JP4258577B2 - ポリ−3−ヒドロキシアルカン酸の製造法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
この出願は、ポリ−3−ヒドロキシアルカン酸の製造方法と、このポリ−3−ヒドロキシアルカン酸を大量に産生する遺伝子組換え生物に関するものである。さらに詳しくは、この出願は、代替プラスチック等として有用な高純度のポリ−3−ヒドロキシアルカン酸を簡便かつ大量に、しかも安価に製造する方法と、この方法に用いる新規生物に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
ポリ−3−ヒドロキシアルカン酸(以下、「P(3HA)」と記載することがある)は、3−ヒドロキシアルカン酸の2以上がエステル結合等により重合した化合物の総称であり、例えば、ポリ−3−ヒドロキシブタン酸、ポリ−3−ヒドロキシヘキサン酸等がある。
【0003】
このP(3HA)は、近年、代替プラスチック等への利用が有望視されているが、化学合成による製造はコスト高となるため、バイオリアクター等による遺伝子工学的製造方法が検討されている。
この遺伝子工学的方法によるP(3HA)の製造では、P(3HA)を蓄積しない大腸菌等の宿主生物に他の生物由来のP(3HA)重合酵素の遺伝子を導入して宿主生物を形質転換し、この形質転換体をグルコース等の炭素源を含む培地で培養する方法が試みられてきた。大腸菌等のP(3HA)非蓄積生物は、その重合酵素を産生しないためにP(3HA)を蓄積しないと考えられるからである。
【0004】
しかしながら、P(3HA)非蓄積生物に重合酵素遺伝子を導入しただけではその形質転換体におけるP(3HA)蓄積能を増大させることはできないことから、大腸菌等におけるP(3HA)の非蓄積性は、その生物がP(3HA)重合酵素を産生しないことだけではなく、ポリ−3−ヒドロキシアルカン酸重合酵素の基質となる3−ヒドロキシアシルCoAの産生能が極めて低いことによるものであると推測されている。そこで、P(3HA)重合酵素遺伝子とともに、3−ヒドロキシアシルCoAの産生を促進するための脂肪酸合成酵素遺伝子を宿主生物に導入することが試みが報告されている(Williams 等:Protein Expr. Purif. 7:203-211, 1996)。この従来方法では、ラット由来の脂肪酸合成酵素の変異遺伝子と、Alcaligenes eutrophus由来のポリ−3−ヒドロキシアルカン酸重合酵素遺伝子とを昆虫(Spodoptera frugiperda)細胞に導入し、昆虫細胞用培地で3日間培養した結果、培地1リットル当たり600 mgの乾燥細胞、1mgのポリ−3−ヒドロキシアルカン酸を得ることに成功している。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、Williams 等の従来方法では、得られるP(3HA)は、乾燥細胞重量当たり0.17%と極めて少量であり、工業的規模での大量製造には適さない。また、宿主生物が昆虫細胞であるため、培養に特別な技術を必要とするといった問題点も存在した。
【0006】
この出願の発明は、以上のとおりの事情に鑑みてなされたものであって、従来方法の問題点を解消し、高純度のP(3HA)を簡便かつ大量に、しかも安価に製造することのできる新しいP(3HA)製造方法を提供することを課題としている。
またこの出願の発明は、この製造方法に用いる遺伝子組換え生物を提供することを課題としている。
【0007】
【課題を解決するための手段】
この出願は、前記の課題を解決する発明として、第1に、ポリ−3−ヒドロキシアルカン酸重合酵素遺伝子と、微生物由来の脂肪酸合成酵素遺伝子 fabH 、 fab D、 fab G、 acpP 、 fab Fのうちの1または2以上を大腸菌に導入して形質転換し、この形質転換大腸菌を炭素源存在下で増殖させ、この増殖した大腸菌からポリ−3−ヒドロキシアルカン酸を単離・精製することを特徴とするポリ−3−ヒドロキシアルカン酸の製造方法を、第2に、ポリ−3−ヒドロキシアルカン酸重合酵素遺伝子と、微生物由来の脂肪酸合成酵素遺伝子 fabH 、 fab D、 fab G、 acpP および fab Fを大腸菌に導入して形質転換し、この形質転換大腸菌を炭素源存在下で増殖させ、この増殖した大腸菌からポリ−3−ヒドロキシアルカン酸を単離・精製するポリ−3−ヒドロキシアルカン酸の製造方法を、第3に、微生物が大腸菌である前記第1または2の製造方法を提供する。
【0008】
