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JP7128527B2 - Metal recovery method, metal recovery carrier, and metal recovery bioreactor using the same - Google Patents
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Metal recovery method, metal recovery carrier, and metal recovery bioreactor using the same Download PDF

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Description

本発明は、金属の回収方法及びこれに用いる金属回収用担体、並びに金属回収用担体を用いた金属の回収用バイオリアクターに関する。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to a metal recovery method, a metal recovery carrier used in the same, and a metal recovery bioreactor using the metal recovery carrier.

石油精製プロセスに用いられる触媒、防腐剤の有効成分、工業用オイルの添加剤、電気・電子機器、医療分野で用いられる抗菌剤には、遷移金属、貴金属、レア・アース等の単体金属、又はこれらの金属の酸化物若しくは硫化物が広く用いられている。これらの金属の中には希少価値の高いものも含まれている。
工業用廃水や生活用廃水には、人体に対して毒性のある重金属又は重金属化合物が高濃度で含まれる場合がある。このような廃水によって土壌や水質が汚染された場合、単体金属又は金属化合物を除去する必要がある。一方で、下水処理場の処理過程や工場の廃液処理過程などで生じる汚泥や、金属磁石のスラッジには、希少価値の高いレア・アースが含まれる場合がある。
このような理由から、単体金属若しくは金属化合物(以下、これらをまとめて単に「金属」ということがある)、又はこれらのイオンを効率的に回収する方法が求められている。
Single metals such as transition metals, precious metals, rare earths, Oxides or sulfides of these metals are widely used. Some of these metals are of high rarity value.
Industrial wastewater and domestic wastewater sometimes contain high concentrations of heavy metals or heavy metal compounds that are toxic to the human body. When soil or water quality is polluted by such wastewater, it is necessary to remove elemental metals or metal compounds. On the other hand, rare earths with high scarcity value may be contained in the sludge generated in the treatment process of sewage treatment plants, the waste liquid treatment process of factories, etc., and the sludge of metal magnets.
For these reasons, there is a demand for a method for efficiently recovering elemental metals or metal compounds (these may be collectively referred to simply as "metals" hereinafter) or their ions.

従来、金属の回収方法としては、化学的に金属を回収する方法が一般的であった。しかし、金属の化学的な回収方法は多くのエネルギーが必要であり、環境に対する負荷が大きい。そのため、エネルギーの消費が少なく、環境に対する負荷が少ない、金属の回収方法が求められている。 Conventionally, as a method of recovering metals, a method of chemically recovering metals has been common. However, chemical recovery methods for metals require a lot of energy and have a large impact on the environment. Therefore, there is a demand for a metal recovery method that consumes less energy and has less impact on the environment.

エネルギーの消費が少なく、環境に対する負荷が少ない金属又はそのイオンの回収方法として、微生物を用いた回収方法(バイオソープション)が近年注目されている。
例えば特許文献1及び2には、金属取込み遺伝子や金属結合性遺伝子を大腸菌(Escherichia coli)に導入し、得られた形質転換体の細胞内に遷移金属や重金属を取り込む方法が記載されている。さらに、非特許文献1には、大腸菌の細胞膜貫通タンパク質OmpAを改変することにより大腸菌にカドミウム結合能を付与する方法が記載されている。
BACKGROUND ART In recent years, attention has been focused on a recovery method using microorganisms (biosorption) as a method for recovering metals or their ions that consumes less energy and has less impact on the environment.
For example, Patent Documents 1 and 2 describe a method of introducing a metal uptake gene or metal binding gene into Escherichia coli and incorporating transition metals and heavy metals into the resulting transformant cells. Furthermore, Non-Patent Document 1 describes a method for imparting cadmium-binding ability to E. coli by modifying the E. coli transmembrane protein OmpA.

特開2004-357566号公報JP 2004-357566 A 特開2014-239678号公報JP 2014-239678 A

Protein Engineering, 1998, vol. 11(6), p. 489-494Protein Engineering, 1998, vol.11(6), p.489-494

しかし特許文献1及び2、並びに非特許文献1に記載の方法では、遺伝子組換え微生物を使用する。このような組換え微生物は、安全性の観点から、その適用可能な範囲が大きく制限される。
さらに特許文献1及び2に記載の方法では、目的の金属を組換え微生物の細胞内に蓄積させることで、金属の回収を行う。この場合、細胞内に金属イオンを取り込むには微生物を生存させる必要があるが、取込んだ金属の毒性や蓄積可能な限界値を超える金属量により組換え微生物の増殖能や生育能が低下する場合がある。
However, the methods described in Patent Documents 1 and 2 and Non-Patent Document 1 use genetically modified microorganisms. Such recombinant microorganisms are greatly restricted in their applicability from the viewpoint of safety.
Furthermore, in the methods described in Patent Documents 1 and 2, metals are recovered by accumulating the target metals in the cells of recombinant microorganisms. In this case, it is necessary to keep the microorganisms alive in order to take up the metal ions into the cells, but the toxicity of the taken up metals and the amount of metals exceeding the limit of accumulation can reduce the growth and viability of the recombinant microorganisms. Sometimes.

そこで本発明は、上記問題を解決するものであり、適用可能範囲の制約を受けることなく、幅広い条件下で使用できる、金属の回収方法の提供を課題とする。
また本発明は、上記金属の回収方法に好適に使用できる、金属回収用担体の提供を課題とする。
SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, an object of the present invention is to provide a metal recovery method that can be used under a wide range of conditions without being subject to restrictions in the applicable range.
Another object of the present invention is to provide a metal recovery carrier that can be suitably used in the metal recovery method described above.

これまで、環境から単離された微生物の生物吸着(バイオソープション)によって、金属を濃縮する技術開発が行われている。バイオソープションによる金属回収技術は、化学的な回収方法よりも省エネルギーかつ高い効率で回収が期待されている。しかし、バイオソープションは微生物自体を使用する方法であるため、安全性の観点から、適用可能な範囲が制限される。 Until now, technology has been developed to concentrate metals by biosorption of microorganisms isolated from the environment. Metal recovery technology by biosorption is expected to be more energy efficient and more efficient than chemical recovery methods. However, since biosorption is a method using microorganisms themselves, the scope of application is limited from the viewpoint of safety.

このような状況を鑑み、本発明者らは鋭意検討を行った。
まず本発明者らが、グラム陰性菌の細胞膜を貫通するポリンを構成するアミノ酸配列のうちポリン機能を損なわない領域に、金属イオン結合ペプチドモチーフを導入し、金属イオン結合ペプチドモチーフを表層に発現させた組換え微生物を作製した。その結果得られた組換え微生物は、金属イオンに対する結合能と耐性を有していた。
そして、このような組換え微生物から作製した、生育能を喪失した微生物の死菌体や、元の組換え微生物の細胞膜(リン脂質二重膜)と同じ表面構造を有するベシクルなどの非生命活動体は、適用可能範囲の制約を受けることなく、金属の回収方法に好適に用いることができることを見い出した。
本発明はこれらの知見に基づき完成されるに至ったものである。
In view of such circumstances, the present inventors have conducted extensive studies.
First, the present inventors introduced a metal ion-binding peptide motif into a region that does not impair the porin function in the amino acid sequence that constitutes the porin that penetrates the cell membrane of Gram-negative bacteria, and expressed the metal ion-binding peptide motif on the surface layer. A recombinant microorganism was produced. The resulting recombinant microorganisms had binding ability and resistance to metal ions.
Non-living activities such as dead cells of microorganisms that have lost viability produced from such recombinant microorganisms and vesicles that have the same surface structure as the cell membrane (phospholipid bilayer membrane) of the original recombinant microorganisms. It has been found that the body can be suitably used in a metal recovery process without being restricted in its applicability.
The present invention has been completed based on these findings.

本発明の上記課題は、下記の手段により解決された。
(1)金属回収用担体と、金属イオンを含有する媒体とを接触させて、
前記媒体に含まれる金属イオンを前記金属回収用担体の外層表面に結合させ、
前記媒体から前記金属回収用担体を分離する、
金属の回収方法であって、
前記金属回収用担体は、外層がリン脂質二重膜から構成される非生命活動体であり、
グラム陰性菌由来のポリンが、前記リン脂質二重膜を貫通し、
前記ポリンのアミノ酸配列中、前記グラム陰性菌においてポリン機能を損なわない領域に、金属イオン結合ペプチドモチーフが導入されており、
前記金属イオン結合ペプチドモチーフが、前記リン脂質二重膜の表面に呈示される、
金属の回収方法。
(2)前記ポリンがOmpA、OmpC又はOmpFである、前記(1)項に記載の金属の回収方法。
(3)前記ポリンへの前記金属イオン結合ペプチドモチーフの導入部位が、配列番号8で表されるアミノ酸配列の38~54位までの領域若しくはこれに相当する領域の任意の部位、並びに配列番号8で表されるアミノ酸配列の79~95位までの領域若しくはこれに相当する領域の任意の部位、からなる群より選ばれる少なくとも1つの部位である、前記(1)又は(2)項に記載の金属の回収方法。
(4)前記ポリンへの前記金属イオン結合ペプチドモチーフの導入部位が、配列番号9で表されるアミノ酸配列の43~53位までの領域若しくはこれに相当する領域の任意の部位、並びに配列番号9で表されるアミノ酸配列の339~358位までの領域若しくはこれに相当する領域の任意の部位、からなる群より選ばれる少なくとも1つの部位である、前記(1)又は(2)項に記載の金属の回収方法。
(5)前記金属回収用担体がベシクルである、前記(1)~(4)のいずれか1項に記載の金属の回収方法。
(6)前記金属回収用担体がグラム陰性菌の死菌体である、前記(1)~(4)のいずれか1項に記載の金属の回収方法。
The above problems of the present invention have been solved by the following means.
(1) contacting a metal recovery carrier with a medium containing metal ions,
binding the metal ions contained in the medium to the surface of the outer layer of the metal recovery carrier;
separating the metal recovery carrier from the medium;
A metal recovery method comprising:
The metal recovery carrier is an inactive body whose outer layer is composed of a phospholipid bilayer membrane,
Porins derived from Gram-negative bacteria penetrate the phospholipid bilayer membrane,
a metal ion-binding peptide motif is introduced into a region of the amino acid sequence of the porin that does not impair porin function in the Gram-negative bacterium;
wherein the metal ion-binding peptide motif is displayed on the surface of the phospholipid bilayer membrane;
Metal recovery method.
(2) The method for recovering a metal according to item (1), wherein the porin is OmpA, OmpC or OmpF.
(3) the introduction site of the metal ion-binding peptide motif into the porin is any site in the region from positions 38 to 54 of the amino acid sequence represented by SEQ ID NO: 8 or a region corresponding thereto, and SEQ ID NO: 8; At least one site selected from the group consisting of the region from positions 79 to 95 of the amino acid sequence represented by or any site corresponding to the region, according to (1) or (2) above Metal recovery method.
(4) the introduction site of the metal ion-binding peptide motif into the porin is any site in the region from positions 43 to 53 of the amino acid sequence represented by SEQ ID NO: 9 or a region corresponding thereto, and SEQ ID NO: 9; At least one site selected from the group consisting of the region from positions 339 to 358 of the amino acid sequence represented by or any site corresponding to the region, according to (1) or (2) above Metal recovery method.
(5) The metal recovery method according to any one of (1) to (4) above, wherein the metal recovery carrier is a vesicle.
(6) The metal recovery method according to any one of (1) to (4) above, wherein the carrier for metal recovery is dead cells of Gram-negative bacteria.

(7)外層がリン脂質二重膜から構成される非生命活動体であり、
グラム陰性菌由来のポリンが、前記リン脂質二重膜を貫通し、
前記ポリンのアミノ酸配列中、前記グラム陰性菌においてポリン機能を損なわない領域に、金属イオン結合ペプチドモチーフが導入されており、
前記金属イオン結合ペプチドモチーフが、前記リン脂質二重膜の表面に呈示されている、
金属回収用担体。
(8)前記ポリンがOmpA、OmpC又はOmpFである、前記(7)項に記載の金属回収用担体。
(9)前記ポリンへの前記金属イオン結合ペプチドモチーフの導入部位が、配列番号8で表されるアミノ酸配列の38~54位までの領域若しくはこれに相当する領域の任意の部位、並びに配列番号8で表されるアミノ酸配列の79~95位までの領域若しくはこれに相当する領域の任意の部位、からなる群より選ばれる少なくとも1つの部位である、前記(7)又は(8)項に記載の金属回収用担体。
(10)前記ポリンへの前記金属イオン結合ペプチドモチーフの導入部位が、配列番号9で表されるアミノ酸配列の43~53位までの領域若しくはこれに相当する領域の任意の部位、並びに配列番号9で表されるアミノ酸配列の339~358位までの領域若しくはこれに相当する領域の任意の部位、からなる群より選ばれる少なくとも1つの部位である、前記(7)又は(8)項に記載の金属回収用担体。
(11)ベシクルである、前記(7)~(10)のいずれか1項に記載の金属回収用担体。
(12)グラム陰性菌の死菌体である、前記(7)~(10)のいずれか1項に記載の金属回収用担体。
(13)前記(7)~(12)のいずれか1項に記載の金属回収用担体が固定化されている、金属の回収用バイオリアクター。
(7) an inactive body whose outer layer is composed of a phospholipid bilayer membrane;
Porins derived from Gram-negative bacteria penetrate the phospholipid bilayer membrane,
a metal ion-binding peptide motif is introduced into a region of the amino acid sequence of the porin that does not impair porin function in the Gram-negative bacterium;
wherein the metal ion-binding peptide motif is displayed on the surface of the phospholipid bilayer membrane;
Carrier for metal recovery.
(8) The metal recovery carrier according to item (7), wherein the porin is OmpA, OmpC or OmpF.
(9) the introduction site of the metal ion-binding peptide motif into the porin is any site in the region from positions 38 to 54 of the amino acid sequence represented by SEQ ID NO: 8 or a region corresponding thereto, and SEQ ID NO: 8; At least one site selected from the group consisting of the region from positions 79 to 95 of the amino acid sequence represented by or any site corresponding to the region, according to (7) or (8) above Carrier for metal recovery.
(10) the introduction site of the metal ion-binding peptide motif into the porin is any site in the region from positions 43 to 53 of the amino acid sequence represented by SEQ ID NO: 9 or a region corresponding thereto, and SEQ ID NO: 9; At least one site selected from the group consisting of the region from positions 339 to 358 of the amino acid sequence represented by or any site corresponding to the region, according to (7) or (8) above Carrier for metal recovery.
(11) The metal recovery carrier according to any one of (7) to (10), which is a vesicle.
(12) The metal recovery carrier according to any one of (7) to (10) above, which is a killed Gram-negative bacterium.
(13) A bioreactor for metal recovery, wherein the carrier for metal recovery according to any one of (7) to (12) is immobilized.

本発明の金属の回収方法は、適用可能範囲の制約を受けることなく、幅広い条件で使用できる。
また、本発明の金属回収用担体は適用可能範囲の制約がなく、上記金属の回収方法に好適に使用できる。
本発明の上記および他の特徴および利点は、適宜添付の図面を参照して、下記の記載からより明らかになるであろう。
INDUSTRIAL APPLICABILITY The metal recovery method of the present invention can be used under a wide range of conditions without being restricted in its applicable range.
In addition, the carrier for metal recovery of the present invention is not limited in its applicable range, and can be suitably used in the metal recovery method described above.
The above and other features and advantages of the present invention will become more apparent from the following description, with reference where appropriate to the accompanying drawings.

