JP5789366B2 - Novel styrene monooxygenase, method for producing the same, and method for producing optically active styrene oxide using the same - Google Patents
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Description
本発明は、新規なスチレンモノオキシゲナーゼをコードするDNA、および該DNAによりコードされるタンパク質等に関する。また本発明は、該タンパク質を用いた光学活性なスチレンオキシドの製造方法、およびスチレンの分解方法等に関する。 The present invention relates to a DNA encoding a novel styrene monooxygenase, a protein encoded by the DNA, and the like. The present invention also relates to a method for producing optically active styrene oxide using the protein, a method for decomposing styrene, and the like.
スチレンは、合成高分子等の化学工業等の分野において重要な化学物質であり、ポリスチレンおよびスチレンブタジエンゴムなど多くの合成樹脂の原料として、多量に使用されている。このような合成樹脂の合成において発生するガス状スチレンやスチレン含有水の排出は、しばしば、ヒトに対する毒性および悪臭のため問題となる。 Styrene is an important chemical substance in the field of chemical industries such as synthetic polymers, and is used in large quantities as a raw material for many synthetic resins such as polystyrene and styrene butadiene rubber. Gaseous styrene and styrene-containing water emissions generated in the synthesis of such synthetic resins are often problematic due to toxicity and malodor to humans.
スチレンの生物に与える影響を評価するため、哺乳動物におけるスチレン代謝の機構が研究されている(非特許文献1〜3)。哺乳動物において、スチレンは、シトクロムP-450モノオキシゲナーゼ[EC 1.14.14.1]によりスチレンオキシドへと酸化される(非特許文献4)。次いで、スチレンオキシドはいくつかの経路によって解毒される。主要な経路は、水分子の付加によるスチレングリコールの形成を介して進む。スチレングリコールの主要な代謝物は、マンデル酸、フェニルグリオキシル酸、および馬尿酸である(非特許文献5)。シュードモナスsp.、キサントバクター(Xanthobacter)sp.、およびロドコッカス(Rhodococcus)sp.のようないくつかのスチレン分解細菌が土壌から単離されており、その代謝遺伝子の特徴が報告されている(非特許文献6〜10)。
細菌によるスチレンの分解に関して、2つの異なる経路が報告されている。第一の経路は、ビニル側鎖の酸化を含む経路である。第二の経路は、芳香環の酸化を含む経路である(非特許文献11、12)。
In order to evaluate the effect of styrene on living organisms, the mechanism of styrene metabolism in mammals has been studied (Non-Patent
Two different pathways have been reported for the degradation of styrene by bacteria. The first pathway is a pathway involving the oxidation of vinyl side chains. The second route is a route including oxidation of an aromatic ring (Non-patent Documents 11 and 12).
これまでの研究において、本発明者らは、土壌から単離されたスチレン資化細菌ロドコッカスsp.ST-5株およびST-10株を報告した。これらの細菌は、スチレン代謝に関与している酵素活性を有する(非特許文献13)。さらに、本発明者らは、ST-5株およびST-10株におけるスチレンの分解経路を、以下のように提唱した。
スチレン→スチレンオキシド→フェニルアセトアルデヒド→2-フェニルエタノールおよびフェニル酢酸。
しかしながら、これらの株からスチレン分解に関与している遺伝子は見出されておらず、代謝機構の詳細は不明なままであった。
In previous studies, the present inventors reported the styrene-utilizing bacteria Rhodococcus sp. ST-5 and ST-10 strains isolated from soil. These bacteria have an enzyme activity involved in styrene metabolism (Non-patent Document 13). Furthermore, the present inventors proposed the degradation pathway of styrene in the ST-5 and ST-10 strains as follows.
Styrene → styrene oxide → phenylacetaldehyde → 2-phenylethanol and phenylacetic acid.
However, genes involved in styrene degradation have not been found from these strains, and details of the metabolic mechanism remain unclear.
本発明は、スチレンのビニル基をオキシラニル基に酸化する活性を有するスチレンモノオキシゲナーゼをコードする新規なDNAを提供することを課題とする。また本発明は、該DNAによりコードされるタンパク質、該タンパク質の製造方法等を提供する。さらに本発明はスチレンモノオキシゲナーゼをコードするDNAあるいは当該DNAを含むベクターで形質転換された形質転換細胞を利用するスチレンの分解方法、および光学活性なスチレンオキシドの製造方法を提供することを課題とする。 An object of the present invention is to provide a novel DNA encoding a styrene monooxygenase having an activity of oxidizing a vinyl group of styrene to an oxiranyl group. The present invention also provides a protein encoded by the DNA, a method for producing the protein, and the like. Furthermore, an object of the present invention is to provide a method for decomposing styrene and a method for producing optically active styrene oxide using a DNA encoding styrene monooxygenase or a transformed cell transformed with a vector containing the DNA. .
本発明者らは、ロドコッカスsp.ST-5株およびST-10株においてスチレンの分解に関与しているスチレン代謝遺伝子を単離するため、ST-5株およびST-10株のゲノムDNAに対し、縮重PCRおよびTAIL-PCR(thermal asymmetric interlaced PCR)を実施した。その結果本発明者らは、ST-5株において4つのオープンリーディングフレーム(ORF)を見出すことに成功した。この4つのORFによってコードされる推定アミノ酸配列は、シュードモナス sp.におけるスチレン代謝遺伝子styABCDと類似性を示した。よって、4つのORFはそれぞれ、スチレンモノオキシゲナーゼ(SMO)、フラビンオキシドレダクターゼ、スチレンオキシドイソメラーゼ(SOI)、およびフェニルアセトアルデヒドデヒドロゲナーゼ(PAD)に対応する遺伝子であると判断された(図1および図2)。
一方ST-10株については、3つのORFを見出すことに成功した。これらのORFのうち2つは、SMOおよびフラビンオキシドレダクターゼに対応する遺伝子であると判断された(図1および図2)。なお残りの1つについては、ロドコッカス属にのみホモログが見出される機能未知タンパク質と高い類似性を示した。
本発明者らは、これらの遺伝子によってコードされるポリペプチドの作用を明らかにして本発明を完成した。すなわち本発明は、新規なスチレンモノオキシゲナーゼをコードするDNA、該DNAによりコードされるスチレンモノオキシゲナーゼ、該スチレンモノオキシゲナーゼの製造方法、および該スチレンモノオキシゲナーゼを用いるスチレンの分解方法並びに光学活性なスチレンオキシドの製造方法などに関する。
In order to isolate the styrene metabolism gene involved in the degradation of styrene in Rhodococcus sp. ST-5 and ST-10 strains, the present inventors have used the genomic DNA of ST-5 and ST-10 strains. Degenerate PCR and TAIL-PCR (thermal asymmetric interlaced PCR) were performed. As a result, the present inventors succeeded in finding four open reading frames (ORF) in the ST-5 strain. The deduced amino acid sequences encoded by these four ORFs showed similarity to the styrene metabolism gene styABCD in Pseudomonas sp. Therefore, the four ORFs were determined to be genes corresponding to styrene monooxygenase (SMO), flavin oxidoreductase, styrene oxide isomerase (SOI), and phenylacetaldehyde dehydrogenase (PAD), respectively (FIGS. 1 and 2). .
On the other hand, for the ST-10 strain, we succeeded in finding three ORFs. Two of these ORFs were determined to be genes corresponding to SMO and flavin oxidoreductase (FIGS. 1 and 2). The remaining one showed a high similarity to a protein of unknown function in which a homolog is found only in Rhodococcus.
The present inventors have completed the present invention by clarifying the action of polypeptides encoded by these genes. That is, the present invention relates to a DNA encoding a novel styrene monooxygenase, a styrene monooxygenase encoded by the DNA, a method for producing the styrene monooxygenase, a method for decomposing styrene using the styrene monooxygenase, and an optically active styrene oxide Related to the manufacturing method.
本発明は、より詳細には以下の〔1〕から〔9〕に関する。
〔1〕以下(a)から(e)のいずれかに記載のポリヌクレオチド;
(a)配列番号:1または3に記載の塩基配列を含むポリヌクレオチド;
(b)配列番号:2または4に記載のアミノ酸配列をコードするポリヌクレオチド;
(c)配列番号:2または4に記載のアミノ酸配列において、1もしくは複数のアミノ酸が置換、欠失、挿入、および/または付加したアミノ酸配列を含み、かつ下記(1)および(2)に記載の理化学的性質を有するスチレンモノオキシゲナーゼをコードするポリヌクレオチド;
(d)配列番号:1または3に記載の塩基配列からなるポリヌクレオチドに対して、高度にストリンジェントな条件下でハイブリダイズし、かつ下記(1)および(2)に記載の理化学的性質を有するスチレンモノオキシゲナーゼをコードするポリヌクレオチド;および
(e)配列番号:2または4に記載のアミノ酸配列と70%以上の同一性を有し、かつ下記(1)および(2)に記載の理化学的性質を有するスチレンモノオキシゲナーゼをコードするポリヌクレオチド;
(1)作用
FADH2(還元型FAD)を補酵素として、スチレンおよび3−クロロスチレンに作用し、それぞれ、光学活性なスチレンオキシドおよび光学活性な3−クロロスチレンオキシドを生成する。
(2)分子量
ゲル濾過におけるヒスチジンを含む分子量が59,000で、SDS-PAGEによる分子量が49,000、アミノ酸組成からの推定分子量が47,000のモノマー酵素である。
〔2〕ロドコッカス(Rhodococcus)属に属する微生物由来である、〔1〕に記載のポリヌクレオチド。
〔3〕前記ロドコッカス属に属する微生物がRhodococcus opacus ST-5株またはRhodococcus erythropolis ST-10株である、〔2〕に記載のポリヌクレオチド。
〔4〕〔1〕から〔3〕のいずれかに記載のポリヌクレオチドによってコードされるタンパク質。
〔5〕〔1〕から〔3〕のいずれかに記載のポリヌクレオチドを含むベクター。
〔6〕〔1〕から〔3〕のいずれかに記載のポリヌクレオチド、または〔5〕に記載のベクターが導入された形質転換細胞。
〔7〕〔6〕に記載の形質転換細胞を培養し、その培養物から〔1〕に記載のポリヌクレオチドによってコードされるタンパク質を回収する工程を含む、〔1〕から〔3〕のいずれかに記載のポリヌクレオチドによってコードされるタンパク質の製造方法。
〔8〕〔4〕に記載のタンパク質をスチレンおよび/またはその類似体に作用させる工程、および生成される化合物を回収する工程を含む、光学活性なスチレンオキシドおよび/または光学活性なスチレン類似体の酸化物の製造方法。
〔9〕〔4〕に記載のタンパク質をスチレンおよび/またはその類似体に作用させる工程を含む、スチレンおよび/またはその類似体の分解方法。
More specifically, the present invention relates to the following [1] to [9].
[1] The polynucleotide according to any one of (a) to (e) below:
(A) a polynucleotide comprising the base sequence set forth in SEQ ID NO: 1 or 3;
(B) a polynucleotide encoding the amino acid sequence set forth in SEQ ID NO: 2 or 4;
(C) the amino acid sequence of SEQ ID NO: 2 or 4, comprising an amino acid sequence in which one or more amino acids are substituted, deleted, inserted and / or added, and described in (1) and (2) below A polynucleotide encoding a styrene monooxygenase having the following physicochemical properties:
(D) hybridizes to a polynucleotide comprising the nucleotide sequence set forth in SEQ ID NO: 1 or 3 under highly stringent conditions, and has the physicochemical properties described in (1) and (2) below: A polynucleotide encoding styrene monooxygenase having; and (e) a physicochemical compound described in (1) and (2) below having at least 70% identity with the amino acid sequence set forth in SEQ ID NO: 2 or 4 A polynucleotide encoding a styrene monooxygenase having properties;
(1) Action
FADH 2 (reduced FAD) is used as a coenzyme to act on styrene and 3-chlorostyrene to produce optically active styrene oxide and optically active 3-chlorostyrene oxide, respectively.
(2) Molecular weight This is a monomer enzyme having a molecular weight of 59,000 including histidine in gel filtration, a molecular weight of 49,000 by SDS-PAGE, and an estimated molecular weight of 47,000 from the amino acid composition.
[2] The polynucleotide according to [1], which is derived from a microorganism belonging to the genus Rhodococcus.
[3] The polynucleotide according to [2], wherein the microorganism belonging to the genus Rhodococcus is Rhodococcus opacus ST-5 strain or Rhodococcus erythropolis ST-10 strain.
[4] A protein encoded by the polynucleotide according to any one of [1] to [3].
[5] A vector comprising the polynucleotide according to any one of [1] to [3].
[6] A transformed cell into which the polynucleotide according to any one of [1] to [3] or the vector according to [5] has been introduced.
[7] The method according to any one of [1] to [3], comprising a step of culturing the transformed cell according to [6] and recovering the protein encoded by the polynucleotide according to [1] from the culture. A method for producing a protein encoded by the polynucleotide described in 1.
[8] An optically active styrene oxide and / or an optically active styrene analog comprising a step of allowing the protein according to [4] to act on styrene and / or an analog thereof, and recovering a produced compound Production method of oxide.
[9] A method for decomposing styrene and / or an analog thereof, comprising the step of allowing the protein according to [4] to act on styrene and / or an analog thereof.
本発明者らにより、新規なスチレンモノオキシゲナーゼをコードするDNA、該DNAによりコードされるスチレンモノオキシゲナーゼなどが提供された。
スチレンは化学工業において重要な物質であり、ポリスチレンやスチレンブタジエンゴムなどの合成樹脂の原料として欠かせない。しかしながら、これらの合成高分子の製造において発生するスチレンガスやスチレン含有廃水は、しばしばヒトに対する毒性や環境汚染の観点から問題となっている。本発明のスチレンモノオキシゲナーゼは、このような問題の原因となるスチレンの分解や除去に有用である。
また本発明のスチレンモノオキシゲナーゼを用いることにより、医薬、農薬、電子材料等の種々の分野で必要とされる光学活性なスチレンオキシドを効率的且つ経済的に製造することができる。本発明のスチレンモノオキシゲナーゼは、このようにスチレンオキシドの製造においても有用である。
The present inventors have provided DNA encoding a novel styrene monooxygenase, styrene monooxygenase encoded by the DNA, and the like.
Styrene is an important substance in the chemical industry and is indispensable as a raw material for synthetic resins such as polystyrene and styrene butadiene rubber. However, styrene gas and styrene-containing wastewater generated in the production of these synthetic polymers are often problematic from the viewpoint of human toxicity and environmental pollution. The styrene monooxygenase of the present invention is useful for the decomposition and removal of styrene that causes such problems.
Further, by using the styrene monooxygenase of the present invention, optically active styrene oxide required in various fields such as pharmaceuticals, agricultural chemicals and electronic materials can be produced efficiently and economically. Thus, the styrene monooxygenase of the present invention is also useful in the production of styrene oxide.
スチレンモノオキシゲナーゼ
本発明のスチレンモノオキシゲナーゼは、以下の(1)および(2)の理化学的性状を有するタンパク質である。
(1)作用
FADH2(還元型FAD)を補酵素として、スチレンおよび3−クロロスチレンに作用し、それぞれ、光学活性なスチレンオキシドおよび光学活性な3−クロロスチレンオキシドを生成する。
(2)分子量
ゲル濾過におけるヒスチジンを含む分子量が59,000で、SDS-PAGEによる分子量が49,000、アミノ酸組成からの推定分子量が47,000のモノマー酵素である。
ゲル濾過カラムにおける分子量は、ヒスチジンタグを含む分子量である。アミノ酸配列から推定される、ヒスチジンタグが付加された状態における分子量は49.6 kDaである。これらから、本願のスチレンモノオキシゲナーゼはモノマーであると推測される。SDS-PAGEによるSMO分子量の分析方法、ゲル濾過におけるSMO分子量の分析方法は実施例に示した。
Styrene monooxygenase The styrene monooxygenase of the present invention is a protein having the following physicochemical properties (1) and (2).
(1) Action
FADH 2 (reduced FAD) is used as a coenzyme to act on styrene and 3-chlorostyrene to produce optically active styrene oxide and optically active 3-chlorostyrene oxide, respectively.
(2) Molecular weight This is a monomer enzyme having a molecular weight of 59,000 including histidine in gel filtration, a molecular weight of 49,000 by SDS-PAGE, and an estimated molecular weight of 47,000 from the amino acid composition.
The molecular weight in the gel filtration column is a molecular weight containing a histidine tag. The molecular weight in a state where a histidine tag is added, which is deduced from the amino acid sequence, is 49.6 kDa. From these, it is estimated that the styrene monooxygenase of this application is a monomer. The method for analyzing SMO molecular weight by SDS-PAGE and the method for analyzing SMO molecular weight in gel filtration are shown in the Examples.
スチレンは、以下の化学式で表される芳香族炭化水素である。例えば、エチルベンゼンを鉄触媒等で脱水素することにより製造することができる。
本発明のスチレンモノオキシゲナーゼの活性測定は、例えば以下の手順で行うことができる。
ST-5およびST-10 由来SMO の精製酵素と基質、補酵素類を50 mM MES緩衝液中に以下の濃度で添加し、反応液とする。次に、この反応液を30℃、2,500rpmで30分間インキュベーションする。反応終了後、反応液に500μlの酢酸エチルを添加し5分間ボルテックスを行う。15,000 rpm で5分間遠心し、分離した酢酸エチル相を新しいチューブに移す。再度500μl の酢酸エチルを水相に添加し、5分間ボルテックス後、再度遠心により酢酸エチル相を回収する。合計1000μl の回収した酢酸エチル相に適量の硫酸ナトリウムを添加し、2分間ボルテックスを行い、脱水処理を行う。脱水処理を行った抽出サンプルを、Hewllet Packerd HP6890 ガスクロマトグラフィーシステムを用いて、スチレンモノオキシゲナーゼ活性を分析することができる。
The activity of the styrene monooxygenase of the present invention can be measured, for example, by the following procedure.
Add purified enzyme, substrate, and coenzyme of ST-5 and ST-10-derived SMO to 50 mM MES buffer at the following concentrations to make a reaction solution. Next, this reaction solution is incubated at 30 ° C. and 2,500 rpm for 30 minutes. After completion of the reaction, add 500 μl of ethyl acetate to the reaction solution and vortex for 5 minutes. Centrifuge for 5 minutes at 15,000 rpm and transfer the separated ethyl acetate phase to a new tube. Add 500 μl of ethyl acetate again to the aqueous phase, vortex for 5 minutes, and collect the ethyl acetate phase by centrifugation again. Add an appropriate amount of sodium sulfate to a total of 1000 μl of the collected ethyl acetate phase, and vortex for 2 minutes to dehydrate. The extracted sample subjected to the dehydration treatment can be analyzed for styrene monooxygenase activity using a Hewllet Packerd HP6890 gas chromatography system.
反応溶液は、例えば以下の組成とすることができる。
50 mM MES Buffer (pH 7.0)
20 mM ギ酸ナトリウム
100μM NADH
200μM FAD
1 U ギ酸脱水素酵素
10 U catalase
5 mM substrate(基質変換反応時は、10 mM の基質で反応を実施)
StyA 150μl (基質変換反応時は、StyAB 共発現菌体の菌体破砕液上清を使用)
StyB 100μl
total 1000μl
The reaction solution can have the following composition, for example.
50 mM MES Buffer (pH 7.0)
20 mM sodium formate
100μM NADH
200μM FAD
1 U formate dehydrogenase
10 U catalase
5 mM substrate (react with 10 mM substrate during substrate conversion reaction)
StyA 150μl (In the substrate conversion reaction, use the cell disruption supernatant of StyAB co-expressing cells)
StyB 100μl
total 1000μl
ガスクロマトグラフィーによる分析は、例えば次のように行うことができる。
酢酸エチルにより抽出された試料1μl をVarian 社製 CP-Cyclodextrin-b-2,3,6-M-19-25 キャピラリーカラム(25 m, 内径0.25 mm)に注入する。 キャリアガス(99.999% 高純度ヘリウムガス)流速は2.8 ml/min、スプリット比は50、線形流速は46 cm/s とすることができる。検出はFID(水素炎イオン化検出器)を用いて行うことができる。気化室温度は250℃、検出器温度は250℃とすることができる。各物質の同定および定量は、各標準化合物を1 mM, 5 mM, 10 mM の濃度に調製したサンプルを同条件で分析し、その検出時間およびピーク面積から検量線を作成して求めることができる。
The analysis by gas chromatography can be performed as follows, for example.
A 1 μl sample extracted with ethyl acetate is injected into a Varian CP-Cyclodextrin-b-2,3,6-M-19-25 capillary column (25 m, 0.25 mm ID). Carrier gas (99.999% high purity helium gas) flow rate can be 2.8 ml / min, split
酵素活性1 U は、1分間に1μmol の基質を産物に変換する酵素活性と定義することができる。
本発明のスチレンモノオキシゲナーゼの酵素活性は、好ましくは1U/mg以上、さらに好ましくは5U/mg以上、特に好ましくは10U/mg以上である。
Enzyme activity 1 U can be defined as the enzyme activity that converts 1 μmol of substrate into product per minute.
The enzyme activity of the styrene monooxygenase of the present invention is preferably 1 U / mg or more, more preferably 5 U / mg or more, and particularly preferably 10 U / mg or more.
