD-アルロースイソメラーゼ活性が高い13個の配列の中で、最もアミノ酸置換の数が多いのは、配列32の84個であり、配列1のアミノ酸配列との同一性は80%である。
また、基質がD-アルロースである場合に、60℃でmgタンパク質当たり2.26Uの高いD-アロースへの転換活性を有し、本発明によりD-アロースの大量生産の道を拓くものである。
また、本発明のL-ラムノースイソメラーゼは、種々の固定化方法によって活性の高い固定化酵素を得ることができ、固定化酵素を用いることで、連続的で大量の異性化反応を行うことが可能である。工業的に固定化できることで、目的とするアルドースの大量生産ができる。
さらに、本発明のL-ラムノースイソメラーゼのアミノ酸置換変異体には、変異前の本酵素より酵素活性あるいは耐熱性が高いものが多数包含されている。
したがって、本発明のL-ラムノースイソメラーゼとその変異体、およびその製造方法の確立は、製糖産業のみならず、これに関連する食品、化粧品、医薬品、農薬産業における工業的意義が極めて大きい。
Claims (19)
- エルビニア(Erwinia)属に属する微生物由来のL-ラムノースイソメラーゼであって、SDS-PAGEで測定したサブユニットの分子質量が48kDaであり、下記(A)および(B)の基質特異性を有するL-ラムノースイソメラーゼ。
(A)アルドースのC1のCHO基とC2のOH基を認識して反応し、C1のCHO基をOH基に、C2のOH基をCO基に変換するか、あるいは、ケトースのC1のOH基とC2のCO基を認識して反応し、C1のOH基をCHO基に、C2のCO基をOH基に変換するイソメラーゼ活性を有する。
(B)L-ラムノースとL-ラムニュロース間、L-リキソースとL-キシルロース間、L-マンノースとL-フラクトース間、D-リボースとD-リブロース間、L-タロースとL-タガトース間、及びD-アロースとD-アルロース間の異性化反応を触媒する活性を有する。 - 下記(C)および(D)の理化学的性質を有する、請求項1に記載のL-ラムノースイソメラーゼ。
(C)反応至適pHは9である。
(D)反応至適温度は70℃である。 - エルビニア属に属する微生物がエルビニア ビリンゲ(Erwinia billingiae)である、請求項1または2に記載のL-ラムノースイソメラーゼ。
- エルビニア属に属する微生物が特許微生物寄託センターに受託番号NITE BP-03142として国際寄託されているエルビニア ビリンゲ(Erwinia billingiae) GuaL218-3である、請求項1ないし3のいずれかに記載のL-ラムノースイソメラーゼ。
- 配列番号1で表されるアミノ酸配列を含むタンパク質。
- 配列番号1で表されるアミノ酸配列からなるタンパク質のアミノ酸置換変異体であるタンパク質であって、配列番号1で表されるアミノ酸配列と80%以上の同一性を有し、かつ配列番号1で表されるアミノ酸配列のK3、L4、I5、Y9、E10、L11、Y16、D18、V19、I21、V23、Q25、V26、M27、T28、G32、I33、R46、N52、E54、R68、H73、A77、I79、E80、K81、M83、A89、D102、T103、E106、D108、A109、E111、Q113、S116、H117、Q124、H125、K126、S134、S148、D151、K152、G153、C162、I168、H171、P179、V186、L193、I195、L198、A199、E202、A205、S206、V211、F216、D217、A218、S219、C245、L246、A250、T257、T275、V280、L300、T310、A313、N315、K316、N319、K320、A345、S357、D358、Q359、R361、K362、L365、E366、A371、L375、V387、A390、W391、L393、H395、V397、D400、A401、S402、S405、E406、H409、Q412、Q413、T414、R416、L417、419から選ばれる少なくとも1つの部位のアミノ酸置換を有し、下記(A)および(B)のL-ラムノースイソメラーゼ活性を有し、かつ配列番号1で表されるアミノ酸配列からなるタンパク質より、至適温度におけるL-ラムノースイソメラーゼ活性が高いタンパク質。
(A)アルドースのC1のCHO基とC2のOH基を認識して反応し、C1のCHO基をOH基に、C2のOH基をCO基に変換するか、あるいは、ケトースのC1のOH基とC2のCO基を認識して反応し、C1のOH基をCHO基に、C2のCO基をOH基に変換するイソメラーゼ活性を有する。
