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JP7565569B2 - Mutant isoprene synthase and screening method therefor - Google Patents
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本発明は、変異型イソプレン合成酵素及びそのスクリーニング方法に関する。 The present invention relates to mutant isoprene synthases and screening methods for the same.

テルペン、テルペノイド、カロテノイドなど、イソプレンユニットからなる化合物は7万にのぼるが、これらの生合成酵素は非常に活性が低い。その改良の必要性が広く認識されている。 There are as many as 70,000 compounds made of isoprene units, including terpenes, terpenoids, and carotenoids, but the activity of the enzymes that synthesize these compounds is very low. The need for improvement is widely recognized.

しかし、いずれのテルペン・イソプレノイド合成でも、その生産物は無色かつ揮発性があり、テルペン・イソプレン合成酵素の活性を簡便に見る方法はなかった。HPLC、GC-MSなど、クロマトグラフィーを用いた方法を数万の変異体ライブラリを一つ一つ調べ、活性の高い変異体を取得した例がある(特許文献1)。テルペン・イソプレノイドの生合成酵素の改良のためには、ハイスループットな活性検出技術が必要である(非特許文献1)。 However, in both terpene and isoprenoid synthesis methods, the products are colorless and volatile, and there was no easy way to observe the activity of terpene and isoprene synthases. There is an example of obtaining highly active mutants by examining a library of tens of thousands of mutants one by one using chromatography methods such as HPLC and GC-MS (Patent Document 1). In order to improve the biosynthetic enzymes of terpene and isoprenoids, a high-throughput activity detection technology is required (Non-Patent Document 1).

本発明者らは以前、「基質消費」を可視化する方法を開発した(特許文献2、特許文献3、特許文献4、特許文献5)。これらは、「カロテノイド生合成経路をもつ大腸菌株を作製し、その細胞の中にテルペン合成酵素の遺伝子群を導入する」という方法である。テルペン酵素の活性が高いほど、同居するカロテノイド生合成経路から基質を奪うため、その基質消費力が高いものほどカロテノイド生合成量が減ることになる。結果として、コロニー色の薄いクローンを選抜することによって、活性の高いテルペン酵素変異体が得られた。 The present inventors previously developed methods to visualize "substrate consumption" (Patent Document 2, Patent Document 3, Patent Document 4, Patent Document 5). These methods involve "creating an E. coli strain with a carotenoid biosynthetic pathway and introducing a group of terpene synthase genes into the cells." The higher the activity of the terpene enzyme, the more it deprives the coexisting carotenoid biosynthetic pathway of substrates, and therefore the higher the substrate consumption, the less carotenoid biosynthesis will occur. As a result, by selecting clones with pale colony color, highly active terpene enzyme mutants were obtained.

真核生物などの持つイソプレノイド前駆体経路であるメバロン酸経路にも、培地添加できる中間体であるメバロン酸がある。メバロン酸を培地に入れすぎると、同じようにDMAPP(ジメチルアリル二リン酸)を過剰蓄積して細胞増殖阻害が起きることは、知られていた(非特許文献2)。最近、それを用いてイソプレン合成酵素を改良できた例も報告されている(非特許文献3)。この報告では、酵母内在のメバロン酸経路の律速酵素、HMG1の過剰発現によって増殖低下状態をつくり、その増殖回復をもとにイソプレン合成酵素(IspS)の活性変異体を取得している。ただしこの方法で得られる細胞毒性は大変低く、一晩で創り出せる細胞密度差はわずか2倍であった。スクリーニング・セレクション技術としては実用化は困難である。 The mevalonate pathway, an isoprenoid precursor pathway found in eukaryotes, also contains mevalonate, an intermediate that can be added to the medium. It was known that adding too much mevalonate to the medium would similarly result in excessive accumulation of DMAPP (dimethylallyl diphosphate), causing cell growth inhibition (Non-Patent Document 2). Recently, a case has been reported in which it was used to improve isoprene synthase (Non-Patent Document 3). In this report, a state of reduced growth was created by overexpressing HMG1, the rate-limiting enzyme of the mevalonate pathway found in yeast, and an active mutant of isoprene synthase (IspS) was obtained based on the recovery of growth. However, the cytotoxicity obtained by this method was very low, and the cell density difference that could be created overnight was only two-fold. It is difficult to put this method into practical use as a screening and selection technique.

イソプレン合成酵素の活性改良の例は、特許文献1のほかは、非特許文献3が報告されている。この論文では、F340L、I478V、A570Tの3つの活性変異が見出されており、このうちF340L+A570TのW-mutantsが最良とされていると報告されている。
しかし、本発明で得られた変異型イソプレン合成酵素は、先で報告された変異体とは明らかに構造が異なる。
Examples of improved activity of isoprene synthase are reported in Patent Document 1 and Non-Patent Document 3. This paper reports that three active mutations, F340L, I478V, and A570T, are found, and that among these, the W-mutants of F340L+A570T are considered to be the best.
However, the mutant isoprene synthase obtained in the present invention has a structure that is clearly different from that of the previously reported mutants.