上記のような理化学的性状を有するスチレンモノオキシゲナーゼは、例えば、ロドコッカスsp.の培養物から精製して得ることができる。ロドコッカスsp.としては、ロドコッカスsp.ST-5株およびST-10株などが挙げられるがこれらに限定されない。これらの微生物は、かつて、コリネバクテリウム(Corynebacterium)sp.ST-5株およびST-10株として同定されていた微生物である。しかし最近になり、ST-10株はロドコッカスsp.ST-10株として再同定された。ロドコッカスsp.ST-5株およびST-10株は、次のようにして取得することができる。
各地で採取した土壌サンプルに滅菌水を添加し、ボルテックスを行う。懸濁液を無機塩培地(0.3(w/v)%(NH4)2SO4、0.3% KH2PO4、0.1% NaCl、0.02% MgSO4 7H2O、および1.5%寒天、pH7.0)に塗り広げ、スチレンガス雰囲気下で培養する。例えば30℃で3〜7日間培養し、生育したコロニーを4 ml のLB 培地に接種して培養する。得られた培養液のうち例えば10μlを再度無機塩培地に塗り広げ、スチレンガス雰囲気下、30℃で培養する。生育したコロニーを再度LB 培地で培養し、スチレン資化性菌としてストックすることができる。
Styrene monooxygenase having the above physicochemical properties can be obtained by purification from a culture of Rhodococcus sp. Examples of Rhodococcus sp. Include, but are not limited to, Rhodococcus sp. ST-5 and ST-10. These microorganisms were once identified as Corynebacterium sp. ST-5 and ST-10 strains. More recently, however, the ST-10 strain has been re-identified as Rhodococcus sp. ST-10. Rhodococcus sp. ST-5 and ST-10 can be obtained as follows.
Add sterilized water to the soil samples collected at various locations and vortex. The suspension was treated with mineral salt medium (0.3 (w / v)% (NH 4 ) 2 SO 4 , 0.3% KH 2 PO 4 , 0.1% NaCl, 0.02% MgSO 4 7H 2 O, and 1.5% agar, pH 7.0. And spread in a styrene gas atmosphere. For example, the cells are cultured at 30 ° C. for 3 to 7 days, and the grown colonies are inoculated into 4 ml of LB medium and cultured. For example, 10 μl of the obtained culture broth is spread again on an inorganic salt medium and cultured at 30 ° C. in a styrene gas atmosphere. The grown colonies can be cultured again in LB medium and stocked as styrene-utilizing bacteria.
ロドコッカスsp.ST-5株およびST-10株は、例えばPY培地(0.5%酵母抽出物、0.5%バクトペプトン、pH7.0)等、真菌の培養に用いられる一般的な培地で培養することができる。
これらの培地を用いて培養した菌体を回収し、無機塩培地(0.3(w/v)%(NH4)2SO4、0.3% KH2PO4、0.1% NaCl、0.02% MgSO4 7H2O、および1.5%寒天、pH7.0)に再度接種する。この菌体をスチレンガス雰囲気下において生育し回収することにより、高いSMO活性を有する菌体を得ることができる。
通常は、培養開始時のpHを2〜9、好ましくは4〜7に調節し、15〜40℃、好ましくは20〜35℃の温度条件下で培養することが望ましい。培養時間は通常は1日から7日、好ましくは1日から3日である。
Rhodococcus sp. ST-5 and ST-10 can be cultured in a common medium used for fungal culture, such as PY medium (0.5% yeast extract, 0.5% bactopeptone, pH 7.0). it can.
Cells cultured using these media are collected, and an inorganic salt medium (0.3 (w / v)% (NH 4 ) 2 SO 4 , 0.3% KH 2 PO 4 , 0.1% NaCl, 0.02% MgSO 4 7H 2 is collected. O, and 1.5% agar, pH 7.0) again. By growing and collecting the cells under a styrene gas atmosphere, cells having high SMO activity can be obtained.
Usually, it is desirable to adjust the pH at the start of culture to 2 to 9, preferably 4 to 7, and to culture under a temperature condition of 15 to 40 ° C, preferably 20 to 35 ° C. The culture time is usually 1 to 7 days, preferably 1 to 3 days.
培養した菌体から無細胞抽出液を調製し、さらに、無細胞抽出液を精製することにより、本発明のスチレンモノオキシゲナーゼを得ることができる。 The styrene monooxygenase of the present invention can be obtained by preparing a cell-free extract from the cultured cells and further purifying the cell-free extract.
具体的には、上述のようにして得られた菌体から、2−メルカプトエタノール(2−mercaptoethanol)等の還元剤や、フェニルメタンスルホニルフルオリド(phenylmethansulfonyl fluoride;PMFS)やエチレンジアミン4酢酸(以下、EDTAと略す)、ペプスタチン、ロイペプチン、ホスホラミドンのようなプロテアーゼ阻害剤を加えた緩衝液中でガラスビーズとの物理的な衝撃やミニラボ、フレンチプレスなどの高圧を利用するなどして破砕し、無細胞抽出液を得ることができる。 Specifically, from the microbial cells obtained as described above, a reducing agent such as 2-mercaptoethanol, phenylmethanesulfonyl fluoride (PMFS), ethylenediaminetetraacetic acid (hereinafter, Abbreviated as EDTA), crushing by using a physical impact with glass beads in a buffer solution containing protease inhibitors such as pepstatin, leupeptin, and phosphoramidon and using high pressure such as minilab and French press, and cell-free An extract can be obtained.
無細胞抽出液から、蛋白質の溶解度による分画(アセトンやジメチルスルホキシドなどの有機溶媒による沈澱や硫安などによる塩析など)や、陽イオン交換、陰イオン交換、ゲル濾過、疎水性クロマトグラフィーや、キレート、色素、抗体などを用いたアフィニティークロマトグラフィーなどを適宜組み合わせることにより本発明の酵素を精製することができる。例えば、無細胞抽出液をブルー−セファロース、フェニル−セファロース、Resource Q(いずれもGEヘルスケア製)などのカラムクロマトグラフィーを組み合わせることにより、電気泳動的にほぼ単一バンドにまで精製することができる。
なお、アミノ酸配列から推定されるST-5株由来のStyAの分子量は46,941 Daである。また、アミノ酸配列から推定されるST-10株由来のStyAの分子量は47,290 Daである。ST-5株由来のStyA、ST-10株由来のStyAいずれも、モノマーであると推定される。
From cell-free extracts, fractionation by protein solubility (precipitation with organic solvents such as acetone and dimethyl sulfoxide, salting out with ammonium sulfate, etc.), cation exchange, anion exchange, gel filtration, hydrophobic chromatography, The enzyme of the present invention can be purified by appropriately combining affinity chromatography using chelates, dyes, antibodies and the like. For example, the cell-free extract can be electrophoretically purified to almost a single band by combining column chromatography such as Blue-Sepharose, Phenyl-Sepharose, Resource Q (all manufactured by GE Healthcare). .
The molecular weight of StyA derived from ST-5 strain deduced from the amino acid sequence is 46,941 Da. The molecular weight of StyA derived from ST-10 strain deduced from the amino acid sequence is 47,290 Da. It is presumed that both StyA derived from ST-5 strain and StyA derived from ST-10 strain are monomers.
本発明のスチレンモノオキシゲナーゼを産生する本発明者らが単離したロドコッカスsp.ST-5株、ロドコッカスsp.ST-10株は、本発明者らによって、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寄託された。以下に、寄託を特定する内容を記載する。
ロドコッカスsp.ST-5株
(1)寄託機関名:独立行政法人製品評価技術基盤機構
(2)連絡先:〒292−0818千葉県木更津市かずさ鎌足2−5−8
(3)受託番号:NITE P-974
(4)識別の表示:ST-5
(5)寄託日:2010年8月27日
ロドコッカスsp.ST-10株
(1)寄託機関名:独立行政法人製品評価技術基盤機構
(2)連絡先:〒292−0818千葉県木更津市かずさ鎌足2−5−8
(3)受託番号:NITE P-975
(4)識別の表示:ST-10
(5)寄託日:2010年8月27日
Rhodococcus sp.ST-5 strain and Rhodococcus sp.ST-10 strain isolated by the present inventors that produce the styrene monooxygenase of the present invention are patent microorganisms by the Independent Administrative Institution Product Evaluation Technology Base Organization. Deposited at the Deposit Center. The contents specifying the deposit are described below.
Rhodococcus sp.ST-5 strain (1) Depositary name: National Institute of Technology and Evaluation (2) Contact: 2-5-8 Kazusa Kamashi, Kisarazu City, Chiba Prefecture 292-0818
(3) Accession number: NITE P-974
(4) Identification display: ST-5
(5) Date of deposit: August 27, 2010 Rhodococcus sp. ST-10 strain (1) Depositor name: National Institute of Technology and Evaluation (2) Contact information: Kazusa-Kama, Kisarazu City, Chiba Prefecture 292-0818 2-5-8 feet
(3) Accession number: NITE P-975
(4) Identification display: ST-10
(5) Deposit date: August 27, 2010
ポリヌクレオチド
本発明において、ポリヌクレオチドは、DNAおよびRNA等の天然のポリヌクレオチドに加え、人工的なヌクレオチド誘導体を含む人工的な分子であることもできる。また本発明のポリヌクレオチドは、DNA-RNAのキメラ分子であることもできる。また、本発明のポリヌクレオチドは、スチレンモノオキシゲナーゼをコードするコード鎖のみからなる一本鎖であっても、該コード鎖とその相補鎖とからなる二本鎖構造を持つものであってもよい。
Polynucleotide In the present invention, the polynucleotide can be an artificial molecule including an artificial nucleotide derivative in addition to a natural polynucleotide such as DNA and RNA. The polynucleotide of the present invention can also be a DNA-RNA chimeric molecule. The polynucleotide of the present invention may be a single strand consisting only of a coding strand encoding styrene monooxygenase, or may have a double-stranded structure consisting of the coding strand and its complementary strand. .
本発明のスチレンモノオキシゲナーゼをコードするポリヌクレオチドは、微生物から得ることができる。微生物としては、ロドコッカス(Rhodococcus)属に属する微生物が好ましい。より具体的には、Rhodococcus opacusやRhodococcus erythropolisは、本発明のポリヌクレオチドを得るための微生物として好ましい。例えば、配列番号:1に記載の塩基配列を含むポリヌクレオチドは、Rhodococcus opacus ST-5株からクローニングされた。配列番号:1に示す塩基配列は、配列番号:2に示すアミノ酸配列からなるタンパク質をコードしている。また、例えば、配列番号:3に記載の塩基配列を含むポリヌクレオチドは、Rhodococcus erythropolis ST-10株からクローニングされた。配列番号:3に示す塩基配列は、配列番号:4に示すアミノ酸配列からなるタンパク質をコードしている。配列番号:2または4のアミノ酸配列を含むタンパク質をコードするポリヌクレオチドは、本発明における好ましいポリヌクレオチドである。 The polynucleotide encoding the styrene monooxygenase of the present invention can be obtained from a microorganism. As the microorganism, a microorganism belonging to the genus Rhodococcus is preferable. More specifically, Rhodococcus opacus and Rhodococcus erythropolis are preferable as microorganisms for obtaining the polynucleotide of the present invention. For example, a polynucleotide comprising the nucleotide sequence set forth in SEQ ID NO: 1 was cloned from Rhodococcus opacus ST-5 strain. The base sequence shown in SEQ ID NO: 1 encodes a protein consisting of the amino acid sequence shown in SEQ ID NO: 2. Further, for example, a polynucleotide containing the base sequence set forth in SEQ ID NO: 3 was cloned from Rhodococcus erythropolis ST-10 strain. The base sequence shown in SEQ ID NO: 3 encodes a protein consisting of the amino acid sequence shown in SEQ ID NO: 4. A polynucleotide encoding a protein comprising the amino acid sequence of SEQ ID NO: 2 or 4 is a preferred polynucleotide in the present invention.
本発明のポリヌクレオチドには、Rhodococcus opacus ST-5株、あるいはRhodococcus erythropolis ST-10株からクローニングされた遺伝子に加え、該遺伝子のホモログも含まれる。このような遺伝子のホモログとしては、配列番号:1または3に記載の塩基配列を含むポリヌクレオチドが挙げられる。その他、スチレンモノオキシゲナーゼをコードするポリヌクレオチドに加え、その読み枠に影響しないよう適当な制御配列を含むポリヌクレオチド、適当なペプチド配列により修飾されたスチレンモノオキシゲナーゼの融合タンパク質をコードするポリヌクレオチドを、好適な例として挙げることができる。 The polynucleotide of the present invention includes not only a gene cloned from Rhodococcus opacus ST-5 strain or Rhodococcus erythropolis ST-10 strain but also a homologue of the gene. Examples of such a gene homolog include a polynucleotide comprising the nucleotide sequence set forth in SEQ ID NO: 1 or 3. In addition to the polynucleotide encoding styrene monooxygenase, a polynucleotide containing an appropriate control sequence so as not to affect the reading frame, and a polynucleotide encoding a fusion protein of styrene monooxygenase modified with an appropriate peptide sequence, It can be mentioned as a suitable example.
また、本発明のポリヌクレオチドに含まれるホモログとしては、配列番号:2または4に記載のアミノ酸配列を含むタンパク質をコードするポリヌクレオチドが挙げられる。このようなポリヌクレオチドには、配列番号:1または3に示す塩基配列を含む遺伝子に加え、遺伝暗号の縮重により配列番号:2または4に記載のアミノ酸配列をコードするが、配列番号:1または3の塩基配列とは異なる塩基配列からなるポリヌクレオチドが包含される。 Moreover, the homolog contained in the polynucleotide of the present invention includes a polynucleotide encoding a protein comprising the amino acid sequence set forth in SEQ ID NO: 2 or 4. Such a polynucleotide encodes the amino acid sequence shown in SEQ ID NO: 2 or 4 due to the degeneracy of the genetic code, in addition to the gene containing the nucleotide sequence shown in SEQ ID NO: 1 or 3. Alternatively, a polynucleotide having a base sequence different from the base sequence of 3 is included.
今回、配列番号:1または3の塩基配列を有するスチレンモノオキシゲナーゼをコードする遺伝子が得られた。ホモログは、例えば、配列番号:1または3の塩基配列を有するポリヌクレオチドをプローブとしてスクリーニングすることができる。あるいは、配列番号:1または3の塩基配列から選択された塩基配列をプローブとすることもできる。プローブを使ったスクリーニング方法として、次のような公知のハイブリダイゼーション法を利用することができる。
コロニーハイブリダイゼーション、
プラークハイブリダイゼーション、
サザンブロット法
スクリーニングには、酵素生産株であるRhodococcus opacus、Rhodococcus erythropolisなどロドコッカス属の微生物、あるいはその他の生物種等の染色体DNA、またはcDNAライブラリーを利用することができる。
This time, a gene encoding styrene monooxygenase having the nucleotide sequence of SEQ ID NO: 1 or 3 was obtained. A homolog can be screened using, for example, a polynucleotide having the nucleotide sequence of SEQ ID NO: 1 or 3 as a probe. Alternatively, a base sequence selected from the base sequences of SEQ ID NO: 1 or 3 can be used as a probe. As a screening method using a probe, the following known hybridization method can be used.
Colony hybridization,
Plaque hybridization,
Southern blotting screening can be performed using chromosomal DNA or cDNA libraries of Rhodococcus opacus, Rhodococcus erythropolis and other microorganisms belonging to the genus Rhodococcus, or other species.
また、酵素生産株の染色体DNAまたはcDNAライブラリーを鋳型としたPCRによって、本発明のポリヌクレオチドを得ることもできる。PCR用のプライマーは、配列番号:1または3の塩基配列を元にデザインすることができる。PCRによって得られたDNAが断片であれば、DNA断片の塩基配列に基づいてさらにその全長配列を決定することができる。例えば、インバースPCR(inverse PCR; Genetics(1988)120: 621-3)を利用して、断片配列情報に基づいて、全長配列を決定することができる。インバースPCRは、部分的に塩基配列が不明なDNAを適当な制限酵素で消化後、自己環化反応により環化されたDNAを鋳型として利用するPCRである。断片配列内部の既知領域に特異的なプライマーを利用して、その前後に位置する塩基配列が未知の領域を増幅することができる。
あるいはRACE法(Rapid Amplification of cDNA End;「PCR実験マニュアル」HBJ出版局,p25-33)によって本発明のポリヌクレオチドを得ることもできる。
The polynucleotide of the present invention can also be obtained by PCR using a chromosomal DNA or cDNA library of an enzyme-producing strain as a template. Primers for PCR can be designed based on the nucleotide sequence of SEQ ID NO: 1 or 3. If the DNA obtained by PCR is a fragment, its full-length sequence can be further determined based on the base sequence of the DNA fragment. For example, a full-length sequence can be determined based on fragment sequence information using inverse PCR (Genetics (1988) 120: 621-3). Inverse PCR is PCR that uses, as a template, DNA that has been partially clarified by digestion with an appropriate restriction enzyme and then cyclized by self-cyclization. By using a primer specific to a known region inside the fragment sequence, a region whose base sequence is unknown before and after that can be amplified.
Alternatively, the polynucleotide of the present invention can also be obtained by the RACE method (Rapid Amplification of cDNA End; “PCR Experiment Manual”, HBJ Publishing Bureau, p25-33).
また、本発明におけるポリヌクレオチドのホモログは、配列番号:1または3に示される塩基配列からなるポリヌクレオチドと高度にストリンジェントな条件下でハイブリダイズできるポリヌクレオチドであって、かつ、スチレンモノオキシゲナーゼ活性を有するタンパク質をコードするポリヌクレオチドも含む。 The polynucleotide homologue in the present invention is a polynucleotide that can hybridize with a polynucleotide comprising the nucleotide sequence shown in SEQ ID NO: 1 or 3 under highly stringent conditions, and has a styrene monooxygenase activity. Also included are polynucleotides that encode proteins having:
本発明において、高度にストリンジェントな条件とは、例えばECL direct nucleic acid labeling and detection system(Amersham Pharmacia Biotech社製)を用いて、マニュアルに記載の条件(例えば、wash:42℃、0.5×SSCを含むprimary wash buffer)においてハイブリダイズすることを言う。より具体的な「高度にストリンジェントな条件」とは、例えば、通常、42℃、2×SSC、 0.1%SDSの条件であり、好ましくは50℃、2×SSC、0.1%SDSの条件であり、さらに好ましくは、65℃、0.1×SSCおよび0.1% SDSの条件である。これら温度、塩濃度に加えて、プローブ濃度、プローブの長さ、反応時間を含む複数の要素がハイブリダイゼーションのストリンジェンシーに影響する。当業者であればこれら要素を適宜選択することでストリンジェンシーを調節することができる。 In the present invention, highly stringent conditions are, for example, ECL direct nucleic acid labeling and detection system (manufactured by Amersham Pharmacia Biotech) using conditions described in the manual (for example, wash: 42 ° C., 0.5 × SSC). Hybridization in primary wash buffer). More specific “highly stringent conditions” are, for example, usually 42 ° C., 2 × SSC, 0.1% SDS conditions, preferably 50 ° C., 2 × SSC, 0.1% SDS conditions. More preferably, the conditions are 65 ° C., 0.1 × SSC and 0.1% SDS. In addition to these temperatures and salt concentrations, multiple factors including probe concentration, probe length, and reaction time affect the stringency of hybridization. Those skilled in the art can adjust stringency by appropriately selecting these elements.
例えばハイブリダイゼーションに使用するプローブの塩基配列は、配列番号:1または3に記載の塩基配列から選択することができる。例えば、少なくとも20個、好ましくは少なくとも30個、例えば40、60または100個の連続した塩基配列を有するポリヌクレオチドをプローブとすることができる。あるいは、配列番号:1または3に記載した塩基配列の全長を有するポリヌクレオチドをプローブとすることもできる。
ハイブリダイゼーション法の詳細な手順については、「Molecular Cloning, A Laboratory Manual 2nd ed.」(Cold Spring Harbor Press(1989)、特にSection9.47-9.58)、「Current Protocols in Molecular Biology」(John Wiley&Sons(1987-1997)、特にSection6.3-6.4)、「DNA Cloning 1: Core Techniques, A Practical Approach 2nd ed.」(Oxford University(1995)、特にSection2.10)等を参照することができる。
For example, the base sequence of the probe used for hybridization can be selected from the base sequences described in SEQ ID NO: 1 or 3. For example, a polynucleotide having at least 20, preferably at least 30, for example 40, 60 or 100 consecutive base sequences can be used as a probe. Alternatively, a polynucleotide having the full length of the base sequence described in SEQ ID NO: 1 or 3 can be used as a probe.
For details on the hybridization procedure, see `` Molecular Cloning, A Laboratory Manual 2nd ed. '' (Cold Spring Harbor Press (1989), especially Sections 9.47-9.58), `` Current Protocols in Molecular Biology '' (John Wiley & Sons (1987 -1997), especially Sections 6.3-6.4), "DNA Cloning 1: Core Techniques, A Practical Approach 2nd ed." (Oxford University (1995), especially Section 2.10).