(B)L-ラムノースとL-ラムニュロース間、L-リキソースとL-キシルロース間、L-マンノースとL-フラクトース間、D-リボースとD-リブロース間、L-タロースとL-タガトース間、及びD-アロースとD-アルロース間の異性化反応を触媒する活性を有する。 - 配列番号1で表されるアミノ酸配列からなるタンパク質のアミノ酸置換変異体であるタンパク質であって、配列番号1で表されるアミノ酸配列と78%以上の同一性を有し、かつ配列番号1で表されるアミノ酸配列のK3、L4、I5、Y9、E10、L11、Y16、D18、V19、I21、V23、E24、Q25、V26、M27、T28、G32、I33、R46、N52、E54、R68、H73、A77、I79、E80、K81、A82、M83、S84、A89、K90、I97、D102、T103、E106、D108、A109、E111、Q113、S116、H117、E120、Q124、H125、K126、S134、P139、L140、S148、A150、D151、K152、G153、I154、C162、R167、I168、H171、P179、V186、L193、I195、L198、A199、E202、A205、S206、E210、V211、K215、F216、D217、A218、S219、C245、L246、A250、T254、T257、T275、V280、R282、L300、T310、A313、N315、K316、N319、K320、A345、S357、D358、Q359、R361、K362、L363、L365、E366、Y369、A371、A374、L375、S381、V387、A390、W391、L393、H395、V397、D400、A401、S402、S405、E406、H409、Q412、Q413、T414、R416、L417、419から選ばれる少なくとも1つの部位のアミノ酸置換を有し、下記(A)および(B)のL-ラムノースイソメラーゼ活性を有し、かつ配列番号1で表されるアミノ酸配列からなるタンパク質より、反応温度70℃と50℃におけるL-ラムノースイソメラーゼ活性の比(T70/T50)が高いか、60℃で1時間保温後の残存活性が高いか、または反応温度80℃と至適温度におけるL-ラムノースイソメラーゼ活性の比(T80/至適温度)が高いタンパク質。
(A)アルドースのC1のCHO基とC2のOH基を認識して反応し、C1のCHO基をOH基に、C2のOH基をCO基に変換するか、あるいは、ケトースのC1のOH基とC2のCO基を認識して反応し、C1のOH基をCHO基に、C2のCO基をOH基に変換するイソメラーゼ活性を有する。
(B)L-ラムノースとL-ラムニュロース間、L-リキソースとL-キシルロース間、L-マンノースとL-フラクトース間、D-リボースとD-リブロース間、L-タロースとL-タガトース間、及びD-アロースとD-アルロース間の異性化反応を触媒する活性を有する。 - 請求項5ないし7のいずれかに記載のタンパク質をコードするDNA。
- 配列番号2で表される塩基配列若しくはその相補的配列含むDNA。
- 請求項8または9に記載のDNAを含有する組換えベクター。
- 請求項10に記載の組換えベクターにより形質転換された形質転換宿主細胞。
- 請求項1ないし4のいずれかに記載のL-ラムノースイソメラーゼを生産する、特許微生物寄託センターに受託番号NITE BP-03142として国際寄託されているエルビニア ビリンゲ(Erwinia billingiae) GuaL218-3。
- 請求項1ないし4のいずれかに記載のL-ラムノースイソメラーゼ、または請求項5ないし7のいずれかに記載のタンパク質が担体に固定化されている、固定化タンパク質。
- 請求項1ないし4のいずれかに記載のL-ラムノースイソメラーゼが菌体破砕物中に存在する粗酵素の状態で、または請求項5ないし7のいずれかに記載のタンパク質が形質転換宿主細胞の、菌体破砕物中に存在する粗タンパク質の状態で担体に固定化されている、固定化タンパク質。
- 前記担体が、イオン交換樹脂または合成吸着剤である請求項13または14に記載の固定化タンパク質。
- 前記担体が、WA30、FPA54、またはFPA95である請求項15に記載の固定化タンパク質。
- 請求項1ないし4のいずれかに記載のL-ラムノースイソメラーゼを生産するエルビニア属微生物、または請求項11に記載の形質転換宿主細胞を培地中で培養し、微生物菌体中に当該L-ラムノースイソメラーゼを蓄積させ、これを採取するL-ラムノースイソメラーゼの製造方法。
- 前記培地がL-ラムノースを添加した無機塩培地である、請求項17に記載のL-ラムノースイソメラーゼの製造方法。
- アルドースまたはケトースから選ばれる1種以上を含有する溶液に、請求項1ないし4のいずれかに記載のL-ラムノースイソメラーゼ、請求項5ないし7のいずれかに記載のタンパク質、または請求項13ないし16のいずれかに記載の固定化タンパク質を作用させて、対応するケトースまたはアルドースを生成せしめ、これを採取することを特徴とするケトースまたはアルドースの製造方法。
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