米国特許第9.273,298号明細書U.S. Patent No. 9,273,298 特開2019-170350号公報JP 2019-170350 A 特開2018-198576号公報JP 2018-198576 A 特開2014-223038号公報JP 2014-223038 A 特開2011-125334号公報JP 2011-125334 A

田代美希、梅野太輔: 化学と生物、54、 562-567 (2016)M. Tashiro and T. Umeno: Chemistry and Biology, 54, 562-567 (2016) VJJ Martin et al., Nat. Biotech., 21, 796 (2003)VJJ Martin et al., Nat. Biotech., 21, 796 (2003) Wang, Metabolic Engineering, 39, 257 (2017)Wang, Metabolic Engineering, 39, 257 (2017)

本発明は、変異型イソプレン合成酵素及びそのスクリーニング方法を提供することを課題とする。 The objective of the present invention is to provide a mutant isoprene synthase and a screening method for the same.

本発明者らは鋭意検討した結果、ランダム変異を導入したイソプレン合成酵素遺伝子をジメチルアリルアルコール(DMAOH)のリン酸化活性を有する酵素の遺伝子を発現する細胞に導入し、DMAOH感受性を指標とする、変異型イソプレン合成酵素のスクリーニング方法を完成し、さらに該方法により変異型イソプレン合成酵素が得られることを確認して本発明を完成した。 As a result of extensive research, the inventors of the present invention have developed a method for screening mutant isoprene synthases by introducing an isoprene synthase gene with random mutations into cells expressing a gene for an enzyme with dimethylallyl alcohol (DMAOH) phosphorylation activity, and using DMAOH sensitivity as an indicator. They have also confirmed that mutant isoprene synthases can be obtained by this method, thereby completing the present invention.