高度にストリンジェントな条件下でハイブリダイズできるポリヌクレオチドは、配列番号:2または4に記載のアミノ酸配列と高い同一性(相同性)を有するアミノ酸配列をコードしている可能性が高い。具体的には、配列番号:2または4に示されるアミノ酸配列と少なくとも70%、好ましくは少なくとも80%、より好ましくは90%以上、さらに好ましくは95%あるいは98%、特に好ましくは99%以上の同一性を有するアミノ酸配列をコードするポリヌクレオチドは、本発明における好ましいポリヌクレオチドに含まれる。このような高い同一性を有するタンパク質同士は、同じまたは類似した活性を有する可能性が高い。
タンパク質の同一性は、アミノ酸配列に関するデータベースを利用して検索することができる。例えばSWISS-PROT、PIR、DAD等のタンパク質のアミノ酸に配列情報を蓄積したデータベースを利用することができる。あるいはDNAの同一性は、塩基配列情報を蓄積したデータベースを利用して検索することができる。DDBJ、EMBLまたはGenBank等のDNAに関するデータベースが公知である。これらのデータベースにおいては、DNAの塩基配列を元に予想されたアミノ酸配列情報を利用することもできる。各種の配列情報は、これらのデータベース等を対象に、BLAST、FASTA等のプログラムを利用して検索することができる。ここに例示したデータベースは、いずれもインターネット(例えば、 http://www.ncbi.nlm.nih.gov.)を通じて利用することができる。
A polynucleotide capable of hybridizing under highly stringent conditions is likely to encode an amino acid sequence having high identity (homology) with the amino acid sequence set forth in SEQ ID NO: 2 or 4. Specifically, it is at least 70%, preferably at least 80%, more preferably 90% or more, further preferably 95% or 98%, particularly preferably 99% or more with the amino acid sequence shown in SEQ ID NO: 2 or 4. Polynucleotides encoding amino acid sequences having identity are included in preferred polynucleotides in the present invention. Such proteins with high identity are likely to have the same or similar activities.
Protein identity can be searched using databases on amino acid sequences. For example, a database in which sequence information is accumulated in amino acids of proteins such as SWISS-PROT, PIR, and DAD can be used. Alternatively, DNA identity can be searched using a database in which base sequence information is accumulated. Databases relating to DNA such as DDBJ, EMBL or GenBank are known. In these databases, amino acid sequence information predicted based on the DNA base sequence can also be used. Various kinds of sequence information can be searched by using programs such as BLAST and FASTA for these databases and the like. Any of the databases exemplified here can be used through the Internet (for example, http://www.ncbi.nlm.nih.gov.).
さらに、本発明のポリヌクレオチドのホモログとしては、配列番号:2または4に記載のアミノ酸配列において1もしくは複数のアミノ酸が欠失、置換、挿入および/または付加されたアミノ酸配列からなり、かつ、スチレンモノオキシゲナーゼ活性を有するタンパク質をコードするポリヌクレオチドを挙げることができる。当業者は、ある塩基配列を元に、適宜置換、欠失、挿入、および/または付加変異を導入することにより、このようなポリヌクレオチドのホモログを得ることができる。例えば、配列番号:1または3に記載の塩基配列からなるポリヌクレオチドに、部位特異的変異導入法(Nucleic Acids Res (1982) 10:6487;Methods in Enzymol (1983) 100:448;Molecular Cloning 2nd Edt., Cold Spring Harbor Laboratory Press(1989);PCR A Practical Approach, IRL Press(1991) pp.200)などを用いて、任意の変異を導入することができる。 Furthermore, the homologue of the polynucleotide of the present invention includes an amino acid sequence in which one or more amino acids are deleted, substituted, inserted and / or added in the amino acid sequence shown in SEQ ID NO: 2 or 4, and styrene. A polynucleotide encoding a protein having monooxygenase activity can be mentioned. Those skilled in the art can obtain homologues of such polynucleotides by appropriately introducing substitutions, deletions, insertions, and / or addition mutations based on a certain base sequence. For example, a site-specific mutagenesis method (Nucleic Acids Res (1982) 10: 6487; Methods in Enzymol (1983) 100: 448; Molecular Cloning 2nd Edt) , Cold Spring Harbor Laboratory Press (1989); PCR A Practical Approach, IRL Press (1991) pp. 200) can be used to introduce any mutation.
タンパク質においてアミノ酸残基を置換する場合、特に、側鎖の化学的性質が類似したアミノ酸による置換、いわゆる保存的なアミノ酸置換を行うことが好ましい。アミノ酸は、それらの側鎖の化学的性質に従い、例えば、次のように分類される:
(1)中性疎水性側鎖(アラニン、トリプトファン、バリン、フェニルアラニン、プロリン、メチオニン、ロイシン);
(2)中性極性側鎖(アスパラギン、グリシン、グルタミン、システイン、セリン、チロシン、トレオニン);
(3)塩基性側鎖(アルギニン、ヒスチジン、リシン);
(4)酸性側鎖(アスパラギン酸、グルタミン酸);
(5)脂肪族側鎖(アラニン、イソロイシン、グリシン、バリン、ロイシン);
(6)脂肪族水酸基側鎖(セリン、トレオニン);
(7)アミン含有側鎖(アスパラギン、アルギニン、グルタミン、ヒスチジン、リシン);
(8)芳香族側鎖(チロシン、トリプトファン、フェニルアラニン);および
(9)硫黄含有側鎖(システイン、メチオニン)。
When substituting amino acid residues in proteins, it is particularly preferable to perform so-called conservative amino acid substitutions with amino acids having similar side chain chemical properties. Amino acids are classified according to their side chain chemistry, for example:
(1) Neutral hydrophobic side chain (alanine, tryptophan, valine, phenylalanine, proline, methionine, leucine);
(2) Neutral polar side chain (asparagine, glycine, glutamine, cysteine, serine, tyrosine, threonine);
(3) basic side chains (arginine, histidine, lysine);
(4) acidic side chains (aspartic acid, glutamic acid);
(5) aliphatic side chain (alanine, isoleucine, glycine, valine, leucine);
(6) Aliphatic hydroxyl side chain (serine, threonine);
(7) amine-containing side chains (asparagine, arginine, glutamine, histidine, lysine);
(8) aromatic side chains (tyrosine, tryptophan, phenylalanine); and
(9) Sulfur-containing side chains (cysteine, methionine).
すなわち、これらの各群を構成するアミノ酸残基の相互の置換を、保存的置換と言う。本発明において、「1もしくは複数のアミノ酸が置換、欠失、挿入、および/または付加」するアミノ酸の数や場所は、上記DNAがコードするタンパク質がスチレンモノオキシゲナーゼ活性を有する限り、制限されない。変異が許容されるアミノ酸残基の数は、典型的には全アミノ酸の10%以内、好ましくは全アミノ酸の5%、さらに好ましくは全アミノ酸の1%以内である。より具体的には、配列番号:2または4のアミノ酸配列において、通常50以内、例えば20以内、より好ましくは5以内のアミノ酸残基の変異は、許容される。 In other words, mutual substitution of amino acid residues constituting each of these groups is called conservative substitution. In the present invention, the number and location of “amino acid substitutions, deletions, insertions and / or additions of one or more amino acids” are not limited as long as the protein encoded by the DNA has styrene monooxygenase activity. The number of amino acid residues that are allowed to mutate is typically within 10% of all amino acids, preferably within 5% of all amino acids, and more preferably within 1% of all amino acids. More specifically, in the amino acid sequence of SEQ ID NO: 2 or 4, variation of amino acid residues usually within 50, for example, within 20, more preferably within 5, is allowed.
本発明のポリヌクレオチドのホモログには、上述のように、配列番号:2または4に記載のアミノ酸配列において1もしくは複数のアミノ酸が欠失されたアミノ酸配列からなり、かつ、スチレンモノオキシゲナーゼ活性を有するタンパク質をコードするポリヌクレオチドが含まれる。このような欠失を含むポリヌクレオチドには、配列番号:2または4のアミノ酸配列からなるタンパク質の「一部分」をコードするポリヌクレオチドが包含される。 As described above, the homologue of the polynucleotide of the present invention comprises an amino acid sequence in which one or more amino acids are deleted from the amino acid sequence shown in SEQ ID NO: 2 or 4, and has a styrene monooxygenase activity. Polynucleotides encoding proteins are included. Polynucleotides containing such deletions include polynucleotides that encode “parts” of proteins consisting of the amino acid sequence of SEQ ID NO: 2 or 4.
ポリヌクレオチドによってコードされるタンパク質が、元のタンパク質の生物学的活性(スチレンモノオキシゲナーゼ活性)を維持している限り、アミノ酸配列におけるアミノ酸残基の欠失・置換・付加および/または挿入は許容される。ここで、生物学的活性の維持とは、元の酵素が触媒する少なくとも一つの反応を触媒する能力が維持されることを言う。「活性の維持」には、同じ活性レベルのみならず、より高い活性も含まれる。また、活性のレベルが低下する場合であっても、実質的に同等の活性であれば、活性の維持に含まれる。実質的に同等とは、元の活性に対して、例えば50%〜100%、通常70〜100%、好ましくは80〜100%、より好ましくは90、あるいは95〜100%の活性を言う。本発明におけるタンパク質の生物学的活性、すなわちスチレンモノオキシゲナーゼ活性の評価方法は既に述べた。 As long as the protein encoded by the polynucleotide retains the biological activity of the original protein (styrene monooxygenase activity), deletion, substitution, addition and / or insertion of amino acid residues in the amino acid sequence is allowed. The Here, maintaining biological activity means maintaining the ability to catalyze at least one reaction catalyzed by the original enzyme. “Maintaining activity” includes not only the same activity level, but also higher activity. Further, even when the level of activity decreases, a substantially equivalent activity is included in the maintenance of activity. Substantially equivalent refers to, for example, 50% to 100%, usually 70 to 100%, preferably 80 to 100%, more preferably 90, or 95 to 100% of the original activity. The method for evaluating the biological activity of a protein in the present invention, that is, the styrene monooxygenase activity has already been described.
本発明のポリヌクレオチドには、天然よりクローニングされたゲノムDNA、およびcDNAの他、合成によって得られるポリヌクレオチドも含まれる。本発明のポリヌクレオチドは、例えば、配列番号:1または3に記載の配列情報を元に、周知の手法により合成することができる。 The polynucleotide of the present invention includes genomic DNA cloned from nature and cDNA, as well as polynucleotides obtained by synthesis. The polynucleotide of the present invention can be synthesized by a well-known technique based on the sequence information described in SEQ ID NO: 1 or 3, for example.
また、本発明の酵素は遺伝子工学的な手法、あるいは化学的な合成法によっても得ることができる。例えば、細胞を含まない試験管内でのタンパク質の製造方法としてin vitroトランスレーション(Dasso and Jackson, Nucleic Acids Res(1989)17:3129-44)が知られている。また、本発明のポリヌクレオチドを適当な発現ベクターに組込み、該発現ベクターが発現される宿主に形質転換し、該宿主細胞より所望のタンパク質を得ることもできる。このような宿主-ベクター系によりタンパク質を産生する方法については、以下の「組換えベクターおよび形質転換体」の項において具体的に述べる。これら公知のタンパク質の製造方法は、本発明のタンパク質を得るための方法として利用することができる。 The enzyme of the present invention can also be obtained by genetic engineering techniques or chemical synthesis methods. For example, in vitro translation (Dasso and Jackson, Nucleic Acids Res (1989) 17: 3129-44) is known as a method for producing a protein in a test tube not containing cells. In addition, the polynucleotide of the present invention can be incorporated into an appropriate expression vector, transformed into a host in which the expression vector is expressed, and a desired protein can be obtained from the host cell. A method for producing a protein using such a host-vector system will be specifically described in the section “Recombinant Vector and Transformant” below. These known protein production methods can be used as a method for obtaining the protein of the present invention.
遺伝子工学的な手法により製造されたタンパク質は、当該タンパク質を含む生物材料から回収される。例えば、タンパク質が宿主細胞外に分泌される場合には、当該細胞を培養した培地からタンパク質が回収される。宿主がトランスジェニック生物の場合にはその体液から目的のタンパク質を回収できる。あるいは細胞内に産生される場合には細胞を溶解した溶解物よりタンパク質を回収する。 Proteins produced by genetic engineering techniques are recovered from biological materials containing the proteins. For example, when the protein is secreted outside the host cell, the protein is recovered from the medium in which the cell is cultured. When the host is a transgenic organism, the target protein can be recovered from the body fluid. Alternatively, when the protein is produced intracellularly, the protein is recovered from the lysate obtained by lysing the cell.
回収されたタンパク質は、該タンパク質を天然において産生する細胞から精製する場合と同様の手段により精製することができる。すなわち、公知の塩析、蒸留、各種クロマトグラフィー、ゲル電気泳動、ゲル濾過、限外濾過、再結晶、酸抽出、透析、免疫沈降、溶媒沈澱、溶媒抽出、硫安またはエタノール沈澱等の精製手法を組み合わせて、目的とするタンパク質を精製することができる。当業者は、例えば次のような各種のクロマトグラフィーを組み合わせて利用することができる。これらのクロマトグラフィーには、HPLCおよびFPLC等の液相クロマトグラフィーシステムを用いることができる。
アフィニティークロマトグラフィー、
アニオンまたはカチオン交換等のイオン交換クロマトグラフィー、
逆相クロマトグラフィー、
吸着クロマトグラフィー、
ゲル濾過、
疎水性クロマトグラフィー、
ヒドロキシアパタイトクロマトグラフィー
The recovered protein can be purified by the same means as when the protein is purified from cells that naturally produce the protein. In other words, known purification methods such as salting out, distillation, various chromatography, gel electrophoresis, gel filtration, ultrafiltration, recrystallization, acid extraction, dialysis, immunoprecipitation, solvent precipitation, solvent extraction, ammonium sulfate or ethanol precipitation, etc. In combination, the target protein can be purified. A person skilled in the art can use, for example, the following various types of chromatography in combination. For these chromatography, liquid phase chromatography systems such as HPLC and FPLC can be used.
Affinity chromatography,
Ion exchange chromatography such as anion or cation exchange,
Reverse phase chromatography,
Adsorption chromatography,
Gel filtration,
Hydrophobic chromatography,
Hydroxyapatite chromatography
また、本発明のタンパク質(スチレンモノオキシゲナーゼ)をタグとの融合タンパク質として発現させれば、タグに結合するカラムを利用して回収することができる。例えばGSTタグを有する融合タンパク質は、グルタチオンカラムを用いて容易に分離することができる。あるいはヒスチジンタグとの融合タンパク質は、ニッケルカラムを用いて精製することができる。タグとタンパク質(スチレンモノオキシゲナーゼ)の間にプロテアーゼ認識配列を挿入することができる。プロテアーゼには、例えばトロンビンやファクターXa等を利用することができる。融合タンパク質をカラムに結合させた後、必要に応じてカラムを洗浄する。次いでこれらのプロテアーゼを作用させると、目的とするタンパク質がタグから切断される。その後、切断されたタンパク質を回収することによって、目的とするタンパク質を容易に精製することができる。 Further, if the protein of the present invention (styrene monooxygenase) is expressed as a fusion protein with a tag, it can be recovered using a column that binds to the tag. For example, a fusion protein having a GST tag can be easily separated using a glutathione column. Alternatively, the fusion protein with a histidine tag can be purified using a nickel column. A protease recognition sequence can be inserted between the tag and the protein (styrene monooxygenase). For example, thrombin or factor Xa can be used as the protease. After binding the fusion protein to the column, the column is washed if necessary. Subsequently, when these proteases are allowed to act, the target protein is cleaved from the tag. Thereafter, the target protein can be easily purified by recovering the cleaved protein.
組換えベクターおよび形質転換体
本発明のポリヌクレオチドを公知の発現ベクターに挿入することにより、スチレンモノオキシゲナーゼ発現ベクターが提供される。即ち本発明は、本発明のポリヌクレオチドを含む組換えベクターに関する。適当なベクターとして、プラスミド、コスミド、ウイルス、バクテリオファージ等の種々のベクターを挙げることができる(Molecular Cloning, A Laboratory Manual 2nd ed., Cold Spring Harbor Press(1989); Current Protocols in Molecular Biology, John Wiley&Sons(1987)参照)。本発明の好ましいベクターとしては、これに限定されるわけではないが、例えば、大腸菌における発現ベクターpETにスチレンモノオキシゲナーゼをコードする遺伝子を発現可能に挿入したE.coli.BL21(DE3)等が挙げられる。
Recombinant Vector and Transformant A styrene monooxygenase expression vector is provided by inserting the polynucleotide of the present invention into a known expression vector. That is, the present invention relates to a recombinant vector containing the polynucleotide of the present invention. Examples of suitable vectors include various vectors such as plasmids, cosmids, viruses, bacteriophages and the like (Molecular Cloning, A Laboratory Manual 2nd ed., Cold Spring Harbor Press (1989); Current Protocols in Molecular Biology, John Wiley & Sons). (1987)). Preferred vectors of the present invention include, but are not limited to, for example, E. coli BL21 (DE3) in which a gene encoding styrene monooxygenase is inserted into an expression vector pET in E. coli so that it can be expressed. It is done.
本発明の組換えベクターは、分子生物学、生物工学および遺伝子工学の分野において慣用されている技術に準じて構築することができる(Molecular Cloning, A Laboratory Manual 2nd ed., Cold Spring Harbor Press(1989); Current Protocols in Molecular Biology, John Wiley&Sons(1987)参照)。微生物等を宿主として、本発明のポリヌクレオチドを発現させるためには、まず、当該微生物中において安定に存在するプラスミドベクターまたはファージベクター中に該DNAを導入し、その遺伝情報を転写・翻訳させる必要がある。そのためには、通常、プロモーターを本発明のポリヌクレオチドの5’側上流に配置する。プロモーターは、転写・翻訳を制御するユニットである。 The recombinant vector of the present invention can be constructed according to techniques commonly used in the fields of molecular biology, biotechnology and genetic engineering (Molecular Cloning, A Laboratory Manual 2nd ed., Cold Spring Harbor Press (1989). Current Protocols in Molecular Biology, John Wiley & Sons (1987)). In order to express the polynucleotide of the present invention using a microorganism or the like as a host, it is first necessary to introduce the DNA into a plasmid vector or a phage vector stably present in the microorganism, and to transcribe and translate the genetic information. There is. For that purpose, a promoter is usually arranged 5 'upstream of the polynucleotide of the present invention. A promoter is a unit that controls transcription and translation.
そして本発明のポリヌクレオチドの3’側下流には、ターミネーターを配置するのが好ましい。プロモーターおよびターミネーターとしては、宿主として利用する微生物中において機能するものを選択することができる。各種微生物において利用可能なベクター、プロモーターおよびターミネーター等の制御配列は、「微生物学基礎講座8遺伝子工学」(共立出版)などで参照することができる。また特に酵母の制御配列について、Adv Biochem Eng (1990) 43:75-102およびYeast (1992) 8:423-88等に詳細に記述されている。その他、必要に応じて、エンハンサー、オペレーター配列、開始シグナル、ポリアデニル化シグナル、リボソーム結合部位等の転写および/または翻訳に必要な制御配列を組込むことができる。
本発明のベクターは、好ましくは、挿入された本発明のポリヌクレオチドの発現に必要とされる制御配列の全ての構成成分を含むものである。さらに、本発明のベクターは、該ベクターが導入された宿主細胞を選択するための選択マーカーを含むことができる。
And it is preferable to arrange | position a terminator 3 'downstream of the polynucleotide of this invention. As the promoter and terminator, those that function in the microorganism used as the host can be selected. Control sequences such as vectors, promoters and terminators that can be used in various microorganisms can be referred to in “Basic Course of Microbiology 8 Genetic Engineering” (Kyoritsu Shuppan). Particularly, yeast regulatory sequences are described in detail in Adv Biochem Eng (1990) 43: 75-102 and Yeast (1992) 8: 423-88. In addition, control sequences necessary for transcription and / or translation such as enhancer, operator sequence, initiation signal, polyadenylation signal, and ribosome binding site can be incorporated as necessary.
The vector of the present invention preferably contains all the components of the regulatory sequences required for the expression of the inserted polynucleotide of the present invention. Furthermore, the vector of the present invention can contain a selection marker for selecting a host cell into which the vector has been introduced.
本発明においては、本発明のポリヌクレオチドに、シグナルペプチドをコードする配列を付加することもできる。シグナルペプチドの付加によって、宿主細胞内で発現されたタンパク質を小胞体内腔に移行させることができる。あるいは、グラム陰性菌を宿主とする場合には、シグナルペプチドによって、宿主細胞内で発現されたタンパク質を、ペリプラズム内、または細胞外へと移行させることができる。利用する宿主細胞において機能することができる任意のシグナルペプチドを利用することができる。従って、宿主にとって異種由来のシグナルペプチドを利用することもできる。さらに必要に応じ、本発明のポリヌクレオチドのベクターへの導入に当たって、リンカー、開始コドン(ATG)、終止コドン(TAA、TAGまたはTGA)等を付加することもできる。 In the present invention, a sequence encoding a signal peptide can also be added to the polynucleotide of the present invention. By adding a signal peptide, proteins expressed in the host cell can be transferred to the endoplasmic reticulum lumen. Alternatively, when a gram-negative bacterium is used as a host, a protein expressed in the host cell can be transferred into the periplasm or out of the cell by a signal peptide. Any signal peptide that can function in the host cell utilized can be utilized. Therefore, a signal peptide derived from a different species for the host can be used. Furthermore, a linker, an initiation codon (ATG), a termination codon (TAA, TAG or TGA), etc. can be added when introducing the polynucleotide of the present invention into a vector, if necessary.