図1(A)は、本発明の金属回収用担体又はその前駆体の好ましい態様を示す模式図であり、図1(B)は、本発明の金属回収用担体の別の好ましい態様を示す模式図である。FIG. 1(A) is a schematic diagram showing a preferred embodiment of the metal recovery carrier or its precursor of the present invention, and FIG. 1(B) is a schematic diagram showing another preferred embodiment of the metal recovery carrier of the present invention. It is a diagram. 菌種間及び各種ポリン間で行った、OmpA、OmpC及びOmpFのアミノ酸配列のアライメント解析の結果を示す図である。FIG. 2 shows the results of alignment analysis of the amino acid sequences of OmpA, OmpC and OmpF between bacterial strains and between various porins. CRISPR-Cas9システムを利用したゲノム編集の操作フローを示す図である。FIG. 2 is a diagram showing an operational flow of genome editing using the CRISPR-Cas9 system. ガイドRNAクローニングの汎用ベクターとして作製したpEX-A2-sgRNAのプラスミドマップである。Fig. 2 is a plasmid map of pEX-A2-sgRNA prepared as a general-purpose vector for guide RNA cloning. 試験例1で作製した形質転換体における、ompA遺伝子への金属イオン結合ペプチドモチーフ遺伝子の挿入位置(▲印)を示す図である。1 is a diagram showing insertion positions (▴ marks) of metal ion-binding peptide motif genes into the ompA gene in transformants prepared in Test Example 1. FIG. Cuイオン結合ペプチドモチーフをコードするDNA断片の作製方法を示す概略図である。Schematic diagram showing a method for producing a DNA fragment encoding a Cu ion-binding peptide motif. Tbイオン結合ペプチドモチーフをコードするDNA断片の作製方法を示す概略図である。Schematic diagram showing a method for generating a DNA fragment encoding a Tb ion-binding peptide motif. Tbイオン結合ペプチドモチーフをコードするDNA断片の作製方法を示す概略図である。Schematic diagram showing a method for generating a DNA fragment encoding a Tb ion-binding peptide motif. 実施例で作製した形質転換体YM0501、YM0901及びYM1001のOmpAの構造を示す概略図である。FIG. 2 is a schematic diagram showing the structures of OmpA of transformants YM0501, YM0901 and YM1001 prepared in Examples. 実施例で作製した形質転換体YM0701、YM1101及びYM1201のOmpAの構造を示す概略図である。FIG. 2 is a schematic diagram showing the structures of OmpA of transformants YM0701, YM1101 and YM1201 produced in Examples. 実施例で作製した形質転換体YM0501、YM0901及びYM1001の増殖能、生育能を示すグラフである。1 is a graph showing the growth ability and growth ability of transformants YM0501, YM0901 and YM1001 produced in Examples. 実施例で作製した形質転換体YM0701、YM1101及びYM1201の増殖能、生育能を示すグラフである。Fig. 2 is a graph showing the growth ability and growth ability of transformants YM0701, YM1101 and YM1201 produced in Examples. 実施例で作製した形質転換体YM0501とその親株の、金属イオン存在下での増殖能を示すグラフである。1 is a graph showing the ability of the transformant YM0501 produced in Examples and its parent strain to proliferate in the presence of metal ions. 図14(A)は実施例で作製した形質転換体YM0501をFM4-64で染色した様子を示す図面代用写真であり、図14(B)は形質転換体YM0501から作製したベシクルをFM4-64で染色した様子を示す図面代用写真である。FIG. 14(A) is a drawing-substituting photograph showing how the transformant YM0501 prepared in Example was stained with FM4-64, and FIG. 14(B) is a vesicle prepared from the transformant YM0501 with FM4-64. It is a drawing substitute photograph which shows the state dyed. 菌種間及び各種ポリンで行った、OmpAのアミノ酸配列のアライメント解析の結果を示す図である。FIG. 2 shows the results of alignment analysis of OmpA amino acid sequences between bacterial strains and various porins. 菌種間及び各種ポリンで行った、OmpCのアミノ酸配列のアライメント解析の結果を示す図である。FIG. 10 is a diagram showing the results of alignment analysis of OmpC amino acid sequences between strains and various porins. 実施例で作製したompC遺伝子発現用プラスミドのプラスミドマップである。1 is a plasmid map of the ompC gene expression plasmid prepared in Examples. 図18は、試験例4で作製した形質転換体における、ompC遺伝子への金属イオン結合ペプチドモチーフ遺伝子の挿入位置(▲印)を示す図である。FIG. 18 is a diagram showing the insertion position (▴ mark) of the metal ion-binding peptide motif gene into the ompC gene in the transformant prepared in Test Example 4. FIG. 図19(A)は、試験例4で作製したプラスミドpBADompC1-TBpep2のプラスミドマップである。図19(B)は、試験例4で作製したプラスミドpBADompC18-TBpep2のプラスミドマップである。FIG. 19(A) is a plasmid map of the plasmid pBADompC1-TBpep2 prepared in Test Example 4. FIG. 19(B) is a plasmid map of the plasmid pBADompC18-TBpep2 prepared in Test Example 4. FIG. 図20(A)は、試験例4で作製した、プラスミドpBADompC1-TBpep2を含んでなる形質転換体のOmpCの構造を示す概略図である。図20(B)は、試験例4で作製した、プラスミドpBADompC18-TBpep2を含んでなる形質転換体のOmpCの構造を示す概略図である。FIG. 20(A) is a schematic diagram showing the structure of OmpC of a transformant containing the plasmid pBADompC1-TBpep2 produced in Test Example 4. FIG. FIG. 20(B) is a schematic diagram showing the structure of OmpC of the transformant containing the plasmid pBADompC18-TBpep2 produced in Test Example 4. FIG. 図21(A)試験例4で作製した形質転換体の外膜画分を用いて行ったSDS-PAGEの結果を示す図面代用写真である。図21(B)試験例4で作製した形質転換体の外膜画分を用いて行ったウエスタンブロッティングの結果を示す図面代用写真である。FIG. 21(A) is a drawing-substituting photograph showing the results of SDS-PAGE performed using the outer membrane fraction of the transformant produced in Test Example 4. FIG. 21(B) is a drawing-substituting photograph showing the results of Western blotting performed using the outer membrane fraction of the transformant produced in Test Example 4. FIG.

本明細書において、塩基配列及びアミノ酸配列の同一性は、Lipman-Pearson法(Science,1985,vol.227,p.1435-1441)によって計算される。具体的には、遺伝情報処理ソフトウェアGenetyx-Winのホモロジー解析(Search homology)プログラムを用いて、Unit size to compare(ktup)を2として解析を行うことにより算出される。 As used herein, the identity of nucleotide sequences and amino acid sequences is calculated by the Lipman-Pearson method (Science, 1985, vol.227, p.1435-1441). Specifically, it is calculated by performing analysis using a homology analysis (Search homology) program of genetic information processing software Genetyx-Win with a Unit size to compare (ktup) of 2.

本発明の金属回収用担体(以下単に「担体」ともいう)は、リン脂質二重膜を有する非生命活動体であり、担体の外層が前記リン脂質二重膜から構成される。そして、グラム陰性菌由来のポリン(「膜貫通タンパク質」ともいう)が、前記リン脂質二重膜を貫通する。さらに、このポリンを介して、リン脂質二重膜の表面に金属イオン結合ペプチドモチーフが呈示される。本発明の担体において、金属イオン結合ペプチドモチーフは、ポリンのアミノ酸配列中、グラム陰性菌においてポリン機能を損なわず、菌種間でのアミノ酸配列の保存性の低い領域に導入されている。
本明細書において「非生命活動体」とは、増殖能及び代謝能を持たない物質を指す。具体例としては、生育能を喪失した微生物の死菌体や、脂質二重膜により閉じた構造を有する小胞であって、内部にDNAを含まないベシクル(リポソーム)などが挙げられる。
The metal recovery carrier of the present invention (hereinafter also simply referred to as "carrier") is an inactive body having a phospholipid bilayer membrane, and the outer layer of the carrier is composed of the phospholipid bilayer membrane. Gram-negative bacterium-derived porins (also referred to as “transmembrane proteins”) penetrate the phospholipid bilayer membrane. Furthermore, via this porin, a metal ion-binding peptide motif is presented on the surface of the phospholipid bilayer membrane. In the carrier of the present invention, the metal ion-binding peptide motif is introduced into a region of the porin amino acid sequence that does not impair the porin function in Gram-negative bacteria and has low amino acid sequence conservation among bacterial species.
As used herein, the term "non-vital body" refers to a substance that does not have proliferative and metabolic capacity. Specific examples include dead cells of microorganisms that have lost viability, and vesicles (liposomes) that have a closed structure with a lipid bilayer membrane and do not contain DNA inside.

バイオソープションに用いられる従来の微生物、特に組換え微生物は、安全性の観点から、その適用可能な範囲が大きく制限されている。これに対して本発明の金属回収用担体は非生命活動体であるため、適用範囲が制限されることがなく、産業上利用が容易である。
さらに、バイオソープションに用いられる従来の微生物は、その細胞内に金属を蓄積させることに起因して、その増殖能や生育能が低下する場合があった。これに対して本発明の金属回収用担体の前駆体となる微生物は、微生物としての機能(ポリンの機能)に影響することのない部位に金属イオン結合ペプチドモチーフが導入されている。そのため、微生物としての機能が損なわれず、その増殖能や生育能を維持することができる。さらに、本発明の金属回収用担体の前駆体となる微生物を金属イオンが存在する環境下におく必要が無いため、増殖にとって好環境下で前記微生物を増殖させることができる。
Conventional microorganisms, especially recombinant microorganisms, used for biosorption are greatly restricted in their applicability from the viewpoint of safety. On the other hand, since the metal recovery carrier of the present invention is an inanimate object, the scope of application is not limited, and it is easy to use industrially.
Furthermore, conventional microorganisms used for biosorption sometimes have reduced proliferative ability and growth ability due to the accumulation of metals in their cells. On the other hand, in the microorganism that serves as the precursor of the metal recovery carrier of the present invention, a metal ion-binding peptide motif is introduced into a site that does not affect the function of the microorganism (porin function). Therefore, the function as a microorganism is not impaired, and the ability to proliferate and grow can be maintained. Furthermore, since it is not necessary to place the microorganism, which is a precursor of the carrier for metal recovery of the present invention, in an environment in which metal ions are present, the microorganism can be grown in an environment favorable for growth.

本明細書において「金属」とは、単体金属及び金属化合物を包含する。
単体金属としては特に制限はないが、遷移金属、貴金属、アルカリ金属、アルカリ土類金属、半金属が挙げられる。具体的には、Sc(スカンジウム)、Ti(チタン)、V(バナジウム)、Cr(クロム)、Mn(マンガン)、Fe(鉄)、Co(コバルト)、Ni(ニッケル)、Cu(銅)、Zn(亜鉛)、Y(イットリウム)、Zr(ジルコニウム)、Nb(ニオブ)、Mo(モリブデン)、Tc(テクネチウム)、Ru(ルテニウム)、Rh(ロジウム)、Pd(パラジウム)、Ag(銀)、Cd(カドミウム)、La(ランタン)、Ce(セリウム)、Pr(プラセオジム)、Nd(ネオジム)、Pm(プロメチウム)、Sm(サマリウム)、Eu(ユウロピウム)、Gd(ガドリニウム)、Tb(テルビウム)、Dy(ジスプロシウム)、Ho(ホルミウム)、Er(エルビウム)、Tm(ツリウム)、Yb(イッテルビウム)、Lu(ルテチウム)、Hf(ハフニウム)、Ta(タンタル)、W(タングステン)、Re(レニウム)、Os(オスミウム)、Ir(イリジウム)、Pt(白金)、Au(金)、Hg(水銀)、Na(ナトリウム)、K(カリウム)、Mg(マグネシウム)、As(ヒ素)が挙げられる。
また、金属化合物としては、前記単体金属の酸化物、硫化物、オキソアニオン若しくはこれらの塩などが挙げられる。
As used herein, the term "metal" includes elemental metals and metal compounds.
The single metal is not particularly limited, but includes transition metals, noble metals, alkali metals, alkaline earth metals, and semimetals. Specifically, Sc (scandium), Ti (titanium), V (vanadium), Cr (chromium), Mn (manganese), Fe (iron), Co (cobalt), Ni (nickel), Cu (copper), Zn (zinc), Y (yttrium), Zr (zirconium), Nb (niobium), Mo (molybdenum), Tc (technetium), Ru (ruthenium), Rh (rhodium), Pd (palladium), Ag (silver), Cd (cadmium), La (lanthanum), Ce (cerium), Pr (praseodymium), Nd (neodymium), Pm (promethium), Sm (samarium), Eu (europium), Gd (gadolinium), Tb (terbium), Dy (dysprosium), Ho (holmium), Er (erbium), Tm (thulium), Yb (ytterbium), Lu (lutetium), Hf (hafnium), Ta (tantalum), W (tungsten), Re (rhenium), Os (osmium), Ir (iridium), Pt (platinum), Au (gold), Hg (mercury), Na (sodium), K (potassium), Mg (magnesium), As (arsenic).
The metal compounds include oxides, sulfides, oxoanions, and salts thereof of the single metals.

各種金属のイオンに対して特異的な結合性を有するタンパク質は通常、金属酵素、金属シャペロン、及び金属センサーに機能的に大別される(Nature, 2009, vol. 460(7257), p. 823-830)。このうち、金属シャペロンと金属センサーでは、生物で広く保存されている、金属イオンと特異的に結合するペプチドモチーフが知られている(Chem. Biol., 2002, vol. 9(6), p. 673-677; Science, 2003, vol. 301(5638), p. 1383-1387; Science, 2003, vol. 301(5638), p. 1383-1387; Sci. Rep., 2016, vol. 6, p. 33391; Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A., 2011, vol. 108, p. 5045-5050)。本発明の担体では、目的の金属に応じて、このような金属イオン結合ペプチドモチーフから適宜選択して利用する。本発明で用いる金属イオン結合ペプチドモチーフは、20~30残基からなることが好ましい。
本発明で利用可能な金属イオン結合ペプチドモチーフの具体例を下記表1に示す。しかし本発明は、これらに制限されるものではない。
Proteins that have specific binding properties for various metal ions are usually functionally classified into metalloenzymes, metal chaperones, and metal sensors (Nature, 2009, vol. 460(7257), p. 823 -830). Of these, metal chaperones and metal sensors have peptide motifs that are widely conserved in living organisms and specifically bind to metal ions (Chem. Biol., 2002, vol. 9(6), p. 673-677; Science, 2003, vol. 301(5638), p. 1383-1387; Science, 2003, vol. 301(5638), p. 33391; Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 2011, vol. 108, p. The carrier of the present invention appropriately selects and utilizes such metal ion-binding peptide motifs according to the target metal. The metal ion-binding peptide motif used in the present invention preferably consists of 20-30 residues.
Specific examples of metal ion-binding peptide motifs that can be used in the present invention are shown in Table 1 below. However, the present invention is not limited to these.

Figure 0007128527000001
Figure 0007128527000001

本発明における「ポリン」とは、グラム陰性菌の外膜に存在する、透過孔(拡散チャネル)を形成するタンパク質の総称である。ポリンはβシート構造に富み、細胞質側のβシートと、βシートを連結するループを有する。βシートは逆平行であり、外表面に無極性基、内部に極性基を持つ、円筒形のβバレル構造をとる。このような構造のポリンは、グラム陰性菌の外膜等のリン脂質二重膜を貫通する。
本発明で用いることができるポリンは、グラム陰性菌由来の各種ポリンから適宜選択することができる。具体例としては、OmpA、OmpC、OmpF、PhoE、LamB、OprD2、OprE1が挙げられる。このうち、OmpA、OmpC又はOmpFが好ましく、浸透圧条件によらず細胞膜の表層に恒常的に発現しているOmpAがより好ましい。
"Porin" in the present invention is a general term for proteins that form permeable pores (diffusion channels) present in the outer membrane of Gram-negative bacteria. Porins are rich in β-sheet structures and have a cytoplasmic β-sheet and a loop connecting the β-sheets. The β-sheet is antiparallel and has a cylindrical β-barrel structure with nonpolar groups on the outer surface and polar groups on the inside. Such structured porins penetrate phospholipid bilayer membranes such as the outer membrane of Gram-negative bacteria.
Porins that can be used in the present invention can be appropriately selected from various porins derived from Gram-negative bacteria. Specific examples include OmpA, OmpC, OmpF, PhoE, LamB, OprD2, OprE1. Among these, OmpA, OmpC, or OmpF is preferred, and OmpA, which is constantly expressed on the surface of the cell membrane regardless of osmotic conditions, is more preferred.

ポリンの所定の部位に、前述の金属イオン結合ペプチドモチーフを常法により導入する。
本発明では、ポリンの所定の部位に金属イオン結合ペプチドモチーフを挿入又は付加することで、ポリンに金属イオン結合ペプチドモチーフを導入してもよい。あるいは、ポリンの所定の領域のアミノ酸残基の全部又は一部を金属イオン結合ペプチドモチーフに置換してもよい。
The aforementioned metal ion-binding peptide motif is introduced into a predetermined site of the porin by a conventional method.
In the present invention, the metal ion-binding peptide motif may be introduced into the porin by inserting or adding the metal ion-binding peptide motif to a predetermined site of the porin. Alternatively, all or part of the amino acid residues in a given region of porin may be replaced with a metal ion-binding peptide motif.

本発明では、ポリンの機能を損なわないポリンの特定部位に、金属イオン結合ペプチドモチーフを導入する。ここで「ポリンの機能を損なわない」とは、ポリンの立体構造が保たれ、拡散チャネルとしての機能が維持されていることをいう。ポリンの立体構造が保たれ、拡散チャネルとしての機能が維持されているかどうかの判断は、アミノ酸配列のアライメントや、増殖能、生育能の測定により行うことができる。
本発明において金属イオン結合ペプチドモチーフが導入される部位は、ポリンのアミノ酸配列において、グラム陰性菌において細胞外ドメインに相当する部位であることが好ましい。さらに本発明では、菌種間及び各種ポリン間でアミノ酸配列の保存性が低い領域に、金属イオン結合ペプチドモチーフを導入することが好ましい。菌種間及び各種ポリン間でアミノ酸配列の保存性が低い領域は常法に従いアライメントを行うことで決定できる。
In the present invention, a metal ion-binding peptide motif is introduced into a specific site of porin that does not impair porin functions. Here, "does not impair the function of porin" means that the three-dimensional structure of porin is maintained and the function as a diffusion channel is maintained. Whether or not the three-dimensional structure of porin is maintained and the function as a diffusion channel is maintained can be determined by amino acid sequence alignment and measurement of proliferative ability and growth ability.
In the present invention, the site into which the metal ion-binding peptide motif is introduced is preferably the site corresponding to the extracellular domain in Gram-negative bacteria in the porin amino acid sequence. Furthermore, in the present invention, it is preferable to introduce a metal ion-binding peptide motif into a region with low amino acid sequence conservation among bacterial species and among various porins. Regions with low amino acid sequence conservation among bacterial strains and among various porins can be determined by alignment according to a conventional method.

ポリンのアミノ酸配列における、金属イオン結合ペプチドモチーフの導入部位の決定方法について、好ましい態様に基づいて具体的に説明する。しかし本発明は、これに制限されるものではない。
まず、各種ポリンのアミノ酸配列の情報が含まれる各種データベースから、本発明で用いるポリンの細胞外ドメインのアミノ酸配列を特定し、特定したアミノ酸配列のうち10~20残基程度の連続した領域を選択する。次に、選択した領域のアミノ酸配列のアライメントを、異なる菌種間や各種ポリン間で行う。そして、アライメントを行った領域において、異なる菌種間や各種ポリン間で、同一又は類似のアミノ酸残基の個数が3個以下、好ましくは2個以下、より好ましくは1個以下、より好ましくは0個、である領域を、金属ペプチドモチーフの導入部位として決定できる。あるいは、異なる菌種間や各種ポリン間において、細胞外ドメインとして選択した領域のアミノ酸配列の相同性(類似のアミノ酸残基に置換されている場合も含む)が25%以下、好ましくは17%以下、より好ましくは9%以下、より好ましくは0%、である領域を、金属ペプチドモチーフの導入部位として決定できる。
なお、本明細書においてアミノ酸残基の類似性は、アミノ酸残基の側鎖の極性(非極性、正電荷、負電荷)から判断する。そして、側鎖の極性が同じものを、「類似するアミノ酸残基」として分類する。
A method for determining the introduction site of the metal ion-binding peptide motif in the porin amino acid sequence will be specifically described based on preferred embodiments. However, the invention is not so limited.
First, the amino acid sequence of the extracellular domain of the porin used in the present invention is specified from various databases containing information on the amino acid sequences of various porins, and a continuous region of about 10 to 20 residues is selected from the specified amino acid sequence. do. Next, the amino acid sequences of the selected regions are aligned between different strains of bacteria and between various porins. Then, in the aligned region, the number of identical or similar amino acid residues is 3 or less, preferably 2 or less, more preferably 1 or less, more preferably 0 between different bacterial strains or between various porins. A region can be determined as the introduction site for the metallopeptide motif. Alternatively, the amino acid sequence homology of the region selected as the extracellular domain (including substitution with similar amino acid residues) is 25% or less, preferably 17% or less, between different bacterial strains or between various porins. , more preferably 9% or less, more preferably 0%, can be determined as the introduction site for the metallopeptide motif.
In this specification, the similarity of amino acid residues is judged from the polarity (non-polarity, positive charge, negative charge) of the side chains of the amino acid residues. Then, residues having the same side chain polarity are classified as "similar amino acid residues".