すなわち、本発明は以下の通りである。
1.配列番号7で示されるアミノ酸配列における1位~52位にアミノ酸欠失を有し、並びに、218位、587位及び593位からなる群より選択される1、2又は3つの部位にアミノ酸置換を有することを特徴とする、変異型イソプレン合成酵素又はその誘導体。
2.前記変異型イソプレン合成酵素は、野生型イソプレン合成酵素と比較して、イソプレン合成量が高いことを特徴とする、前項1に記載の変異型イソプレン合成酵素又はその誘導体。
3.前記アミノ酸置換は、以下の群より選択される少なくとも1以上からなる前項1又は2に記載の変異型イソプレン合成酵素又はその誘導体、
H218R、T587A及びF593L。
4.前記アミノ酸置換は、以下の(1)又は(2)から選択される1からなる前項1~3のいずれか1項に記載の変異型イソプレン合成酵素又はその誘導体、
(1)H218R、T587A、及び
(2)F593L。
5.配列番号7で示されるアミノ酸配列において、1位~52位にアミノ酸欠失を有し、並びに、H218R及びT587Aのアミノ酸置換を有することを特徴とする、変異型イソプレン合成酵素又はその誘導体。
6.配列番号7で示されるアミノ酸配列において、1位~52位にアミノ酸欠失を有し、並びに、F593Lのアミノ酸置換を有することを特徴とする、変異型イソプレン合成酵素又はその誘導体。
7.以下の(1)~(7)のいずれか1である遺伝子からなる変異型イソプレン合成酵素遺伝子、
(1)配列番号11又は12に記載のアミノ酸配列からなるポリペプチドをコードする遺伝子、
(2)配列番号11又は12に記載のアミノ酸配列において、1~20個のアミノ酸が置換、欠損、挿入及び/又は付加しており、かつ配列番号11又は12に記載のアミノ酸配列からなるポリペプチドが有するジメチルアリル二リン酸を基質としてイソプレンを生成する活性と実質的同等の活性を有するポリペプチドをコードする遺伝子、
(3)配列番号11又は12に記載のアミノ酸配列と90%以上の相同性を有し、かつ配列番号11又は12に記載のアミノ酸配列からなるポリペプチドが有するジメチルアリル二リン酸を基質としてイソプレンを生成する活性と実質的同等の活性を有するポリペプチドをコードする遺伝子、
(4)配列番号13又は14に記載の塩基配列からなるDNAからなる遺伝子、
(5)配列番号13又は14に記載の塩基配列からなるDNAと相補的な塩基配列からなるDNAとストリンジェントな条件下でハイブリダイズし、かつ配列番号11又は12に記載のアミノ酸配列からなるポリペプチドが有するジメチルアリル二リン酸を基質としてイソプレンを生成する活性と実質的同等の活性を有するポリペプチドをコードする遺伝子、
(6)配列番号13又は14に記載の塩基配列からなるDNAにおいて、1~50個の塩基配列が置換、欠損、挿入及び/又は付加しているDNAからなる遺伝子、及び、
(7)配列番号13又は14に記載の塩基配列からなるDNAと相同性が90%以上のDNAからなる遺伝子。
8.以下の(1)~(3)のいずれか1であるアミノ酸配列からなる変異型イソプレン合成酵素、
(1)配列番号11又は12に記載のアミノ酸配列、
(2)配列番号11又は12に記載のアミノ酸配列において、1~20個のアミノ酸が置換、欠損、挿入及び/又は付加しており、かつ配列番号11又は12に記載のアミノ酸配列からなるポリペプチドが有するジメチルアリル二リン酸を基質としてイソプレンを生成する活性を有するアミノ酸配列、及び、
(3)配列番号11又は12に記載のアミノ酸配列と90%以上の相同性を有し、かつ配列番号11又は12に記載のアミノ酸配列からなるポリペプチドが有するジメチルアリル二リン酸を基質としてイソプレンを生成する活性を有するアミノ酸配列。
9.変異を導入したイソプレン合成酵素遺伝子ライブラリを、ジメチルアリルアルコールからジメチルアリル二リン酸を合成可能な細胞に導入し、該細胞の細胞増殖速度の増加又は低下を指標とする、変異型イソプレン合成酵素のスクリーニング方法。
10.前記細胞の細胞増殖速度の増加が、ジメチルアリル二リン酸を基質とするイソプレン合成量の増加である、前項9に記載のスクリーニング方法。
11.前記細胞の細胞増殖速度が、ジメチルアリルアルコール存在下における細胞増殖速度である、前項9又は10に記載のスクリーニング方法。
12.前記細胞が大腸菌である、前項9~11のいずれか1項に記載のスクリーニング方法。
13.前記細胞が配列番号6に記載のアミノ酸配列からなるポリペプチドをコードする遺伝子により形質転換された細胞である、前項9~12のいずれか1項に記載のスクリーニング方法。
14.ジメチルアリルアルコールを、ジメチルアリルアルコールからジメチルアリル二リン酸を合成可能な細胞に導入又は添加する工程を含む、ジメチルアリル二リン酸を含む細胞の作製方法であって、
該細胞は変異型イソペンテニルホスフェートキナーゼにより形質転換された細胞であることを特徴とする作製方法。
15.前記細胞は、野生型細胞と比較して、ジメチルアリル二リン酸を多く含むことを特徴とする前項14に記載の作製方法。
That is, the present invention is as follows.
1. A mutant isoprene synthase or a derivative thereof, characterized in that it has amino acid deletions at positions 1 to 52 in the amino acid sequence shown in SEQ ID NO:7 and has amino acid substitutions at one, two or three sites selected from the group consisting of positions 218, 587 and 593.
2. The mutant isoprene synthase or a derivative thereof according to the preceding item 1, wherein the mutant isoprene synthase synthesizes a higher amount of isoprene than a wild-type isoprene synthase.
3. The mutant isoprene synthase or derivative thereof according to the above item 1 or 2, wherein the amino acid substitution is at least one selected from the following group:
H218R, T587A and F593L.
4. The mutant isoprene synthase or derivative thereof according to any one of the above items 1 to 3, wherein the amino acid substitution is one selected from the following (1) or (2):
(1) H218R, T587A, and (2) F593L.
5. A mutant isoprene synthase or a derivative thereof, which has amino acid deletions at positions 1 to 52 in the amino acid sequence shown in SEQ ID NO:7 and has amino acid substitutions of H218R and T587A.
6. A mutant isoprene synthase or a derivative thereof, which has amino acid deletions at positions 1 to 52 in the amino acid sequence shown in SEQ ID NO:7 and has an amino acid substitution of F593L.
7. A mutant isoprene synthase gene comprising any one of the following genes (1) to (7):
(1) A gene encoding a polypeptide consisting of the amino acid sequence set forth in SEQ ID NO: 11 or 12,