本発明のポリヌクレオチドを発現させるための宿主は、該ポリヌクレオチドを含む組換えベクターによって形質転換することができ、かつスチレンモノオキシゲナーゼ活性を有するタンパク質を発現することができる生物であれば特に制限されない。本発明は、本発明のポリヌクレオチド、または本発明のベクターにより形質転換された形質転換体(形質転換細胞)を提供する。本発明の形質転換体の対象となる微生物としては、例えば以下のような微生物を示すことができる。
(1)宿主ベクター系の開発されている細菌
・エシェリヒア(Escherichia)属
・バチルス(Bacillus)属
・シュードモナス(Pseudomonas)属
・セラチア(Serratia)属
・ブレビバクテリウム(Brevibacterium)属
・コリネバクテリイウム(Corynebacterium)属
・ストレプトコッカス(Streptococcus)属
・ラクトバチルス(Lactobacillus)属など
(2)宿主ベクター系の開発されている放線菌
・ロドコッカス(Rhodococcus)属
・ストレプトマイセス(Streptomyces)属など
(3)宿主ベクター系の開発されている酵母
・サッカロマイセス(Saccharomyces)属
・クライベロマイセス(Kluyveromyces)属
・シゾサッカロマイセス(Schizosaccharomyces)属
・チゴサッカロマイセス(Zygosaccharomyces)属
・ヤロウイア(Yarrowia)属
・トリコスポロン(Trichosporon)属
・ロドスポリジウム(Rhodosporidium)属
・ピキア(Pichia)属
・キャンディダ(Candida)属など
(4)宿主ベクター系の開発されているカビ
・ノイロスポラ(Neurospora)属
・アスペルギルス(Aspergillus)属
・セファロスポリウム(Cephalosporium)属
・トリコデルマ(Trichoderma)属など
The host for expressing the polynucleotide of the present invention is not particularly limited as long as it is an organism that can be transformed by a recombinant vector containing the polynucleotide and can express a protein having styrene monooxygenase activity. . The present invention provides a transformant (transformed cell) transformed with the polynucleotide of the present invention or the vector of the present invention. Examples of the microorganism that is a target of the transformant of the present invention include the following microorganisms.
(1) Bacteria for which host vector systems have been developed: Escherichia genus, Bacillus genus, Pseudomonas genus, Serratia genus, Brevibacterium genus, Corynebacterium genus ( Corynebacterium genus, Streptococcus genus, Lactobacillus genus, etc.
(2) Actinomycetes, Rhodococcus genus, Streptomyces genus, etc. for which host vector systems have been developed
(3) Yeast, Saccharomyces genus, Kluyveromyces genus, Schizosaccharomyces genus, Zygosaccharomyces genus, Yarrowia genus, Trichosporon (Trichosporon) genus, Rhodosporidium genus, Pichia genus, Candida genus, etc.
(4) Host vectors have been developed, such as molds, Neurospora, Aspergillus, Cephalosporium, Trichoderma
例えばエシェリヒア属、特に大腸菌(Escherichia coli) においては、プラスミドベクターとして、pET、pBR、pUC系プラスミドを利用でき、lac(β-ガラクトシダーゼ)、trp(トリプトファンオペロン)、 tac、trc (lac、trpの融合)、λファージ PL、PR等に由来するプロモーターが利用できる。また、ターミネーターとしては、trpA由来、ファージ由来、rrnBリボソーマルRNA由来のターミネーターを用いることができる。特に、市販のpSE420(Invitrogen製)のマルチクローニングサイトを一部改変したベクターpSE420D (特開2000-189170に記載)は、エシェリヒア属細菌を宿主とした場合の好適なベクターである。 For example, in the genus Escherichia, particularly Escherichia coli, plasmid vectors such as pET, pBR, and pUC can be used, and lac (β-galactosidase), trp (tryptophan operon), tac, trc (lac, trp fusion) ), Promoters derived from λ phage PL, PR, etc. can be used. Moreover, as the terminator, a terminator derived from trpA, phage, or rrnB ribosomal RNA can be used. In particular, a vector pSE420D (described in JP-A-2000-189170) obtained by partially modifying a multicloning site of commercially available pSE420 (manufactured by Invitrogen) is a suitable vector when an Escherichia bacterium is used as a host.
バチルス属においては、ベクターとしてpUB110系プラスミド、pC194系プラスミド等が利用可能であり、これらのベクターを利用した場合、本発明のポリヌクレオチドを宿主染色体にインテグレートすることもできる。また、プロモーター、ターミネーターとしては、apr(アルカリプロテアーゼ)、 npr(中性プロテアーゼ)、amy(α-アミラーゼ)等が利用できる。 In the genus Bacillus, pUB110 series plasmids, pC194 series plasmids and the like can be used as vectors. When these vectors are used, the polynucleotide of the present invention can be integrated into the host chromosome. As the promoter and terminator, apr (alkaline protease), npr (neutral protease), amy (α-amylase) and the like can be used.
シュードモナス属においては、シュードモナス・プチダ(Pseudomonas putida)、シュードモナス・セパシア(Pseudomonas cepacia) 等で宿主ベクター系が開発されている。トルエン化合物の分解に関与するプラスミドTOLプラスミドを基本にした広宿主域ベクター(RSF1010等に由来する自律的複製に必要な遺伝子を含む)pKT240等が利用可能であり、プロモーター・ターミネーターとして、リパーゼ(特開平5-284973)遺伝子由来のものが利用できる。 In the genus Pseudomonas, host vector systems have been developed for Pseudomonas putida, Pseudomonas cepacia, and the like. A broad host range vector (including genes necessary for autonomous replication derived from RSF1010) pKT240 based on the plasmid TOL plasmid, which is involved in the degradation of toluene compounds, can be used, and lipase (special Kaihei 5-284973) Gene-derived ones can be used.
ブレビバクテリウム属、特にブレビバクテリウム・ラクトファーメンタム(Brevibacterium lactofermentum)においては、pAJ43(Gene (1985) 39:281)等のプラスミドベクターが利用可能である。プロモーター・ターミネーターとしては、大腸菌で使用されているプロモーター、ターミネーターがそのまま利用可能である。 In the genus Brevibacterium, particularly Brevibacterium lactofermentum, plasmid vectors such as pAJ43 (Gene (1985) 39: 281) can be used. As the promoter / terminator, the promoter and terminator used in Escherichia coli can be used as they are.
コリネバクテリウム属、特にコリネバクテリウム・グルタミカム(Corynebacterium glutamicum)においては、pCS11(特開昭57-183799)、pCB101(Mol Gen Genet (1984)196:175)等のプラスミドベクターが利用可能である。 In the genus Corynebacterium, in particular, Corynebacterium glutamicum, plasmid vectors such as pCS11 (Japanese Patent Laid-Open No. 57-183799) and pCB101 (Mol Gen Genet (1984) 196: 175) can be used.
ストレプトコッカス属においては、pHV1301(FEMS Microbiol Lett (1985) 26:239)、pGK1(Appl Environ Microbiol (1985) 50:94)等がプラスミドベクターとして利用可能である。 In the genus Streptococcus, pHV1301 (FEMS Microbiol Lett (1985) 26: 239), pGK1 (Appl Environ Microbiol (1985) 50:94) and the like can be used as plasmid vectors.
ラクトバチルス属においては、ストレプトコッカス属用に開発されたpAMβ1(J Bacteriol (1979) 137: 614)等がベクターとして利用可能であり、プロモーターとしては、大腸菌で利用されているものが利用可能である。 In the genus Lactobacillus, pAMβ1 (J Bacteriol (1979) 137: 614) developed for Streptococcus can be used as a vector, and a promoter used in Escherichia coli can be used.
ロドコッカス属においては、Rhodococcus opacusやRhodococcus erythropolisに加え、ロドコッカス・ロドクロウス(Rhodococcus rhodochrous)から単離されたプラスミドベクターが使用可能である (J Gen Microbiol (1992) 138:1003)。 In the genus Rhodococcus, plasmid vectors isolated from Rhodococcus rhodochrous can be used in addition to Rhodococcus opacus and Rhodococcus erythropolis (J Gen Microbiol (1992) 138: 1003).
ストレプトマイセス属においては、HopwoodらのGenetic Manipulation of Streptomyces: A Laboratory Manual Cold Spring Harbor Laboratories (1985)に記載の方法に従って、プラスミドを構築することができる。特に、ストレプトマイセス・リビダンス(Streptomyces lividans) においては、pIJ486 (Mol Gen Genet (1986) 203: 468-78)、pKC1064(Gene (1991) 103:97-9)、pUWL-KS (Gene (1995) 165:149-50)が使用できる。また、ストレプトマイセス・バージニア(Streptomyces virginiae)においても、同様のプラスミドを使用することができる(Actinomycetol (1997) 11:46-53)。 In the genus Streptomyces, a plasmid can be constructed according to the method described in Hopwood et al., Genetic Manipulation of Streptomyces: A Laboratory Manual Cold Spring Harbor Laboratories (1985). In particular, in Streptomyces lividans, pIJ486 (Mol Gen Genet (1986) 203: 468-78), pKC1064 (Gene (1991) 103: 97-9), pUWL-KS (Gene (1995) 165: 149-50) can be used. A similar plasmid can also be used in Streptomyces virginiae (Actinomycetol (1997) 11: 46-53).
サッカロマイセス属、特にサッカロマイセス・セレビジアエ(Saccharomyces cerevisiae) においては、YRp系、YEp系、YCp系、YIp系プラスミドが利用可能である。また、染色体内に多コピー存在するリボソームDNAとの相同組換えを利用したインテグレーションベクター(EP537456等)は、多コピーで遺伝子を導入でき、かつ安定に遺伝子を保持できるため極めて有用である。また、 ADH(アルコール脱水素酵素)、GAPDH(グリセルアルデヒド-3-リン酸脱水素酵素)、PHO(酸性フォスファターゼ)、GAL(β-ガラクトシダーゼ)、PGK(ホスホグリセレートキナーゼ)、ENO(エノラーゼ)等のプロモーター・ターミネーターが利用可能である。 In the genus Saccharomyces, particularly Saccharomyces cerevisiae, YRp, YEp, YCp, and YIp plasmids can be used. In addition, an integration vector (such as EP537456) using homologous recombination with ribosomal DNA present in multiple copies in a chromosome is extremely useful because it can introduce a gene in multiple copies and can stably hold the gene. ADH (alcohol dehydrogenase), GAPDH (glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase), PHO (acid phosphatase), GAL (β-galactosidase), PGK (phosphoglycerate kinase), ENO (enolase) Promoter terminators such as are available.
クライベロマイセス属、特にクライベロマイセス・ラクティス(Kluyveromyces lactis)においては、サッカロマイセス・セレビジアエ由来2μm系プラスミド、pKD1系プラスミド(J Bacteriol (1981) 145:382-90)、キラー活性に関与するpGKl1由来プラスミド、クライベロマイセス属における自律増殖遺伝子KARS系プラスミド、リボソーム DNA等との相同組換えにより染色体中にインテグレート可能なベクタープラスミド(EP537456等)等が利用可能である。また、ADH、PGK等に由来するプロモーター・ターミネーターが利用可能である。 In the genus Klyberomyces, particularly Kluyveromyces lactis, a 2 μm-derived plasmid derived from Saccharomyces cerevisiae, a pKD1-based plasmid (J Bacteriol (1981) 145: 382-90), pGKl1 involved in killer activity A plasmid derived from the gene, an autonomously proliferating gene KARS plasmid in the genus Kleiberymyces, a vector plasmid (EP537456, etc.) that can be integrated into the chromosome by homologous recombination with ribosomal DNA and the like can be used. In addition, promoter / terminators derived from ADH, PGK and the like can be used.
シゾサッカロマイセス属においては、シゾサッカロマイセス・ポンベ(Schizosaccharomyces pombe) 由来のARS (自律複製に関与する遺伝子)およびサッカロマイセス・セレビジアエ由来の栄養要求性を相補する選択マーカーを含むプラスミドベクターが利用可能である(Mol Cell Biol (1986) 6:80)。また、シゾサッカロマイセス・ポンベ由来のADHプロモーター等が利用できる(EMBO J (1987) 6:729)。特に、pAUR224は、宝酒造から市販されており容易に利用できる。 In the genus Schizosaccharomyces, plasmid vectors containing ARS (genes involved in autonomous replication) derived from Schizosaccharomyces pombe and selection markers that complement the auxotrophy derived from Saccharomyces cerevisiae are available. (Mol Cell Biol (1986) 6:80). Further, an ADH promoter derived from Schizosaccharomyces pombe can be used (EMBO J (1987) 6: 729). In particular, pAUR224 is commercially available from Takara Shuzo and can be easily used.
チゴサッカロマイセス属においては、チゴサッカロマイセス・ロウキシ(Zygosaccharomyces rouxii) 由来のpSB3(Nucleic Acids Res. 13:4267(1985))等に由来するプラスミドベクターが利用可能であり、サッカロマイセス・セレビジアエ由来 PHO5 プロモーター、およびチゴサッカロマイセス・ロウキシ由来 GAP-Zr(グリセルアルデヒド-3-リン酸脱水素酵素)のプロモーター(Agri Biol Chem (1990) 54:2521)等が利用可能である。 In the genus Tigosaccharomyces, plasmid vectors derived from pSB3 (Nucleic Acids Res. 13: 4267 (1985)) derived from Zygosaccharomyces rouxii can be used, and the PHO5 promoter derived from Saccharomyces cerevisiae and Tigo A promoter of Saccharomyces rouxi-derived GAP-Zr (glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase) (Agri Biol Chem (1990) 54: 2521) and the like can be used.
ピキア属においては、ピキア・アンガスタ(Pichia angusta;旧名:ハンゼヌラ・ポリモルファ(Hansenula polymorpha))を用いた宿主ベクター系が開発されている。ベクターとしては、ピキア・アンガスタ由来自律複製に関与する遺伝子(HARS1、HARS2)も利用可能であるが、比較的不安定であるため、染色体への多コピーインテグレーションが有効である(Yeast (1991) 7:431-43)。また、メタノール等で誘導されるAOX(アルコールオキシダーゼ)、FDH(ギ酸脱水素酵素)のプロモーター等が利用可能である。また、ピキア・パストリス(Pichia pastoris)等について、ピキア由来自律複製に関与する遺伝子 (PARS1、 PARS2)等を利用した宿主ベクター系が開発されており(Mol Cell Biol (1985) 5:3376)、高濃度培養とメタノールで誘導可能なAOX等の強いプロモーターが利用できる(Nucleic Acids Res (1987) 15:3859)。 In the genus Pichia, a host vector system using Pichia angusta (former name: Hansenula polymorpha) has been developed. As vectors, genes involved in autonomous replication derived from Pichia Angusta (HARS1, HARS2) can be used, but they are relatively unstable, so multicopy integration into the chromosome is effective (Yeast (1991) 7 : 431-43). In addition, AOX (alcohol oxidase), FDH (formate dehydrogenase) promoter, etc. induced by methanol or the like can be used. For Pichia pastoris, etc., host vector systems using genes (PARS1, PARS2), etc. involved in Pichia-derived autonomous replication have been developed (Mol Cell Biol (1985) 5: 3376). A strong promoter such as AOX that can be induced by concentration culture and methanol can be used (Nucleic Acids Res (1987) 15: 3859).
キャンディダ属においては、キャンディダ・マルトーサ(Candida maltosa)、キャンディダ・アルビカンス(Candida albicans)、キャンディダ・トロピカリス(Candida tropicalis)、キャンディダ・ウチルス(Candida utilis) 等について宿主ベクター系が開発されている。キャンディダ・マルトーサにおいては、キャンディダ・マルトーサ由来ARSがクローニングされ(Agri Biol Chem (1987) 51:1587)、これを利用したベクターが開発されている。また、キャンディダ・ウチルスにおいては、染色体インテグレートタイプのベクターでは、強力なプロモーターが開発されている(特開平08-173170)。 In the genus Candida, host vector systems have been developed for Candida maltosa, Candida albicans, Candida tropicalis, Candida utilis, etc. ing. In Candida maltosa, ARS derived from Candida maltosa has been cloned (Agri Biol Chem (1987) 51: 1587), and a vector using this has been developed. Further, in Candida utilis, a strong promoter has been developed for a chromosome integration type vector (Japanese Patent Laid-Open No. 08-173170).
アスペルギルス属においては、アスペルギルス・ニガー(Aspergillus niger)、アスペルギルス・オリジー(Aspergillus oryzae) 等が最もよく研究されている。これらを宿主とするプラスミドが利用可能であり、染色体への所望遺伝子のインテグレーションを行うことができる。菌体外プロテアーゼおよびアミラーゼ由来のプロモーターも利用可能である(Trends in Biotechnology (1989) 7:283-7)。 In the genus Aspergillus, Aspergillus niger, Aspergillus oryzae and the like have been most studied. Plasmids using these as hosts can be used, and integration of desired genes into chromosomes can be performed. Promoters derived from extracellular proteases and amylases are also available (Trends in Biotechnology (1989) 7: 283-7).
トリコデルマ属においては、トリコデルマ・リーゼイ(Trichoderma reesei)を利用した宿主ベクター系が開発されており、菌体外セルラーゼ遺伝子由来プロモーター等が利用できる(Biotechnology (1989) 7:596-603)。 In the genus Trichoderma, a host vector system using Trichoderma reesei has been developed, and an extracellular cellulase gene-derived promoter or the like can be used (Biotechnology (1989) 7: 596-603).
また、微生物以外でも、植物および動物を宿主とする様々な宿主ベクター系が開発されている。例えば、大量に異種タンパク質を発現させる系として、蚕を用いた昆虫ベクター系(Nature (1985) 315:592-4)、並びに、菜種、トウモロコシおよびジャガイモ等の植物ベクター系が開発されており、好適に利用できる。 In addition to microorganisms, various host vector systems using plants and animals as hosts have been developed. For example, insect vector systems using moths (Nature (1985) 315: 592-4) and plant vector systems such as rapeseed, corn and potato have been developed as systems for expressing large amounts of heterologous proteins. Available to:
ベクターへの本発明のポリヌクレオチドの導入は、制限酵素サイトを利用したリガーゼ反応により行うことができる(Current Protocols in Molecular Biology, John Wiley & Sons(1987) Section 11.4-11.11; Molecular Cloning, A Laboratory Manual 2nd ed., Cold Spring Harbor Press(1989) Section 5.61-5.63)。また、使用する宿主のコドン使用頻度を考慮し、必要に応じ本発明のポリヌクレオチド配列の改変を行い、発現効率の高いベクターを設計するようにしてもよい(Grantham et al., Nucleic Acids Res (1981) 9:r43-74)。 Introduction of the polynucleotide of the present invention into a vector can be performed by a ligase reaction using a restriction enzyme site (Current Protocols in Molecular Biology, John Wiley & Sons (1987) Section 11.4-11.11; Molecular Cloning, A Laboratory Manual 2nd ed., Cold Spring Harbor Press (1989) Section 5.61-5.63). In addition, considering the codon usage frequency of the host to be used, the polynucleotide sequence of the present invention may be modified as necessary to design a vector with high expression efficiency (Grantham et al., Nucleic Acids Res ( 1981) 9: r43-74).
上述のように、様々な細胞が宿主細胞株として確立されている。そして、各細胞株に適した発現ベクターの導入法も公知であり、当業者であれば、各選択した宿主細胞に好適な導入法を選択することができる。例えば、原核細胞については、カルシウム処理、エレクトポレーションによる形質転換等が知られている。また、植物細胞については、アグロバクテリウムを用いた方法が公知であり、哺乳動物細胞についてはリン酸カルシウム沈降法を例示することができる。本発明は特にこれらの方法に限定されるわけではなく、選択した宿主に応じ、その他公知の核マイクロインジェクション、プロトプラスト融合、DEAE-デキストラン法、細胞融合、電気パルス穿孔法、リポフェクタミン法(GIBCO BRL)、FuGENE6試薬(Boehringer-Mannheim)を用いた方法をはじめとする種々の公知の方法により発現ベクターの導入を行うことができる。 As described above, various cells have been established as host cell lines. Methods for introducing an expression vector suitable for each cell line are also known, and those skilled in the art can select a method suitable for each selected host cell. For example, for prokaryotic cells, calcium treatment, transformation by electroporation and the like are known. For plant cells, methods using Agrobacterium are known, and for mammalian cells, calcium phosphate precipitation can be exemplified. The present invention is not particularly limited to these methods, and other known nuclear microinjection, protoplast fusion, DEAE-dextran method, cell fusion, electric pulse perforation method, lipofectamine method (GIBCO BRL) depending on the selected host. The expression vector can be introduced by various known methods including a method using FuGENE6 reagent (Boehringer-Mannheim).
以上のようにして本発明のポリヌクレオチドを含む組換えベクターにより形質転換された形質転換体を培養することにより、本発明のスチレンモノオキシゲナーゼ活性を有するタンパク質を製造することができる。よって、本発明の好ましい一態様として、本発明の上記形質転換体を培養し、その培養物から前記ポリヌクレオチドによってコードされる蛋白質を回収する工程を含む、光学活性なスチレンモノオキシゲナーゼの製造方法が提供される。形質転換体の培養方法は特に限定されず、選択した各宿主細胞の生育に適し、かつ、本発明の酵素の生産に最も適した培地、温度、時間等の条件を選択することが望ましい。例えば実施例に記載の条件が挙げられるがこれに限定されない。 By culturing the transformant transformed with the recombinant vector containing the polynucleotide of the present invention as described above, the protein having the styrene monooxygenase activity of the present invention can be produced. Therefore, as a preferred embodiment of the present invention, there is provided a method for producing an optically active styrene monooxygenase, comprising the steps of culturing the transformant of the present invention and recovering the protein encoded by the polynucleotide from the culture. Provided. The method for culturing the transformant is not particularly limited, and it is desirable to select conditions such as a medium, temperature, and time that are suitable for the growth of each selected host cell and most suitable for the production of the enzyme of the present invention. For example, the conditions described in the examples can be mentioned, but the present invention is not limited thereto.
