JP7535527B2 - 形質転換微生物、及び当該微生物を用いたポリヒドロキシアルカン酸の製造方法 - Google Patents
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Description
本実施形態に係る形質転換微生物は、PHA合成酵素遺伝子を有し、A1386遺伝子、及び/又は、A2405遺伝子の発現を低下させた、形質転換微生物である。該形質転換生物は、さらに、minC遺伝子及びminD遺伝子の発現を強化させたものであってもよい。
本実施形態に係る形質転換微生物は、PHA合成酵素遺伝子を有し、かつ、A1386遺伝子の発現を低下させるように形質転換された微生物であってよい。また、PHA合成酵素遺伝子を有し、かつ、A2405遺伝子の発現を低下させるように形質転換された微生物であってよい。また、PHA合成酵素遺伝子を有し、かつ、A1386遺伝子の発現を低下させ、minC遺伝子及びminD遺伝子の発現が強化されるように形質転換された微生物であってもよい。また、PHA合成酵素遺伝子を有し、かつ、A2405遺伝子の発現を低下させ、minC遺伝子及びminD遺伝子の発現が強化されるように形質転換された微生物であってもよい。また、PHA合成酵素遺伝子を有し、かつ、A1386遺伝子及びA2405遺伝子の発現を低下させるように形質転換された微生物であってもよい。また、PHA合成酵素遺伝子を有し、かつ、A1386遺伝子及びA2405遺伝子の発現を低下させ、minC遺伝子及びminD遺伝子の発現が強化されるように形質転換された微生物であってもよい。
PHA合成酵素遺伝子としては特に限定されないが、ラルストニア属、カプリアビダス属、ワウテルシア属、アルカリゲネス属、アエロモナス属、シュードモナス属、ノルカディア属、クロモバクテリウム属に類する生物に由来するPHA合成酵素遺伝子や、それらの改変体などが挙げられる。前記改変体としては、1以上のアミノ酸残基が欠失、付加、挿入、又は置換されたPHA合成酵素をコードする塩基配列などを用いることができる。例えば、配列番号5~9のいずれかに記載のアミノ酸配列で示されるポリペプチドをコードする塩基配列を有する遺伝子、及び、該アミノ酸配列に対して85%以上の配列相同性を有するアミノ酸配列で示され、かつPHA合成酵素活性を有するポリペプチドをコードする塩基配列を有する遺伝子などが挙げられる。上記配列相同性としては好ましくは90%以上、より好ましくは95%以上、さらに好ましくは97%以上、特に好ましくは99%以上である。
本実施形態に係る形質転換微生物が生産するPHAの種類としては、微生物が生産し得るPHAである限り特に限定されないが、炭素数4~16の3-ヒドロキシアルカン酸から選択される1種のモノマーの単独重合体、炭素数4~16の3-ヒドロキシアルカン酸から選択される1種のモノマーとその他のヒドロキシアルカン酸(例えば、炭素数4~16の2-ヒドロキシアルカン酸、4-ヒドロキシアルカン酸、5-ヒドロキシアルカン酸、6-ヒドロキシアルカン酸など)の共重合体、及び、炭素数4~16の3-ヒドロキシアルカン酸から選択される2種以上のモノマーの共重合体が好ましい。例えば、3-ヒドロキシ酪酸(略称:3HB)のホモポリマーであるP(3HB)、3HBと3-ヒドロキシ吉草酸(略称:3HV)の共重合体P(3HB-co-3HV)、3HBと3-ヒドロキシヘキサン酸(略称:3HH)の共重合体P(3HB-co-3HH)(略称:PHBH)、3HBと4-ヒドロキシ酪酸(略称:4HB)の共重合体P(3HB-co-4HB)、乳酸(略称:LA)を構成成分として含むPHA、例えば3HBとLAの共重合体P(LA-co-3HB)などが挙げられるが、これらに限定されない。この中でも、ポリマーとしての応用範囲が広いという観点から、PHBHが好ましい。なお、生産されるPHAの種類は、目的に応じて、使用する微生物の保有するあるいは別途導入されたPHA合成酵素遺伝子の種類や、その合成に関与する代謝系の遺伝子の種類、培養条件などによって適宜選択しうる。