(2) A gene encoding a polypeptide in which 1 to 20 amino acids have been substituted, deleted, inserted and/or added in the amino acid sequence set forth in SEQ ID NO: 11 or 12, and which has substantially the same activity as the activity of producing isoprene using dimethylallyl diphosphate as a substrate, which is possessed by a polypeptide consisting of the amino acid sequence set forth in SEQ ID NO: 11 or 12.
(3) A gene encoding a polypeptide having 90% or more homology to the amino acid sequence set forth in SEQ ID NO: 11 or 12 and having substantially the same activity as the activity of a polypeptide consisting of the amino acid sequence set forth in SEQ ID NO: 11 or 12 to produce isoprene using dimethylallyl diphosphate as a substrate.
(4) A gene consisting of DNA having the base sequence set forth in SEQ ID NO: 13 or 14.
(5) A gene that hybridizes under stringent conditions with DNA having a base sequence complementary to DNA having the base sequence set forth in SEQ ID NO: 13 or 14, and encodes a polypeptide having an activity of producing isoprene using dimethylallyl diphosphate as a substrate that is substantially equivalent to the activity of a polypeptide having the amino acid sequence set forth in SEQ ID NO: 11 or 12.
(6) A gene consisting of DNA in which 1 to 50 bases in the base sequence set forth in SEQ ID NO: 13 or 14 have been substituted, deleted, inserted and/or added; and
(7) A gene consisting of DNA having a homology of 90% or more to the DNA consisting of the base sequence set forth in SEQ ID NO: 13 or 14.
8. A mutant isoprene synthase having an amino acid sequence selected from any one of the following (1) to (3):
(1) an amino acid sequence set forth in SEQ ID NO: 11 or 12;
(2) an amino acid sequence comprising 1 to 20 amino acids substituted, deleted, inserted and/or added in the amino acid sequence set forth in SEQ ID NO: 11 or 12, and having an activity of producing isoprene using dimethylallyl diphosphate as a substrate, which is possessed by a polypeptide consisting of the amino acid sequence set forth in SEQ ID NO: 11 or 12; and
(3) An amino acid sequence having 90% or more homology to the amino acid sequence set forth in SEQ ID NO: 11 or 12, and having activity of producing isoprene using dimethylallyl diphosphate as a substrate, which is possessed by a polypeptide consisting of the amino acid sequence set forth in SEQ ID NO: 11 or 12.
9. A method for screening for mutant isoprene synthases, comprising introducing a library of mutated isoprene synthase genes into cells capable of synthesizing dimethylallyl diphosphate from dimethylallyl alcohol, and using an increase or decrease in the cell proliferation rate of the cells as an indicator.
10. The screening method according to the preceding item 9, wherein the increase in the cell proliferation rate of the cells is an increase in the amount of isoprene synthesized using dimethylallyl diphosphate as a substrate.
11. The screening method according to the above 9 or 10, wherein the cell proliferation rate of the cells is a cell proliferation rate in the presence of dimethylallyl alcohol.
12. The screening method according to any one of the preceding aspects 9 to 11, wherein the cell is Escherichia coli.
13. The screening method according to any one of items 9 to 12 above, wherein the cell is a cell transformed with a gene encoding a polypeptide consisting of the amino acid sequence set forth in SEQ ID NO:6.
14. A method for producing a cell containing dimethylallyl diphosphate, comprising the step of introducing or adding dimethylallyl alcohol to a cell capable of synthesizing dimethylallyl diphosphate from dimethylallyl alcohol,
The method for producing the cell is characterized in that the cell is a cell transformed with a mutant isopentenyl phosphate kinase.
15. The method according to item 14 above, wherein the cell contains more dimethylallyl diphosphate than a wild-type cell.