またこの出願は、第4には、ポリ−3−ヒドロキシアルカン酸重合酵素遺伝子と、微生物由来の脂肪酸合成酵素遺伝子 fabH 、 fab D、 fab G、 acpP 、 fab Fのうちの1または2以上を大腸菌に導入することによって作出された形質転換大腸菌を、第5には、ポリ−3−ヒドロキシアルカン酸重合酵素遺伝子と、微生物由来の脂肪酸合成酵素遺伝子 fabH 、 fab D、 fab G、 acpP および fab Fを大腸菌に導入することによって作出された形質転換大腸菌を、第6には、微生物が大腸菌である前記第4または第5の形質転換大腸菌を提供する。
【0010】
【発明の実施の形態】
この発明の方法に使用するP(3HA)重合酵素遺伝子は、各種のP(3HA)蓄積生物に由来する遺伝子を用いることができる。そのような遺伝子としては例えば、Aeromonas caviae 由来のP(3HA)重合酵素遺伝子 phaCAC(Fukui et al., J. Bacteriol. 179:4821-4830, 1997 )、Alcaligenes eutrophus由来のP(3HA)重合酵素遺伝子 phbCAe (Peoples et al., J. Biol. Chem.262:15298-15303, 1989 )、Pseudomonas aeruginosa由来の重合酵素遺伝子 phaC1Pa (Timm et al., Eur. J. Biochem. 209:15-30, 1992 )等である。
【0011】
あるいは、これらの公知遺伝子をプローブとして、任意生物種のゲノムDNAから単離したP(3HA)重合酵素遺伝子を用いることもできる。
これらのP(3HA)重合酵素遺伝子は、微生物用の発現ベクターに組み込み、この組換えベクターを定法に従って大腸菌等の微生物に導入することによって形質転換微生物を作出することができる。発現ベクターは、微生物中で複製可能なオリジン、プロモーター、リボソーム結合部位、遺伝子クローニング部位、ターミネーター等を有する公知の微生物用発現ベクター(例えば、大腸菌用発現ベクターとしては、pUC系、pBluescript II、pET発現システム、pGEX発現システム)などを用いることができる。また、この出願の発明者らが新たに構築したプラスミドベクターpJRDTrc1(図1)を用いることもできる。このpJRDTrc1は、図1に示したように、市販のpTrc99AとpJRD215 とを組み合わせて構築した新規ベクターであり、そのマルチクローニングサイトに前記のP(3HA)重合酵素遺伝子 phaCAC等を確実に連結することができる。 この発明の方法に使用する脂肪酸合成酵素遺伝子は、真核生物や微生物由来の公知の遺伝子である。例えば、大腸菌Escherichia coli 由来の脂肪酸合成酵素遺伝子 fab(Battner et al., Science 277:1453-1474, 1997 )、Bacillus subtilis 由来の脂肪酸合成酵素遺伝子 fab(Kunst et al., Nature 390:249-256, 1997)等であり、これらを単独もしくは複数組み合わせて使用することができる。
【0012】
このような脂肪酸合成酵素遺伝子(群)は、前記P(3HA)重合酵素遺伝子と同様に、公知の微生物用発現ベクターに組み込んで宿主細胞に導入することができる。
以上のとおりに構築したP(3HA)重合酵素遺伝子発現ベクターおよび脂肪酸合成酵素発現ベクターは、電気穿孔法、リン酸カルシウム法、リポソーム法、DEAEデキストラン法など公知の方法により同一の宿主微生物に導入する。そして、発現ベクター中の耐性遺伝子による薬剤耐性等を用いて両遺伝子により形質転換した微生物を単離することができる。
【0013】
このようにして作出した形質転換微生物を、炭素源存在下で、必要に応じて遺伝子の発現誘導処置を施すなどして増殖させることにより、微生物体内にP(3HA)を蓄積させることができる。炭素源は、グルコースやフラクトース等の糖類、または脂肪酸類を制限なく用いることができる。
蓄積されたP(3HA)は公知の方法により単離・精製することができる。例えば、大腸菌の場合には、培養液から遠心分離等により菌体を集め、これを凍結乾燥し、乾燥菌体を酸−メタノール分解し、分解物からクロロホルム抽出によってP(3HA)を単離することができる。そして、各種クロマトグラフィー等により精製することができる。
【0014】
以下、実施例を示し、この発明についてさらに詳細かつ具体的に説明するが、この発明は以下の例に限定されるものではない。
【0015】
【実施例】
実施例1