ペプチドグリカンとは、細菌の細胞壁を主要に構成する、ペプチドと糖からなる高分子化合物の一種である。ペプチドグリカンの構造は菌種によって異なるが、代表的な例として大腸菌では、N-アセチルグルコサミン(GlcNAc)とN-アセチルムラミン酸(MurNAc)という2種のアミノ糖の交互の繰り返しを単位とした糖鎖と、L-アラニン(L-Ala)-γ-D-グルタミン酸(Glu)-メソジアミノピメリン酸(m-DAP)-D-アラニン(D-Ala)-D-Alaのペンタペプチドにより構成される。糖鎖のMurNAcにペンタペプチドのL-Alaがペプチド結合により結合している。ペンタペプチドからD-Alaが取り除かれ、テトラペプチドになった後、テトラペプチドのm-DAPと別の糖鎖のテトラペプチドのD-Alaが結合して、2つの糖鎖が架橋されることで、強固な構造を形成する。
多くの細菌は、N-アセチルムラミル-L-アラニンアミダーゼ、D-アラニル-D-アラニン-エンドペプチダーゼ、D-アラニル-D-アラニン-カルボキシペプチダーゼ等、複数のペプチドグリカン加水分解酵素を有している。N-アセチルムラミル-L-アラニンアミダーゼはペプチドグリカンのMurNAcとL-AlaのN末端の結合を切断する。D-アラニル-D-アラニン-エンドペプチダーゼはテトラペプチド同士の架橋部分に存在するm-DAPとD-Alaの結合等を切断する。D-アラニル-D-アラニン-カルボキシペプチダーゼは、ペンタペプチドのD-AlaとD-Alaの結合を切断し、末端のD-Alaを取り除く。
minC遺伝子、minD遺伝子、及び、minE遺伝子がコードするタンパク質MinC、MinD、及び、MinEは、細菌において協調して細胞分裂を制御する機能を持つタンパク質である(MinCDEシステム)。例えば大腸菌細胞内においては、MinDはATP依存的に重合体を形成し、さらにMinCと複合体を形成して、細胞の極から極へと素早く振動することが知られている。MinCは細胞分裂の際の隔壁形成を阻害する働きを持つ。また、MinEはMinCと競合的にMinDに結合することが知られており、細胞の中央でのみ隔壁形成が生じるように調節する働きを持つ。
本開示における「遺伝子発現の低下」とは、対象遺伝子の発現を低下させていない菌株と比較して、対象遺伝子の転写量または対象遺伝子のコードするポリペプチドの発現量が減少している状態を指す。その減少量は特に限定されないが、対象遺伝子の発現を低下させていない菌株による発現量に対して、1倍未満であればよく、好ましくは0.8倍以下、より好ましくは0.5倍以下、さらに好ましくは0.3倍以下、さらにより好ましくは0.2倍以下である。対象遺伝子の転写量または対象遺伝子のコードするポリペプチドの発現量はゼロであってもよい。また、対象遺伝子の塩基配列を改変することなどにより、該遺伝子がコードするポリペプチドが元来の機能を示さない場合も、該遺伝子発現が低下しているとみなすことができる。また、PHA合成酵素遺伝子を有する微生物に対して、当該ポリペプチドの機能を阻害する代謝物やタンパク質を生産するように遺伝子改変を行うことで対象遺伝子の発現を低下させることもできる。
本開示における遺伝子発現の強化とは、対象遺伝子の発現が強化されていない菌株と比較して、対象遺伝子の転写量または対象遺伝子のコードするポリペプチドの発現量が増加している状態を指す。その増加量は特に限定されないが、対象遺伝子の発現が強化されていない菌株と比較して1倍超であればよく、好ましくは1.1倍以上、より好ましくは1.2倍以上、さらに好ましくは1.5倍以上、さらにより好ましくは2倍以上の増加である。
まず、遺伝子欠失用プラスミドの作製を行った。作製は以下のように行った。合成オリゴDNAを用いたPCRにより、A0597構造遺伝子より上流および下流の塩基配列を有するDNA断片(配列番号17)を得た。このDNA断片を制限酵素SwaIで消化し、得られたDNA断片を、同じくSwaI消化した特開2007-259708号公報に記載のベクターpNS2X-sacBとDNAリガーゼ(Ligation High(東洋紡社製))にて連結し、A0597構造遺伝子より上流および下流の塩基配列を有する遺伝子欠失用プラスミドベクターpNS2X-sacB+A0597UDを作製した。
遺伝子挿入破壊用プラスミドベクターpNS2X-sacB+A0597UDで大腸菌S17-1株(ATCC47055)を形質転換し、それによって得た形質転換微生物を、KNK-005株とNutrient Agar培地(Difco社製)上で混合培養して接合伝達を行った。KNK-005株は、カプリアビダス・ネカトールH16株の染色体上にアエロモナス・キャビエ由来のPHA合成酵素遺伝子(配列番号7に記載のアミノ酸配列を有するPHA合成酵素をコードする遺伝子)が導入された形質転換体であり、米国特許第7384766号明細書に記載の方法に準じて作製することができる。