本発明は、野生型イソプレン合成酵素と比較してイソプレン合成量が高い変異型イソプレン合成酵素並びに該酵素の変異体のスクリーニング方法を提供することができた。 The present invention provides a mutant isoprene synthase that synthesizes a higher amount of isoprene than the wild-type isoprene synthase, as well as a method for screening mutants of the enzyme.

プラスミドMAP(pJ211-J23119-IPKmut)。Plasmid MAP (pJ211-J23119-IPK mut ). IPKmut変異体のコロニー数。IPK変異体の発現により、宿主細胞はDMAOHに対する感受性を得た。Colony counts of IPK mut mutants. Expression of the IPK mutant conferred sensitivity to DMAOH in host cells. IPK発現による宿主細胞のDMAOH感受性(液体培養)。Sensitivity of host cells to DMAOH by IPK expression (liquid culture). IPK発現株の生菌数に対する培地中のDMAOH濃度の影響。Effect of DMAOH concentration in the medium on the viable cell count of IPK-expressing strains. プラスミドMAP(pT5/lacO-IspS)。Plasmid MAP (pT5/lacO-IspS). プラスミドMAP(PJ211-pJ23119-IPKmut)。Plasmid MAP (PJ211-pJ23119-IPK mut ). IspS変異体のDMAOH/IPKmut耐性(セカンドスクリーニング)。実験は日をあけて二回にわけて実施した。DMAOH/IPK mut resistance of IspS mutants (second screening). The experiment was carried out twice, with an interval of two days. IspS活性変異体のアミノ酸変異点。Amino acid mutation sites of IspS activity mutants. プラスミドMAP(pT5-IspS)。Plasmid MAP (pT5-IspS). プラスミドMAP(pMEV-idi)。Plasmid MAP (pMEV-idi). 野生型IspSと活性変異体のイソプレン合成能比較(ドデカン上層)(N=5)。Comparison of isoprene synthesis ability between wild-type IspS and active mutants (upper layer of dodecane) (N = 5). 野生型と活性変異体のイソプレン合成能比較(N=2)。Comparison of isoprene synthesis ability between the wild type and active mutants (N=2). 変異体および野生型IspSを発現する大腸菌株のDMAPP感受性。DMAPP sensitivity of E. coli strains expressing mutant and wild-type IspS.

(本発明の概要)
本発明は、「変異型イソプレン合成酵素」、並びに「変異型イソプレン合成酵素のスクリーニング方法」に関する。
(Summary of the Invention)
The present invention relates to a "mutant isoprene synthase" and a "screening method for mutant isoprene synthase."