本発明において、金属イオン結合ペプチドモチーフの導入部位は、配列番号8で表されるアミノ酸配列の38~54位までの領域若しくはこれに相当する領域の任意の部位、配列番号8で表されるアミノ酸配列の79~95位までの領域若しくはこれに相当する領域の任意の部位、配列番号8で表されるアミノ酸配列の125~137位までの領域若しくはこれに相当する領域の任意の部位、並びに配列番号8で表されるアミノ酸配列の164~181位までの領域若しくはこれに相当する領域の任意の部位、からなる群より選ばれる少なくとも1つの部位であることが好ましく、配列番号8で表されるアミノ酸配列の38~54位までの領域若しくはこれに相当する領域の任意の部位、並びに配列番号8で表されるアミノ酸配列の79~95位までの領域若しくはこれに相当する領域の任意の部位、からなる群より選ばれる少なくとも1つの部位であることがより好ましい。ここで、「配列番号8で表されるアミノ酸配列の38~54位までの領域」は、後述する大腸菌由来のOmpAの細胞外領域1である。また「配列番号8で表されるアミノ酸配列の79~95位までの領域」は、後述する大腸菌由来のOmpAの細胞外領域2である。また「配列番号8で表されるアミノ酸配列の125~137位までの領域」は、後述する大腸菌由来のOmpAの細胞外領域3である。さらに「配列番号8で表されるアミノ酸配列の164~181位までの領域」は、後述する大腸菌由来のOmpAの細胞外領域4である。(以上、図2、図9、図10、図15参照。)
あるいは、金属イオン結合ペプチドモチーフの導入部位は、配列番号9で表されるアミノ酸配列の43~53位までの領域若しくはこれに相当する領域の任意の部位、配列番号9で表されるアミノ酸配列の85~91位までの領域若しくはこれに相当する領域の任意の部位、配列番号9で表されるアミノ酸配列の116~141位までの領域若しくはこれに相当する領域の任意の部位、配列番号9で表されるアミノ酸配列の172~200位までの領域若しくはこれに相当する領域の任意の部位、配列番号9で表されるアミノ酸配列の220~241位までの領域若しくはこれに相当する領域の任意の部位、配列番号9で表されるアミノ酸配列の258~269位までの領域若しくはこれに相当する領域の任意の部位、配列番号9で表されるアミノ酸配列の300~318位までの領域若しくはこれに相当する領域の任意の部位、並びに配列番号9で表されるアミノ酸配列の339~358位までの領域若しくはこれに相当する領域の任意の部位、からなる群より選ばれる少なくとも1つの部位であってもよい。本発明においては、配列番号9で表されるアミノ酸配列の43~53位までの領域若しくはこれに相当する領域の任意の部位、並びに配列番号9で表されるアミノ酸配列の339~358位までの領域若しくはこれに相当する領域の任意の部位、からなる群より選ばれる少なくとも1つの部位であることがより好ましい。ここで、「配列番号9で表されるアミノ酸配列の43~53位までの領域」は、後述する大腸菌由来のOmpCの細胞外領域1である。また「配列番号9で表されるアミノ酸配列の85~91位までの領域」は、後述する大腸菌由来のOmpCの細胞外領域2である。また「配列番号9で表されるアミノ酸配列の116~141位までの領域」は、後述する大腸菌由来のOmpCの細胞外領域3である。また「配列番号9で表されるアミノ酸配列の172~200位までの領域」は、後述する大腸菌由来のOmpCの細胞外領域4である。また「配列番号9で表されるアミノ酸配列の220~241位までの領域」は、後述する大腸菌由来のOmpCの細胞外領域5である。また「配列番号9で表されるアミノ酸配列の258~269位までの領域」は、後述する大腸菌由来のOmpCの細胞外領域6である。また「配列番号9で表されるアミノ酸配列の300~318位までの領域」は、後述する大腸菌由来のOmpCの細胞外領域7である。さらに「配列番号9で表されるアミノ酸配列の339~358位までの領域」は、後述する大腸菌由来のOmpCの細胞外領域8である。(以上、図2、図16、図20(A)及び(B)参照。)
本発明において、金属イオン結合ペプチドモチーフの導入部位は、1か所であっても、2か所以上であってもよい。
後述の実施例でも示すように、前記の各領域は、菌種間及び各種ポリン間でのアミノ酸配列の保存性が低い。さらに、これらの領域に金属イオン結合ペプチドモチーフを導入しても、ポリン機能は損なわれない。そして、これらの領域に導入された金属イオン結合ペプチドモチーフは、リン脂質二重膜の表面に呈示される。
なお、本明細書において「相当する領域」は、目的アミノ酸配列を参照配列と比較し、各アミノ酸配列中に存在する保存アミノ酸残基に最大の相同性を与えるように配列を整列(アラインメント)させることにより決定することができる。アラインメントは、公知のアルゴリズムを用いて実行することができ、その手順は当業者に公知である。例えば、アラインメントは、上述のリップマン・パーソン法等に基づいて手作業で行うこともできるが、Clustal Wマルチプルアラインメントプログラム(Nucleic Acids Res., 1994, Vol. 22, p. 4673-4680)をデフォルト設定で用いることにより行うことができる。Clustal Wは、例えば、欧州バイオインフォマティクス研究所(European Bioinformatics Institute: EBI, [www.ebi.ac.uk/index.html])や、国立遺伝学研究所が運営する日本DNAデータバンク(DDBJ, [www.ddbj.nig.ac.jp/Welcome-j.html])のウェブサイト上で利用することができる。
In the present invention, the introduction site of the metal ion-binding peptide motif is the region from positions 38 to 54 of the amino acid sequence represented by SEQ ID NO: 8 or any site in the region corresponding to this, the amino acid represented by SEQ ID NO: 8 any part of the region from positions 79 to 95 of the sequence or the region corresponding thereto, any part of the region from positions 125 to 137 of the amino acid sequence represented by SEQ ID NO: 8 or the region corresponding to this, and the sequence It is preferably at least one site selected from the group consisting of the region from position 164 to 181 of the amino acid sequence represented by number 8 or any site of the region corresponding to this, represented by SEQ ID NO: 8 any part of the region from positions 38 to 54 of the amino acid sequence or the region corresponding thereto, and any part of the region from positions 79 to 95 of the amino acid sequence represented by SEQ ID NO: 8 or the region corresponding to this, At least one site selected from the group consisting of is more preferable. Here, “the region from positions 38 to 54 of the amino acid sequence represented by SEQ ID NO: 8” is the extracellular region 1 of OmpA derived from E. coli, which will be described later. In addition, “the region from positions 79 to 95 of the amino acid sequence represented by SEQ ID NO: 8” is the extracellular domain 2 of OmpA derived from E. coli to be described later. In addition, the “region from position 125 to position 137 of the amino acid sequence represented by SEQ ID NO: 8” is the extracellular region 3 of OmpA derived from E. coli to be described later. Further, “the region from positions 164 to 181 of the amino acid sequence represented by SEQ ID NO: 8” is the extracellular region 4 of OmpA derived from E. coli to be described later. (See FIGS. 2, 9, 10 and 15 above.)
Alternatively, the introduction site of the metal ion-binding peptide motif is any site in the region from positions 43 to 53 of the amino acid sequence represented by SEQ ID NO: 9 or a region corresponding to this, or the amino acid sequence represented by SEQ ID NO: 9. Any portion of the region from position 85 to 91 or the region corresponding thereto, any region from position 116 to 141 of the amino acid sequence represented by SEQ ID NO: 9 or the region corresponding to this, SEQ ID NO: 9 Any part of the region from position 172 to 200 of the amino acid sequence represented or the region corresponding thereto, any region from position 220 to 241 of the amino acid sequence represented by SEQ ID NO: 9 or the region corresponding to this site, the region from position 258 to 269 of the amino acid sequence represented by SEQ ID NO: 9 or any region corresponding to this, the region from position 300 to 318 of the amino acid sequence represented by SEQ ID NO: 9 or this At least one site selected from the group consisting of any site of the corresponding region, and any site of the region from positions 339 to 358 of the amino acid sequence represented by SEQ ID NO: 9 or the region corresponding thereto, good too. In the present invention, the region from positions 43 to 53 of the amino acid sequence represented by SEQ ID NO: 9 or any region corresponding to this, and positions 339 to 358 of the amino acid sequence represented by SEQ ID NO: 9 More preferably, it is at least one site selected from the group consisting of the region or any site corresponding to the region. Here, “the region from positions 43 to 53 of the amino acid sequence represented by SEQ ID NO: 9” is extracellular domain 1 of E. coli-derived OmpC described later. In addition, “the region from positions 85 to 91 of the amino acid sequence represented by SEQ ID NO: 9” is the extracellular region 2 of OmpC derived from E. coli, which will be described later. In addition, “the region from positions 116 to 141 of the amino acid sequence represented by SEQ ID NO: 9” is the extracellular region 3 of E. coli-derived OmpC described later. In addition, “the region from positions 172 to 200 of the amino acid sequence represented by SEQ ID NO: 9” is the extracellular region 4 of E. coli-derived OmpC described later. In addition, “the region from positions 220 to 241 of the amino acid sequence represented by SEQ ID NO: 9” is the extracellular region 5 of OmpC derived from Escherichia coli to be described later. In addition, “the region from positions 258 to 269 of the amino acid sequence represented by SEQ ID NO: 9” is the extracellular region 6 of OmpC derived from E. coli, which will be described later. In addition, “the region from positions 300 to 318 of the amino acid sequence represented by SEQ ID NO: 9” is the extracellular region 7 of E. coli-derived OmpC described later. Further, “the region from positions 339 to 358 of the amino acid sequence represented by SEQ ID NO: 9” is the extracellular region 8 of E. coli-derived OmpC described later. (Refer to FIGS. 2, 16, 20 (A) and (B) above.)
In the present invention, the introduction site of the metal ion-binding peptide motif may be one site or two or more sites.
As shown in the examples below, each of the above regions has low amino acid sequence conservation among bacterial species and among various porins. Moreover, introduction of metal ion-binding peptide motifs into these regions does not impair porin function. Metal ion-binding peptide motifs introduced into these regions are then displayed on the surface of the phospholipid bilayer membrane.
As used herein, the term "corresponding region" refers to comparing the target amino acid sequence with a reference sequence and aligning the sequences so as to give maximum homology to the conserved amino acid residues present in each amino acid sequence. can be determined by Alignments can be performed using known algorithms, the procedures of which are known to those skilled in the art. For example, the Clustal W multiple alignment program (Nucleic Acids Res., 1994, Vol. 22, p. 4673-4680) defaults, although alignments can be performed manually, such as by the Lippmann-Person method described above. This can be done by using Clustal W, for example, European Bioinformatics Institute (EBI, [www.ebi.ac.uk/index.html]) and the Japan DNA Data Bank (DDBJ, [ www.ddbj.nig.ac.jp/Welcome-j.html]).

本発明の担体の前駆体となる微生物は、遺伝子工学的手法により作製できる。例えば、ポリンをコードするDNAの所定の部位に、金属イオン結合ペプチドモチーフをコードする遺伝子(以下、「金属イオン結合ペプチドモチーフ遺伝子」という)が導入されるよう、宿主微生物の形質転換を行う。そして、得られた形質転換体において金属イオン結合ペプチドモチーフが導入されているポリンを発現させることで、目的の前駆体が得られる。本明細書において、このような方法により得られる前駆体を組換え微生物ともいう。遺伝子工学的手法により金属イオン結合ペプチドモチーフをポリンに導入して組換え微生物を作製する方法としては特に制限はなく、Appl. Environ. Microbiol., 2015, vol. 81(7), p. 2506-2514; Protein Eng., 1998, vol. 11(6), p. 489-494; Appl. Biochem. Biotechnol., 2013, vol. 169(4), p. 1188-1196; Appl. Biochem. Biotechnol., 2011, vol. 165(7-8), p. 1674-1681; Biotechnol. Appl. Biochem., 2004, vol. 40, p. 209-228等に記載の方法を参照することができる。 A microorganism that serves as a precursor of the carrier of the present invention can be produced by genetic engineering techniques. For example, a host microorganism is transformed so that a gene encoding a metal ion-binding peptide motif (hereinafter referred to as "metal ion-binding peptide motif gene") is introduced into a predetermined site of porin-encoding DNA. Then, the target precursor is obtained by expressing the porin into which the metal ion-binding peptide motif has been introduced in the resulting transformant. In the present specification, precursors obtained by such methods are also referred to as recombinant microorganisms. There are no particular restrictions on the method of producing recombinant microorganisms by introducing metal ion-binding peptide motifs into porins by genetic engineering techniques, see Appl. Environ. Microbiol., 2015, vol. 81(7), p. 2506- 2514; Protein Eng., 1998, vol. 11(6), p. 489-494; Appl. Biochem. Biotechnol., 2013, vol. 169(4), p. 2011, vol. 165(7-8), p. 1674-1681; Biotechnol. Appl. Biochem., 2004, vol. 40, p. 209-228.

前記組換え微生物を作製するための宿主微生物としては特に制限されないが、グラム陰性菌が好ましく、Microbiology, 2014, vol. 160, p. 2109-2121に記載の細菌がより好ましい。
本発明で好ましく用いることができるグラム陰性菌としては、エスケリキア(Escherichia)属細菌、赤痢菌(Shigella)属細菌、サルモネラ(Salmonella)属細菌、ナイセリア(Neisseria)属細菌、レジオネラ(Legionella)属細菌、アシネトバクター(Acinetobacter)属細菌、ヘリコバクター(Helicobacter)属細菌、フランシセラ(Francisella)属細菌、エドワードシエラ(Edwardsiella)属細菌、シュードモナス(Pseudomonas)属細菌、ブドウ球菌(Staphylococcus)属細菌、クレブシエラ(Klebsiella)属細菌、ポルフィロモナス(Porphyromonas)属細菌、カンピロバクター(Campylobacter)属細菌、バクテロイデス(Bacteroides)属細菌、ビブリオ(Vibrio)属細菌が挙げられる。具体例としては、大腸菌、フレクスナー赤痢菌(Shigella flexneri)、サルモネラ(Salmonella enterica)、髄膜炎菌(Neisseria meningitidis)、レジオネラ・ニューモフィラ(Legionella pneumophila)、アシネトバクター・バウマニ(Acinetobacter baumannii)、ヘリコバクター・ピロリ(Helicobacter pylori)、粘液細菌(Myxococcus xanthus)、フランシセラ・フィロミラジア(Francisella philomiragia)、フランシセラ・ツラレンシス(Francisella tularensis)、エドワードシエラ・タルダ(Edwardsiella tarda)、緑膿菌(Pseudomonas aeruginosa)、黄色ブドウ球菌(Staphylococcus aureus)、クレブシエラ・ニューモニエ(Klebsiella pneumoniae)、シュードモナス・シリンガエ(Pseudomonas syringae)、フランシセラ・ノビサイダ(Francisella novicida)、淋菌(Neisseria gonorrhoeae)、ポルフィロモナス・ジンジバリス(Porphyromonas gingivalis)、カンピロバクター・ジェジュニ(Campylobacter jejuni)、バクテロイデス・フラジリス(Bacteroides fragilis)、バクテロイデス・シータイオタオミクロン(Bacteroides thetaiotaomicron)、及びコレラ菌(Vibrio cholerae)が挙げられる。これらのうち、エスケリキア属細菌、赤痢菌属細菌、及びサルモネラ属細菌が好ましく、大腸菌、フレクスナー赤痢菌及びサルモネラがより好ましく、大腸菌がさらに好ましい。
後述の実施例でも示すように、前記組換え微生物は、特定の金属に対する特異性及び結合能が優れ、かつ細胞恒常性が維持されている。
Host microorganisms for producing the recombinant microorganisms are not particularly limited, but Gram-negative bacteria are preferable, and bacteria described in Microbiology, 2014, vol. 160, p. 2109-2121 are more preferable.
Gram-negative bacteria that can be preferably used in the present invention include Escherichia bacteria, Shigella bacteria, Salmonella bacteria, Neisseria bacteria, Legionella bacteria, Acinetobacter , Helicobacter , Francisella , Edwardsiella , Pseudomonas , Staphylococcus , Klebsiella , bacteria of the genus Porphyromonas , bacteria of the genus Campylobacter , bacteria of the genus Bacteroides , and bacteria of the genus Vibrio . Specific examples include Escherichia coli, Shigella flexneri , Salmonella enterica , Neisseria meningitidis , Legionella pneumophila , Acinetobacter baumannii , and Helicobacter pylori. Helicobacter pylori , Myxococcus xanthus , Francisella philomiragia , Francisella tularensis , Edwardsiella tarda , Pseudomonas aeruginosa , Staphylococcus aureus ), Klebsiella pneumoniae , Pseudomonas syringae , Francisella novicida , Neisseria gonorrhoeae , Porphyromonas gingivalis , Campylobacter jejuni , Bacteroides fragilis , Bacteroides thetaiotaomicron , and Vibrio cholerae . Among these, bacteria belonging to the genus Escherichia, bacteria belonging to the genus Shigella, and bacteria belonging to the genus Salmonella are preferred, Escherichia coli, Shigella flexneri and Salmonella are more preferred, and Escherichia coli is even more preferred.
As shown in the examples below, the recombinant microorganism has excellent specificity and binding ability to specific metals, and maintains cell homeostasis.