まず、遺伝子欠失用プラスミドの作製を行った。作製は以下のように行った。合成オリゴDNAを用いたPCRにより、A0302構造遺伝子より上流および下流の塩基配列を有するDNA断片(配列番号18)を得た。このDNA断片を制限酵素SwaIで消化し、得られたDNA断片を、同じくSwaI消化した特開2007-259708号公報に記載のベクターpNS2X-sacBとDNAリガーゼ(Ligation High(東洋紡社製))にて連結し、A0302構造遺伝子より上流および下流の塩基配列を有する遺伝子欠失用プラスミドベクターpNS2X-sacB+A0302UDを作製した。
まず、遺伝子欠失用プラスミドの作製を行った。作製は以下のように行った。合成オリゴDNAを用いたPCRにより、A1386構造遺伝子より上流および下流の塩基配列を有するDNA断片(配列番号19)を得た。このDNA断片を制限酵素SwaIで消化し、得られたDNA断片を、同じくSwaI消化した特開2007-259708号公報に記載のベクターpNS2X-sacBとDNAリガーゼ(Ligation High(東洋紡社製))にて連結し、A1386構造遺伝子より上流および下流の塩基配列を有する遺伝子欠失用プラスミドベクターpNS2X-sacB+A1386UDを作製した。
まず、A2272遺伝子挿入破壊用プラスミドの作製を行った。作製は以下のように行った。合成オリゴDNAを用いたPCRにより、A2272構造遺伝子の47~231番目の塩基配列のDNA断片(配列番号20)を得た。得られたDNA断片を制限酵素SwaIで消化した。このDNA断片を、同じくSwaI消化した特開2007-259708号公報に記載のベクターpNS2X-sacBとDNAリガーゼ(Ligation High(東洋紡社製))にて連結し、A2272構造遺伝子の47~231番目の塩基配列を有する遺伝子挿入破壊用プラスミドベクターpNS2X-sacB-A2272-indelを作製した。
まず、A2405遺伝子挿入破壊用プラスミドの作製を行った。作製は以下のように行った。合成オリゴDNAを用いたPCRにより、A2405構造遺伝子の7~204番目の塩基配列のDNA断片(配列番号21)を得た。得られたDNA断片を制限酵素SwaIで消化した。このDNA断片を、同じくSwaI消化した特開2007-259708号公報に記載のベクターpNS2X-sacBとDNAリガーゼ(Ligation High(東洋紡社製))にて連結し、A2405構造遺伝子の7~204番目の塩基配列を有するA2405遺伝子挿入破壊用プラスミドベクターpNS2X-sacB-A2405-indelを作製した。
まず、遺伝子欠失用プラスミドの作製を行った。作製は以下のように行った。合成オリゴDNAを用いたPCRにより、A2405構造遺伝子より上流および下流の塩基配列を有するDNA断片(配列番号22)を得た。このDNA断片を制限酵素SwaIで消化し、得られたDNA断片を、同じくSwaI消化した特開2007-259708号公報に記載のベクターpNS2X-sacBとDNAリガーゼ(Ligation High(東洋紡社製))にて連結し、A2405構造遺伝子より上流および下流の塩基配列を有する遺伝子欠失用プラスミドベクターpNS2X-sacB+A2405UDを作製した。
A2405遺伝子欠失用プラスミドベクターpNS2X-sacB+A2405UDを、製造例1と同様の方法でA1386欠失破壊株に導入した。さらに、製造例1と同様の方法で、染色体上のA2405構造遺伝子の開始コドンから終止コドンまでを欠失した菌株1株を単離した。このA1386遺伝子およびA2405遺伝子が欠失された株をA1386・A2405二重破壊株と命名した。
minCD遺伝子発現用プラスミドベクターpNS2X-sacB-PA-minCDの作製を行った。作製は以下のように行った。合成オリゴDNAを用いたPCRにより、プロモーター配列とminCD遺伝子配列およびゲノム上の組込み領域の塩基配列を有するDNA断片(配列番号23)を得た。このDNA断片を制限酵素SwaIで消化し、得られたDNA断片を、同じくSwaI消化した特開2007-259708号公報に記載のベクターpNS2X-sacBとDNAリガーゼ(Ligation High(東洋紡社製))にて連結し、minCD遺伝子発現用プラスミドベクターpNS2X-PA-minCDを作製した。