スチレンオキシドおよび/またはスチレン類似体の酸化物の製造方法
本発明は光学活性なスチレンオキシドおよび/または光学活性なスチレン類似体の酸化物の製造方法に関する。当該方法は、スチレンモノオキシゲナーゼにより、スチレンおよび/またはその類似体のビニル基がオキシラニル基に酸化されることを特徴とする。本発明のスチレンオキシドおよび/またはスチレン類似体の酸化物の製造方法は、スチレンモノオキシゲナーゼをスチレンおよび/またはその類似体に作用させる工程、および生成される酸化物を回収する工程を含む。
TECHNICAL FIELD The present invention relates to a method for producing an optically active styrene oxide and / or an optically active styrene analog oxide. The method is characterized in that the vinyl group of styrene and / or its analogue is oxidized to an oxiranyl group by styrene monooxygenase. The method for producing an oxide of styrene oxide and / or styrene analog of the present invention comprises a step of allowing styrene monooxygenase to act on styrene and / or an analog thereof, and a step of recovering the produced oxide.
スチレンモノオキシゲナーゼと基質は、基質の酸化が可能な条件下で作用させられる。具体的には、本発明の上記酸化反応では、FADH2(または還元型FAD)を補酵素として加えることが必要である。以下に、本発明の酸化反応を示す。本発明の酸化反応においては、補酵素FADH2が酸化されFADが生成すると同時に、水が生じる。
スチレンモノオキシゲナーゼの使用形態は、酵素分子、その処理物、酵素分子を含む培養物、酵素を生成する形質転換体等の微生物またはその処理物の形態で使用できる。
スチレンモノオキシゲナーゼを生成する形質転換体の微生物の処理物には、具体的には界面活性剤やトルエンなどの有機溶媒処理によって細胞膜の透過性を変化させた微生物、あるいはガラスビーズや酵素処理によって菌体を破砕した無細胞抽出液やそれを部分精製したもの、高度に精製したもの、各種固定化担体に固定化したものなどが含まれる。
The styrene monooxygenase can be used in the form of an enzyme molecule, a processed product thereof, a culture containing the enzyme molecule, a microorganism such as a transformant producing the enzyme, or a processed product thereof.
The processed product of the microorganism of the transformant that produces styrene monooxygenase specifically includes a microorganism whose cell membrane permeability has been changed by treatment with an organic solvent such as a surfactant or toluene, or a glass bead or enzyme treatment. A cell-free extract obtained by disrupting the body, a partially purified product, a highly purified product, a product immobilized on various immobilization carriers, and the like are included.
このようなスチレンモノオキシゲナーゼを反応溶液中、スチレンおよび/またはその類似体と作用させることにより、目的とする酵素反応を行わせ、スチレンオキシドおよび/またはスチレン類似体の酸化物を得ることができる。なお、酵素と反応溶液の作用形態はこれらの具体例に限定されるものではない。また本発明において「作用」は「接触」と表現することもできる。 By reacting such styrene monooxygenase with styrene and / or an analog thereof in the reaction solution, the target enzyme reaction can be carried out to obtain an oxide of styrene oxide and / or styrene analog. The mode of action of the enzyme and the reaction solution is not limited to these specific examples. In the present invention, “action” can also be expressed as “contact”.
反応溶液は、好ましくは、基質や酵素反応に必要な補酵素であるFADH2を酵素活性の発現に望ましい環境を与える適当な溶媒に溶解したものである。このような溶媒としては、例えば、水中もしくは水に溶解しにくい有機溶媒、例えば、酢酸エチル、酢酸ブチル、トルエン、クロロホルム、n−ヘキサン、メチルイソブチルケトン、メチルターシャリーブチルエステルなどの有機溶媒、もしくは、水性媒体との2相系、もしくは水に溶解する有機溶媒、例えば、メタノール、エタノール、イソプロピルアルコール、アセトニトリル、アセトン、ジメチルスルホキシド、ジメチルホルムアミドなどとの混合系が挙げられる。 The reaction solution is preferably a solution obtained by dissolving FADH 2 , which is a coenzyme necessary for a substrate and an enzyme reaction, in an appropriate solvent that provides a desirable environment for the expression of enzyme activity. As such a solvent, for example, an organic solvent which is difficult to dissolve in water or water, for example, an organic solvent such as ethyl acetate, butyl acetate, toluene, chloroform, n-hexane, methyl isobutyl ketone, methyl tertiary butyl ester, or , A two-phase system with an aqueous medium, or a mixed system with an organic solvent dissolved in water, for example, methanol, ethanol, isopropyl alcohol, acetonitrile, acetone, dimethyl sulfoxide, dimethylformamide and the like.
本発明におけるスチレン類似体としては、例えば、スチレンの2位、3位または4位の少なくともいずれかがハロゲンに置換された化合物が挙げられる。ハロゲンとしてはフッ素、塩素、臭素などが挙げられるがこれらに限定されない。このようなスチレン類似体として以下の化合物を例示することができる。
・2-フルオロスチレン、3-フルオロスチレン、4−フルオロスチレン
・2-クロロスチレン、3-クロロスチレン、4−クロロスチレン
・2-ブロモスチレン、3-ブロモスチレン、4−ブロモスチレン
あるいは、本発明におけるスチレン類似体のその他の例として、以下の化合物を挙げることもできる。
・インデン
・p-アミノスチレン
・p-メトキシスチレン
・trans-β-メチルスチレン
・4-ビニル-1-クロロヘキセン
・N,N-ジメチル-1-ナフチルアミン
・桂皮アルデヒド
このようなスチレン類似体を本発明のスチレンモノオキシゲナーゼと接触させることによって酸化することにより、スチレン類似体の酸化物を得ることができる。具体的には、例えば2−フルオロスチレンを本発明のスチレンモノオキシゲナーゼによって酸化することにより、2−フルオロスチレンオキシドを得ることができる。あるいは、例えばインデンを本発明のスチレンモノオキシゲナーゼによって酸化することにより、インデンオキシドを得ることができる。
Examples of the styrene analog in the present invention include compounds in which at least one of the 2-position, 3-position and 4-position of styrene is substituted with a halogen. Halogen includes, but is not limited to, fluorine, chlorine, bromine and the like. The following compounds can be illustrated as such a styrene analog.
2-fluorostyrene, 3-fluorostyrene, 4-fluorostyrene, 2-chlorostyrene, 3-chlorostyrene, 4-chlorostyrene, 2-bromostyrene, 3-bromostyrene, 4-bromostyrene or in the present invention Other examples of styrene analogs may include the following compounds:
・ Indene ・ p-aminostyrene ・ p-methoxystyrene ・ trans-β-methylstyrene ・ 4-vinyl-1-chlorohexene ・ N, N-dimethyl-1-naphthylamine ・ cinnamaldehyde Oxidation by contacting with a styrene monooxygenase can yield an oxide of a styrene analog. Specifically, for example, 2-fluorostyrene oxide can be obtained by oxidizing 2-fluorostyrene with the styrene monooxygenase of the present invention. Alternatively, for example, indene oxide can be obtained by oxidizing indene with the styrene monooxygenase of the present invention.
酸化反応に付随してFADH2から生成するFADの、FADH2への再生は、微生物の持つFAD還元能(呼吸活性など)を用いて行うことができる。また、FADからFADH2を生成する能力を有する微生物やその処理物、酵素を反応系に添加することによっても行うことができる。例えば、フラビンオキシドレダクターゼを含む微生物、その処理物、ならびに部分精製もしくは精製酵素を用いてFADH2の再生を行うことができる。これらのFADH2再生に必要な反応を構成する成分は、本発明によるスチレンオキシドまたはスチレン類似体の酸化物の製造のための反応系に添加する、固定化したものを添加する、あるいはFAD+の交換が可能な膜を介して接触させることができる。
あるいは、フラビンオキシドレダクターゼをコードするDNAでトランスフェクトされた微生物やその処理物を、本発明の酸化反応のための反応系に添加することも可能である。
The FAD produced from FADH 2 in association with the oxidation reaction, regeneration of the FADH 2 is (such as respiratory activity) FAD reducing ability possessed by the microorganism can be carried out using. Also it is carried out by adding microorganisms and processed product thereof having an ability to produce FADH 2 from FAD, the enzyme reaction system. For example, FADH 2 can be regenerated using a microorganism containing flavin oxidoreductase, a processed product thereof, and a partially purified or purified enzyme. The components constituting the reaction necessary for the regeneration of FADH 2 are added to the reaction system for the production of styrene oxide or styrene analog oxide according to the present invention, added in an immobilized state, or exchange of FAD +. Can be contacted through a possible membrane.
Alternatively, a microorganism transfected with DNA encoding flavin oxidoreductase or a processed product thereof can be added to the reaction system for the oxidation reaction of the present invention.
本発明の反応は、固定化酵素、膜リアクターなどを利用して行うことも可能である。 The reaction of the present invention can also be performed using an immobilized enzyme, a membrane reactor, or the like.
スチレンオキシドまたはスチレン類似体の酸化物の製造方法においては、反応温度が好ましくは4〜60℃、さらに好ましくは15〜37℃、pHが好ましくは4〜11、さらに好ましくはpH5〜9、基質濃度が好ましくは0.01〜90%、さらに好ましくは0.1〜30%で行うことができる。
In the method for producing an oxide of styrene oxide or a styrene analog, the reaction temperature is preferably 4 to 60 ° C., more preferably 15 to 37 ° C., the pH is preferably 4 to 11, more preferably
反応系には必要に応じて補酵素FADH2を、好ましくは0.001mM〜100mM、さらに好ましくは、0.01〜10mM添加できる。
また、基質は反応開始時に一括して添加することも可能であるが、反応液中の基質濃度が高くなりすぎないように連続的、もしくは非連続的に添加することが望ましい。基質濃度は、例えば0.01g/Lから500g/L、好ましくは0.1g/Lから100g/L、より好ましくは0.5g/Lから10g/Lとすることができるがこれらに限定されない。
Coenzyme FADH 2 can be added to the reaction system as necessary, preferably 0.001 mM to 100 mM, more preferably 0.01 to 10 mM.
The substrate can be added all at once at the start of the reaction, but it is desirable to add it continuously or discontinuously so that the substrate concentration in the reaction solution does not become too high. The substrate concentration can be, for example, 0.01 g / L to 500 g / L, preferably 0.1 g / L to 100 g / L, more preferably 0.5 g / L to 10 g / L, but is not limited thereto.
FADH2再生用の酵素、例えば、フラビンオキシドレダクターゼなどは、本発明の酸化酵素に比較して酵素活性で好ましくは0.1〜100倍、さらに好ましくは0.5〜20倍程度添加することができる。 An enzyme for regenerating FADH 2 , such as flavin oxidoreductase, is preferably added in an amount of 0.1 to 100 times, more preferably about 0.5 to 20 times in terms of enzyme activity compared to the oxidase of the present invention. it can.
本発明の酸化反応により生成するスチレンオキシドまたはスチレン類似体の酸化物の回収は遠心分離や膜濾過による菌体や蛋白質の除去、膜処理等による蛋白質の分離、酢酸エチル、酢酸ブチル、クロロホルム、メチル−t−ブチルエーテル、n−ブタノール、sec−ブタノール、t−ブタノール、イソブタノール、n−ペンタノール、sec−ペンタノール、t−ペンタノール、イソペンタノールなどによる溶媒抽出、蒸留、酢酸エチル、酢酸ブチル、キシレン、トルエン、メシチレン、クロルベンゼン、クロロホルム、n−ヘキサン、イソオクタン、ジイソプロピルエーテル、メチル−t−ブチルエーテルなどによる結晶化、等を適当に組み合わせることにより行うことができる。あるいは、抽出溶媒液に塩酸を滴下することで生成する塩酸塩として回収することもできる。目的物は、必要によりシリカゲルカラムクロマトグラフィー、蒸留によりさらに精製することができる。 Recovery of oxides of styrene oxide or styrene analog produced by the oxidation reaction of the present invention is performed by removing cells and proteins by centrifugation or membrane filtration, separating proteins by membrane treatment, etc., ethyl acetate, butyl acetate, chloroform, methyl -T-butyl ether, n-butanol, sec-butanol, t-butanol, isobutanol, n-pentanol, sec-pentanol, t-pentanol, isopentanol, etc., solvent extraction, distillation, ethyl acetate, butyl acetate Crystallization by xylene, toluene, mesitylene, chlorobenzene, chloroform, n-hexane, isooctane, diisopropyl ether, methyl-t-butyl ether, and the like. Or it can also collect | recover as hydrochloride produced | generated by dripping hydrochloric acid to an extraction solvent liquid. The desired product can be further purified by silica gel column chromatography and distillation if necessary.
スチレンまたはその類似体の分解方法
さらに本発明は、本発明のスチレンモノオキシゲナーゼをスチレンまたはその類似体と接触させる工程を含む、スチレンまたはその類似体の分解方法に関する。上述のように本発明のスチレンモノオキシゲナーゼは、スチレンまたはその誘導体のビニル基をオキシラニル基に酸化する。従って本発明のスチレンモノオキシゲナーゼは、スチレンまたはその類似体を分解することができる。
本発明において分解とは、元の化合物がこれとは異なる化合物に変換されることを意味する。変換としては、例えば酸化などが挙げられる。従って本発明において分解方法は、酸化する方法と表現することもできる。あるいは、スチレンまたはその類似体の量あるいは濃度を減少させる方法と表現することもできる。
スチレン類似体ついては上述のものが挙げられる。またスチレンモノオキシゲナーゼと基質との接触の形態についても既に述べた。
なお本明細書において引用された全ての文献は、参照として本明細書に組み入れられる。
Method for Decomposing Styrene or an Analogue Further The present invention relates to a method for decomposing styrene or an analog thereof, comprising the step of contacting the styrene monooxygenase of the present invention with styrene or an analog thereof. As described above, the styrene monooxygenase of the present invention oxidizes the vinyl group of styrene or a derivative thereof to an oxiranyl group. Accordingly, the styrene monooxygenase of the present invention can degrade styrene or its analogs.
In the present invention, decomposition means that the original compound is converted into a different compound. Examples of the conversion include oxidation. Therefore, in the present invention, the decomposition method can also be expressed as an oxidation method. Alternatively, it can be expressed as a method of reducing the amount or concentration of styrene or an analog thereof.
Examples of styrene analogs include those described above. The form of contact between the styrene monooxygenase and the substrate has already been described.
It should be noted that all documents cited in this specification are incorporated herein by reference.
以下、実施例により本発明をさらに具体的に説明する。但し、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
材料および方法
(1)細菌株およびベクター
スチレン同化細菌ST-5株およびST-10株を、スチレン代謝遺伝子の単離のための染色体DNAの起源として使用した。これらの微生物は、以前はコリネバクテリウム(Corynebacterium)sp.ST-5株およびST-10株として同定されていた(Itoh, N., K. Yoshida, and K. Okada. 1996. Isolation and identification of styrene-degrading Corynebacterium strains, and their styrene metabolism. Biosci. Biotech. Biochem. 60:1826-1830.)。最近、Makinoらによって、ST-10株はロドコッカスsp.ST-10株として再同定された(Makino, Y., K. Inoue, T. Dairi, and N. Itoh. 2005. Engineering of phenylacetaldehyde reductase for efficient substrate conversion in concentrated 2-propanol. Appl. Environ. Microbiol. 71:4713-4720)。本発明者らも、Makinoらによって記載された方法により、ST-5株の再同定を実施した。結果は、ST-5株がロドコッカスの典型的な特性を有することを示した。従って、本発明者らは、この微生物がロドコッカスsp.ST-5株として同定されるべきであるとの結論を下した。大腸菌JM109株およびプラスミドベクターpGEM-T Easy(Plomega)をDNA操作において使用した。
Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to examples. However, the present invention is not limited to the following examples.
Materials and methods
(1) Bacterial strains and vectors Styrene anabolic bacteria ST-5 and ST-10 strains were used as the origin of chromosomal DNA for isolation of styrene metabolic genes. These microorganisms were previously identified as Corynebacterium sp. ST-5 and ST-10 strains (Itoh, N., K. Yoshida, and K. Okada. 1996. Isolation and identification of styrene-degrading Corynebacterium strains, and their styrene metabolism. Biosci. Biotech. Biochem. 60: 1826-1830.). Recently, Makino et al. Re-identified the ST-10 strain as Rhodococcus sp. ST-10 (Makino, Y., K. Inoue, T. Dairi, and N. Itoh. 2005. Engineering of phenylacetaldehyde reductase for efficient substrate conversion in concentrated 2-propanol. Appl. Environ. Microbiol. 71: 4713-4720). The present inventors also re-identified the ST-5 strain by the method described by Makino et al. The results showed that the ST-5 strain has typical characteristics of Rhodococcus. Therefore, the inventors concluded that this microorganism should be identified as Rhodococcus sp. ST-5 strain. E. coli strain JM109 and plasmid vector pGEM-T Easy (Plomega) were used in the DNA manipulation.
(2)培養条件
ロドコッカスsp.ST-5株およびST-10株を、30℃で2日間、振とうしながら、PY培地(0.5%酵母抽出物、0.5%バクトペプトン、pH7.0)中で培養した。10μlの培養液を、寒天プレート(0.3(w/v)%(NH4)2SO4、0.3% KH2PO4、0.1% NaCl、0.02% MgSO4 7H2O、および1.5%寒天、pH7.0)へ播き、スチレン雰囲気下において30℃で4日間培養した(Itoh, N., K. Yoshida, and K. Okada. 1996. Isolation and identification of styrene-degrading Corynebacterium strains, and their styrene metabolism. Biosci. Biotech. Biochem. 60:1826-1830)。
(2) Culture conditions Rhodococcus sp. ST-5 and ST-10 were shaken at 30 ° C. for 2 days in PY medium (0.5% yeast extract, 0.5% bactopeptone, pH 7.0). Cultured. 10 μl of culture broth was added to agar plates (0.3 (w / v)% (NH 4 ) 2 SO 4 , 0.3% KH 2 PO 4 , 0.1% NaCl, 0.02% MgSO 4 7H 2 O, and 1.5% agar, pH 7. 0) and cultured in a styrene atmosphere at 30 ° C. for 4 days (Itoh, N., K. Yoshida, and K. Okada. 1996. Isolation and identification of styrene-degrading Corynebacterium strains, and their styrene metabolism. Biosci. Biotech. Biochem. 60: 1826-1830).
(3)スチレン代謝遺伝子のクローニング
DNA操作には標準的な技術を使用した(Sambrook, J., and W. D. Russell. 2001. "Molecular cloning, a laboratory manual" 3rd ed. Cold Spring Harbor Laboratory Press.)。採集されたST-5株 およびST-10株 の細胞をリゾチームにより処理した後、Eulbergら(Eulberg, D., L. A. Golovleva, and M. Schlomann. 1997. Characterization of catechol catabolic genes from Rhodococcus erythropolis 1CP. J. Bacteriol. 179:370-381)によって記載された方法によってゲノムDNAを調製した。調製されたゲノムDNAを、PCRの鋳型およびサザンブロット分析に使用した。
styA遺伝子およびstyC遺伝子をコードする部分断片を、縮重PCRにより増幅した。styAおよびstyCの増幅のために使用されたプライマーを表1に示した。これらのオリゴヌクレオチドプライマーは、それぞれ、スチレンモノオキシゲナーゼおよびスチレンオキシドイソメラーゼにおいて保存されている部分アミノ酸配列に基づき設計された。スチレン代謝に関与している遺伝子の全長を入手するために、明らかになったstyA遺伝子またはstyC遺伝子の部分塩基配列を用いて、TAIL(thermal asymmetric interlaced)PCRを実施した。TAIL-PCRは、Liu らによって報告された方法(Liu, Y. G., and R. F. Whittier. 1995. Thermal asymmetric interlaced PCR: automatable amplification and sequencing of insert end fragments from P1 and YAC clones for chromosome walking. Genomics 25:674-681)に従い実施された。TAIL-PCRのために使用されたアダプタープライマーおよび既知配列特異的プライマーを表1に示した。一次および二次のPCR産物を希釈し、それぞれ二次および三次のPCRのための鋳型として使用した。増幅された断片は、アガロースゲル電気泳動による分離および抽出により精製された。精製された断片を、pGEM-T Easyへとクローニングし、キャピラリーDNAシーケンサー310(Applied Biosystems,Tokyo,Japan)を使用して塩基配列を決定した。
(3) Cloning of styrene metabolism gene
Standard techniques were used for DNA manipulation (Sambrook, J., and WD Russell. 2001. “Molecular cloning, a laboratory manual” 3rd ed. Cold Spring Harbor Laboratory Press.). The collected cells of ST-5 and ST-10 were treated with lysozyme, followed by Eulberg et al. (Eulberg, D., LA Golovleva, and M. Schlomann. 1997. Characterization of catechol catabolic genes from Rhodococcus erythropolis 1CP. J Bacteriol. 179: 370-381) was used to prepare genomic DNA. The prepared genomic DNA was used for PCR template and Southern blot analysis.
Partial fragments encoding styA gene and styC gene were amplified by degenerate PCR. The primers used for the amplification of styA and styC are shown in Table 1. These oligonucleotide primers were designed based on partial amino acid sequences conserved in styrene monooxygenase and styrene oxide isomerase, respectively. In order to obtain the full length of a gene involved in styrene metabolism, TAIL (thermal asymmetric interlaced) PCR was performed using the partial nucleotide sequence of the styA gene or styC gene that was revealed. TAIL-PCR was performed as described by Liu et al. (Liu, YG, and RF Whittier. 1995. Thermal asymmetric interlaced PCR: automatable amplification and sequencing of insert end fragments from P1 and YAC clones for chromosome walking. Genomics 25: 674- 681). The adapter primers used for TAIL-PCR and known sequence specific primers are shown in Table 1. Primary and secondary PCR products were diluted and used as templates for secondary and tertiary PCR, respectively. Amplified fragments were purified by separation and extraction by agarose gel electrophoresis. The purified fragment was cloned into pGEM-T Easy and the nucleotide sequence was determined using a capillary DNA sequencer 310 (Applied Biosystems, Tokyo, Japan).