前述のように作製した前駆体は、本発明の担体の作製に好適に用いることができる。さらに、前駆体である遺伝子組換え微生物が増殖能を維持していれば増殖を続けることができ、本発明の担体を大量に生成することができる。 The precursor produced as described above can be suitably used for production of the carrier of the present invention. Furthermore, if the genetically modified microorganism that is the precursor maintains the ability to proliferate, it can continue to proliferate, and the carrier of the present invention can be produced in large amounts.

本発明の担体の好ましい形態としては、前記前駆体から常法に従い作製した、ゲノムDNAや、増殖能、代謝能といった微生物が有する特徴を喪失したベシクルが挙げられる。ここで「ベシクル」とは、リン脂質二重膜により閉じた構造を有する小胞をいう。ベシクルは遺伝情報を持たず、産業応用において主な制約となる遺伝子組換え微生物ではない。よって、安全性の観点から前述の組換え微生物を適用できない環境下、条件下であっても、非生物素材である外膜ベシクルであれば金属の回収や除去などに用いることができ、産業上の利用が容易である。
図1(A)及び(B)を参照して説明すると、ベシクル20は、図1(A)に示すような前記組換え微生物10の外膜1から産生され、内部にはDNAを含まない閉じた膜構造を有するベシクル(小胞)である。そしてベシクル20の外層(リン脂質二重膜から構成される外膜1)の表面には、組換え微生物10の外膜1の表面と同様に、ポリン3のアミノ酸配列中に導入された金属イオン結合ペプチドモチーフ4が呈示されている。
Preferable forms of the carrier of the present invention include genomic DNA prepared from the above-mentioned precursors by conventional methods, and vesicles that have lost the characteristics of microorganisms such as proliferation ability and metabolic ability. As used herein, the term "vesicle" refers to a vesicle having a structure closed by a phospholipid bilayer membrane. Vesicles do not carry genetic information and are not genetically modified microorganisms, which is a major limitation in industrial applications. Therefore, even in environments and conditions where the above-mentioned recombinant microorganisms cannot be applied from the viewpoint of safety, outer membrane vesicles, which are non-biological materials, can be used for metal recovery and removal, etc. is easy to use.
1(A) and (B), the vesicle 20 is produced from the outer membrane 1 of the recombinant microorganism 10 as shown in FIG. 1(A) and contains no DNA inside. It is a vesicle (vesicle) with a membrane structure. Then, on the surface of the outer layer of the vesicle 20 (outer membrane 1 composed of a phospholipid bilayer membrane), metal ions introduced into the amino acid sequence of the porin 3 are present on the surface of the outer membrane 1 of the recombinant microorganism 10 . Binding peptide motif 4 is presented.

本発明のベシクルは、前述の方法により作製した、金属イオン結合ペプチドモチーフを細胞膜(リン脂質二重膜)の表面に呈示させた組換え微生物から作製することができる。具体的には、前述の方法により金属イオン結合ペプチドモチーフ4を細胞膜(リン脂質二重膜から構成される外膜1)の表面に呈示させた組換え微生物10を作製する工程、組換え微生物10を培養し、ベシクル20を産生させる工程、培養液の遠心、フィルター濾過による組換え微生物の除去工程、超遠心による培養液中のベシクルの分離、濃縮工程により作製できる。本発明のベシクルを作製する方法としては、PLos ONE, 2016, vol. 11(12), e0169186; J. Bacteriol., 1995, vol. 177(14), p. 3998-4008; Annu. Rev. Microbiol., 2010, vol. 64, p. 163-184; J. Bacteriol., 1998, vol. 180(18), p. 4872-4878; Proteomics., 2014, vol. 14(2-3), p. 222-229等に記載の方法を参照することができる。 The vesicle of the present invention can be produced from a recombinant microorganism having a metal ion-binding peptide motif produced by the above-described method displayed on the surface of the cell membrane (phospholipid bilayer membrane). Specifically, the step of producing a recombinant microorganism 10 in which the metal ion-binding peptide motif 4 is displayed on the surface of the cell membrane (outer membrane 1 composed of a phospholipid bilayer) by the above-described method; to produce vesicles 20, centrifugation of the culture solution, removal of recombinant microorganisms by filter filtration, separation of vesicles in the culture solution by ultracentrifugation, and concentration steps. As a method for producing the vesicles of the present invention, PLos ONE, 2016, vol. 11(12), e0169186; J. Bacteriol., 1995, vol. 177(14), p. 3998-4008; Annu. Rev. Microbiol ., 2010, vol. 64, p. 163-184; J. Bacteriol., 1998, vol. 180(18), p. 4872-4878; Proteomics., 2014, vol. 222-229, etc. can be referred to.

本発明の担体の別の好ましい形態としては、図1(A)を参照して説明すると、前記前駆体(組換え微生物10)を死滅させて作製した、死菌体が挙げられる。死滅させた死菌体であれば、安全性の観点から、その使用を制限されることが少なく、産業上の利用が容易である。死菌体は、常法に従い前駆体微生物をオートクレーブ滅菌することで作製することができる。 Another preferred form of the carrier of the present invention is a killed cell produced by killing the precursor (recombinant microorganism 10) described above with reference to FIG. 1(A). From the viewpoint of safety, there are few restrictions on the use of killed cells, and they are easy to use industrially. Killed cells can be prepared by autoclave sterilization of precursor microorganisms according to a conventional method.

本発明の担体と金属又はそのイオンを含有する媒体とを接触させ、媒体に含まれる金属イオンを本発明の担体の表面に結合させ、本発明の担体を分離することで、金属を回収できる。
本発明の担体の表面に結合した金属又はそのイオンの取り出し方法に特に制限はない。例えば、高温(100℃程度)処理による金属イオン結合ペプチドモチーフの二次構造の変性、高塩濃度(数M)溶液処理による金属イオン結合ペプチドモチーフからの金属イオン乖離、不可逆的な金属イオン結合ペプチドモチーフの分解、等により行うことができる。このような方法により、河川や海などの自然水域環境や、都市鉱山、金属磁石スラッジを酸などで溶解させた水溶液、金属で汚染された土壌の分散物などから作製した媒体などから回収した金属は、石油精製プロセスに用いられる触媒、防腐剤の有効成分、工業用オイルの添加剤、電気・電子機器、医療分野で用いられる抗菌剤などに再利用できる。金属と分離した後の担体は、金属イオン結合ペプチドモチーフの構造が完全に破壊されていない場合、担体を再利用できる。
また、上記方法により、金属で汚染された環境水や土壌に含まれる金属を除去でき、水質や土壌の浄化も可能となる。
The metal can be recovered by contacting the carrier of the present invention with a medium containing the metal or its ions, binding the metal ions contained in the medium to the surface of the carrier of the present invention, and separating the carrier of the present invention.
There is no particular limitation on the method for extracting the metal or its ions bound to the surface of the carrier of the present invention. For example, denaturation of the secondary structure of metal ion-binding peptide motifs by high temperature (approximately 100°C) treatment, metal ion dissociation from metal ion-binding peptide motifs by high salt concentration (several M) solution treatment, irreversible metal ion-binding peptides. It can be carried out by decomposing the motif, or the like. Metals recovered from media such as natural water environments such as rivers and seas, urban mines, aqueous solutions of metal magnet sludge dissolved in acid, and dispersions of metal-contaminated soil, etc. can be reused as catalysts used in petroleum refining processes, active ingredients in preservatives, industrial oil additives, electrical and electronic equipment, and antibacterial agents used in the medical field. The carrier after separation from the metal can be reused if the structure of the metal ion-binding peptide motif is not completely destroyed.
Moreover, by the above method, metals contained in environmental water and soil contaminated with metals can be removed, making it possible to purify water and soil.

本発明の担体を適当な支持体などに固定化することで、微生物素材由来のバイオリアクター(例えば、金属を回収又は除去するためのカラム若しくはフィルム、金属の回収又は除去剤)を提供することができる。本発明で用いることができる支持体に特に制限はないが、水又は特定の溶媒に対して不溶性の物質が挙げられる。例えば、ポリビニルアルコール、ポリウレタンフォーム、ポリスチレンフォーム、ポリアクリルアミド、ポリビニルフォルマール樹脂多孔質体、シリコンフォーム、セルロース多孔質体等の発泡体又は樹脂が挙げられる。なお、本明細書において「固定化」とは、本発明の担体が遊離の状態ではなく、支持体に結合若しくは付着した状態、又は支持体内部に取り込まれた状態をいう。 By immobilizing the carrier of the present invention on a suitable support or the like, it is possible to provide a bioreactor derived from microbial materials (for example, a column or film for recovering or removing metals, a metal recovering or removing agent). can. The support that can be used in the present invention is not particularly limited, and includes substances that are insoluble in water or specific solvents. Examples thereof include foams or resins such as polyvinyl alcohol, polyurethane foam, polystyrene foam, polyacrylamide, polyvinyl formal resin porous body, silicone foam, and cellulose porous body. As used herein, the term "immobilized" refers to a state in which the carrier of the present invention is bound or attached to a support, or incorporated in a support, rather than in a free state.

以下、本発明を実施例に基づきさらに詳細に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。 EXAMPLES The present invention will be described in more detail below based on examples, but the present invention is not limited to these.

試験例1 金属イオン結合ペプチドモチーフを細胞外層の表面に呈示する組み換え大腸菌の作製
(1)金属イオン結合ペプチドモチーフを呈示する大腸菌細胞外層の標的領域の検討
大腸菌の細胞外層の表面に金属イオン結合ペプチドモチーフを呈示するため、細胞最外層に局在するタンパク質に注目した。
大腸菌のようなグラム陰性細菌を囲うリン脂質の生体膜は2重であり、その外側を外膜、内側を内膜と呼ぶ。大腸菌の外膜には主に3種類のポリン(OmpA(配列番号8)、OmpC(配列番号9)、OmpF(配列番号10))が局在する。このうち、グラム陰性細菌ではOmpAが恒常的に発現し、主要な外膜タンパク質である。大腸菌由来のOmpAは8箇所の膜貫通領域をもち、結果として細胞外側に呈示される4つの細胞外領域を有している。以下、4つの細胞外領域をそれぞれ、「細胞外領域1(Extracellular-1)」、「細胞外領域2(Extracellular-2)」、「細胞外領域3(Extracellular-3)」、「細胞外領域(Extracellular-4)」という(図2、図15参照)。
Test Example 1 Production of Recombinant Escherichia coli Presenting Metal Ion-Binding Peptide Motifs on the Surface of the Outer Cell (1) Examination of Target Regions in Escherichia coli Outer Cells Showing Metal Ion-Binding Peptide Motifs To present the motifs, we focused on proteins localized in the outermost layer of cells.
The phospholipid biomembranes surrounding Gram-negative bacteria such as E. coli are double-layered, the outer membrane being called the outer membrane and the inner membrane being called the inner membrane. Three types of porins (OmpA (SEQ ID NO: 8), OmpC (SEQ ID NO: 9), and OmpF (SEQ ID NO: 10)) are mainly localized in the outer membrane of E. coli. Among them, OmpA is constitutively expressed in Gram-negative bacteria and is a major outer membrane protein. Escherichia coli-derived OmpA has eight transmembrane domains, resulting in four extracellular domains that are displayed outside the cell. The four extracellular regions are hereinafter referred to as "Extracellular-1", "Extracellular-2", "Extracellular-3", and "Extracellular region", respectively. (Extracellular-4)” (see Figures 2 and 15).

ClustalWにより作成した、大腸菌由来のOmpA、OmpC及びOmpF、フレクスナー赤痢菌由来のOmpA(配列番号32)、OmpC(配列番号33)及びOmpF(配列番号34)、並びにサルモネラ由来のOmpA(配列番号35)、OmpC(配列番号36)及びOmpF(配列番号37)のアミノ酸配列のアライメントから、細胞外領域1には、同一のアミノ酸残基及び類似するアミノ酸残基は存在しないことがわかった(図2参照)。また、細胞外領域2にも同一のアミノ酸残基はなく、類似するアミノ酸残基が1つ存在するのみあった(図2参照)。
一方、細胞外領域3及び4にはそれぞれ、同一のアミノ酸残基が2つ、類似するアミノ酸残基が1つ存在した(図2参照)。
OmpA, OmpC and OmpF from E. coli, OmpA (SEQ ID NO: 32), OmpC (SEQ ID NO: 33) and OmpF (SEQ ID NO: 34) from Shigella flexneri, and OmpA from Salmonella (SEQ ID NO: 35) made by ClustalW , OmpC (SEQ ID NO: 36) and OmpF (SEQ ID NO: 37), it was found that there are no identical or similar amino acid residues in extracellular domain 1 (see FIG. 2). ). Moreover, there were no identical amino acid residues in extracellular domain 2, and only one similar amino acid residue was present (see FIG. 2).
On the other hand, there were two identical amino acid residues and one similar amino acid residue in each of the extracellular regions 3 and 4 (see FIG. 2).

以上の結果から、菌種間及び各種ポリン間でのアミノ酸配列の保存性が極めて低い細胞外領域1と細胞外領域2が、ポリンの機能、好ましくはOmpA機能に重要ではないと考えた。そしてこの領域を、金属イオン結合ペプチドモチーフを挿入する標的とした。 Based on the above results, it was considered that extracellular domain 1 and extracellular domain 2, which have extremely low amino acid sequence conservation among fungal species and among various porins, are not important for porin function, preferably OmpA function. This region was then targeted for insertion of metal ion-binding peptide motifs.

(2)CRISPR-CasシステムにおけるガイドRNAクローニングの汎用ベクター構築
まず、Jiangらによって構築されたCRISPR-Cas9システムを利用したゲノム編集法を応用した(Appl. Environ. Microbiol., 2015, vol. 81(7), p. 2506-2514)(図3参照)。
この系では、まず化膿レンサ球菌(Streptococcus pyogenes)由来Cas9エンドヌクレアーゼ、λ-Redリコンビナーゼ(アラビノース誘導)、及び複製起点pMB1を標的とするガイドRNA(IPTG誘導)をコードする温度感受性プラスミドpCasを大腸菌に導入する。次にpCasを導入した大腸菌に、標的遺伝子に特異的なガイドRNAを発現するプラスミドを導入することで、細胞内で発現したCas9と標的遺伝子特異的ガイドRNAを発現するプラスミドとが複合体を形成し、ゲノム上の標的位置でDNA二本鎖を切断し、細胞死を引き起こす。しかし、ガイドRNA発現プラスミドの導入と共に、組換えを起こさせたい鋳型DNA断片の導入と、アラビノース存在下での培養を行うと、アラビノースによって発現が誘導されたλ-Redリコンビナーゼの作用により、ゲノム上の標的位置で切断されたDNAと鋳型DNA断片での相同組み換えが起きる。結果として、ゲノムが修復され、ゲノム上に鋳型DNA断片が組み込まれた大腸菌細胞を得ることができる。
また、pCasにはIPTGにより誘導されるpMB1複製起点特異的sgRNAがコードされており、ゲノム相同組み換えの後、獲得した形質転換体をIPTG存在下で培養することでpMB1複製起点を持つ標的遺伝子特異的なガイドRNA発現プラスミドはCas9によって切断され、除去される。
さらに、pCasは温度感受性複製起点を持つことから、培養温度を37℃あるいは42℃に上げて形質転換体を培養することにより容易に除去することができるシステムとなっている。
(2) General-purpose vector construction for guide RNA cloning in CRISPR-Cas system First, we applied the genome editing method using the CRISPR-Cas9 system constructed by Jiang et al. (Appl. Environ. Microbiol., 2015, vol. 81 ( 7), p. 2506-2514) (see Figure 3).
In this system, first, the temperature-sensitive plasmid pCas, which encodes Cas9 endonuclease from Streptococcus pyogenes , λ-Red recombinase (arabinose induction), and a guide RNA targeting the replication origin pMB1 (IPTG induction), was introduced into E. coli. Introduce. Next, by introducing a plasmid that expresses a target gene-specific guide RNA into E. coli into which pCas has been introduced, Cas9 expressed in the cell and the plasmid that expresses the target gene-specific guide RNA form a complex. and cleaves DNA double-strands at target locations on the genome, causing cell death. However, when a guide RNA expression plasmid is introduced, a template DNA fragment for which recombination is to be introduced, and cultured in the presence of arabinose, the action of λ-Red recombinase whose expression is induced by arabinose results in Homologous recombination occurs between the DNA cleaved at the target position and the template DNA fragment. As a result, an E. coli cell whose genome has been repaired and the template DNA fragment has been integrated onto the genome can be obtained.
In addition, pCas encodes a pMB1 replication origin-specific sgRNA that is induced by IPTG. A typical guide RNA expression plasmid is cleaved and removed by Cas9.
Furthermore, since pCas has a temperature-sensitive replication origin, the system can be easily removed by raising the culture temperature to 37°C or 42°C and culturing transformants.