minCD遺伝子発現用プラスミドベクターpNS2X-sacB-PA-minCDを、製造例1と同様の方法でA2405欠失破壊株に導入した。さらに製造例1と同様の方法で、染色体上にプロモーター配列とminCD遺伝子配列が挿入された菌株1株を単離した。このminCD遺伝子発現A2405欠失株をminCD発現A2405破壊株と命名した。
A1386遺伝子欠失用プラスミドベクターpNS2X-sacB+A1386UDを、製造例1と同様の方法でminCD発現A2405破壊株に導入した。さらに製造例1と同様の方法で、染色体上のA1386構造遺伝子の開始コドンから終止コドンまでを欠失した菌株1株を単離した。このminCD遺伝子発現A2405・A1386欠失株をminCD発現A2405・A1386破壊株と命名した。
下記の条件でKNK-005株を用いた培養検討を行なった。
種母培地の組成は1w/v% Meat-extract、1w/v% Bacto-Tryptone、0.2w/v% Yeast-extract、0.9w/v% Na2HPO4・12H2O 、0.15w/v% KH2PO4、(pH6.8)とした。
前培養培地の組成は1.1w/v% Na2HPO4・12H2O、0.19w/v%KH2PO4、1.29 w/v%(NH4)2SO4 、0.1w/v% MgSO4・7H2O、2.5w/v% パームオレインオイル、0.5v/v% 微量金属塩溶液(0.1N塩酸に1.6w/v% FeCl3・6H2O、1w/v% CaCl2・2H2O、0.02w/v% CoCl2・6H2O、0.016w/v% CuSO4・5H2O、0.012w/v% NiCl2・6H2Oを溶かしたもの)とした。炭素源としてパームオレインオイルを10g/Lの濃度で一括添加した。
PHA生産培地の組成は0.385w/v% Na2HPO4・12H2O、0.067w/v% KH2PO4、0.291w/v%(NH4)2SO4、0.1w/v% MgSO4・7H2O、0.5v/v% 微量金属塩溶液(0.1N塩酸に1.6w/v% FeCl3・6H2O、1w/v% CaCl2・2H2O、0.02w/v% CoCl2・6H2O、0.016w/v% CuSO4・5H2O、0.012w/v% NiCl2・6H2Oを溶かしたもの)とした。
乾燥菌体に対するPHA蓄積量の割合は次のように測定した。遠心分離によって培養液から菌体を回収、エタノールで洗浄、凍結乾燥し、乾燥菌体を取得した。得られた乾燥菌体1gに100mlのクロロホルムを加え、室温で一昼夜攪拌して、菌体内のPHAを抽出した。菌体残渣をろ別後、エバポレーターで総容量が30mlになるまで濃縮後、90mlのヘキサンを徐々に加え、ゆっくり攪拌しながら、1時間放置した。析出したPHAをろ別後、50℃で3時間真空乾燥した。乾燥PHAの重量を測定し、乾燥菌体に対する菌体内のPHA蓄積量の割合を算出した。
細胞径は次のように測定した。培養終了後の培養液を65℃で60分間処理し、菌体細胞不活化を行った後、レーザー回折・散乱式粒子径分布測定装置(マイクロトラック・ベル社製Microtrac MT3300EXII)により解析し細胞の体積平均径(MV)を測定した。測定は標準的な設定(粒子透過性:透過、粒子屈折率:1.81、粒子形状:非球形、溶媒屈折率:1.333)で行った。
細胞の顕微鏡観察は次のように行った。培養終了後の培養液を適宜希釈し、スライドガラスにのせて乾燥させた後、フクシンによって染色した。染色された細胞を光学顕微鏡によって観察した。
PHA生産培養は次のように行った。まず、KNK-005株のグリセロールストック(50μl)を種母培地(10ml)に接種して24時間培養し種母培養を行なった。次に種母培養液を、1.8Lの前培養培地を入れた3Lジャーファーメンター(丸菱バイオエンジ製MDL-300型)に1.0v/v%接種した。運転条件は、培養温度33℃、攪拌速度500rpm、通気量1.8L/minとし、pHは6.7~6.8の間でコントロールしながら28時間培養し、前培養を行なった。pHコントロールには14%水酸化アンモニウム水溶液を使用した。
比較例1と同様の条件でA0597欠失破壊株を用いた培養検討を行なった。PHA蓄積量の割合および細胞径の測定結果を表1に示す。また、前述のように行った細胞の顕微鏡観察写真を図2に示す。