(4)サザンブロット分析
ロドコッカスsp.ST-10株のゲノムDNAを、いくつかの制限酵素により消化し、アガロースゲル電気泳動によって分離した。分離されたDNAを、Hybond N+ナイロンメンブラン(GE Healthcare UK Ltd,Buckinghamshire,UK)へ転写し、80℃で2時間ベーキングした。ST-10株由来のスチレンモノオキシゲナーゼ遺伝子断片(1.2 kbp)、およびST-5株由来のスチレンオキシドイソメラーゼ遺伝子断片(0.6 kbp)をPCRにより増幅し、プローブとしてハイブリダイゼーションのために使用した。各断片を、Random Primer DNA Labeling Kit Ver.2(TaKaRa,Shiga,Japan)を使用してα-32P-dCTPにより標識した。標識操作は製品プロトコルに従って行った。プレハイブリダイゼーションおよびハイブリダイゼーションを、5×SSC、0.1%SDS、5×デンハルツ液、40%ホルムアミドからなるハイブリダイゼーション緩衝液において実施した。標識されたプローブDNA 1ngをメンブランに添加し、45℃で一夜インキュベートした。メンブランを、45℃で10分間2×SSC緩衝液により2回洗浄し、次いで、45℃で10分間、0.1%SDSを含有している2×SSCにより2回洗浄した。メンブランにハイブリダイズした標識DNAの検出は、BAS-3000画像分析装置(Fujifilm,Tokyo,Japan)を使用して行った。
(4) Southern blot analysis
Rhodococcus sp. ST-10 genomic DNA was digested with several restriction enzymes and separated by agarose gel electrophoresis. The isolated DNA was transferred to Hybond N + nylon membrane (GE Healthcare UK Ltd, Buckinghamshire, UK) and baked at 80 ° C. for 2 hours. Styrene monooxygenase gene fragment (1.2 kbp) derived from ST-10 strain and styrene oxide isomerase gene fragment (0.6 kbp) derived from ST-5 strain were amplified by PCR and used as probes for hybridization. Each fragment was labeled with α- 32 P-dCTP using Random Primer DNA Labeling Kit Ver. 2 (TaKaRa, Shiga, Japan). The labeling operation was performed according to the product protocol. Prehybridization and hybridization were performed in a hybridization buffer consisting of 5 × SSC, 0.1% SDS, 5 × Denharz solution, 40% formamide. 1 ng of labeled probe DNA was added to the membrane and incubated overnight at 45 ° C. The membrane was washed twice with 2 × SSC buffer for 10 minutes at 45 ° C. and then twice with 2 × SSC containing 0.1% SDS for 10 minutes at 45 ° C. Detection of labeled DNA hybridized to the membrane was performed using a BAS-3000 image analyzer (Fujifilm, Tokyo, Japan).
(5)静止菌体反応による代謝物の抽出
スチレン雰囲気下でプレート培養した菌体を、50mMリン酸カリウム緩衝液(pH7.0)2mlに懸濁し、遠心分離(8000×g、20分)によって収集した。収集した菌体を同緩衝液に再懸濁した。次いで、菌体懸濁液(OD600=1)4mlおよび各基質50mgからなる反応混合物を使用して、静止菌体反応を実施した。反応混合物を22ml のバイアルに添加後シリコンセプタムを用いて密栓し、30℃、20時間、170rpmでインキュベーションした。インキュベーション後、反応混合物に酢酸エチル2mlを添加・混合し、反応生成物を抽出した。抽出産物をガスクロマトグラフィー質量分析(GC-MS)および高速液体クロマトグラフィ(HPLC)によって分析した。
(5) Extraction of metabolites by stationary cell reaction Cell bodies cultured in a styrene atmosphere are suspended in 2 ml of 50 mM potassium phosphate buffer (pH 7.0) and centrifuged (8000 × g, 20 minutes). Collected. The collected cells were resuspended in the same buffer. Next, a static cell reaction was carried out using a reaction mixture consisting of 4 ml of a cell suspension (OD 600 = 1) and 50 mg of each substrate. The reaction mixture was added to a 22 ml vial and sealed with a silicone septum and incubated at 30 ° C. for 20 hours at 170 rpm. After the incubation, 2 ml of ethyl acetate was added to and mixed with the reaction mixture, and the reaction product was extracted. The extract was analyzed by gas chromatography mass spectrometry (GC-MS) and high performance liquid chromatography (HPLC).
(6)GC-MSおよびHPLCの分析条件
静止菌体反応による生成物のGC-MS分析は、GC-17AガスクロマトグラフィーシステムおよびShimadzu QP-5000質量分析計を使用して実施された。酢酸エチルにより抽出された試料1μlを、HP-1MSキャピラリーカラム(J & W Scientific Inc.;30m×内径0.25mm、フィルム幅0.25μm)に注入した。キャリアガス(He)流速は1.7ml/min(100kPa)、スプリット比は26、線形速度は47.4cm/sであった。カラムオーブンの温度プログラムは:50℃、5分間;10℃/minで220℃まで上昇; 220℃、5分間で行った。質量スペクトルは、電子衝撃イオン源(EI、200℃)を使用して、1.5kVで取得した。各反応中間体の同定は、標準化合物の保持時間および質量電荷比(m/z)との比較によって行った。
静止菌体反応による生成物のHPLC分析は、移動相Aとして10mM酢酸アンモニウム、移動相Bとしてアセトニトリルを用い、流速0.5ml/分、カラム温度は40℃で分析を行った。試料(10μl)を注入した後、移動相Bを8分間10%に維持し、次いで20分かけて90%に増加させ、10分間維持した。254nmで生成物をモニタリングした。
フェニルアセチル-CoAリガーゼの反応生成物の同定は、Shimadzu Prominence GE HPLCシステムを使用して実施された。分析にはCadenza CD-C18カラム(Imtakt,Kyoto,Japan)を用いた。移動相には10% (v/v)イソプロピルアルコールを含有する0.2M KPB(pH4.5)を用いた。移動相の流速は0.5ml/分、カラムは40℃に維持された。254nmで生成物をモニタリングした。
(6) Analysis conditions of GC-MS and HPLC GC-MS analysis of the product by stationary cell reaction was performed using GC-17A gas chromatography system and Shimadzu QP-5000 mass spectrometer. A sample of 1 μl extracted with ethyl acetate was injected into an HP-1MS capillary column (J & W Scientific Inc .; 30 m × inner diameter 0.25 mm, film width 0.25 μm). The carrier gas (He) flow rate was 1.7 ml / min (100 kPa), the split ratio was 26, and the linear velocity was 47.4 cm / s. The temperature program for the column oven was: 50 ° C, 5 minutes; ramped to 220 ° C at 10 ° C / min; 220 ° C, 5 minutes. Mass spectra were acquired at 1.5 kV using an electron impact ion source (EI, 200 ° C.). Each reaction intermediate was identified by comparison with the retention time and mass-to-charge ratio (m / z) of the standard compound.
The HPLC analysis of the product by the stationary cell reaction was carried out using 10 mM ammonium acetate as mobile phase A, acetonitrile as mobile phase B, a flow rate of 0.5 ml / min, and a column temperature of 40 ° C. After injecting the sample (10 μl), mobile phase B was maintained at 10% for 8 minutes, then increased to 90% over 20 minutes and maintained for 10 minutes. The product was monitored at 254 nm.
Identification of the reaction product of phenylacetyl-CoA ligase was performed using a Shimadzu Prominence GE HPLC system. For analysis, a Cadenza CD-C18 column (Imtakt, Kyoto, Japan) was used. The mobile phase used was 0.2M KPB (pH 4.5) containing 10% (v / v) isopropyl alcohol. The mobile phase flow rate was 0.5 ml / min and the column was maintained at 40 ° C. The product was monitored at 254 nm.
(7)無細胞粗抽出物の調製および酵素アッセイ
ガス状スチレンを単一炭素源として培養された菌体から、無細胞粗抽出物を入手した。採集された菌体を、50mMリン酸カリウム緩衝液(pH7.0)に懸濁し、2回洗浄した。菌体を、10%グリセロールを含有している50mMリン酸カリウム緩衝液(pH7.0)に再懸濁した。菌体懸濁液は、各1分間の超音波処理を5回行い、遠心分離(16,000×g、10分、4℃)した。上清を同緩衝液に対して透析し、酵素アッセイのために使用した。フェニルアセチル-CoAリガーゼ(PCL)活性を、以前に報告された方法(Martinez-Blanco, H., A. Reglero, L. B. Rodriguez-Aparicio, and J. M. Luengo. 1990. Purification and biochemical characterization of phenylacetyl-CoA ligase from Pseudomonas putida. J. Biol. Chem. 265:7084-7090)に従って測定した。
(7) Preparation of cell-free crude extract and enzyme assay Cell-free crude extract was obtained from cells cultured using gaseous styrene as a single carbon source. The collected cells were suspended in 50 mM potassium phosphate buffer (pH 7.0) and washed twice. The cells were resuspended in 50 mM potassium phosphate buffer (pH 7.0) containing 10% glycerol. The cell suspension was subjected to ultrasonic treatment for 1 minute each 5 times and centrifuged (16,000 × g, 10 minutes, 4 ° C.). The supernatant was dialyzed against the same buffer and used for enzyme assay. Phenylacetyl-CoA ligase (PCL) activity was determined by a previously reported method (Martinez-Blanco, H., A. Reglero, LB Rodriguez-Aparicio, and JM Luengo. 1990. Purification and biochemical characterization of phenylacetyl-CoA ligase from Pseudomonas putida. J. Biol. Chem. 265: 7084-7090).
(8)化学物質
スチレンおよびスチレンオキシドはNacalai Tesque Inc.(Kyoto,Japan)より購入した。フェニルアセトアルデヒドはToyotama International Inc.(Tokyo,Japan)より供給された。その他の化学物質は、全て、Wako Pure Chemical Industries Ltd.(Osaka,Japan)より購入した。
(8) The chemical substances styrene and styrene oxide were purchased from Nacalai Tesque Inc. (Kyoto, Japan). Phenylacetaldehyde was supplied by Toyotama International Inc. (Tokyo, Japan). All other chemicals were purchased from Wako Pure Chemical Industries Ltd. (Osaka, Japan).
〔実施例1〕ロドコッカスsp.ST-5株およびST-10株のスチレン代謝遺伝子の遺伝子構造
代謝遺伝子を単離し解析するため、本発明者らは、データベース上に登録されたスチレンモノオキシゲナーゼおよびスチレンオキシドイソメラーゼのアミノ酸配列から高度に保存されている領域を選択し、縮重PCR用のオリゴヌクレオチドプライマーを設計した。ST-5株のゲノムDNAを鋳型として縮重PCRを行い、styCの一部をコードする260bpのサイズの断片を入手することができた。しかし、styAに対応する断片は増幅されなかった。他方、ST-10株のゲノムDNAを鋳型として縮重PCRを行った場合には、styAをコードする部分断片が増幅されたが、styCをコードする遺伝子は増幅されなかった。これらの断片から推定されたアミノ酸配列は、シュードモナスのスチレン分解酵素と有意な類似性を示した。
スチレン代謝遺伝子の全長を入手するため、本発明者らは、ST-5株およびST-10株のゲノムDNAに対してTAIL-PCRを実施した。TAIL-PCRのため使用されたプライマーを表1に示した。その結果、本発明者らは、それぞれST-5株の染色体の約4.7kbpの領域およびST-10株の4.2kbpの領域のヌクレオチド配列を決定することができた。ST-5株およびST-10株の決定された染色体領域には、それぞれ、4つおよび3つのオープンリーディングフレーム(ORF)が存在した(図1および図2)。推定アミノ酸配列がシュードモナスのstyABCDと類似性を示したため、これらの遺伝子がスチレン代謝遺伝子であると推定した。ST-5株は、SMO、フラビンオキシドレダクターゼ、SOI、およびフェニルアセトアルデヒドデヒドロゲナーゼ(PAD)に対応する4つの連続する遺伝子を有していた。他方、ST-10株はSMOおよびフラビンオキシドレダクターゼに対応する2つの遺伝子を有していた。styBの下流に存在したorf3は、ロドコッカス・ジョスティ(jostii)RHA1のようなロドコッカス属にのみホモログが見出される機能未知タンパク質に対して高い類似性を示した。さらに、転写ターミネーターとして作用することが予測されるステムループ構造が、ST-5株のstyCおよびST-10株のstyBの下流にそれぞれ存在した(図1)。
[Example 1] In order to isolate and analyze the gene structural metabolic genes of styrene metabolic genes of Rhodococcus sp. ST-5 and ST-10 , the present inventors made use of styrene monooxygenase and styrene registered on the database. A highly conserved region was selected from the amino acid sequence of oxidoisomerase, and oligonucleotide primers for degenerate PCR were designed. Degenerate PCR was performed using ST-5 genomic DNA as a template, and a 260 bp fragment encoding part of styC was obtained. However, the fragment corresponding to styA was not amplified. On the other hand, when degenerate PCR was performed using the genomic DNA of ST-10 strain as a template, a partial fragment encoding styA was amplified, but the gene encoding styC was not amplified. The amino acid sequences deduced from these fragments showed significant similarity to Pseudomonas styrenolytic enzymes.
In order to obtain the full length of the styrene metabolism gene, the present inventors performed TAIL-PCR on the genomic DNA of the ST-5 and ST-10 strains. The primers used for TAIL-PCR are shown in Table 1. As a result, the present inventors were able to determine the nucleotide sequences of the approximately 4.7 kbp region of the chromosome of ST-5 strain and the 4.2 kbp region of ST-10 strain, respectively. There were 4 and 3 open reading frames (ORF) in the determined chromosomal regions of the ST-5 and ST-10 strains, respectively (FIGS. 1 and 2). Since the deduced amino acid sequence was similar to Pseudomonas styABCD, these genes were presumed to be styrene metabolism genes. The ST-5 strain had four consecutive genes corresponding to SMO, flavin oxidoreductase, SOI, and phenylacetaldehyde dehydrogenase (PAD). On the other hand, the ST-10 strain had two genes corresponding to SMO and flavin oxidoreductase. Orf3, which was present downstream of styB, showed a high similarity to a protein of unknown function in which homologs were found only in the genus Rhodococcus, such as Rhodococcus jostii RHA1. Furthermore, stem loop structures predicted to act as transcription terminators existed downstream of ST-5 strain styC and ST-10 strain styB, respectively (FIG. 1).
〔実施例2〕ST-10株ゲノムDNAのサザンブロット分析
SOI遺伝子の存在を確認するため、本発明者らは、ST-10株の染色体に対してサザンブロット解析を実施した。ST-10株のstyA遺伝子およびST-5株のstyC遺伝子に対応する各々1.2kbpおよび0.8kbpのプローブを、α-32P-dCTPにより標識し、様々な制限酵素により消化されたST-10株ゲノムDNAにハイブリダイズさせた。その結果、styA遺伝子に対応するプローブにハイブリダイズする有意な断片を見出すことができたが、styC遺伝子をプローブとして使用した場合には、検出可能なシグナルは見出されなかった。
[Example 2] Southern blot analysis of ST-10 genomic DNA
In order to confirm the presence of the SOI gene, the present inventors performed Southern blot analysis on the chromosome of the ST-10 strain. ST-10 strain probes each 1.2kbp and 0.8kbp corresponding to styC gene styA gene and ST-5 strain, alpha-32 labeled with P-dCTP, ST-10 strain digested with various restriction enzymes Hybridized to genomic DNA. As a result, a significant fragment that hybridizes to the probe corresponding to the styA gene could be found, but no detectable signal was found when the styC gene was used as a probe.
〔実施例3〕ST-5株およびST-10株のスチレン代謝遺伝子の構造的特性
ST-5株およびST-10株に由来するstyA遺伝子は427および428アミノ酸残基をコードし、推定アミノ酸配列は、シュードモナスsp.Y2由来のSMOの配列との有意な類似性を示した(60.6%および60.4%)(表2)。
[Example 3] Structural characteristics of styrene metabolism genes of ST-5 and ST-10 strains
The styA gene derived from ST-5 and ST-10 strains encoded 427 and 428 amino acid residues, and the deduced amino acid sequence showed significant similarity to the sequence of SMO from Pseudomonas sp. Y2 (60.6 % And 60.4%) (Table 2).
ST-5株およびST-10株に由来するStyAの推定アミノ酸配列は、フラビンおよびニコチンアミドアデニンジヌクレオチド(NAD+/NADH)との結合に関与していることが公知であるSMOにおいて保存されているいくつかの配列を含有していた。しかしながら、ST-5株およびST-10株のStyAは、SMOおよびフラビンオキシドレダクターゼの融合タンパク質として報告されたロドコッカス・オパカス(opacus)1CPのstyA2B(Tischler, D., D. Eulberg, S. Lankner, S. R. Kaschabek, W. J. H. van Berkel, and M. Schlomann. 2009. Identification of a novel self-sufficient styrene monooxygenase from Rhodococcus opacus 1CP. J. Bacteriol. 191:4996-5009)のStyA部分に対しては比較的低い類似性を示した(29.2%および28.0%)。ロドコッカス・オパカス1CPは、styCまたはstyDに対応するスチレン代謝遺伝子をstyA2Bの近傍に有していないことが報告された。これらの事実は、既報のロドコッカスのスチレン代謝遺伝子が本発明の遺伝子とは異なることを示している。 The deduced amino acid sequence of StyA derived from ST-5 and ST-10 strains is conserved in SMO, which is known to be involved in binding to flavin and nicotinamide adenine dinucleotide (NAD + / NADH) Contained several sequences. However, StyA of the ST-5 and ST-10 strains is a styA2B of Rhodococcus opacus 1CP (Tischler, D., D. Eulberg, S. Lankner, reported as a fusion protein of SMO and flavin oxidoreductase. SR Kaschabek, WJH van Berkel, and M. Schlomann. 2009. Identification of a novel self-sufficient styrene monooxygenase from Rhodococcus opacus 1CP. J. Bacteriol. 191: 4996-5009) (29.2% and 28.0%). Rhodococcus opacus 1CP was reported not to have a styrene metabolism gene corresponding to styC or styD in the vicinity of styA2B. These facts indicate that the previously reported Rhodococcus styrene metabolism gene is different from the gene of the present invention.
ST-5株およびST-10株のstyB遺伝子は、それぞれ179および183アミノ酸残基をコードしており、そのアミノ酸配列から計算される推定分子量は19,284Daおよび19,543Daであった。ST-5株およびST-10株に由来するStyBの推定アミノ酸配列は、フラビンオキシドレダクターゼおよび様々なモノオキシゲナーゼにおいて高度に保存されているいくつかのモチーフを含有している。相同性検索の結果から、ST-5株およびST-10株に由来するstyBが、シュードモナスsp.Y2 StyB(53.8%および50.6%)、バチルス(Bacillus)sp.JF8 MocB(36.5%および36.8%)、ゲオバチルス・サーモグルコシダシウス(Geobacillus thermoglucosidasius)A7 PheA2(33.6%および35.1%)、ならびにロドコッカス・オパカス1CP StyA2B(27.6%および33.3%、B部分)を含む、NAD(P)H:フラビンオキシドレダクターゼのファミリーに属しているいくつかのタンパク質との相同性をそれぞれ示すことが明らかとなった(表2)。この結果より、ST-5株およびST-10株のstyBが、NAD(P)H:フラビンオキシドレダクターゼのメンバーであり、StyAと共に2成分からなるモノオキシゲナーゼ系を構成していることが示された。 The styB genes of ST-5 and ST-10 encoded 179 and 183 amino acid residues, respectively, and the estimated molecular weights calculated from the amino acid sequences were 19,284 Da and 19,543 Da, respectively. The deduced amino acid sequences of StyB from ST-5 and ST-10 strains contain several motifs that are highly conserved in flavin oxidoreductases and various monooxygenases. From the results of the homology search, styB derived from ST-5 and ST-10 strains were Pseudomonas sp. Y2 StyB (53.8% and 50.6%), Bacillus sp. JF8 MocB (36.5% and 36.8%) Of NAD (P) H: flavin oxidoreductase, including Geobacillus thermoglucosidasius A7 PheA2 (33.6% and 35.1%), and Rhodococcus opacus 1CP StyA2B (27.6% and 33.3%, part B) It became clear that each showed homology with several proteins belonging to the family (Table 2). This result showed that styB of ST-5 and ST-10 strains is a member of NAD (P) H: flavin oxidoreductase and constitutes a monooxygenase system consisting of two components together with StyA. .
styC遺伝子およびstyD遺伝子はST-5株にのみ観察された。styC遺伝子は168アミノ酸残基をコードし、推定アミノ酸配列は、シュードモナスsp.Y2のSOIとの有意な類似性(69.5%)、およびシュードモナス・オーレオファシエンス(aureofaciens)のp-シメンメチルヒドロキシラーゼとの中程度の類似性(35.0%)を示した(表2)。styDをコードするオープンリーディングフレームには、2ヶ所の推定開始コドンが3068塩基目および3086塩基目に存在した(図2A)。このことから、styD がコードするポリペプチドは502アミノ酸ないし496アミノ酸であることが示唆された。このタンパク質は、ロドコッカス・ジョスティRHA1 ALDH(78.6%)、バークホルデリア(Burkholderia)sp.383 BADH(54.4%)、アゾアルカス(Azoarcus)sp.BH72 ThmS2(54.5%)、シュードモナスsp.Y2 StyD(49.9%)、および大腸菌W3110 PadA(40.1%)のような様々なアルデヒドデヒドロゲナーゼとの高い類似性を示した(表2)。StyDは、様々なアルデヒドデヒドロゲナーゼにおいて保存されているいくつかの補因子結合モチーフを有する(Hempel, J., H. Nicholas, and R. Lindahl. 1993. Aldehyde dehydrogenases: Widespread structural and functional diversity within a shared framework. Protein Sci. 2:1890-1900、Liu, Z. J., Y. J. Sun, J. Rose, Y. J. Chung, C. D. Hsial, W. R. Chang, I. Kuo, J. Perozich, R. Lindahl, J. Hempel, and B. C. Wang. 1997. The first structure of an aldehyde dehydrogenase reveals novel interactions between NAD and the Rossmann fold. Nat. Struct. Biol. 4:317-326)。 The styC and styD genes were observed only in the ST-5 strain. The styC gene encodes 168 amino acid residues, and the deduced amino acid sequence is significantly similar to Pseudomonas sp. Y2 SOI (69.5%), and p-cymene methylhydroxylase of Pseudomonas aureofaciens Showed moderate similarity (35.0%) (Table 2). In the open reading frame encoding styD, there were two putative start codons at bases 3068 and 3086 (FIG. 2A). From this, it was suggested that the polypeptide encoded by styD is 502 amino acids to 496 amino acids. Rhodococcus josti RHA1 ALDH (78.6%), Burkholderia sp. 383 BADH (54.4%), Azoarcus sp. BH72 ThmS2 (54.5%), Pseudomonas sp. Y2 StyD (49.9%) ), And high similarity to various aldehyde dehydrogenases such as E. coli W3110 PadA (40.1%) (Table 2). StyD has several cofactor binding motifs conserved in various aldehyde dehydrogenases (Hempel, J., H. Nicholas, and R. Lindahl. 1993. Aldehyde dehydrogenases: Widespread structural and functional diversity within a shared framework Protein Sci. 2: 1890-1900, Liu, ZJ, YJ Sun, J. Rose, YJ Chung, CD Hsial, WR Chang, I. Kuo, J. Perozich, R. Lindahl, J. Hempel, and BC Wang. 1997. The first structure of an aldehyde dehydrogenase reveals novel interactions between NAD and the Rossmann fold. Nat. Struct. Biol. 4: 317-326).