まず、ガイドRNA発現プラスミドの構築のため、設計したcrRNA配列を組み込むベクターの作製を行った。QiらによるtracrRNA配列及びガイドRNAの構成発現プロモーター配列(Cell, 2013, vol. 152(5), p. 1173-1183)を参考に、この配列中のtracrRNA配列の5’側に制限酵素NotIの認識部位を挿入した配列をユーロフィンジェノミクスの人工遺伝子合成サービスを利用してpEX-A2ベクターに挿入したpEX-A2-sgRNAを構築した(配列番号11、図4参照)。
なお、配列番号11で表される塩基配列において、86-147位の塩基配列は「tracrRNA」であり、155-227位の塩基配列は「Pj23119 promoter」であり、255-370位の塩基配列は「lac promoter」であり、587-1260位の塩基配列は「pMB1 ori」であり、1405-2266位の塩基配列は「bla」である。
First, for the construction of a guide RNA expression plasmid, a vector incorporating the designed crRNA sequence was constructed. With reference to the tracrRNA sequence and guide RNA constitutive expression promoter sequence (Cell, 2013, vol. 152(5), p. 1173-1183 ) by Qi et al. pEX-A2-sgRNA was constructed by inserting the sequence into which the recognition site of was inserted into the pEX-A2 vector using the artificial gene synthesis service of Eurofins Genomics (SEQ ID NO: 11, see FIG. 4).
In the nucleotide sequence represented by SEQ ID NO: 11, the nucleotide sequence at positions 86-147 is "tracrRNA", the nucleotide sequence at positions 155-227 is "Pj23119 promoter", and the nucleotide sequence at positions 255-370 is The nucleotide sequence at positions 587-1260 is "pMB1 ori", and the nucleotide sequence at positions 1405-2266 is "bla".

(3)ゲノム編集を用いた大腸菌外膜タンパク質非保存領域の特異的切断
次に、前述のOmpAの細胞外領域1を標的としたcrRNA配列を持つガイドRNA発現プラスミドを構築するため、オリゴヌクレオチドompA1_sgRNA_N20(配列番号12、5’-CCGCAGCGGTTTCAGTGTTGATGAAACCAGTGTCAGTTTTAGAGCTAGAA-3’、下線はpEX-A2-sgRNAとの相同配列)とその相補鎖オリゴヌクレオチドompA1_sgRNA_com(配列番号13、5’-TTCTAGCTCTAAAACTGACACTGGTTTCATCAACACTGAAACCGCTGCGG-3’、下線はpEX-A2-sgRNAとの相同配列)をアニーリングして2本鎖DNA断片とし、NotIで切断したpEX-A2-sgRNAへIn-Fusion HD Cloning kit(Takara bio社製)を用いpsgRNA-ompA1-14を構築した(図5参照)。
同様に、OmpAの細胞外領域2を標的としたcrRNA配列を持つガイドRNA発現プラスミドを構築するため、オリゴヌクレオチドompA2_sgRNA_N20(配列番号14、5’-CCGCAGCGGTTTCAGTGTTGATGAAACCAGTGTCAGTTTTAGAGCTAGAA-3’、下線はpEX-A2-sgRNAとの相同配列)とその相補鎖オリゴヌクレオチドompA2_sgRNA_com(配列番号15、5’-TTCTAGCTCTAAAACTTGTACGGCATACGACCTAACTGAAACCGCTGCGG-3’、下線はpEX-A2-sgRNAとの相同配列)をアニーリングして2本鎖DNA断片とし、NotIで切断したpEX-A2-sgRNAへIn-Fusion HD Cloning kit(Takara bio社製)を用いpsgRNA-ompA2-29を構築した(図5参照)。
(3) Specific cleavage of E. coli outer membrane protein non-conserved region using genome editing (SEQ ID NO: 12, 5'- CCGCAGCGGTTTCAG TGTTGATGAAACCAGTGTCA GTTTTAGAGCTAGAA -3', underlined is the sequence homologous to pEX-A2-sgRNA) and its complementary oligonucleotide ompA1_sgRNA_com (SEQ ID NO: 13, 5'- TTCTAGCTCTAAAAC TGACACTGGTTTCATCAACA CTGAAACCGCTGCGG -3', underlined) is a sequence homologous to pEX-A2-sgRNA) was annealed to form a double-stranded DNA fragment, and psgRNA -ompA1 -14 was constructed (see Figure 5).
Similarly, to construct a guide RNA expression plasmid with a crRNA sequence targeting the extracellular region 2 of OmpA, oligonucleotide ompA2_sgRNA_N20 (SEQ ID NO: 14, 5′- CCGCAGCGGTTTCAG TGTTGATGAAACCAGTGTCA GTTTTAGAGCTAGAA -3′, underlined pEX-A2- sgRNA) and its complementary oligonucleotide ompA2_sgRNA_com (SEQ ID NO: 15, 5'- TTCTAGCTCTAAAAC TTGTACGGCATACGACCTAA CTGAAACCGCTGCGG -3', underlined is the homologous sequence to pEX-A2-sgRNA) to form a double-stranded DNA fragment. , Not I-cleaved pEX-A2-sgRNA was used to construct psgRNA-ompA2-29 using the In-Fusion HD Cloning kit (manufactured by Takara bio) (see Fig. 5).

pCas(カナマイシン耐性)を導入した大腸菌W3110 typeAに、psgRNA-ompA1-14(アンピシリン耐性)又はpsgRNA-ompA2-29(アンピシリン耐性)を導入した。しかし、アンピシリン耐性能をもつ大腸菌形質転換体を得ることができなかった。
これらの結果より、前記psgRNA-ompA1-14及びpsgRNA-ompA2-29は、Cas9依存的にゲノム上のそれぞれ標的とするompA遺伝子部位を切断することを確認した。
psgRNA-ompA1-14 (ampicillin resistance) or psgRNA-ompA2-29 (ampicillin resistance) was introduced into E. coli W3110 typeA into which pCas (kanamycin resistance) was introduced. However, E. coli transformants with ampicillin resistance could not be obtained.
These results confirmed that the psgRNA-ompA1-14 and psgRNA-ompA2-29 cleave their respective target ompA gene sites on the genome in a Cas9-dependent manner.

(4)大腸菌外膜タンパク質非保存領域へのCuイオン結合ペプチドモチーフの導入
外膜表面に呈示されるCuイオン結合ペプチドモチーフとして大腸菌転写因子CueRのCu結合モチーフ(配列番号4)に着目した。
CueRのCuイオン結合ペプチドモチーフは21個のアミノ酸残基(2HN-CPGDDSADCPILENLSGCCHH-COOH、配列番号4)で構成されており(Science, 2003, vol. 301(5638), p. 1383-1387)、この両端側にそれぞれ3個ずつグリシン残基を付加した27アミノ酸残基の配列をOmpAに導入した。その詳細を下記に示す。
(4) Introduction of Cu ion-binding peptide motif into non-conserved region of Escherichia coli outer membrane protein We focused on the Cu-binding motif (SEQ ID NO: 4) of the Escherichia coli transcription factor CueR as a Cu ion-binding peptide motif displayed on the surface of the outer membrane.
The Cu ion-binding peptide motif of CueR is composed of 21 amino acid residues ( 2 HN-CPGDDSADCPILENLSGCCHH-COOH, SEQ ID NO: 4) (Science, 2003, vol. 301(5638), p. 1383-1387), A sequence of 27 amino acid residues with 3 glycine residues added to each end was introduced into OmpA. The details are shown below.

CueR遺伝子がクローンされるpBAD33_cueRプラスミド(配列番号16、図6参照)を鋳型として、ompA1_cueRpep_F(配列番号17、5’-TAAACTGGGCTGGTCCCAGTACCATGACACTGGTTTCATCGGCGGCGGCTGCCCTGGCGATGAC-3’、下線はゲノム上のompA遺伝子の細胞外領域1の相当する配列と相同)とompA1_cueRpep3_R(配列番号18、5’-CAGCGCCCAGTTGGTTTTCATGGGTCGGGCCATTGTTGTTGCCGCCGCCATGATGACAGCAGCC-3’、下線はゲノム上のompA遺伝子の細胞外領域1の相当する配列と相同)をプライマーとしたKOD-Plus-Neo(Toyobo)によるPCRを行った。この操作により、OmpAの細胞外領域1に組み換え導入できる、161bpのCuイオン結合ペプチドモチーフをコードするDNA断片(以下、「ompA1cueRpep3」という)を増幅した(図6参照)。増幅したDNA断片は、QIA quick PCR purification kit(Qiagen)を用いて精製した。
なお、配列番号16で表される塩基配列において、: 96-974位の塩基配列は「araC」であり、1004-1019位の塩基配列は「araO2」であり、1161-1172位の塩基配列は「araO1」であり、1203-1216位の塩基配列は「CAP_BS」であり、1213-1251位の塩基配列は「AraI1I2」であり、1248-1276位の塩基配列は「ARA_promoter」であり、1356-1760位の塩基配列は「cueR」であり、1761-1784位の塩基配列は「FLAG tag」であり、1878-2035位の塩基配列は「rrnB_terminator」であり、2001-2044位の塩基配列は「rrnB_T1_terminator」であり、2176-2203位の塩基配列は「rrnB_T2_terminator」であり、2244-2272位の塩基配列は「bla_promoter」であり、2441-2725位の塩基配列は「bla (576-860)」であり、2784-3083位の塩基配列は「f1_origin」であり、3777-4436位の塩基配列は「CAT/CamR」であり、4798-5637位の塩基配列は「p15A_origin」である。
ompA1_cueRpep_F (SEQ ID NO: 17, 5′- TAAACTGGGCTGGTCCCAGTACCATGACACTGGTTTCATC GGCGGCGGCTGCCCTGGCGATGAC-3′, underlined corresponds to the extracellular region 1 of the ompA gene on the genome, using the pBAD33_cueR plasmid (SEQ ID NO: 16, see FIG. 6) into which the CueR gene is cloned as a template. KOD-Plus-Neo with primers of ompA1_cueRpep3_R (SEQ ID NO: 18, 5'- CAGCGCCCAGTTGGTTTTCATGGGTCGGGCCATTGTTGTT GCCGCCGCCATGATGACAGCCAGCC-3', the underline is homologous to the sequence corresponding to the extracellular region 1 of the ompA gene on the genome) as primers. Toyobo) was performed. By this operation, a DNA fragment encoding a 161 bp Cu ion-binding peptide motif (hereinafter referred to as "ompA1cueRpep3") that can be recombined into the OmpA extracellular region 1 was amplified (see FIG. 6). Amplified DNA fragments were purified using the QIA quick PCR purification kit (Qiagen).
In the nucleotide sequence represented by SEQ ID NO: 16, the nucleotide sequence at positions 96-974 is "araC", the nucleotide sequence at positions 1004-1019 is "araO2", and the nucleotide sequence at positions 1161-1172 is The nucleotide sequence at positions 1203-1216 is " CAP_BS ", the nucleotide sequence at positions 1213-1251 is "AraI1I2", the nucleotide sequence at positions 1248-1276 is " ARA_promoter ", and the nucleotide sequence at positions 1248-1276 is "ARA_promoter". The nucleotide sequence at position 1760 is " cueR ", the nucleotide sequence at positions 1761-1784 is "FLAG tag", the nucleotide sequence at positions 1878-2035 is "rrnB_terminator", and the nucleotide sequence at positions 2001-2044 is " rrnB_T1_terminator”, the nucleotide sequence at positions 2176-2203 is “rrnB_T2_terminator”, the nucleotide sequence at positions 2244-2272 is “ bla_promoter ”, and the nucleotide sequence at positions 2441-2725 is “ bla (576-860)”. The nucleotide sequence at positions 2784-3083 is "f1_origin", the nucleotide sequence at positions 3777-4436 is "CAT/CamR", and the nucleotide sequence at positions 4798-5637 is "p15A_origin".

同様に、ompA2_cueRpep_F(配列番号19、5’-AATGGGTTACGACTGGTTAGGTCGTATGCCGTACAAAGGCGGCGGCGGCTGCCCTGGCGATGAC-3’、下線はゲノム上のompA遺伝子の細胞外領域2の相当する配列と相同)とompA2_cueRpep3_R(配列番号20、5’-GTTGAACGCCCTGAGCTTTGTATGCACCGTTTTCAACGCTGCCGCCGCCATGATGACAGCAGCC-3’、下線はゲノム上のompA遺伝子の細胞外領域2の相当する配列と相同)をプライマーとしたPCRを行い、OmpAの細胞外領域2に組み換え導入できる161bpのCuイオン結合ペプチドモチーフDNA断片(以下、「ompA2cueRpep3」という)を増幅した(図6参照)。増幅したDNA断片は、QIA quick PCR purification kit(Qiagen)を用いて精製した。Similarly, ompA2_cueRpep_F (SEQ ID NO: 19, 5'- AATGGGTTACGACTGGTTAGGTCGTATGCCGTACAAAGGC GGCGGCGGCTGCCCTGGCGATGAC-3', underlined is homologous to the sequence corresponding to the extracellular region 2 of the ompA gene on the genome) and ompA2_cueRpep3_R (SEQ ID NO: 20, 5'-GTTGAACGCCCTGAGCTTTGTATGCACCGTTTCGTCAAGCCCGACTGCACCGTTTCGTCAAGCCATGACGCT 3', the underlined sequence is homologous to the sequence corresponding to the extracellular region 2 of the ompA gene on the genome), and a 161 bp Cu ion-binding peptide motif DNA fragment that can be recombined into the extracellular region 2 of OmpA ( hereinafter referred to as "ompA2cueRpep3") was amplified (see FIG. 6). Amplified DNA fragments were purified using the QIA quick PCR purification kit (Qiagen).

つぎに、pCasを有する大腸菌W3110 typeA(J. Bacteriol., 1997, vol. 179(3), p. 959-963)のエレクトロポレーション用コンピテント細胞を作製した。そして、ompA遺伝子の細胞外領域1の特異的切断のためのガイドRNA発現プラスミドpsgRNA-ompA1-14と、組み換え用DNA断片ompA1cueRpep3を用いた形質転換を行った。LB寒天培地(10g/L tryptone(Difco)、5g/L yeast extract(Difco)、171mM NaCl、15g/L agar)に塗布して30℃で終夜培養し、形質転換体YM0501を得た。
YM0501はアンピシリン感受性を示した。このアンピシリン感受性を示した株から抽出したゲノムDNAを鋳型として、組換えompA遺伝子のみを特異的に増幅するプライマーセットompA_F(配列番号21、5’-GCAGATCCCCCGGTGAAGGA-3’)とompA1_cueRpep3_R(配列番号18)を用いてPCRを行った。その結果、W3110 typeAでは増幅が見られなかったのに対し、YM0501では目的断片の増幅が見られた。
Next, electroporation competent cells of E. coli W3110 type A having pCas (J. Bacteriol., 1997, vol. 179(3), p. 959-963) were prepared. Transformation was then performed using a guide RNA expression plasmid psgRNA-ompA1-14 for specific cleavage of the extracellular region 1 of the ompA gene and a DNA fragment for recombination ompA1cueRpep3. It was applied to an LB agar medium (10 g/L tryptone (Difco), 5 g/L yeast extract (Difco), 171 mM NaCl, 15 g/L agar) and cultured overnight at 30°C to obtain transformant YM0501.
YM0501 showed ampicillin sensitivity. A primer set ompA_F (SEQ ID NO: 21, 5'-GCAGATCCCCCGGTGAAGGA-3') and ompA1_cueRpep3_R (SEQ ID NO: 18) that specifically amplifies only the recombinant ompA gene using genomic DNA extracted from this ampicillin-sensitive strain as a template. PCR was performed using As a result, while no amplification was observed in W3110 typeA, amplification of the target fragment was observed in YM0501.

また同様に、ompA遺伝子の細胞外領域2特異的切断のためのガイドRNA発現プラスミドpsgRNA-ompA2-29と、組み換え用DNA断片ompA2cueRpep3を用いた形質転換を行った。LB寒天培地に塗布して30℃で終夜培養し、形質転換体YM0701を得た。Similarly, transformation was performed using a guide RNA expression plasmid psgRNA-ompA2-29 for extracellular region 2-specific cleavage of the ompA gene and a DNA fragment for recombination ompA2cueRpep3. It was plated on an LB agar medium and cultured overnight at 30°C to obtain transformant YM0701.

(5)大腸菌外膜タンパク質非保存領域へのTbイオン結合ペプチドモチーフの導入
外膜表面に呈示されるTbイオン結合ペプチドモチーフとしてCaイオン結合EF-handモチーフ(Trends Biochem. Sci., 1996, vol. 21, p. 14-17参照)由来の変異体(配列番号6)に着目した(Chembiochem., 2003, vol. 4(4), p. 272-276)。
17個のアミノ酸残基から成る変異のTbイオン結合ペプチドモチーフ(2HN-YIDTNNDGWYEGDELLA-COOH、配列番号6)(Chembiochem., 2003, vol. 4(4), p. 272-276)の両端側にそれぞれ3個ずつグリシン残基を付加した23アミノ酸残基の配列をOmpAに導入した。その詳細を下記に示す。
(5) Introduction of Tb ion-binding peptide motif into E. coli outer membrane protein non-conserved region Ca ion-binding EF-hand motif as a Tb ion-binding peptide motif displayed on the outer membrane surface (Trends Biochem. Sci., 1996, vol. 21, p. 14-17)-derived mutant (SEQ ID NO: 6) (Chembiochem., 2003, vol. 4(4), p. 272-276).
on both sides of a mutated Tb ion-binding peptide motif ( 2 HN-YIDTNNDGWYEGDELLA-COOH, SEQ ID NO: 6) consisting of 17 amino acid residues (Chembiochem., 2003, vol. 4(4), p. 272-276) A sequence of 23 amino acid residues, each with 3 additional glycine residues, was introduced into OmpA. The details are shown below.