比較例1と同様の条件でA0302欠失破壊株を用いた培養検討を行なった。PHA蓄積量の割合および細胞径の測定結果を表1に示す。また、前述のように行った細胞の顕微鏡観察写真を図3に示す。
比較例1と同様の条件でA2272挿入破壊株を用いた培養検討を行なった。PHA蓄積量の割合および細胞径の測定結果を表1に示す。また、前述のように行った細胞の顕微鏡観察写真を図4に示す。
比較例1と同様の条件でA1386欠失破壊株を用いた培養検討を行なった。PHA蓄積量の割合および細胞径の測定結果を表1に示す。また、前述のように行った細胞の顕微鏡観察写真を図5に示す。
比較例1と同様の条件でA2405挿入破壊株を用いた培養検討を行なった。PHA蓄積量の割合および細胞径の測定結果を表1に示す。また、前述のように行った細胞の顕微鏡観察写真を図6に示す。
比較例1と同様の条件でA2405欠失破壊株を用いた培養検討を行なった。PHA蓄積量の割合および細胞径の測定結果を表1に示す。また、前述のように行った細胞の顕微鏡観察写真を図7に示す。
比較例1と同様の条件でA1386・A2405二重破壊株を用いた培養検討を行なった。PHA蓄積量の割合および細胞径の測定結果を表1に示す。また、前述のように行った細胞の顕微鏡観察写真を図8に示す。
比較例1と同様の条件でminCD発現A1386破壊株を用いた培養検討を行なった。PHA蓄積量の割合および細胞径の測定結果を表1に示す。また、前述のように行った細胞の顕微鏡観察写真を図9に示す。
比較例1と同様の条件でminCD発現A2405破壊株を用いた培養検討を行なった。PHA蓄積量の割合および細胞径の測定結果を表1に示す。また、前述のように行った細胞の顕微鏡観察写真を図10に示す。
比較例1と同様の条件でminCD発現A2405・A1386破壊株を用いた培養検討を行なった。PHA蓄積量の割合および細胞径の測定結果を表1に示す。また、前述のように行った細胞の顕微鏡観察写真を図11に示す。
Claims (6)
- ポリヒドロキシアルカン酸合成酵素遺伝子を有し、A1386遺伝子、及び/又は、A2405遺伝子の発現を低下させた、カプリアビダス・ネカトールの形質転換微生物であって、
前記A1386遺伝子が、配列番号1に記載のアミノ酸配列に対して90%以上の配列同一性を有するアミノ酸配列を含むペプチドグリカンの加水分解酵素をコードする遺伝子であり、
前記A2405遺伝子が、配列番号2に記載のアミノ酸配列に対して90%以上の配列同一性を有するアミノ酸配列を含むペプチドグリカンの加水分解酵素をコードする遺伝子である、形質転換微生物。 - さらに、配列番号3に記載のアミノ酸配列に対して90%以上の配列同一性を有するアミノ酸配列を含む細胞分裂を制御する機能を持つタンパク質をコードするminC遺伝子、及び、配列番号4に記載のアミノ酸配列に対して90%以上の配列同一性を有するアミノ酸配列を含む細胞分裂を制御する機能を持つタンパク質をコードするminD遺伝子の発現が強化された、請求項1に記載の形質転換微生物。
- 請求項1又は2に記載の形質転換微生物を、炭素源の存在下で培養する工程を含む、ポリヒドロキシアルカン酸の製造方法。
- ポリヒドロキシアルカン酸が、2種以上のヒドロキシアルカン酸の共重合体である、請求項3に記載のポリヒドロキシアルカン酸の製造方法。
- 前記ポリヒドロキシアルカン酸が、3-ヒドロキシヘキサン酸をモノマーユニットとして含有する共重合体である、請求項4に記載のポリヒドロキシアルカン酸の製造方法。
- 前記ポリヒドロキシアルカン酸が、3-ヒドロキシ酪酸と3-ヒドロキシヘキサン酸との共重合体である、請求項5に記載のポリヒドロキシアルカン酸の製造方法。
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| ZHANG, Xing-Chen et al.,Engineering cell wall synthesis mechanism for enhanced PHB accumulation in E.coli,Metabolic Engineering,2017年11月24日,Vol.45,p.32-42 |
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