本発明は、イソプレン合成酵素の活性を改良するための方法、加えて、変異型イソプレン合成酵素(IspS)に関するものである。
本発明では、(1)異性体IPPの蓄積による毒性ではなくIspSの直接基質DMAPP(ジメチルアリル二リン酸)の蓄積による毒性回避をもとにしたセレクション系を確立して、(2)単独酵素で実現する前駆体供給経路であり、そして(3)基質過剰状態が内在経路ではなく、培地に添加する前駆体(DMAOH)の量によって変えることができたので、高活性の変異型IspSを効率的に取得できるスクリーニング方法を確立した。
本発明では、人工の一酵素で実現する低ステップ数(2ステップ)の酵素をつかってDMAPP過剰を創り出す。以下に示すように、この方式では、選択率1000~10,000倍のセレクション・選抜系が簡単に実現する。さらに、その選択圧は培地添加するDMAOH溶液によって自由に設定できる。
The present invention relates to methods for improving the activity of isoprene synthase as well as to mutant isoprene synthases (IspS).
In the present invention, (1) we established a selection system based on avoidance of toxicity by accumulation of DMAPP (dimethylallyl diphosphate), the direct substrate of IspS, rather than toxicity due to accumulation of isomeric IPP, (2) a precursor supply pathway realized by a single enzyme, and (3) a substrate excess state was not an endogenous pathway but could be changed by the amount of precursor (DMAOH) added to the medium, thus establishing a screening method that can efficiently obtain highly active mutant IspS.
In the present invention, DMAPP excess is created using an artificial enzyme with a low number of steps (2 steps) realized with one enzyme. As shown below, this method easily realizes a selection system with a selectivity of 1000 to 10,000 times. Furthermore, the selection pressure can be freely set by the DMAOH solution added to the medium.

また、本発明は、上記スクリーニング方法で使用する「大量のDMAPPを含む細胞の作製方法(細胞中のDMAOHのリン酸化によってDMAPP異常蓄積を引き起こす方法)」も対象とする。 The present invention also covers a "method for producing cells containing large amounts of DMAPP (a method for inducing abnormal accumulation of DMAPP by phosphorylating DMAOH in cells)" for use in the above screening method.

(変異型イソプレン合成酵素又はその誘導体)
本発明の変異型イソプレン合成酵素又はその誘導体は、野生型イソプレン合成酵素と比較して、アミノ酸又は塩基が1以上異なる酵素を意味する。
野生型イソプレン合成酵素(IspS)は、Populus属等の植物で産出され、ジメチルアリル二リン酸(DAMPP)を基質としてイソプレンを生成する酵素として知られている。
特に、本発明の変異型イソプレン合成酵素又はその誘導体は、野生型イソプレン合成酵素と比較して、イソプレン合成量が高い(合成活性が高い)ことが好ましい。
また、本発明の誘導体とは、変異型イソプレン合成酵素の保護化誘導体、糖鎖修飾体、アシル化誘導体、若しくはアセチル化誘導体を対象とする。
なお、保護化誘導体、糖鎖修飾体、アシル化誘導体、若しくはアセチル化誘導体は、自体公知の方法で得ることができる。
また、本発明の変異体は、発現酵素の酵素活性、発現量又は安定性が高くなる変異体が好ましい。また基質特異性を高めるような変異体も好ましい。特に、酵素活性を高める変異体が好ましい。
本発明のスクリーニング方法では、変異体のライブラリ(野生型に置換、欠損、挿入及び/又は付加が導入された遺伝子ライブラリ)を作成し、そのライブラリから、その宿主において酵素活性、発現量又は安定性が高い変異体を取得することができる。
天然の細胞から抽出した遺伝子、作製したライブラリの遺伝子、化学合成遺伝子、PCR増幅遺伝子など由来は問わない。本発明のスクリーニング方法は、発現する酵素の基質消費能を指標とするため、未同定の遺伝子もスクリーニングすることができる。
イソプレン合成酵素遺伝子(野生型に置換、欠損、挿入及び/又は付加が導入された遺伝子ライブラリ)の、ジメチルアリルアルコールからジメチルアリル二リン酸を合成可能な細胞への導入は、遺伝子組み換え技術で用いられている常法によることができる。例えば、ベクターにスクリーニング対象の遺伝子を組み込み、細胞を形質転換する等である。
(Mutant isoprene synthase or its derivatives)
The mutant isoprene synthase or a derivative thereof of the present invention means an enzyme which is different in one or more amino acids or bases compared to the wild-type isoprene synthase.
Wild-type isoprene synthase (IspS) is produced in plants such as the Populus genus, and is known to synthesize isoprene from dimethylallyl diphosphate (DAMPP) as a substrate.
In particular, it is preferable that the mutant isoprene synthase or a derivative thereof of the present invention synthesizes a higher amount of isoprene (has a higher synthetic activity) than the wild-type isoprene synthase.
The derivative of the present invention also includes a protected derivative, a glycosylated derivative, an acylated derivative, or an acetylated derivative of the mutant isoprene synthase.
The protected derivatives, glycosylated derivatives, acylated derivatives, or acetylated derivatives can be obtained by methods known per se.
In addition, the mutant of the present invention is preferably a mutant that enhances the enzymatic activity, expression level, or stability of the expressed enzyme. Also preferred are mutants that enhance substrate specificity. In particular, mutants that enhance enzymatic activity are preferred.
In the screening method of the present invention, a library of mutants (a gene library in which substitutions, deletions, insertions and/or additions have been introduced into the wild type) is created, and from the library, mutants having high enzymatic activity, expression level or stability in the host can be obtained.
The genes may be of any origin, such as genes extracted from natural cells, genes in a constructed library, chemically synthesized genes, PCR amplified genes, etc. Since the screening method of the present invention uses the substrate consumption ability of the expressed enzyme as an index, it is also possible to screen unidentified genes.
The isoprene synthase gene (a gene library in which substitutions, deletions, insertions, and/or additions have been introduced into the wild type) can be introduced into cells capable of synthesizing dimethylallyl diphosphate from dimethylallyl alcohol by a standard method used in recombinant gene technology, for example, by inserting the gene to be screened into a vector and transforming the cells.