Tbイオン結合ペプチドモチーフ遺伝子がクローンされるpGEX-4T-1-TbB-peptide1プラスミド(配列番号22、図7参照)を鋳型として、ompA1_TbBpep1_F(配列番号23、5’-TAAACTGGGCTGGTCCCAGTACCATGACACTGGTTTCATCGGCGGCGGCTATATTGATACCAAC-3’、下線はゲノム上のompA遺伝子の細胞外領域1の相当する配列と相同)とompA1_TbBpep1_R(配列番号24、5’-CAGCGCCCAGTTGGTTTTCATGGGTCGGGCCATTGTTGTTGCCGCCGCCCGCCAACAATTCATC-3’、下線はゲノム上のompA遺伝子の細胞外領域1の相当する配列と相同)をプライマーとしたKOD-Plus-Neo(Toyobo)によるPCRを行った。この操作により、OmpAの細胞外領域1に組み換え導入できる149bpのTbイオン結合ペプチドモチーフをコードするDNA断片(以下、「ompA1TbBpep1」という)を増幅した(図7参照)。増幅したDNA断片は、QIA quick PCR purification kit(Qiagen)を用いて精製した。
なお、配列番号22で表される塩基配列において、184-212位の塩基配列は「tac promoter」であり、258-944位の塩基配列は「GST-a」であり、945-953位の塩基配列は「Glycine」であり、954-1004位の塩基配列は「TbB-peptide1」であり、1005-1007位の塩基配列は「Glycine」であり、1008-1026位の塩基配列は「GST-b」であり、1422-2282位の塩基配列は「bla」であり、2438-3056位の塩基配列は「pBR322 ori」であり、3354-4445位の塩基配列は「lac I」である。
ompA1_TbBpep1_F (SEQ ID NO: 23, 5′- TAAAACTGGGCTGGTCCCAGTACCATGACACTGGTTTCATCGGCGGCGGC TATATTGATACCAAC-3′, underlined using the pGEX-4T-1-TbB-peptide1 plasmid (SEQ ID NO: 22, see FIG. 7) into which the Tb ion-binding peptide motif gene is cloned as a template. homologous to the sequence corresponding to the extracellular region 1 of the ompA gene on the genome) and ompA1_TbBpep1_R (SEQ ID NO: 24, 5'- CAGCGCCCAGTTGGTTTTCATGGGTCGGGCCATTGTTGTTGCCGCCGCCCGCCAACAATTCATC -3', underlined with the sequence corresponding to the extracellular region 1 of the ompA gene on the genome) (homologous) as primers and KOD-Plus-Neo (Toyobo) was used for PCR. By this operation, a DNA fragment encoding a 149 bp Tb ion-binding peptide motif (hereinafter referred to as "ompA1TbBpep1") that can be recombined into the extracellular region 1 of OmpA was amplified (see FIG. 7). Amplified DNA fragments were purified using the QIA quick PCR purification kit (Qiagen).
In the nucleotide sequence represented by SEQ ID NO: 22, the nucleotide sequence at positions 184-212 is " tac promoter ", the nucleotide sequence at positions 258-944 is "GST-a", and the nucleotide sequence at positions 945-953 is "GST-a". The sequence is " Glycine ", the nucleotide sequence at positions 954-1004 is "TbB-peptide1", the nucleotide sequence at positions 1005-1007 is "Glycine", and the nucleotide sequence at positions 1008-1026 is "GST-b , the nucleotide sequence at positions 1422-2282 is "bla", the nucleotide sequence at positions 2438-3056 is "pBR322 ori", and the nucleotide sequence at positions 3354-4445 is "lacI".

同様にompA2_TbBpep1_F(配列番号25、5’-AATGGGTTACGACTGGTTAGGTCGTATGCCGTACAAAGGCGGCGGCGGCTATATTGATACCAAC-3’、下線はゲノム上のompA遺伝子の細胞外領域2の相当する配列と相同)とompA2_TbBpep1_R(配列番号26、5’-GTTGAACGCCCTGAGCTTTGTATGCACCGTTTTCAACGCTGCCGCCGCCCGCCAACAATTCATC-3’、下線はゲノム上のompA遺伝子の細胞外領域2の相当する配列と相同)をプライマーとしたPCRを行い、OmpAの細胞外領域2に組み換え導入できる149bpのTbイオン結合ペプチドモチーフDNA断片(以下、「ompA2TbBpep1」という)を増幅した(図7参照)。増幅したDNA断片は、QIA quick PCR purification kit(Qiagen)を用いて精製した。Similarly, ompA2_TbBpep1_F (SEQ ID NO: 25, 5'- AATGGGTTACGACTGGTTAGGTCGTATGCCGTACAAAGGCGGCGGCGGC TATATTGATACCAAC-3', underlined is homologous to the sequence corresponding to the extracellular region 2 of the ompA gene on the genome) and ompA2_TbBpep1_R (SEQ ID NO: 26, 5'- GTTTGAACGCCCTGAGCTTTGTATGCACCGTTTTCAACGCTGCACCGTTTTCAACGCTGCACCGTTTTCAACGCTGCCAT3 ', the underlined sequence is homologous to the sequence corresponding to the extracellular region 2 of the ompA gene on the genome), and a 149 bp Tb ion-binding peptide motif DNA fragment that can be recombined into the extracellular region 2 of OmpA (hereinafter , termed “ompA2TbBpep1”) was amplified (see FIG. 7). Amplified DNA fragments were purified using the QIA quick PCR purification kit (Qiagen).

つぎに、前述の方法と同様にして、pCasを有する大腸菌W3110 typeA(J. Bacteriol., 1997, vol. 179(3), p. 959-963)にエレクトロポレーションによって、ompA遺伝子の細胞外領域1の特異的切断のためのガイドRNA発現プラスミドpsgRNA-ompA1-14と、組み換え用DNA断片ompA1TbBpep1を用いた形質転換を行い、形質転換体YM0901を得た。
同様に、ompA遺伝子の細胞外領域2の特異的切断のためのガイドRNA発現プラスミドpsgRNA-ompA2-29と、組み換え用DNA断片ompA2TbBpep1を用いた形質転換を行い、形質転換体YM1101を得た。
Next, in the same manner as described above, E. coli W3110 typeA carrying pCas (J. Bacteriol., 1997, vol. 179(3), p. 959-963) was electroporated to extract the extracellular region of the ompA gene. Transformation was performed using the guide RNA expression plasmid psgRNA-ompA1-14 for specific cleavage of 1 and the DNA fragment ompA1TbBpep1 for recombination to obtain transformant YM0901.
Similarly, transformation was performed using a guide RNA expression plasmid psgRNA-ompA2-29 for specific cleavage of the extracellular region 2 of the ompA gene and a DNA fragment for recombination ompA2TbBpep1 to obtain transformant YM1101.

さらに、前記Tbイオン結合ペプチドモチーフとは異なるTbイオン結合ペプチドモチーフとして、17個のアミノ酸残基から成る変異の異なるTbイオン結合ペプチドモチーフ(2HN-ACVDWNNDGWYEGDECA-COOH、配列番号7)(Chembiochem., 2003, vol. 4(4), p. 272-276)の両端側にそれぞれ3個ずつグリシン残基を付加した23アミノ酸残基の配列をOmpAに導入することとした。Furthermore, as a Tb ion-binding peptide motif different from the Tb ion-binding peptide motif, a Tb ion-binding peptide motif with a different mutation consisting of 17 amino acid residues ( 2 HN-ACVDWNNDGWYEGDECA-COOH, SEQ ID NO: 7) (Chembiochem., 2003, vol. 4(4), p. 272-276), a sequence of 23 amino acid residues with three glycine residues added to each end, was introduced into OmpA.

このTbイオン結合ペプチドモチーフ遺伝子がクローンされるpGEX-4T-1-TbB-peptide2プラスミド(配列番号27、図8参照)を鋳型として、ompA1_TbBpep2_F(配列番号28、5’-TAAACTGGGCTGGTCCCAGTACCATGACACTGGTTTCATCGGCGGCGGCGCGTGCGTGGATTGG-3’、下線はゲノム上のompA遺伝子の細胞外領域1の相当する配列と相同)とompA1_TbBpep2_R(配列番号29、5’-CAGCGCCCAGTTGGTTTTCATGGGTCGGGCCATTGTTGTTGCCGCCGCCCGCGCATTCATCGCC-3’、下線はゲノム上のompA遺伝子の細胞外領域1の相当する配列と相同)をプライマーとしたKOD-Plus-Neo(Toyobo)によるPCRを行った。この操作により、OmpAの細胞外領域1に組み換え導入できる149bpのTbイオン結合ペプチドモチーフをコードするDNA断片(以下、「ompA1TbBpep2」という)を増幅した。増幅したDNA断片は、QIA quick PCR purification kit(Qiagen)を用いて精製した。
なお、配列番号27で表される塩基配列において、184-212位の塩基配列は「tac promoter」であり、258-944位の塩基配列は「GST-a」であり、945-953位の塩基配列は「Glycine」であり、954-1004位の塩基配列は「TbB-peptide2」であり、1005-1007位の塩基配列は「Glycine」であり、1008-1026位の塩基配列は「GST-b」であり、1422-2282位の塩基配列は「bla」であり、2438-3056位の塩基配列は「pBR322 ori」であり、3354-4445位の塩基配列は「lac I」である。
ompA1_TbBpep2_F (SEQ ID NO: 28, 5'- TAAACTGGGCTGGTCCCAGTACCATGACACTGGTTTCATCGGCGGCGGCGCGTGCGTGGATTGG -3', underlined) using the pGEX-4T-1-TbB-peptide2 plasmid (SEQ ID NO: 27, see FIG. 8) into which this Tb ion-binding peptide motif gene is cloned as a template. is homologous to the sequence corresponding to the extracellular region 1 of the ompA gene on the genome) and ompA1_TbBpep2_R (SEQ ID NO: 29, 5'- CAGCGCCCAGTTGGTTTTCATGGGTCGGGCCATTGTTGTTGCCGCCGCC CGCGCATTCATCGCC-3', underlined is the sequence corresponding to the extracellular region 1 of the ompA gene on the genome) PCR was performed using KOD-Plus-Neo (Toyobo) using KOD-Plus-Neo (homologous to ) as primers. By this operation, a DNA fragment (hereinafter referred to as "ompA1TbBpep2") encoding a 149 bp Tb ion-binding peptide motif that can be recombined into the extracellular domain 1 of OmpA was amplified. Amplified DNA fragments were purified using the QIA quick PCR purification kit (Qiagen).
In the nucleotide sequence represented by SEQ ID NO: 27, the nucleotide sequence at positions 184-212 is " tac promoter ", the nucleotide sequence at positions 258-944 is "GST-a", and the nucleotide sequence at positions 945-953 is The sequence is " Glycine ", the nucleotide sequence at positions 954-1004 is "TbB-peptide2", the nucleotide sequence at positions 1005-1007 is "Glycine", and the nucleotide sequence at positions 1008-1026 is "GST-b , the nucleotide sequence at positions 1422-2282 is " bla ", the nucleotide sequence at positions 2438-3056 is "pBR322 ori", and the nucleotide sequence at positions 3354-4445 is "lacI".

同様にompA2_TbBpep2_F(配列番号30、5-AATGGGTTACGACTGGTTAGGTCGTATGCCGTACAAAGGCGGCGGCGGCGCGTGCGTGGATTGG-3’、下線はゲノム上のompA遺伝子の細胞外領域2の相当する配列と相同)とompA2_TbBpep2_R(配列番号31、5’-GTTGAACGCCCTGAGCTTTGTATGCACCGTTTTCAACGCTGCCGCCGCCCGCGCATTCATCGCC-3’、下線はゲノム上のompA遺伝子の細胞外領域2の相当する配列と相同)をプライマーとしたPCRを行い、OmpAの細胞外領域2に組み換え導入できる149bpのTbイオン結合ペプチドモチーフDNA断片(以下、「ompA2TbBpep2」という)を増幅した(図8参照)。増幅したDNA断片は、QIA quick PCR purification kit(Qiagen)を用いて精製した。
つぎに、前述の方法と同様にして、pCasを有する大腸菌W3110 typeA(J. Bacteriol., 1997, vol. 179(3), p. 959-963)にエレクトロポレーションによって、ompA遺伝子の細胞外領域1の特異的切断のためのガイドRNA発現プラスミドpsgRNA-ompA1-14と、組み換え用DNA断片ompA1TbBpep2を用いた形質転換を行い、形質転換体YM1001を得た。
同様に、ompA遺伝子の細胞外領域2の特異的切断のためのガイドRNA発現プラスミドpsgRNA-ompA2-29と、組み換え用DNA断片ompA2TbBpep2を用いた形質転換を行い、形質転換体YM1201を得た。
Similarly, ompA2_TbBpep2_F (SEQ ID NO: 30, 5- AATGGGTTACGACTGGTTAGGTCGTATGCCGTACAAAGGCGGCGGCGGCGCGTGCGTGGATTGG -3', underlined is homologous to the sequence corresponding to the extracellular region 2 of the ompA gene on the genome) and ompA2_TbBpep2_R (SEQ ID NO: 31, 5'-GTTGAACGCCCTGAGCTTTGTATGCACCGTTTTCCGACGCGCGCCATCGCCCGCGCTGCC3). , the underlined sequence is homologous to the sequence corresponding to the extracellular region 2 of the ompA gene on the genome), and a 149 bp Tb ion-binding peptide motif DNA fragment that can be recombined into the extracellular region 2 of OmpA (hereinafter referred to as "ompA2TbBpep2") was amplified (see Figure 8). Amplified DNA fragments were purified using the QIA quick PCR purification kit (Qiagen).
Next, in the same manner as described above, E. coli W3110 typeA carrying pCas (J. Bacteriol., 1997, vol. 179(3), p. 959-963) was electroporated to extract the extracellular region of the ompA gene. Transformation was performed using the guide RNA expression plasmid psgRNA-ompA1-14 for specific cleavage of 1 and the DNA fragment ompA1TbBpep2 for recombination to obtain transformant YM1001.
Similarly, transformation was performed using a guide RNA expression plasmid psgRNA-ompA2-29 for specific cleavage of the extracellular region 2 of the ompA gene and a DNA fragment for recombination ompA2TbBpep2 to obtain transformant YM1201.

以上のように作製した、形質転換体YM0501、YM0901、及びYM1001の構造の概略を図9に示す。また、形質転換体YM0701、YM1101、及びYM1201の構造の概略を図10に示す。 FIG. 9 shows the outline of the structures of transformants YM0501, YM0901 and YM1001 prepared as described above. Schematic structures of transformants YM0701, YM1101 and YM1201 are shown in FIG.

試験例2 金属イオン結合モチーフを大腸菌外層の表面に呈示される組み換え体の増殖
試験例1で作製した各形質転換体をそれぞれ、M9グルコース培地(0.4mM Na2HPO4・12H2O、2mM KH2PO4、0.8mM NaCl、0.1mM CaCl2・2H2O、20mM NH4Cl、1mM MgCl2・6H2O、0.25mM K2SO4、10mM D-(+)-glucose)にて37℃で培養し、継時的にOD600nmを測定した。その結果を図11及び図12に示す。
図11及び図12に示すように、いずれの形質転換体についても、親株のW3110 typeAと同様の増殖曲線が得られた。これらの結果より、本発明の形質転換体は、その増殖に影響することなく、細胞外層の表面に金属イオン結合ペプチドモチーフを呈示できることを証明した。
Test Example 2 Growth of Recombinants Displaying Metal Ion - Binding Motifs on the Surface of the Outer Layer of E. coli Each transformant prepared in Test Example 1 was placed in M9 glucose medium (0.4 mM 2PO4 , 0.8 mM NaCl, 0.1 mM CaCl2.2H2O , 20 mM NH4Cl, 1 mM MgCl2.6H2O , 0.25 mM K2SO4 , 10 mM D- ( + )-glucose) at 37°C. and measured OD 600 nm over time. The results are shown in FIGS. 11 and 12. FIG.
As shown in FIGS. 11 and 12, all transformants exhibited growth curves similar to those of the parent strain W3110 typeA. These results demonstrate that the transformants of the present invention can display metal ion-binding peptide motifs on the surface of the cell outer layer without affecting their proliferation.

ompA遺伝子の細胞外領域1にCuイオン結合モチーフを挿入した大腸菌形質転換体YM0501は、細胞外層の表面にCuイオン結合モチーフを提示した状態となっている。
この形質転換体YM0501とその親株(W3110 typeA)とをそれぞれ、5mM CuCl2を添加したLB液体培地(10g/L tryptone(Difco)、5g/L yeast extract(Difco)、171mM NaCl)にて37℃で終夜培養し、OD600nmを測定した。
その結果、親株のW3110 typeAのOD600nmの値は0.410であったのに対し、形質転換体YM0501のOD600nmの値は1.299と親株よりも高い値を示した(図13参照)。
このことから、細胞外層の表面に提示されたCuイオン結合モチーフが環境中のCuイオンと結合することにより、形質転換体YM0501のCuイオン耐性が向上していることが証明された。
The E. coli transformant YM0501 in which the Cu ion-binding motif was inserted into the extracellular region 1 of the ompA gene presents the Cu ion-binding motif on the surface of the extracellular layer.
This transformant YM0501 and its parent strain (W3110 typeA) were each added to 5 mM CuCl 2 in an LB liquid medium (10 g/L tryptone (Difco), 5 g/L yeast extract (Difco), 171 mM NaCl) at 37°C. was cultured overnight and OD 600 nm was measured.
As a result, the parent strain W3110 typeA had an OD 600 nm value of 0.410, whereas the transformant YM0501 had an OD 600 nm value of 1.299, which was higher than that of the parent strain (see FIG. 13).
From this, it was proved that Cu ion tolerance of transformant YM0501 was improved by binding Cu ion binding motifs presented on the surface of the outer cell layer to Cu ions in the environment.

試験例3 組み換え大腸菌からのベシクルの作製
前記形質転換体YM0501をLB液体培地(10g/L tryptone(Difco)、5g/L yeast extract(Difco)、171mM NaCl)1Lにて37℃で終夜培養した。培養液を遠心、及びφ0.45μmフィルターを用いたフィルター濾過により、菌体を除去した。そして、濾過液の超遠心(150,000×g、1時間)により、溶液中に存在する、自然生成したベシクルを分離及び濃縮した。ベシクルを含む沈殿物をリン酸緩衝液(pH7.0)で懸濁し、ベシクル溶液を作製した。
Test Example 3 Preparation of Vesicles from Recombinant Escherichia coli The transformant YM0501 was cultured overnight at 37° C. in 1 L of LB liquid medium (10 g/L tryptone (Difco), 5 g/L yeast extract (Difco), 171 mM NaCl). Cells were removed from the culture solution by centrifugation and filtration using a φ0.45 μm filter. The filtrate was then ultracentrifuged (150,000×g, 1 hour) to separate and concentrate naturally occurring vesicles present in the solution. The precipitate containing vesicles was suspended in a phosphate buffer (pH 7.0) to prepare a vesicle solution.