P(3HA)重合酵素遺伝子(Aeromonas caviae FA440 株由来の phaCAC遺伝子)をpJRDTrc1に組み込み、P(3HA)重合酵素遺伝子発現ベクターを構築した(図1)。一方、Escherichia coli HB101 株由来の脂肪酸合成酵素遺伝子 fabH、fabD、fabG、acpPおよびfabF遺伝子群を連続してpUC118 にクローニングし、このクローンから図2に示したように、fabHを含む断片、fabDを含む断片、および全遺伝子群を含む断片を切り出し、各々をpBluescriptII KS(+) に組み込んで脂肪酸合成酵素遺伝子発現ベクター(それぞれ、pXbH1.0 、pEEv1.6、pXbSac5.0 )を構築した。
【0016】
P(3HA)重合酵素遺伝子発現ベクターと脂肪酸合成酵素遺伝子のいずれかを組み合わせてEscherichia coli HB101 株に同時に導入し、形質転換大腸菌を得た。
これらの形質転換菌をLB(Luria−Bertani)培地で30℃で12時間培養した後、遺伝子発現誘導剤としてIPTG(Isopropyl−β−D(-) −thiogalactopyranoside )を最終濃度1mMになるように添加して4時間培養した。次いで、グルコース(最終濃度10 g/リットル)を添加し、さらに24時間培養した。
【0017】
培養終了後、培養液を遠心分離して菌体を集め、凍結乾燥し、乾燥菌体を酸−エタノール分解し、クロロホルム抽出した後、ガスクロマトグラフィーでP(3HA)の収量およびその組成比を検出した。
なお、比較対照として、 phaCAC遺伝子のみを導入した遺伝子組換え大腸菌についても同様に培養し、P(3HA)の有無を調べた。
【0018】
結果は表1に示したとおりである。P(3HA)重合酵素遺伝子と脂肪酸合成酵素遺伝子群とを導入した形質転換菌からは、モノマーユニットがR−3−ヒドロキシブタン酸:100 %の3HBホモポリマーが得られたのに対し、比較対象として試験した phaCAC遺伝子のみを導入した形質転換菌からはポリ−3−ヒドロキシアルカン酸は検出されなかった。また、3HBの収率は、 fabH、fabD、fabG、acpPおよびfabF遺伝子群を全て導入した菌が乾燥菌体重量当たり10.3%と最も高く、次いで、fabH(6.3 %)、fabD(4.6 %)であった。
【0019】
【表1】
【0020】
【発明の効果】
以上詳しく説明したとおり、この出願によって、P(3HA)の遺伝子工学的手法による製造方法と、この製造方法に用いる遺伝子組換え生物が提供される。これらの発明によって、高純度のポリ−3−ヒドロキシアルカン酸を簡便かつ大量に、しかも安価に製造することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明に用いることのできるpJRDTrc1の構成を示した模式図である。
【図2】実施例で構築した脂肪酸合成酵素遺伝子発現ベクターの挿入遺伝子の関係を示した模式図である。
Claims (6)
- ポリ−3−ヒドロキシアルカン酸重合酵素遺伝子と、微生物由来の脂肪酸合成酵素遺伝子fabH 、 fab D、 fab G、 acpP 、 fab Fのうちの1または2以上を大腸菌に導入して形質転換し、この形質転換大腸菌を炭素源存在下で増殖させ、この増殖した大腸菌からポリ−3−ヒドロキシアルカン酸を単離・精製することを特徴とするポリ−3−ヒドロキシアルカン酸の製造方法。
- ポリ−3−ヒドロキシアルカン酸重合酵素遺伝子と、微生物由来の脂肪酸合成酵素遺伝子 fabH 、 fab D、 fab G、 acpP および fab Fを大腸菌に導入して形質転換し、この形質転換大腸菌を炭素源存在下で増殖させ、この増殖した大腸菌からポリ−3−ヒドロキシアルカン酸を単離・精製することを特徴とするポリ−3−ヒドロキシアルカン酸の製造方法。
- 微生物が大腸菌である請求項1または2の製造方法。
- ポリ−3−ヒドロキシアルカン酸重合酵素遺伝子と、微生物由来の脂肪酸合成酵素遺伝子 fabH 、 fab D、 fab G、 acpP 、 fab Fのうちの1または2以上を大腸菌に導入することによって作出された形質転換大腸菌。
- ポリ−3−ヒドロキシアルカン酸重合酵素遺伝子と、微生物由来の脂肪酸合成酵素遺伝子 fabH 、 fab D、 fab G、 acpP および fab Fを大腸菌に導入することによって作出された形質転換大腸菌。
- 微生物が大腸菌である請求項4または5の形質転換大腸菌。
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