本発明の変異型イソプレン合成酵素又はその誘導体は、Populus alba由来のイソプレン合成酵素(配列番号7)と比較して、アミノ酸配列に以下で示される変異を有する。
1位~52位の欠失、並びに、218位、587位及び/又は593位の置換。
また、本発明の変異型イソプレン合成酵素は、Populus alba由来のイソプレン合成酵素(配列番号7)と比較して、アミノ酸配列に以下で示される変異を有する。
M1-T52del、並びに、H218R、T587A及び/又はF593L。
The mutant isoprene synthase or a derivative thereof of the present invention has the following mutations in its amino acid sequence compared to the isoprene synthase derived from Populus alba (SEQ ID NO: 7).
Deletions at positions 1 to 52 and substitutions at positions 218, 587 and/or 593.
Furthermore, the mutant isoprene synthase of the present invention has the following mutations in its amino acid sequence compared to the isoprene synthase derived from Populus alba (SEQ ID NO: 7).
M1-T52del, and H218R, T587A and/or F593L.

本発明の変異型イソプレン合成酵素は、Populus alba由来のイソプレン合成酵素(配列番号7)と比較して、アミノ酸配列に以下のいずれか1で示される変異を有する。
(1)M1-T52del、H218R、T587A(配列番号11)
(2)M1-T52del、F593L(配列番号12)
The mutant isoprene synthase of the present invention has any one of the following mutations in its amino acid sequence, as compared with the isoprene synthase derived from Populus alba (SEQ ID NO: 7):
(1) M1-T52del, H218R, T587A (SEQ ID NO: 11)
(2) M1-T52del, F593L (SEQ ID NO: 12)

本発明の変異型イソプレン合成酵素は、Populus alba由来のイソプレン合成酵素(配列番号7)と比較して、以下のいずれか1以上のアミノ酸変異を有することにより、Populus alba由来の野生型イソプレン合成酵素と比較して、イソプレン合成量が高いことを下記の実施例で確認している。
(1)M1-T52del、H218R、T587A(配列番号11)
(2)M1-T52del、F593L(配列番号12)
The mutant isoprene synthase of the present invention has one or more amino acid mutations as shown below compared to the isoprene synthase derived from Populus alba (SEQ ID NO: 7), and it has been confirmed in the Examples below that the mutant isoprene synthase of the present invention synthesizes a higher amount of isoprene than the wild-type isoprene synthase derived from Populus alba.
(1) M1-T52del, H218R, T587A (SEQ ID NO: 11)
(2) M1-T52del, F593L (SEQ ID NO: 12)

イソプレン合成量(イソプレン合成活性)が高いとは、Populus alba由来の野生型イソプレン合成酵素(配列番号7)と比較して、1.1倍以上、1.2倍以上、1.3倍以上、1.4倍以上、1.5倍以上、2.0倍以上、2.1倍以上、2.2倍以上、2.3倍以上、2.4倍以上、2.5倍以上、2.6倍以上、2.7倍以上、2.8倍以上、2.9倍以上、3.0倍以上、約4.0倍(以上)、約5.0倍(以上)、約6.0倍(以上)、約7.0倍(以上)、約8.0倍(以上)、約9.0倍(以上)、約10倍(以上)、約11倍(以上)、約12倍(以上)、約13倍(以上)、約14倍(以上)、約15倍(以上)、約16倍(以上)、約17倍(以上)、約18倍(以上)、約19倍(以上)、約20倍(以上)、約21倍(以上)、約22倍(以上)、約23倍(以上)、約24倍(以上)、約25倍(以上)、約26倍(以上)、約27倍(以上)、約28倍(以上)、約29倍(以上)、約30倍(以上)、約31倍(以上)、約35倍(以上)、約40倍(以上)のイソプレン合成量を例示することができる。 A high isoprene synthesis amount (isoprene synthesis activity) is 1.1 times or more, 1.2 times or more, 1.3 times or more, 1.4 times or more, 1.5 times or more, 2.0 times or more, 2.1 times or more, 2.2 times or more, 2.3 times or more, 2.4 times or more, 2.5 times or more, 2.6 times or more, 2.7 times or more, 2.8 times or more, 2.9 times or more, 3.0 times or more, about 4.0 times (or more), about 5.0 times (or more), about 6.0 times (or more), about 7.0 times (or more), about 8.0 times (or more), about 9.0 times (or more), about 10 times (or more), about 11 times (or more) compared to the wild-type isoprene synthase derived from Populus alba (SEQ ID NO: 7). ), about 12 times (or more), about 13 times (or more), about 14 times (or more), about 15 times (or more), about 16 times (or more), about 17 times (or more), about 18 times (or more), about 19 times (or more), about 20 times (or more), about 21 times (or more), about 22 times (or more), about 23 times (or more), about 24 times (or more), about 25 times (or more), about 26 times (or more), about 27 times (or more), about 28 times (or more), about 29 times (or more), about 30 times (or more), about 31 times (or more), about 35 times (or more), and about 40 times (or more) of isoprene synthesis amount can be exemplified.