ベシクルはFM4-64(商品名:SynapseRed C2(equivalent to FM4-64)、タカラバイオより入手)により染色し、共焦点レーザー顕微鏡Zeiss LSM510 META(Carl Zeiss)を用いて確認した。その結果を図14(B)に示す。また、FM4-64で染色した形質転換体YM0501の顕微鏡写真を図14(A)に併せて示す。なお、FM4-64は疎水性の赤色蛍光物質であり、脂質二重膜を染色する。本試験例では、大腸菌及びベシクルのリン脂質二重膜を染色するために、FM4-64を使用した。
図14(B)では、図14(A)に見られるような大腸菌の菌体が確認されなかった。実際、図14(B)では直径数百nm程の小胞(ベシクル)が多数見られ、大腸菌から産生されるベシクルの直径は一般に数十~数百nmであることと一致した。さらに、Bradford法によりベシクル溶液中にタンパク質が含まれていることを確認した。
以上の結果は、前述の操作により、形質転換体からベシクルの調製に成功したことを示している。
The vesicles were stained with FM4-64 (trade name: SynapseRed C2 (equivalent to FM4-64), available from Takara Bio) and confirmed using a confocal laser microscope Zeiss LSM510 META (Carl Zeiss). The results are shown in FIG. 14(B). A micrograph of transformant YM0501 stained with FM4-64 is also shown in FIG. 14(A). FM4-64 is a hydrophobic red fluorescent substance that stains lipid bilayer membranes. In this test example, FM4-64 was used to stain the phospholipid bilayer membrane of E. coli and vesicles.
In FIG. 14(B), E. coli cells as seen in FIG. 14(A) were not confirmed. In fact, in FIG. 14(B), a large number of vesicles with a diameter of about several hundred nm were observed, which agreed with the fact that the diameter of vesicles produced from E. coli is generally several tens to several hundred nm. Furthermore, the presence of protein in the vesicle solution was confirmed by the Bradford method.
The above results demonstrate that vesicles were successfully prepared from transformants by the above-described procedure.

試験例4 金属イオン結合ペプチドモチーフを細胞外層の表面に呈示される組み換え大腸菌の死菌体を用いた金属の回収
大腸菌由来のOmpCは16箇所の膜貫通領域をもち、結果として細胞外に呈示される8つの細胞外領域を有している。以下、8つの細胞外領域をそれぞれ、「細胞外領域1(Extracellular-1)」、「細胞外領域2(Extracellular-2)」、「細胞外領域3(Extracellular-3)」、「細胞外領域4(Extracellular-4)」、「細胞外領域5(Extracellular-5)」、「細胞外領域6(Extracellular-6)」、「細胞外領域7(Extracellular-7)」、「細胞外領域8(Extracellular-8)」という(図16参照)。
このうち、細胞外領域1と細胞外領域8に金属イオン結合ペプチドモチーフを挿入する標的とした(図18参照)。
Test Example 4 Recovery of metals using dead cells of recombinant E. coli that displays a metal ion-binding peptide motif on the surface of the cell outer layer It has eight extracellular domains. Hereinafter, the eight extracellular regions are respectively referred to as "Extracellular-1", "Extracellular-2", "Extracellular-3", and "Extracellular region." 4 (Extracellular-4)”, “Extracellular-5”, “Extracellular-6”, “Extracellular-7”, “Extracellular-8 ( Extracellular-8)” (see Figure 16).
Of these, extracellular domain 1 and extracellular domain 8 were targeted for insertion of metal ion-binding peptide motifs (see FIG. 18).

まず、ompC遺伝子発現用プラスミドを構築した。
pBAD33(J. Bacteriol. 1995, vol. 177(14), p. 4121-4130)にompC領域を挿入するため、プライマーの設計を行sった。pBAD33との相同配列15塩基にS.D.配列を含む14塩基、標的遺伝子ompCの開始コドンから25塩基を含む計54塩基のプライマーOmpC_BAD_F(配列番号38)を設計した。また、上流からompC遺伝子の終始コドンを除いた25塩基、FLAG配列と終始コドンを含む30塩基、pBAD33との相同配列15塩基を含む計70塩基のプライマーOmpC_BAD_R(配列番号39)を設計した。
First, a plasmid for ompC gene expression was constructed.
Primers were designed to insert the ompC region into pBAD33 (J. Bacteriol. 1995, vol. 177(14), p. 4121-4130). A primer OmpC_BAD_F (SEQ ID NO: 38) with a total of 54 bases including 15 bases homologous to pBAD33, 14 bases including an SD sequence, and 25 bases from the initiation codon of the target gene ompC was designed. A total of 70 bases of primer OmpC_BAD_R (SEQ ID NO: 39) was designed, including 25 bases excluding the termination codon of the ompC gene from the upstream, 30 bases including the FLAG sequence and the termination codon, and 15 bases of the homologous sequence to pBAD33.

大腸菌W3110 Type Aのゲノム(J. Bacteriol. 1997, vol. 179(3), p. 959-963)を鋳型DNAとして、前記プライマーOmpC_BAD_Fー及びOmpC_BAD_Rを用いてPCRを行い、ompC遺伝子領域を増幅した。ExTaq polymerase(Takara bio)を用いてPCRを行い、2%アガロースゲル電気泳動によりPCR産物を確認したところ、目的DNA断片(1177 bp)の増幅が確認できた。そこで、NucleoSpin Gel and PCR Clean-up Kit(Cherey-Nagel)を用いてDNA断片を精製した。得られたpBAD33との相同配列を含むompC断片をOmpC-BAD fragmentとした。
その後、HindIII及びSacIで制限酵素処理したpBAD33と、OmpC-BAD fragmentをIn-Fusion HD Cloning Kit(Takara bio)によって相同組み換えにより連結し、CaCl2法による形質転換によって大腸菌DH5αに導入し、クロラムフェニコールを含むLB寒天培地においてコロニーを獲得した。出現したコロニーからFavorPrep Plasmid DNA Extraction Mini Kit(Favorgen)によってプラスミドを抽出し、抽出したプラスミドのDNA塩基配列決定を行い、プラスミドpBADompC-FLAGを獲得した(図17参照)。
Using the E. coli W3110 Type A genome (J. Bacteriol. 1997, vol. 179(3), p. 959-963) as a template DNA, PCR was performed using the primers OmpC_BAD_F and OmpC_BAD_R to amplify the ompC gene region. . PCR was performed using ExTaq polymerase (Takara bio), and the PCR product was confirmed by 2% agarose gel electrophoresis. As a result, amplification of the target DNA fragment (1177 bp) was confirmed. Therefore, the DNA fragment was purified using NucleoSpin Gel and PCR Clean-up Kit (Cherey-Nagel). The obtained ompC fragment containing the sequence homologous to pBAD33 was designated as OmpC-BAD fragment.
Thereafter, pBAD33 treated with restriction enzymes HindIII and SacI and the OmpC-BAD fragment were ligated by homologous recombination using the In-Fusion HD Cloning Kit (Takara bio), and introduced into Escherichia coli DH5α by transformation using the CaCl2 method. Colonies were obtained on LB agar medium containing chloramphenicol. Plasmids were extracted from the colonies that appeared using FavorPrep Plasmid DNA Extraction Mini Kit (Favorgen), and the extracted plasmids were subjected to DNA nucleotide sequencing to obtain plasmid pBADompC-FLAG (see FIG. 17).

つぎに、pBADompC-FLAGの細胞外領域1のコーディング領域にTb結合ペプチドモチーフ2(H2N-ACVDWNNDGWYEGDECA-COOH、配列番号7)を導入するため、Inverse PCRにより前記pBADompC-FLAGプラスミドの線状DNAを調製した。
プライマーompC1a_inv_F(5’-ATCTTTGTTGTCAGAGAAATAGTGC-3’、配列番号40)及びプライマーompC1a_inv_R(5’-GATGGCGACCAGACCTACATGCGTC-3’、配列番号41)を用いて、Pfu Ultra High Fidelity DNA Polymerase AD(Agilent)を用いたPCRにより目的のDNA(6452塩基対)を増幅した。その後、PCR産物をDpnIで消化し、NucleoSpin Gel and PCR Clean-up Kitを用いてDNA精製を行った。
Next, in order to introduce the Tb-binding peptide motif 2 (H 2 N-ACVDWNNDGWYEGDECA-COOH, SEQ ID NO: 7) into the coding region of the extracellular region 1 of pBADompC-FLAG, the linear DNA of the pBADompC-FLAG plasmid was analyzed by Inverse PCR. was prepared.
By PCR using Pfu Ultra High Fidelity DNA Polymerase AD (Agilent) using primer ompC1a_inv_F (5'-ATCTTTGTTGTCAGAGAAATAGTGC-3', SEQ ID NO: 40) and primer ompC1a_inv_R (5'-GATGGCGACCAGACCTACATGCGTC-3', SEQ ID NO: 41) The DNA of interest (6452 base pairs) was amplified. After that, the PCR product was digested with Dpn I, and DNA purification was performed using NucleoSpin Gel and PCR Clean-up Kit.

Tbイオン結合ペプチドモチーフ2遺伝子がクローンされるpGEX-4T-1-TbB-peptide2プラスミドを鋳型として、プライマーompC1a_TbBpep2_F-2(5’-TCTGACAACAAAGATGGCGGCGGCGCGTGCGTGGATTGG-3’、配列番号42)とプライマーompC1a_TbBpep2_R-2(5’-GGTCTGGTCGCCATCGCCGCCGCCCGCGCATTCATCGCC-3’、配列番号43)を用いてKOD-Plus-Neo(Toyobo)によるPCRを行った。この操作により、OmpCの細胞外領域1に導入できる、Tbイオン結合ペプチドモチーフ2をコードする99塩基対のDNA断片(以下、「ompC1TbBpep2」という)を増幅した。増幅したDNA断片は、QIA quick PCR purification kit(Qiagen)を用いて精製した。
pBADompC-FLAGの線状ベクターとompC1TbBpep2をIn-Fusion HD Enzymeによって相同組み換えにより連結し、CaCl2法による形質転換によって大腸菌DH5αに導入し、クロラムフェニコールを含むLB寒天培地においてコロニーを獲得した。出現したコロニーからFavorPrep Plasmid DNA Extraction Mini Kit(Favorgen)によってプラスミドを抽出し、抽出したプラスミドのDNA塩基配列決定を行い、プラスミドpBADompC1-TBpep2を獲得した(図19(A)参照)。
Using the pGEX-4T-1-TbB-peptide2 plasmid in which the Tb ion-binding peptide motif 2 gene is cloned as a template, primer ompC1a_TbBpep2_F-2 (5'-TCTGACAACAAAGATGGCGGCGGCGCGTGCGTGGATTGG-3', SEQ ID NO: 42) and primer ompC1a_TbBpep2_R-2 (5') -GGTCTGGTCGCCATCGCCGCCGCCCGCGCATTCATCGCC-3', SEQ ID NO: 43) was used to perform PCR with KOD-Plus-Neo (Toyobo). By this operation, a 99 base pair DNA fragment encoding Tb ion-binding peptide motif 2 (hereinafter referred to as "ompC1TbBpep2") that can be introduced into the extracellular domain 1 of OmpC was amplified. Amplified DNA fragments were purified using the QIA quick PCR purification kit (Qiagen).
The pBADompC-FLAG linear vector and ompC1TbBpep2 were ligated by homologous recombination using In-Fusion HD Enzyme, introduced into Escherichia coli DH5α by transformation using the CaCl 2 method, and colonies were obtained on LB agar medium containing chloramphenicol. Plasmids were extracted from the colonies that appeared using FavorPrep Plasmid DNA Extraction Mini Kit (Favorgen), and the extracted plasmids were subjected to DNA nucleotide sequencing to obtain plasmid pBADompC1-TBpep2 (see FIG. 19(A)).

さらに、pBADompC1-TBpep2のOmpC細胞外領域8のコーディング領域にTb結合ペプチドモチーフ2(H2N-ACVDWNNDGWYEGDECA-COOH、配列番号7)を追加導入した。Inverse PCRにより前記pBADompC1-TBpep2の線状DNAを調製した。
プライマーompC8f_inv_F(5’-CTGGTTGTCGTCCAGCAGGTTGATT-3’、配列番号44)、プライマーompC8f_inv_R(5’-ACTCGTGACGCTGGCATCAACACTG-3’、配列番号45)を用いて、Pfu Ultra High Fidelity DNA Polymerase AD(Agilent)を用いたPCRにより目的のDNAを増幅した。その後、PCR産物をDpnIで消化し、NucleoSpin Gel and PCR Clean-up Kitを用いてDNA精製を行った。
Tbイオン結合ペプチドモチーフ2遺伝子がクローンされるpGEX-4T-1-TbB-peptide2プラスミドを鋳型として、プライマーompC8f_TbBpep2_F-2(5’-CTGGACGACAACCAGGGCGGCGGCGCGTGCGTGGATTGG-3’、配列番号46)とプライマーompC8f_TbBpep2_R-2(5’-GCCAGCGTCACGAGTGCCGCCGCCCGCGCATTCATCGCC-3’、配列番号47)を用いてKOD-Plus-Neo(Toyobo)によるPCRを行った。この操作により、OmpCの細胞外領域8に導入できる、Tbイオン結合ペプチドモチーフ2をコードする99塩基対のDNA断片(以下、「ompC8TbBpep2」という)を増幅した。増幅したDNA断片は、QIA quick PCR purification kit(Qiagen)を用いて精製した。
pBADompC-FLAGの線状ベクターとompC8TbBpep2をIn-Fusion HD Enzymeによって相同組み換えにより連結し、CaCl2法による形質転換によって大腸菌DH5αに導入し、クロラムフェニコールを含むLB寒天培地においてコロニーを獲得した。出現したコロニーからFavorPrep Plasmid DNA Extraction Mini Kit(Favorgen)によってプラスミドを抽出し、抽出したプラスミドのDNA塩基配列決定を行い、プラスミドpBADompC18-TBpep2を獲得した(図19(B)参照)。
Furthermore, a Tb-binding peptide motif 2 (H 2 N-ACVDWNNDGWYEGDECA-COOH, SEQ ID NO: 7) was additionally introduced into the OmpC extracellular domain 8 coding region of pBADompC1-TBpep2. Linear DNA of the pBADompC1-TBpep2 was prepared by inverse PCR.
PCR using Pfu Ultra High Fidelity DNA Polymerase AD (Agilent) using primer ompC8f_inv_F (5'-CTGGTTGTCGTCCAGCAGGTTGATT-3', SEQ ID NO: 44) and ompC8f_inv_R (5'-ACTCGTGACGCTGGCATCAACACTG-3', SEQ ID NO: 45) The DNA of interest was amplified. The PCR product was then digested with DpnI and DNA purified using NucleoSpin Gel and PCR Clean-up Kit.
Using the pGEX-4T-1-TbB-peptide2 plasmid in which the Tb ion-binding peptide motif 2 gene is cloned as a template, primer ompC8f_TbBpep2_F-2 (5'-CTGGACGACAACCAGGGCGGCGGCCGCGTGCGTGGATTGG-3', SEQ ID NO: 46) and primer ompC8f_TbBpep2_R-2 (5') were used. -GCCAGCGCTCACGAGTGCCGCCGCCCGCGCATTCATCGCC-3', SEQ ID NO: 47) was used to perform PCR with KOD-Plus-Neo (Toyobo). By this operation, a 99 base pair DNA fragment encoding Tb ion-binding peptide motif 2 (hereinafter referred to as "ompC8TbBpep2") that can be introduced into the extracellular region 8 of OmpC was amplified. Amplified DNA fragments were purified using the QIA quick PCR purification kit (Qiagen).
The pBADompC-FLAG linear vector and ompC8TbBpep2 were ligated by homologous recombination with In-Fusion HD Enzyme, introduced into Escherichia coli DH5α by transformation by the CaCl 2 method, and colonies were obtained on LB agar medium containing chloramphenicol. Plasmids were extracted from the colonies that appeared using FavorPrep Plasmid DNA Extraction Mini Kit (Favorgen), and the extracted plasmids were subjected to DNA nucleotide sequencing to obtain plasmid pBADompC18-TBpep2 (see FIG. 19(B)).