〔実施例4〕ロドコッカスsp.ST-10株によるスチレン代謝の中間体の分析
ST-5株およびST-10株を用いて静止菌体反応を行い、生成した中間体をGC-MSによって同定した。スチレンを基質としたとき、ST-10株の反応生成物としてスチレンオキシドが検出されたが、フェニルアセトアルデヒドは検出されなかった。対照的に、ST-5株は反応生成物としてフェニルアセトアルデヒドのみを蓄積した。これらの結果は、ST-5株およびST-10株のそれぞれの遺伝子発現の差異によることが示唆された。ST-5株においては、スチレンが、StyA、StyB、およびStyCの作用によってフェニルアセトアルデヒドに変換されるが、ST-10株ではStyCを欠くために、スチレンオキシドをフェニルアセトアルデヒドに変換することができず、反応生成物中に蓄積されたと推測される。
[Example 4] Analysis of intermediates of styrene metabolism by Rhodococcus sp.
ST-5 and ST-10 strains were used for static cell reaction, and the resulting intermediate was identified by GC-MS. When styrene was used as a substrate, styrene oxide was detected as a reaction product of the ST-10 strain, but phenylacetaldehyde was not detected. In contrast, the ST-5 strain accumulated only phenylacetaldehyde as a reaction product. These results were suggested to be due to differences in gene expression between the ST-5 and ST-10 strains. In ST-5 strain, styrene is converted to phenylacetaldehyde by the action of StyA, StyB, and StyC, but in ST-10 strain, styrene oxide cannot be converted to phenylacetaldehyde due to lack of StyC. It is presumed that it was accumulated in the reaction product.
ST-10株のスチレン資化メカニズムを解明するため、本発明者らは、HPLCによってST-10株の静止菌体反応による生成物を詳細に調査した。スチレンを基質とした反応産物からは、スチレンオキシド、アセトフェノン、スチレングリコール、およびフェニル酢酸を含む様々な芳香族化合物が見出された(図3A)。また、コントロールとしてスチレンオキシドをST-10株菌体を含まない緩衝液中で反応させたとき、スチレングリコール、アセトフェノン、およびフェニルアセトアルデヒドが検出された(図3B)。スチレンオキシドは不安定な化合物であり、水、過酸化物、または空気の存在下で、他の化合物へと容易に変換されることが報告されている(Liu, Z., J. Michel, Z. Wang, B. Witholt, and L. Zhi. 2006. Enantioselective hydrolysis of styrene oxide with the epoxide hydrolase of Sphingomonas sp. HXN-200. Tetrahedron Asymmetry 17:47-52、Pfaffli, P., H. Vainio, and A. Hesso. 1979. Styrene and styrene oxide concentration in the air during the lamination process int the reinforced plastics industry. Scand. J. Work Environ. Health 5:158-161)。従って、アセトフェノンおよびフェニルアセトアルデヒドは、自発的な反応によってスチレンオキシドから生成したと推測される。さらに、ST-10株の菌体と共にインキュベートしたとき、フェニルアセトアルデヒドは消失し、代わりにフェニル酢酸が増加した(図3C)。 In order to elucidate the styrene utilization mechanism of the ST-10 strain, the present inventors investigated in detail the products of the ST-10 strain by the stationary cell reaction by HPLC. Various aromatic compounds including styrene oxide, acetophenone, styrene glycol, and phenylacetic acid were found in the reaction products based on styrene (FIG. 3A). As a control, styrene glycol, acetophenone, and phenylacetaldehyde were detected when styrene oxide was reacted in a buffer solution not containing ST-10 strain cells (FIG. 3B). Styrene oxide is an unstable compound and has been reported to be easily converted to other compounds in the presence of water, peroxide, or air (Liu, Z., J. Michel, Z Wang, B. Witholt, and L. Zhi. 2006. Enantioselective hydrolysis of styrene oxide with the epoxide hydrolase of Sphingomonas sp.HXN-200. Tetrahedron Asymmetry 17: 47-52, Pfaffli, P., H. Vainio, and A Hesso. 1979. Styrene and styrene oxide concentration in the air during the lamination process in the reinforced plastics industry. Scand. J. Work Environ. Health 5: 158-161). Therefore, it is speculated that acetophenone and phenylacetaldehyde were produced from styrene oxide by a spontaneous reaction. Furthermore, when incubated with the cells of ST-10 strain, phenylacetaldehyde disappeared and phenylacetic acid increased instead (FIG. 3C).
〔実施例5〕フェニル酢酸の代謝に関与している酵素活性の同定
フェニル酢酸の分解経路を同定するため、ST-5株およびST-10株のフェニルアセチル-CoAリガーゼ(PCL)活性を測定した。基質としてフェニル酢酸、CoA、ATPを含む緩衝液にST-5株およびST-10株の無細胞粗抽出物を添加し、反応生成物をHPLCにより分析した。いずれの株についても、無細胞粗抽出物の存在下で、フェニルアセチル-CoAに対応するピークが8.1分の位置に検出された(図4)。これらの結果は、いずれの株もPCL活性を有し、シュードモナス属細菌で報告されているフェニル酢酸(PAA)分解経路と同様の経路を介してフェニル酢酸を分解し得ることを示す。
[Example 5] Identification of enzyme activity involved in the metabolism of phenylacetic acid In order to identify the degradation pathway of phenylacetic acid, the phenylacetyl-CoA ligase (PCL) activity of ST-5 and ST-10 strains was measured. . Cell-free crude extracts of ST-5 and ST-10 strains were added to a buffer containing phenylacetic acid, CoA, and ATP as substrates, and the reaction products were analyzed by HPLC. In any strain, a peak corresponding to phenylacetyl-CoA was detected at a position of 8.1 minutes in the presence of a cell-free crude extract (FIG. 4). These results indicate that all strains have PCL activity and can degrade phenylacetic acid via a pathway similar to the phenylacetic acid (PAA) degradation pathway reported for Pseudomonas bacteria.
以下に、実施例1〜5で得られた結果について考察する。
ロドコッカスsp.ST-5株およびST-10株(以前はコリネバクテリアsp.)が、ガス状スチレンおよびスチレンオキシドを単一炭素源として資化できること、またこれらの菌株がシュードモナスと同様のスチレン代謝経路を有し、スチレンおよびスチレンオキシドを資化していることが示唆されていた(Itoh, N., K. Yoshida, and K. Okada. 1996. Isolation and identification of styrene-degrading Corynebacterium strains, and their styrene metabolism. Biosci. Biotech. Biochem. 60:1826-1830)。
Hereinafter, the results obtained in Examples 1 to 5 will be considered.
Rhodococcus sp. ST-5 and ST-10 (formerly Corynebacterium sp.) Can assimilate gaseous styrene and styrene oxide as a single carbon source, and these strains share the same styrene metabolic pathway as Pseudomonas It has been suggested to assimilate styrene and styrene oxide (Itoh, N., K. Yoshida, and K. Okada. 1996. Isolation and identification of styrene-degrading Corynebacterium strains, and their styrene metabolism Biosci. Biotech. Biochem. 60: 1826-1830).
ST-5株およびST-10株におけるスチレンの分解経路を解明するため、本発明者らはスチレン分解に関与している遺伝子群をPCR技術を利用して単離した。 In order to elucidate the degradation pathway of styrene in the ST-5 and ST-10 strains, the present inventors isolated a group of genes involved in styrene degradation using PCR technology.
図1および図2に示されるように、本発明者らは、ST-5株の約4.7kbpの染色体領域およびST-10株の約4.2kbpの領域の塩基配列を決定した。ST-5株において決定された配列中には4つのORFが含まれ、その推定アミノ酸配列はシュードモナス属細菌において報告されているスチレン代謝遺伝子styABCDと相同性を示した。他方、ST-10株において決定された配列は、styABおよび機能未知タンパク質の3つのORFを有する。シュードモナス属細菌を含む各種微生物から単離されたスチレン代謝遺伝子は、SMO、フラビンオキシドレダクターゼ、SOI、およびフェニルアセトアルデヒドデヒドロゲナーゼを含む、4つの遺伝子から構成されている。さらに、いくつかの微生物はこれらの遺伝子の上流または下流に転写制御因子(styRS)および基質トランスポーター(styE)をコードする遺伝子を有する(Mooney, A., N. D. O'Leary, and A. D. W. Dobson. 2006. Cloning and functional characterization of the styE gene, involved in styrene transport in Pseudomonas putida CA-3. Appl. Environ. Microbiol. 72:1302-1309、Panke, S., B. Witholt, A. Schmid, and M. G. Wubbolts. 1998. Towards a biocatalyst for (S)-styrene oxide productio: characterization of the styrene degradation pathway of Pseudomonas sp. strain VLB120. Appl. Environ. Microbiol. 64:2032-2043、Velasco, A., S. Alonso, J. L. Garcia, J. Perera, and E. Diaz. 1998. Genetic and functional analysis of the styrene catabolic cluster of Pseudomonas sp. strain Y2. J. Bacteriol. 180:1063-1071)。ST-5株およびST-10株の両株はstyAの上流に制御遺伝子を有しておらず、ST-10株はstyCDを欠くことが見出された(図1)。しかしながら、これらの株をガス状スチレンまたはスチレンオキシドで培養したとき、スチレンモノオキシゲナーゼの活性が上昇したことから、シュードモナス属細菌と同様これらの遺伝子の発現を制御している制御遺伝子が存在することが示唆された。ただし、そのような遺伝子はスチレン代謝遺伝子の近隣の領域には存在しない。 As shown in FIGS. 1 and 2, the present inventors determined the nucleotide sequence of the approximately 4.7 kbp chromosomal region of the ST-5 strain and the approximately 4.2 kbp region of the ST-10 strain. The sequence determined in the ST-5 strain contained 4 ORFs, and the deduced amino acid sequence was homologous to the styrenic gene styABCD reported in Pseudomonas bacteria. On the other hand, the sequence determined in the ST-10 strain has three ORFs, styAB and a protein of unknown function. Styrene metabolism genes isolated from various microorganisms including Pseudomonas bacteria are composed of four genes including SMO, flavin oxidoreductase, SOI, and phenylacetaldehyde dehydrogenase. In addition, some microorganisms have genes encoding transcriptional regulators (styRS) and substrate transporter (styE) upstream or downstream of these genes (Mooney, A., ND O'Leary, and ADW Dobson. 2006). Cloning and functional characterization of the styE gene, involved in styrene transport in Pseudomonas putida CA-3.Appl.Environ.Microbiol. 72: 1302-1309, Panke, S., B. Witholt, A. Schmid, and MG Wubbolts. 1998. Towards a biocatalyst for (S) -styrene oxide productio: characterization of the styrene degradation pathway of Pseudomonas sp. Strain VLB120. Appl. Environ. Microbiol. 64: 2032-2043, Velasco, A., S. Alonso, JL Garcia , J. Perera, and E. Diaz. 1998. Genetic and functional analysis of the styrene catabolic cluster of Pseudomonas sp. Strain Y2. J. Bacteriol. 180: 1063-1071). Both the ST-5 and ST-10 strains did not have a regulatory gene upstream of styA, and the ST-10 strain was found to lack styCD (FIG. 1). However, when these strains were cultured in gaseous styrene or styrene oxide, the activity of styrene monooxygenase increased, so that there may be regulatory genes that control the expression of these genes as in Pseudomonas bacteria. It was suggested. However, such a gene is not present in the region adjacent to the styrene metabolism gene.
ST-10株の染色体中にスチレンオキシドイソメラーゼ遺伝子が存在しないことを確認するため、本発明者らは、ST-5株由来のstyC遺伝子をプローブとして、ST-10株ゲノムDNAに対してサザンブロット解析を実施した。その結果、styC遺伝子に相当する特異的なシグナルを見出すことができなかった。一方、コントロールとしてstyA遺伝子をプローブに用いた場合、特異的なバンドが検出された。Itohらは、ST-10株がSOI活性は有していないが、SMO活性およびPAD活性は有することを報告している(Itoh, N., K. Yoshida, and K. Okada. 1996. Isolation and identification of styrene-degrading Corynebacterium strains, and their styrene metabolism. Biosci. Biotech. Biochem. 60:1826-1830)。これらの事実は、ST-10株がSOI以外のスチレン分解酵素を有し、未知経路を介してスチレンオキシドを資化することを示唆している。 In order to confirm that the styrene oxide isomerase gene is not present in the chromosome of the ST-10 strain, the present inventors used a styC gene derived from the ST-5 strain as a probe to perform a Southern blot on ST-10 strain genomic DNA. Analysis was performed. As a result, a specific signal corresponding to the styC gene could not be found. On the other hand, when the styA gene was used as a probe as a control, a specific band was detected. Itoh et al. Report that the ST-10 strain does not have SOI activity but has SMO activity and PAD activity (Itoh, N., K. Yoshida, and K. Okada. 1996. Isolation and identification of styrene-degrading Corynebacterium strains, and their styrene metabolism. Biosci. Biotech. Biochem. 60: 1826-1830). These facts suggest that the ST-10 strain has styrene-degrading enzymes other than SOI and assimilate styrene oxide via an unknown pathway.
ST-10株のスチレン資化経路を解明するため、ST-5株およびST-10株による静止菌体反応を行い、生成した中間体を同定した。GC-MS分析によって、ST-10株の反応生成物としてスチレンオキシドが蓄積され、ST-5株ではフェニルアセトアルデヒドが蓄積されることが明らかとなった。これらの現象は、ST-10株にSOIをコードする遺伝子が存在しないことと一致する。以前の報告において、ST-5株はPAD活性より高いSOI活性を示すことが見出されている(それぞれ、菌体湿重量で33U/g cellおよび1.5U/g cell)。ST-5株においては、転写ターミネーターと推定される配列がstyCとstyDとの間の領域に見出されている(図2)。従って、styDの発現レベルは他のスチレン代謝遺伝子より低いことが推測される。スチレン代謝フラックスにおいて、PAD活性が低いことが要因となりフェニルアセトアルデヒドがST-5株の代謝中間体として蓄積されていることが示唆される。対照的に、ST-10株においては、StyCが欠落しているため、スチレンオキシドが代謝中間体として蓄積している。HPLC分析により、スチレンオキシドがフェニルアセトアルデヒドおよびアセトフェノンへと自発的に異性化されること、またST-10株が自発的に異性化したフェニルアセトアルデヒドを資化していることが証明された(図3)。Itohらは、スチレン、スチレンオキシド、および2-フェニルエタノールがST-10株によって代謝されるが、アセトフェノンおよびスチレングリコールは炭素源として利用されないことを報告している。HPLC分析の結果は、これらの事実とよく一致している。スチレンまたはスチレンオキシドを基質としたとき、両株の反応生成物中に2-フェニルエタノールが観察された。図5に示されるように、フェニルアセトアルデヒドレダクターゼ(PAR)の活性によってフェニルアセトアルデヒドは2-フェニルエタノールに変換される。スチレンの代謝経路において、2-フェニルエタノールは、貯蔵化合物の役割を担っていることが示唆される。2-フェニルエタノール/フェニルアセトアルデヒドの比率は、各化合物の濃度およびNAD+/NADH比によって制御されると推測される。 In order to elucidate the styrene utilization pathway of ST-10 strain, stationary cell reaction was performed by ST-5 strain and ST-10 strain, and the produced intermediate was identified. GC-MS analysis revealed that styrene oxide was accumulated as a reaction product of ST-10 strain, and phenylacetaldehyde was accumulated in ST-5 strain. These phenomena are consistent with the absence of a gene encoding SOI in the ST-10 strain. In previous reports, it was found that the ST-5 strain showed higher SOI activity than PAD activity (33 U / g cell and 1.5 U / g cell in wet cell weight, respectively). In the ST-5 strain, a sequence presumed to be a transcription terminator is found in the region between styC and styD (Fig. 2). Therefore, it is estimated that the expression level of styD is lower than that of other styrene metabolism genes. It is suggested that phenylacetaldehyde is accumulated as a metabolic intermediate of ST-5 strain due to low PAD activity in styrene metabolic flux. In contrast, the ST-10 strain lacks StyC, so styrene oxide accumulates as a metabolic intermediate. HPLC analysis proved that styrene oxide spontaneously isomerized to phenylacetaldehyde and acetophenone, and that ST-10 strain assimilated spontaneously isomerized phenylacetaldehyde (Figure 3). . Itoh et al. Report that styrene, styrene oxide, and 2-phenylethanol are metabolized by the ST-10 strain, but acetophenone and styrene glycol are not utilized as carbon sources. The results of the HPLC analysis are in good agreement with these facts. When styrene or styrene oxide was used as a substrate, 2-phenylethanol was observed in the reaction products of both strains. As shown in FIG. 5, phenylacetaldehyde is converted to 2-phenylethanol by the activity of phenylacetaldehyde reductase (PAR). It is suggested that 2-phenylethanol plays a role of a storage compound in the metabolic pathway of styrene. It is assumed that the 2-phenylethanol / phenylacetaldehyde ratio is controlled by the concentration of each compound and the NAD + / NADH ratio.
フェニル酢酸代謝経路は、シュードモナス.プチダ(putida)および大腸菌のようなグラム陰性菌においてよく解析されている(Luengo, J. M., J. L. Garcia, and E. R. Olivera. 2001. The phenylacetyl-CoA catabolon: a complex catabolic unit with broad biotechnological applications. Mol. Microbiol. 39:1434-1442)。しかしながら、グラム陽性菌の同経路に関してはほとんど情報がない。近年Llorensにより、ロドコッカスsp.RHA1がグラム陰性菌のフェニル酢酸代謝系路に対応するpaa遺伝子群を有することを報告している(Navarro-Llorens, J. M., M. A. Patrauchan, G. R. Stewart, J. E. Davies, L. D. Eltis, and W. W. Mohn. 2005. Phenylacetic acid catabolism in Rhodococcus sp. strain RHA1: a central pathway for degradation of aromatic compounds. J. Bacteriol. 187:4497-4504)。さらに、数種のロドコッカス属細菌の全ゲノム配列が解析されたことにより、そのゲノム中にpaa遺伝子群が存在することが明らかになった。ST-5株およびST-10株も、他のロドコッカス属細菌と同様にPCL活性を有する(図4)。この事実は、ST-5株およびST-10株がpaa遺伝子群を有し、他のグラム陰性菌と同様の経路を利用してフェニル酢酸を資化していることを示唆している。
ST-5株およびST-10株における推定スチレン代謝経路を図5に示した。スチレンはまずSMOによってスチレンオキシドへと酸化され、続いてSOIによってフェニルアセトアルデヒドへと変換される。ST-10株においてはSOIを欠落しているため、この反応は自発的な化学変換によって起きていると推測される。次いで、フェニルアセトアルデヒドはPAD活性によりフェニル酢酸へと酸化され、PAA分解経路により分解される。本発明者らは、ST-5株およびST-10株のゲノム中にスチレン分解遺伝子群が存在することを確認した。ST-10株のスチレン代謝経路はSOIを欠落した不完全なものであるが、ST-10株はスチレンおよびスチレンオキシドを資化することができる。
The phenylacetic acid metabolic pathway has been well analyzed in gram-negative bacteria such as Pseudomonas putida and E. coli (Luengo, JM, JL Garcia, and ER Olivera. 2001. The phenylacetyl-CoA catabolon: a complex catabolic unit with broad biotechnological applications. Mol. Microbiol. 39: 1434-1442). However, there is little information about the same pathway of Gram-positive bacteria. In recent years, Llorens has reported that Rhodococcus sp.RHA1 has a paa gene cluster corresponding to the phenylacetic acid metabolic pathway of Gram-negative bacteria (Navarro-Llorens, JM, MA Patrauchan, GR Stewart, JE Davies, LD Eltis , and WW Mohn. 2005. Phenylacetic acid catabolism in Rhodococcus sp. strain RHA1: a central pathway for degradation of aromatic compounds. J. Bacteriol. 187: 4497-4504). Furthermore, the analysis of the whole genome sequence of several Rhodococcus bacteria revealed that the paa gene cluster exists in the genome. The ST-5 and ST-10 strains also have PCL activity like other Rhodococcus bacteria (FIG. 4). This fact suggests that the ST-5 and ST-10 strains have the paa gene group and assimilate phenylacetic acid using the same pathway as other gram-negative bacteria.