構築したプラスミドpBADompC1-TBpep2、pBADompC18-TBpep2、pBADompC-FLAG及びプラスミドpBAD33を大腸菌JW2203(ompC::Kmr)(Mol. Syst. Biol. 2006, Vol. 2, 2006.0008.)へ導入した。
大腸菌JW2203 のCaCl2用コンピテントセルを作成し、pBADompC1-TBpep2、pBADompC18-TBpep2、pBADompC-FLAG、pBAD33プラスミド溶液を加え、CaCl2法による形質転換を行い、クロラムフェニコールを含むLB寒天培地上でコロニーを獲得した。得られた形質転換体(図20(A)及び(B)参照)をクロラムフェニコールとアラビノース(終濃度0.002%)を含むLB培地で培養し、集菌後、細胞懸濁溶液(20mM Tris-HCl pH 8.0/20% sucrose)で懸濁した。細胞懸濁液にリゾチーム(200μg/mL)とEDTA(終濃度0.1M)を添加し、氷上で40分静置した。その後、MgCl2(終濃度0.5M)を加え、遠心分離(10,000rpm、20分、4℃)によって得られたスフェロプラストの沈殿をスフェロプラスト懸濁溶液(10mM Tris-HCl pH8.0)で懸濁後、超音波(Amplitude 15%、Pulse ON/OFF 10秒、全90秒間)処理を行った。
溶液を遠心分離(10,000 rpm、15分、4oC)し、その後上清を超遠心分離(30,000 rpm、60分)を2度行い、凍結融解を行った後、得られた膜画分を1% N-lauroylsarcinosinate(終濃度0.5%)で懸濁した。25℃で20分保温した後、再度超遠心分離(30,000 rpm、90分)を行い、得られた沈殿を外膜画分とした。外膜画分は外膜可溶溶液(20mM Tris-HCl pH 8.0/20% sucrose/2%SDS)で溶解し、Bradford法によってタンパク質量を定量した。
The constructed plasmids pBADompC1-TBpep2, pBADompC18-TBpep2, pBADompC-FLAG and plasmid pBAD33 were introduced into E. coli JW2203 (ompC::Kmr) (Mol. Syst. Biol. 2006, Vol. 2, 2006.0008.).
Create E. coli JW2203 competent cells for CaCl2, add pBADompC1-TBpep2, pBADompC18-TBpep2, pBADompC - FLAG, pBAD33 plasmid solutions, perform transformation by CaCl2 method, and place on LB agar medium containing chloramphenicol. acquired a colony. The resulting transformants (see FIGS. 20(A) and (B)) were cultured in LB medium containing chloramphenicol and arabinose (final concentration 0.002%). -HCl pH 8.0/20% sucrose). Lysozyme (200 μg/mL) and EDTA (final concentration 0.1 M) were added to the cell suspension and allowed to stand on ice for 40 minutes. After that, MgCl 2 (0.5 M final concentration) was added, and the spheroplast precipitate obtained by centrifugation (10,000 rpm, 20 min, 4°C) was separated into a spheroplast suspension solution (10 mM Tris-HCl pH 8.0). After being suspended in , ultrasonication (Amplitude 15%, Pulse ON/OFF 10 seconds, total 90 seconds) was performed.
Centrifuge the solution (10,000 rpm, 15 minutes, 4oC), then ultracentrifuge the supernatant twice (30,000 rpm, 60 minutes), freeze-thaw, and divide the obtained membrane fraction into 1% Suspended with N-lauroylsarcinosinate (0.5% final concentration). After incubating at 25°C for 20 minutes, ultracentrifugation was performed again (30,000 rpm, 90 minutes), and the resulting precipitate was used as the outer membrane fraction. The outer membrane fraction was dissolved in an outer membrane soluble solution (20 mM Tris-HCl pH 8.0/20% sucrose/2% SDS), and the amount of protein was quantified by the Bradford method.

これらの外膜に対して、尿素(終濃度7.5%)を含むアクリルアミドゲルを用いたSDS-PAGEで分析した結果、45kDa付近にpBAD33をもつ大腸菌JW2203株では確認できないが(図21(A)のレーン1参照)、pBADompC-FLAGをもつ大腸菌JW2203株で確認するOmpCと推定されるタンパク質バンドを検出した(図21(A)のレーン2参照)。また、このタンパク質バンドはpBADompC1-TBpep2をもつJW2203株では少し移動度が遅いものであったことから、Tbイオン結合ペプチドモチーフ2を含むOmpCであると推定した(図21(A)のレーン3参照)。
上記結果を確認するために、FLAG抗体を用いたウエスタンブロッティングを行った。各形質転換体由来の外膜画分に対して、尿素(終濃度7.5%)を含むアクリルアミドゲルを用いたSDS-PAGEで電気泳動し、ゲル中のタンパク質をiBlot Gel Transfer Stacks PVDF(Invitrogen)へ転写した。転写PVDF膜はスキムミルク(終濃度3%)を含むTBS溶液(50mM Tris/150mM NaCl/1M HCl pH7.5)でブロッキングし、FLAG抗体(Sigma)を加えたスキムミルク(終濃度1%)を含むTBSに一晩振とうして晒することで、一次抗体によるPVDF上の免疫反応を行った。その後、転写したPVDF膜はスキムミルク(終濃度1%)を含むTBSで洗浄し、HRP結合マウスIgG抗体を加えたスキムミルク(終濃度1%)を含むTBSに2時間振とうし、二次抗体による免疫反応を行った。免疫反応させた転写PVDF膜はスキムミルク(終濃度1%)を含むTBSと精製水で洗浄し、Chemilmi One Super(ナカライテスク株式会社)によって膜上のHRP化学発光をLAS-4000(Fujifilm)を検出した。その結果、45kDa付近にpBADompC-FLAGをもつ大腸菌JW2203株でバンドを検出し、pBADompC1-TBpep2をもつ大腸菌JW2203株では少し移動度が遅いバンドを検出した(図21(B)のレーン2及び3参照)。しかし、pBAD33をもつ大腸菌JW2203株ではバンドを確認できなった(図21(B)のレーン1参照)。
これらの結果より、pBADompC1-TBpep2は大腸菌細胞内でTbイオン結合ペプチドモチーフ2を含むOmpCを外膜上に発現させることを確証した。
As a result of analyzing these outer membranes by SDS-PAGE using an acrylamide gel containing urea (final concentration 7.5%), E. coli JW2203 strain having pBAD33 at around 45 kDa could not be confirmed (Fig. 21(A)). Lane 1), and a protein band presumed to be OmpC confirmed in the E. coli strain JW2203 harboring pBADompC-FLAG was detected (see lane 2 in FIG. 21(A)). In addition, since the mobility of this protein band was slightly slow in the JW2203 strain having pBADompC1-TBpep2, it was presumed to be OmpC containing the Tb ion-binding peptide motif 2 (see lane 3 in FIG. 21(A). ).
In order to confirm the above results, Western blotting using a FLAG antibody was performed. The outer membrane fraction derived from each transformant was electrophoresed by SDS-PAGE using an acrylamide gel containing urea (final concentration 7.5%), and the proteins in the gel were transferred to iBlot Gel Transfer Stacks PVDF (Invitrogen). transcribed. The transferred PVDF membrane was blocked with TBS solution (50mM Tris/150mM NaCl/1M HCl pH7.5) containing skimmed milk (final concentration 3%), followed by blocking with TBS containing skimmed milk (final concentration 1%) to which FLAG antibody (Sigma) was added. Immunoreactivity on PVDF with primary antibody was performed by exposing to 30°C overnight with shaking. After that, the transferred PVDF membrane was washed with TBS containing skimmed milk (final concentration 1%), shaken in TBS containing skimmed milk (final concentration 1%) to which HRP-conjugated mouse IgG antibody was added for 2 hours, and then washed with secondary antibody. An immune response was performed. The immunoreacted transferred PVDF membrane was washed with TBS containing skimmed milk (final concentration 1%) and purified water, and HRP chemiluminescence on the membrane was detected with LAS-4000 (Fujifilm) using Chemilmi One Super (Nacalai Tesque, Inc.). did. As a result, a band was detected in E. coli JW2203 strain having pBADompC-FLAG at around 45 kDa, and a band with slightly slower mobility was detected in E. coli JW2203 strain having pBADompC1-TBpep2 (see lanes 2 and 3 in FIG. 21(B). ). However, no band could be confirmed with the E. coli strain JW2203 harboring pBAD33 (see lane 1 in FIG. 21(B)).
These results confirmed that pBADompC1-TBpep2 expresses OmpC containing Tb ion-binding peptide motif 2 on the outer membrane of E. coli cells.

大腸菌形質転換体をクロラムフェニコールとアラビノース(終濃度0.002%)を含むLB培地で培養し、オートクレーブにより菌体を死滅させた。この死菌体の吸着挙動の評価を実施した。
死菌体を純水1mLで懸濁した際に、660nmの波長で1.0OD(Optical Density)の濁度になる液量を遠心で集菌した。集めた死菌体を、100μMの濃度のTbClを含んだ50mM濃度のMES(pH4.5)水溶液1mLに懸濁したのち、再沈殿しないよう攪拌を30分間続けた後、遠心して菌体と上清とに分離した。この上清を吸着後上清とした。
The E. coli transformants were cultured in LB medium containing chloramphenicol and arabinose (final concentration 0.002%) and killed by autoclaving. The adsorption behavior of this dead cell was evaluated.
When the dead cells were suspended in 1 mL of pure water, the amount of liquid that gave a turbidity of 1.0 OD (Optical Density) at a wavelength of 660 nm was collected by centrifugation. The collected dead cells were suspended in 1 mL of a 50 mM MES (pH 4.5) aqueous solution containing 100 μM TbCl 3 , stirred for 30 minutes to prevent reprecipitation, and then centrifuged to remove the cells. The supernatant was separated. This supernatant was used as the supernatant after adsorption.

死菌体を懸濁する前の金属溶液原液(TbClを含んだMES水溶液)と吸着後上清の各溶液について、5%硝酸で10倍に希釈し、ICP-AES(Inductively Coupled Plasma-Atomic Emission Spectroscopy)によってそれぞれのTb3+イオン濃度を求め、死菌体に吸着したTb3+イオンの吸着率を算出した。吸着率は以下の式より算出した。

(吸着率/%)=
(1-(吸着後上清のTb3+イオン濃度)/(金属溶液原液のTb3+イオン濃度))

その結果を表2に示す。
Each of the metal solution undiluted solution (MES aqueous solution containing TbCl 3 ) before suspension of dead cells and the supernatant after adsorption was diluted 10 times with 5% nitric acid, and ICP-AES (Inductively Coupled Plasma-Atomic Each Tb 3+ ion concentration was determined by Emission Spectroscopy), and the adsorption rate of Tb 3+ ions adsorbed to the dead cells was calculated. The adsorption rate was calculated from the following formula.

(adsorption rate/%) =
(1-(Tb 3+ ion concentration of post-adsorption supernatant)/(Tb 3+ ion concentration of undiluted metal solution))

Table 2 shows the results.

Figure 0007128527000002
Figure 0007128527000002

表2に示すように、大腸菌株1でのTb3+イオンの吸着量は、大腸菌体表層へのTb3+イオンの非特異吸着によるものと考えられる。一方で、Tbイオン結合ペプチドモチーフが外膜に呈示されている大腸菌株2及び3では、大腸菌株1よりも大きいTb3+イオン吸着率を示している。
よって、外膜上にOmpC1a-TbBpep2又はOmpC1aC8f-Tbpep2を発現している死菌体の大腸菌株2及び3では、発現してない死菌体である大腸菌株1に比べて優位なTb3+イオンの吸着をしていることから、OmpC1a-TbBpep2又はOmpC1aC8f-Tbpep2はTb3+イオンを吸着する能力を保有することが確認できた。
As shown in Table 2, the amount of Tb 3+ ions adsorbed by E. coli strain 1 is considered to be due to non-specific adsorption of Tb 3+ ions to the surface layer of the E. coli body. On the other hand, E. coli strains 2 and 3, in which the Tb ion-binding peptide motif is displayed on the outer membrane, show a higher Tb 3+ ion adsorption rate than E. coli strain 1.
Therefore, in dead E.coli strains 2 and 3 expressing OmpC1a-TbBpep2 or OmpC1aC8f-Tbpep2 on the outer membrane, Tb 3+ ion is dominant compared to dead E.coli strain 1 that is not expressing , it was confirmed that OmpC1a-TbBpep2 or OmpC1aC8f-Tbpep2 possesses the ability to adsorb Tb 3+ ions.

本発明をその実施態様とともに説明したが、我々は特に指定しない限り我々の発明を説明のどの細部においても限定しようとするものではなく、添付の請求の範囲に示した発明の精神と範囲に反することなく幅広く解釈されるべきであると考える。 While we have described our invention in conjunction with embodiments thereof, we do not intend to limit our invention in any detail to the description unless specified otherwise, which is contrary to the spirit and scope of the invention as set forth in the appended claims. I think it should be interpreted broadly.

本願は、2017年5月2日に日本国で特許出願された特願2017-091503に基づく優先権を主張するものであり、これはここに参照してその内容を本明細書の記載の一部として取り込む。 This application claims priority based on Japanese Patent Application No. 2017-091503 filed in Japan on May 2, 2017, the contents of which are incorporated herein by reference. taken in as a part.

1 外膜
2 内膜
3 ポリン
4 金属イオン結合ペプチドモチーフ
10 組換え微生物又はその死菌体
20 ベシクル
1 Outer membrane 2 Inner membrane 3 Porin 4 Metal ion-binding peptide motif 10 Recombinant microorganism or dead cell thereof 20 Vesicle

Claims (5)

金属回収用担体と、金属イオンを含有する媒体とを接触させて、
前記媒体に含まれる金属イオンを前記金属回収用担体の外層表面に結合させ、
前記媒体から前記金属回収用担体を分離する、
金属の回収方法であって、
前記金属回収用担体は、増殖能を維持している遺伝子組換え微生物の生菌から作製され、外層がリン脂質二重膜から構成されるベシクルであり、
グラム陰性菌由来のポリンが、前記リン脂質二重膜を貫通し、
前記ポリンのうちOmpAポリンのアミノ酸配列において、前記グラム陰性菌においてOmpAポリンの立体構造が保たれ、拡散チャネルとしてのOmpAポリン機能を損なわない領域配列番号1~7のいずれか1つで示すアミノ酸配列からなる金属イオン結合ペプチドモチーフで置換されており、
前記金属イオン結合ペプチドモチーフが、前記リン脂質二重膜の表面に呈示される、
金属の回収方法。
Bringing the metal recovery carrier into contact with a medium containing metal ions,
binding the metal ions contained in the medium to the surface of the outer layer of the metal recovery carrier;
separating the metal recovery carrier from the medium;
A metal recovery method comprising:
The metal recovery carrier is a vesicle produced from live cells of a genetically modified microorganism that maintains its ability to proliferate, and whose outer layer is composed of a phospholipid bilayer membrane,
Porins derived from Gram-negative bacteria penetrate the phospholipid bilayer membrane,
In the amino acid sequence of the OmpA porin among the porins , any one of SEQ ID NOs: 1 to 7 represents a region that maintains the three-dimensional structure of the OmpA porin in the Gram-negative bacterium and does not impair the function of the OmpA porin as a diffusion channel. substituted with a metal ion-binding peptide motif consisting of an amino acid sequence ,
wherein the metal ion-binding peptide motif is displayed on the surface of the phospholipid bilayer membrane;
Metal recovery method.
前記OmpAポリンへの前記金属イオン結合ペプチドモチーフの置換部位が、配列番号8で表されるアミノ酸配列の38~54位までの領域若しくはこれに相当する領域の任意の部位、配列番号8で表されるアミノ酸配列の79~95位までの領域若しくはこれに相当する領域の任意の部位、配列番号8で表されるアミノ酸配列の125~137位までの領域若しくはこれに相当する領域の任意の部位、並びに配列番号8で表されるアミノ酸配列の164~181位までの領域若しくはこれに相当する領域の任意の部位、からなる群より選ばれる少なくとも1つの部位である、請求項1に記載の金属の回収方法。 The substitution site of the metal ion-binding peptide motif to the OmpA porin is any site in the region from positions 38 to 54 of the amino acid sequence represented by SEQ ID NO: 8 or the region corresponding to this, represented by SEQ ID NO: 8. Any site of the region from positions 79 to 95 of the amino acid sequence represented by SEQ ID NO. , and at least one site selected from the group consisting of the region from positions 164 to 181 of the amino acid sequence represented by SEQ ID NO: 8 or any region corresponding to this, The metal according to claim 1 collection method. 増殖能を維持している遺伝子組換え微生物の生菌から作製され、外層がリン脂質二重膜から構成されるベシクルであり、
グラム陰性菌由来のポリンが、前記リン脂質二重膜を貫通し、
前記ポリンのうちOmpAポリンのアミノ酸配列において、前記グラム陰性菌においてOmpAポリンの立体構造が保たれ、拡散チャネルとしてのOmpAポリン機能を損なわない領域配列番号1~7のいずれか1つで示すアミノ酸配列からなる金属イオン結合ペプチドモチーフで置換されており、
前記金属イオン結合ペプチドモチーフが、前記リン脂質二重膜の表面に呈示されている、
金属回収用担体。
A vesicle made from live cells of a genetically modified microorganism that maintains its ability to proliferate and having an outer layer composed of a phospholipid bilayer membrane,
Porins derived from Gram-negative bacteria penetrate the phospholipid bilayer membrane,
In the amino acid sequence of the OmpA porin among the porins , any one of SEQ ID NOs: 1 to 7 represents a region that maintains the three-dimensional structure of the OmpA porin in the Gram-negative bacterium and does not impair the function of the OmpA porin as a diffusion channel. substituted with a metal ion-binding peptide motif consisting of an amino acid sequence ,
wherein the metal ion-binding peptide motif is displayed on the surface of the phospholipid bilayer membrane;
Carrier for metal recovery.
前記OmpAポリンへの前記金属イオン結合ペプチドモチーフの置換部位が、配列番号8で表されるアミノ酸配列の38~54位までの領域若しくはこれに相当する領域の任意の部位、配列番号8で表されるアミノ酸配列の79~95位までの領域若しくはこれに相当する領域の任意の部位、配列番号8で表されるアミノ酸配列の125~137位までの領域若しくはこれに相当する領域の任意の部位、並びに配列番号8で表されるアミノ酸配列の164~181位までの領域若しくはこれに相当する領域の任意の部位、からなる群より選ばれる少なくとも1つの部位である、請求項に記載の金属回収用担体。 The substitution site of the metal ion-binding peptide motif to the OmpA porin is any site in the region from positions 38 to 54 of the amino acid sequence represented by SEQ ID NO: 8 or the region corresponding to this, represented by SEQ ID NO: 8. Any site of the region from positions 79 to 95 of the amino acid sequence represented by SEQ ID NO. , and at least one site selected from the group consisting of the region from positions 164 to 181 of the amino acid sequence represented by SEQ ID NO: 8 or any region corresponding to this, The metal according to claim 3 , Recovery carrier. 請求項3又は4に記載の金属回収用担体が固定化されている、金属の回収用バイオリアクター。 A bioreactor for metal recovery, wherein the carrier for metal recovery according to claim 3 or 4 is immobilized.
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