The estimated styrene metabolism pathway in ST-5 and ST-10 strains is shown in FIG. Styrene is first oxidized to styrene oxide by SMO and subsequently converted to phenylacetaldehyde by SOI. Since the ST-10 strain lacks SOI, this reaction is presumed to have occurred by spontaneous chemical conversion. Phenylacetaldehyde is then oxidized to phenylacetic acid by PAD activity and degraded by the PAA degradation pathway. The present inventors have confirmed that styrene-degrading genes are present in the genomes of ST-5 and ST-10 strains. The ST-10 strain has an incomplete styrene metabolism pathway lacking SOI, but the ST-10 strain can assimilate styrene and styrene oxide.
〔実施例6〕Rhodococcus sp. ST-5株 およびST-10株 由来styAの基質特異性
(1)Rhodococcus sp. ST-5株 およびST-10株 由来styAB の大腸菌による異種宿主発現系構築および組換え酵素の発現・精製
Rhodococcus sp. ST-5株 およびST-10株 両株由来のstyAB 遺伝子を大腸菌Escherichia coli において異種宿主発現させるため、以下の手順により発現用プラスミドを構築した。発現には大腸菌株E. coli BL21 (DE3)を用いた。
1. ST-5株 およびST-10株 のstyAB の末端配列に特異的なオリゴヌクレオチドプライマー(表3)を作成し、ST-5株 およびST-10株 ゲノムDNA に対してPCRを実施した。この際N-末端およびC-末端に制限酵素サイト(Bam HI, Hind III) を付加した。
2. 増幅した約1.8 kbp の増幅断片をpGEM-T Easy vector (plomega) にクローニングし、内部配列を確認した。
3. Bam HI、Hind III 処理によりstyAB 断片を切り出し、アガロースゲル電気泳動により精製した。精製したstyAB 断片を同制限酵素によりあらかじめ処理したpET-21 (b) にライゲーションし、E. coli DH5αに導入した。
4. 抗生物質プレート上で形質転換体を選抜した。プラスミドを抽出精製し、E. coli BL21 (DE3) にエレクトロポレーション法により導入した。さらに、組換えタンパク発現を効率化させるためにシャペロン発現ベクターpG-KJE8 を重ねて導入した。
5. 形質転換体を抗生物質プレート上で選抜し、以後発現実験へ用いた。
なお、上記と同様の手法により、styAを単体で発現させるコンストラクトも作成した。
発現プラスミド構築に使用したプライマー配列を表3に、構築したプラスミドを図6に示した。
[Example 6] Substrate specificity of styA derived from Rhodococcus sp. ST-5 and ST-10
(1) Construction of heterologous host expression system of Escherichia coli for styAB from Rhodococcus sp. ST-5 and ST-10 and expression and purification of recombinant enzyme
In order to express the styAB gene derived from both Rhodococcus sp. ST-5 and ST-10 strains in Escherichia coli, a plasmid for expression was constructed according to the following procedure. E. coli BL21 (DE3) was used for expression.
1. Oligonucleotide primers (Table 3) specific for the terminal sequences of styAB of ST-5 and ST-10 were prepared, and PCR was performed on ST-5 and ST-10 genomic DNA. At this time, restriction enzyme sites (Bam HI, Hind III) were added to the N-terminal and C-terminal.
2. The amplified fragment of about 1.8 kbp was cloned into pGEM-T Easy vector (plomega) and the internal sequence was confirmed.
3. The styAB fragment was excised by Bam HI and Hind III treatment and purified by agarose gel electrophoresis. The purified styAB fragment was ligated to pET-21 (b) pretreated with the same restriction enzyme and introduced into E. coli DH5α.
4. Transformants were selected on antibiotic plates. The plasmid was extracted and purified, and introduced into E. coli BL21 (DE3) by electroporation. Furthermore, a chaperone expression vector pG-KJE8 was introduced in an overlapping manner in order to increase the efficiency of recombinant protein expression.
5. Transformants were selected on antibiotic plates and used for subsequent expression experiments.
A construct for expressing styA alone was also prepared by the same method as described above.
The primer sequences used for the construction of the expression plasmid are shown in Table 3, and the constructed plasmid is shown in FIG.
SDS-PAGEによるSMO分子量の分析は以下の条件で行った。
1. 精製したヒスチジンタグを含むStyA サンプルを2x SDS-PAGE サンプルバッファー(100 mM Tris-HCl, 20% グリセロール, 4% SDS, 0.05% ブロモフェノールブルー)に溶解した。
2. 10% ポリアクリルアミドゲルに、タンパク量にして5μg相当の上記サンプルをアプライした。
3. 150 V, 40 mAで 100 分間 泳動した。
4. 泳動したゲルをSDS-PAGE染色液(50% メタノール、10% 酢酸、0.25% クマジーブルー)に浸し、40分間振とうしながら染色を行った。
5. 染色したゲルを脱色液(30% メタノール、10% 酢酸)に浸し、適宜脱色液を交換しながら脱色を行った。
6. 得られたバンドの泳動度から、精製したStyA の分子量は約49.0 kDaであると推定した。分子量の算出には、サンプルと同時に流した分子量マーカー(Prestained APRO-Marker) を指標として用いた。
Analysis of SMO molecular weight by SDS-PAGE was performed under the following conditions.
1. StyA sample containing purified histidine tag was dissolved in 2x SDS-PAGE sample buffer (100 mM Tris-HCl, 20% glycerol, 4% SDS, 0.05% bromophenol blue).
2. The above sample corresponding to a protein amount of 5 μg was applied to a 10% polyacrylamide gel.
3. Run at 150 V, 40 mA for 100 minutes.
4. The electrophoresed gel was immersed in an SDS-PAGE staining solution (50% methanol, 10% acetic acid, 0.25% Coomassie blue) and stained while shaking for 40 minutes.
5. The stained gel was immersed in a decoloring solution (30% methanol, 10% acetic acid), and decolorization was performed while appropriately replacing the decolorizing solution.
6. From the mobility of the obtained band, the molecular weight of purified StyA was estimated to be about 49.0 kDa. For calculating the molecular weight, a molecular weight marker (Prestained APRO-Marker) that was run simultaneously with the sample was used as an index.
また、ゲル濾過によるSMO分子量の分析は以下の条件で行った。
1. 分析システムとしてShimadzu LC-10 HPLC システムを、分析カラムとしてGE ヘルスケア社製Superdex 200 10/300 GL を用いた。
2. 移動相として100 mM KPB, 200 mM NaCl pH 7.0 を用い、流速0.4 ml/min で分離を行った。
3. ヒスチジンタグを含む精製StyA サンプル 100μl (500μg タンパク相当) を分析サンプルとしてアプライし、35.3 min に単一ピークとして溶出した。
4. 同様に、標準試料 (オリエンタル酵母社MW-Marker (HPLC)) を分析した。
5. 標準試料の分子量および溶出時間を以下に示す。
酵母グルタミン酸脱水素酵素 290 kDa 26.9 min
豚心筋乳酸脱水素酵素 142 kDa 31.3 min
酵母エノラーゼ 67 kDa 34.3 min
酵母ミオキナーゼ 32 kDa 39.1 min
馬心筋チトクロームc 12.4 kDa 43.0 min
6. 上記の標準試料の各タンパクの溶出時間および分子量を用いて検量線を作成した。得られた検量線に対して精製StyAの溶出時間35.3 min をプロットした結果、StyA の分子量は59.2 kDa に相当すると推測された。
The SMO molecular weight analysis by gel filtration was performed under the following conditions.
1. Shimadzu LC-10 HPLC system was used as the analytical system, and Superdex 200 10/300 GL manufactured by GE Healthcare was used as the analytical column.
2. Separation was performed at a flow rate of 0.4 ml / min using 100 mM KPB, 200 mM NaCl pH 7.0 as the mobile phase.
3. 100 μl of purified StyA sample containing histidine tag (equivalent to 500 μg protein) was applied as an analytical sample and eluted as a single peak at 35.3 min.
4. Similarly, a standard sample (Oriental Yeast MW-Marker (HPLC)) was analyzed.
5. The molecular weight and elution time of the standard sample are shown below.
Yeast glutamate dehydrogenase 290 kDa 26.9 min
Porcine myocardial lactate dehydrogenase 142 kDa 31.3 min
Yeast enolase 67 kDa 34.3 min
Yeast myokinase 32 kDa 39.1 min
Horse heart cytochrome c 12.4 kDa 43.0 min
6. A calibration curve was prepared using the elution time and molecular weight of each protein in the above standard sample. As a result of plotting the elution time 35.3 min of purified StyA against the obtained calibration curve, it was estimated that the molecular weight of StyA corresponds to 59.2 kDa.
また、組換えStyAB の発現および精製は以下の通りに行った。
1. 発現プラスミドを含む形質転換体を、4 mlのLB medium (50μg/ml アンピシリン、20μg/ml クロラムフェニコール)で37℃、170 rpm で培養した。
2. 前培養液1 ml を100 ml LB medium (50μg/ml アンピシリン、20μg/ml クロラムフェニコール、0.5 mg/ml アラビノース、5 ng/ml テトラサイクリン)に植菌し、37℃、250 rpm で培養した。
3. OD600 が0.5 になったらIPTG を終濃度0.1 mM になるように添加し、18℃、250 rpm、24時間誘導した。
4. 菌体を遠心(18000 rpm, 4℃,10 min)により回収し、50 mM KPB (pH 7.0), 10% glycerol に懸濁、洗浄した。
5. 再度遠心により菌体を回収し、Ni-Sepharose カラムBinding Buffer (50 mM KPB, 10% glycerol, 500 mM NaCl, 10 mM imidazole, pH 7.5 )に再懸濁した。
6. 超音波破砕により菌体を破砕し、遠心(18,000 rpm, 4℃, 20 min x2回)により上清を回収した。
7. Ni-Sepharose カラムBinding Buffer で平衡化したNi-Sepharose High performance カラムに、上記の菌体破砕液上清をアプライし、目的の組換えタンパクを吸着させた。
8. カラム体積の10倍量のBinding Buffer でカラムを洗浄後、Elution Buffer (50 mM KPB, 10% glycerol, 500 mM NaCl, 500 mM imidazole, pH 7.5) により吸着させた目的タンパクを溶出させた。
9. 得られた精製タンパク溶液を透析し、50 mM KPB, 10% glycerol, pH 7.0 に置換した。
10. 透析したタンパク溶液を各種イオン交換クロマトグラフィー(DEAE-Sepharose, Resource Q, MonoQ) を用いて最終精製し、目的タンパク質の精製サンプルを得た。
Recombinant StyAB was expressed and purified as follows.
1. The transformant containing the expression plasmid was cultured in 4 ml of LB medium (50 μg / ml ampicillin, 20 μg / ml chloramphenicol) at 37 ° C. and 170 rpm.
2.
3. When OD 600 reached 0.5, IPTG was added to a final concentration of 0.1 mM and induced at 18 ° C., 250 rpm for 24 hours.
4. The cells were collected by centrifugation (18000 rpm, 4 ° C., 10 min), suspended and washed in 50 mM KPB (pH 7.0), 10% glycerol.
5. The cells were collected again by centrifugation and resuspended in Ni-Sepharose column Binding Buffer (50 mM KPB, 10% glycerol, 500 mM NaCl, 10 mM imidazole, pH 7.5).
6. The cells were disrupted by ultrasonic disruption, and the supernatant was collected by centrifugation (18,000 rpm, 4 ° C., 20 min × 2 times).
7. Ni-Sepharose column The supernatant of the cell disruption solution was applied to a Ni-Sepharose High performance column equilibrated with Binding Buffer to adsorb the target recombinant protein.
8. After washing the column with 10 times the column volume of Binding Buffer, the target protein adsorbed with Elution Buffer (50 mM KPB, 10% glycerol, 500 mM NaCl, 500 mM imidazole, pH 7.5) was eluted.
9. The resulting purified protein solution was dialyzed and replaced with 50 mM KPB, 10% glycerol, pH 7.0.
10. The dialyzed protein solution was finally purified using various ion exchange chromatography (DEAE-Sepharose, Resource Q, MonoQ) to obtain a purified sample of the target protein.
(2)SMO の活性測定
ST-5およびST-10 由来SMO の活性測定は、カラム精製した組換え酵素を用いて行った。各精製酵素、基質、補酵素を50 mM MES緩衝液中に以下の濃度で添加し、反応混合液とした。
反応混合液組成
50 mM MES Buffer (pH 7.0)
20 mM ギ酸ナトリウム
100μM NADH
200μM FAD
1 U ギ酸脱水素酵素
10 U catalase
5 mM substrate(基質変換反応時は、10 mM の基質で反応を実施)
StyA 150μl (基質変換反応時は、StyAB 共発現菌体の菌体破砕液上清を使用)
StyB 100μl
total 1000μl
この反応混合液を30℃、2,500rpmで30分間インキュベーションした。反応終了後、反応混合液に500μlの酢酸エチルを添加し5分間ボルテックスを行った。15,000 rpm で5分間遠心し、分離した酢酸エチル相を新しいチューブに移した。再度500μl の酢酸エチルを水相に添加し、5分間ボルテックス後、再度遠心により酢酸エチル相を回収した。合計1000μl の回収した酢酸エチル相に適量の硫酸ナトリウムを添加し、2分間ボルテックスを行い、脱水処理を行った。脱水処理を行った抽出サンプルを、Hewllet Packerd HP6890 ガスクロマトグラフィーシステムを用いて分析した。
1 U は、1分間に1μmol の基質を産物に変換する酵素活性と定義した。
(2) SMO activity measurement
ST-5 and ST-10-derived SMO activity was measured using a column-purified recombinant enzyme. Each purified enzyme, substrate, and coenzyme were added to a 50 mM MES buffer at the following concentrations to obtain a reaction mixture.
Reaction mixture composition
50 mM MES Buffer (pH 7.0)
20 mM sodium formate
100μM NADH
200μM FAD
1 U formate dehydrogenase
10 U catalase
5 mM substrate (react with 10 mM substrate during substrate conversion reaction)
StyA 150μl (In the substrate conversion reaction, use the cell disruption supernatant of StyAB co-expressing cells)
StyB 100μl
total 1000μl
This reaction mixture was incubated at 30 ° C. and 2,500 rpm for 30 minutes. After completion of the reaction, 500 μl of ethyl acetate was added to the reaction mixture and vortexed for 5 minutes. After centrifugation at 15,000 rpm for 5 minutes, the separated ethyl acetate phase was transferred to a new tube. Again 500 μl of ethyl acetate was added to the aqueous phase, vortexed for 5 minutes, and then the ethyl acetate phase was recovered by centrifugation again. An appropriate amount of sodium sulfate was added to a total of 1000 μl of the collected ethyl acetate phase, followed by vortexing for 2 minutes for dehydration. The dehydrated extracted sample was analyzed using a Hewllet Packerd HP6890 gas chromatography system.
1 U was defined as the enzyme activity that converts 1 μmol of substrate into product per minute.
(3)Gas Chromatography 分析条件
ST-5 およびST-10 由来SMOの反応産物の測定は、ガスクロマトグラフィーを用いて行った。上記反応条件にて反応し、酢酸エチルで抽出した反応産物をHewllet Packard HP6890 ガスクロマトグラフィーシステムを用いて分析した。酢酸エチルにより抽出された試料1μl をVarian 社製CP-Cyclodextrin-b-2,3,6-M-19-25 キャピラリーカラム(25 m, 内径0.25 mm)に注入した。キャリアガス(99.999% 高純度ヘリウムガス)流速は2.8 ml/min、スプリット比は50、線形流速は46 cm/s であった。検出はFID(水素炎イオン化検出器)を用いた。気化室温度は250℃、検出器温度は250℃で行った。
カラムオーブンの温度プログラムは、定温プログラムを用いて行った。各分析サンプルに対するカラムオーブン温度および各物質の検出時間は表4に示した。
各物質の同定および定量は、各標準化合物を1 mM, 5 mM, 10 mM の濃度に調製したサンプルを同条件で分析し、その検出時間およびピーク面積から検量線を作成して求めた。
(3) Gas Chromatography analysis conditions
ST-5 and ST-10-derived SMO reaction products were measured using gas chromatography. The reaction product reacted under the above reaction conditions and extracted with ethyl acetate was analyzed using a Hewllet Packard HP6890 gas chromatography system. 1 μl of the sample extracted with ethyl acetate was injected into a CP-Cyclodextrin-b-2,3,6-M-19-25 capillary column (25 m, inner diameter 0.25 mm) manufactured by Varian. The carrier gas (99.999% high purity helium gas) flow rate was 2.8 ml / min, the split ratio was 50, and the linear flow rate was 46 cm / s. Detection was performed using a FID (flame ionization detector). The vaporization chamber temperature was 250 ° C and the detector temperature was 250 ° C.
The temperature program of the column oven was performed using a constant temperature program. Table 4 shows the column oven temperature and the detection time of each substance for each analysis sample.
The identification and quantification of each substance was determined by analyzing a sample prepared with each standard compound at a concentration of 1 mM, 5 mM, and 10 mM under the same conditions, and creating a calibration curve from the detection time and peak area.
(4)Rhodococcus sp. ST-5株 およびST-10株 由来styAの基質特異性
ST-5およびST-10由来SMOは、スチレンをはじめ様々な基質に対してエポキシ化活性を示した(表5)。その基質特異性は、スチレンを100としたときに、4−フルオロスチレン に対しておよそ2倍の活性を示した。また、生成物の鏡像体過剰率(e.e.)はスチレンや4−クロロスチレン、4−ブロモスチレン、4−フルオロスチレンに対してはやや低いものの、2−クロロスチレンや3−クロロスチレンに対しては99.9%以上の値を示し、その絶対配置は(S)-体であった。
(4) Substrate specificity of styA derived from Rhodococcus sp. ST-5 and ST-10
ST-5 and ST-10-derived SMO showed epoxidation activity against various substrates including styrene (Table 5). The substrate specificity was approximately twice that of 4-fluorostyrene when styrene was 100. Also, the enantiomeric excess (ee) of the product is slightly lower for styrene, 4-chlorostyrene, 4-bromostyrene, 4-fluorostyrene, but for 2-chlorostyrene and 3-chlorostyrene. The value was 99.9% or more, and the absolute configuration was (S) -form.
本発明は、スチレンモノオキシゲナーゼ、該酵素をコードするポリヌクレオチドを提供する。本発明のスチレンモノオキシゲナーゼを利用することにより、スチレンモノオキシゲナーゼを効率よく生産することができる。 The present invention provides a styrene monooxygenase and a polynucleotide encoding the enzyme. By using the styrene monooxygenase of the present invention, styrene monooxygenase can be produced efficiently.
Claims (9)
(a)配列番号:1または3に記載の塩基配列を含むポリヌクレオチド;
(b)配列番号:2または4に記載のアミノ酸配列をコードするポリヌクレオチド;
(c)配列番号:2または4に記載のアミノ酸配列において、1もしくは複数のアミノ酸が置換、欠失、挿入、および/または付加したアミノ酸配列を含み、かつ下記(1)および(2)に記載の理化学的性質を有するスチレンモノオキシゲナーゼをコードするポリヌクレオチド;および
(e)配列番号:2または4に記載のアミノ酸配列と90%以上の同一性を有し、かつ下記(1)および(2)に記載の理化学的性質を有するスチレンモノオキシゲナーゼをコードするポリヌクレオチド;
(1)作用
FADH2(還元型FAD)を補酵素として、スチレンおよび3−クロロスチレンに作用し、それぞれ、光学活性なスチレンオキシドおよび光学活性な3−クロロスチレンオキシドを生成する。
(2)分子量
ゲル濾過におけるヒスチジンを含む分子量が59,000で、SDS-PAGEによる分子量が49,000、アミノ酸組成からの推定分子量が47,000のモノマー酵素である。 The polynucleotide according to any one of (a) to (c) and (e) below:
(A) a polynucleotide comprising the base sequence set forth in SEQ ID NO: 1 or 3;
(B) a polynucleotide encoding the amino acid sequence set forth in SEQ ID NO: 2 or 4;
(C) the amino acid sequence of SEQ ID NO: 2 or 4, comprising an amino acid sequence in which one or more amino acids are substituted, deleted, inserted and / or added, and described in (1) and (2) below polynucleotides encoding styrene monooxygenase having the following physicochemical properties; Contact and <br/> (e) SEQ ID NO: 2 or 4 having the amino acid sequence identity of 90% or more of the described and following (1 And a polynucleotide encoding a styrene monooxygenase having the physicochemical properties described in (2);
(1) Action
FADH 2 (reduced FAD) is used as a coenzyme to act on styrene and 3-chlorostyrene to produce optically active styrene oxide and optically active 3-chlorostyrene oxide, respectively.
(2) Molecular weight This is a monomer enzyme having a molecular weight of 59,000 including histidine in gel filtration, a molecular weight of 49,000 by SDS-PAGE, and an estimated molecular weight of 47,000 from the amino acid composition.
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