(変異型イソプレン合成酵素遺伝子)
本発明の変異型イソプレン合成酵素遺伝子は、(1)配列番号11又は12に記載のアミノ酸配列からなるポリペプチドをコードする遺伝子、(2)配列番号11又は12に記載のアミノ酸配列において、1~20個のアミノ酸、好ましくは1~15個、より好ましくは1~10個、最も好ましくは1~5個が置換、欠損、挿入及び/又は付加しており、かつ配列番号11又は12に記載のアミノ酸配列からなるポリペプチドが有するジメチルアリル二リン酸を基質としてイソプレンを生成する活性と実質的同等の活性を有するポリペプチドをコードする遺伝子、(3)配列番号11又は12に記載のアミノ酸配列と90%以上の相同性を有し、かつ配列番号11又は12に記載のアミノ酸配列からなるポリペプチドが有するジメチルアリル二リン酸を基質としてイソプレンを生成する活性と実質的同等の活性を有するポリペプチドをコードする遺伝子、(4)配列番号13又は14に記載の塩基配列からなるDNAからなる遺伝子、(5)配列番号13又は14に記載の塩基配列からなるDNAと相補的な塩基配列からなるDNAとストリンジェントな条件下でハイブリダイズし、かつ配列番号11又は12に記載のアミノ酸配列からなるポリペプチドが有するジメチルアリル二リン酸を基質としてイソプレンを生成する活性と実質的同等の活性を有するポリペプチドをコードする遺伝子、(6)配列番号13又は14に記載の塩基配列からなるDNAにおいて、1~50個の塩基配列が置換、欠損、挿入及び/又は付加しているDNAからなる遺伝子、(7)配列番号13又は14に記載の塩基配列からなるDNAと90%以上の相同性を有するDNAからなる遺伝子を、含む。
上記(1)の遺伝子は、好ましくは、本発明の変異型イソプレン合成酵素のスクリーニング方法から得られた変異型イソプレン合成酵素をコードする遺伝子である。該変異型イソプレン合成酵素は、ジメチルアリル二リン酸を基質としてイソプレンを生成する活性を持つ。
上記(2)の遺伝子は、本発明の変異型イソプレン合成酵素に対して酵素活性を失わせない程度の変異を導入したポリペプチドをコードする遺伝子である。このような変異は、自然界において生じる変異のほかに、人為的な変異をも含む。人為的変異を生じさせる手段としては、部位特異的変異誘発法(Nucleic Acids Res. 10,6487-6500, 1982)などを挙げることができる。変異したアミノ酸の数は、通常は、20アミノ酸以内であり、好ましくは10アミノ酸以内であり、更に好ましくは5アミノ酸以内であり、最も好ましくは3アミノ酸である。変異を導入したポリペプチドが酵素活性を保持しているかどうかは、例えば、変異を導入したポリペプチドをコードする遺伝子を大腸菌等に導入し、発現させ、その大腸菌等がジメチルアリル二リン酸を基質としてイソプレンを生成することができるかどうか調べることによりわかる。これらのアミノ酸の位置・部位に変異が導入されると酵素活性が失われる可能性が高いので、変異はこれらのアミノ酸以外のアミノ酸に導入されることが好ましい。
上記(2)、(3)及び/又は(5)の「配列番号11又は12に記載のアミノ酸配列からなるポリペプチドが有するジメチルアリル二リン酸を基質としてイソプレンを生成する活性と実質的同等の活性」とは、その活性程度が、配列番号11又は12に記載のアミノ酸配列のジメチルアリル二リン酸を基質としてイソプレンを生成する活性と比較して強くても弱くてもよい。例えば、0.1倍、0.2倍、0.3倍、0.4倍、0.5倍、0.6倍、0.7倍、0.8倍、0.9倍、1.0倍、1.1倍、1.2倍、1.3倍、1.4倍、1.5倍、2.0倍、2.1倍、2.2倍、2.3倍、2.4倍、2.5倍、2.6倍、2.7倍、2.8倍、2.9倍、3.0倍、4.0倍、5.0倍、10倍、15倍、20倍、30倍、40倍、50倍の活性を例示することができる。
また、相同性は、BLAST(Basic Local Alignment Search Tool at the NationalCenter forBiological Information)等(例えば、デフォルトすなわち初期設定のパラメータを用いて)を用いて計算することができる。
上記(3)の遺伝子は、配列番号11又は12に記載のアミノ酸配列と90%以上、好ましくは93%以上、より好ましくは95%以上、更に好ましくは98%以上の相同性、最も好ましくは99%以上の相同性を有するポリペプチドをコードする遺伝子を含む。
上記(5)の遺伝子は、DNA同士のハイブリダイゼーションを利用することにより得られる遺伝子である。この遺伝子における「ストリンジェントな条件」とは、特異的なハイブリダイゼーションのみが起き、非特異的なハイブリダイゼーションが起きないような条件をいう。このような条件は、通常、5×SSC、1%SDSを含む緩衝液中の37℃でのハイブリダイゼーション及び1×SSC、0.1%SDSを含む緩衝液による37℃での洗浄処理といった条件であり、好ましくは、5×SSC、1%SDSを含む緩衝液中の42℃でのハイブリダイゼーション及び0.5×SSC、0.1%SDSを含む緩衝液による42℃での洗浄処理といった条件であり、更に好ましくは、5×SSC、1%SDSを含む緩衝液中の65℃でのハイブリダイゼーション及び0.2×SSC、0.1%SDSを含む緩衝液による65℃での洗浄処理といった条件である。ハイブリダイゼーションを利用することにより得られたDNAが、活性を有するポリペプチドをコードするかどうかは、例えば、そのDNAを大腸菌等に導入し、発現させ、その大腸菌等がジメチルアリル二リン酸を基質としてイソプレンを生成することができるかどうか調べることによりわかる。ハイブリダイゼーションにより得られるDNAは、上記(4)の遺伝子(配列番号13又は14)と通常、高い相同性を有する。高い相同性とは、90%以上の相同性、好ましくは95%以上の相同性、更に好ましくは98%以上の相同性、最も好ましくは99%以上の相同性を指す。
上記(6)の遺伝子は、配列番号13又は14に記載の塩基配列からなるDNAにおいて、1~50個、好ましくは1~30個、より好ましくは1~20個、特に好ましくは1~10個、最も好ましくは1~5個の塩基配列が置換、欠損、挿入及び/又は付加しているDNAからなる遺伝子である。
上記(7)の遺伝子は、配列番号13又は14に記載の塩基配列からなるDNAと90%以上、好ましくは93%以上、より好ましくは95%以上、更に好ましくは98%以上の相同性、最も好ましくは99%以上の相同性を有するDNAからなる遺伝子を、含む。
(Mutant isoprene synthase gene)
The mutant isoprene synthase gene of the present invention is: (1) a gene encoding a polypeptide consisting of the amino acid sequence set forth in SEQ ID NO: 11 or 12; (2) a gene encoding a polypeptide in which 1 to 20 amino acids, preferably 1 to 15, more preferably 1 to 10, and most preferably 1 to 5 amino acids in the amino acid sequence set forth in SEQ ID NO: 11 or 12, have been substituted, deleted, inserted, and/or added, and which has substantially the same activity as the activity of the polypeptide consisting of the amino acid sequence set forth in SEQ ID NO: 11 or 12 to produce isoprene using dimethylallyl diphosphate as a substrate; or (3) a gene having 90% or more homology to the amino acid sequence set forth in SEQ ID NO: 11 or 12 and having the activity of the polypeptide consisting of the amino acid sequence set forth in SEQ ID NO: 11 or 12 to produce isoprene using dimethylallyl diphosphate as a substrate. (4) a gene encoding a polypeptide having substantially the same activity as the base sequence set forth in SEQ ID NO: 13 or 14; (5) a gene encoding a polypeptide that hybridizes under stringent conditions with DNA having a base sequence complementary to the base sequence set forth in SEQ ID NO: 13 or 14 and has substantially the same activity of producing isoprene using dimethylallyl diphosphate as a substrate as the polypeptide having the amino acid sequence set forth in SEQ ID NO: 11 or 12; (6) a gene consisting of DNA in which 1 to 50 bases have been substituted, deleted, inserted and/or added in the base sequence set forth in SEQ ID NO: 13 or 14; and (7) a gene consisting of DNA having 90% or more homology to the base sequence set forth in SEQ ID NO: 13 or 14.
The above-mentioned gene (1) is preferably a gene encoding a mutant isoprene synthase obtained by the screening method of the present invention for a mutant isoprene synthase. The mutant isoprene synthase has an activity of producing isoprene using dimethylallyl diphosphate as a substrate.
The gene (2) above is a gene encoding a polypeptide into which a mutation has been introduced into the mutant isoprene synthase of the present invention to such an extent that the enzyme activity is not lost. Such mutations include not only mutations occurring in nature, but also artificial mutations. Examples of means for generating artificial mutations include site-directed mutagenesis (Nucleic Acids Res. 10, 6487-6500, 1982). The number of mutated amino acids is usually 20 or less, preferably 10 or less, more preferably 5 or less, and most preferably 3 amino acids. Whether or not the polypeptide into which the mutation has been introduced retains the enzyme activity can be determined, for example, by introducing a gene encoding the polypeptide into Escherichia coli or the like, expressing it, and examining whether or not the Escherichia coli or the like can produce isoprene using dimethylallyl diphosphate as a substrate. Since the enzyme activity is likely to be lost when a mutation is introduced into the position or site of these amino acids, it is preferable to introduce the mutation into an amino acid other than these amino acids.
The above (2), (3) and/or (5) "activity substantially equivalent to the activity of a polypeptide having the amino acid sequence set forth in SEQ ID NO: 11 or 12 to produce isoprene using dimethylallyl diphosphate as a substrate" may mean that the level of activity is stronger or weaker than the activity of a polypeptide having the amino acid sequence set forth in SEQ ID NO: 11 or 12 to produce isoprene using dimethylallyl diphosphate as a substrate. For example, examples of activity include 0.1x, 0.2x, 0.3x, 0.4x, 0.5x, 0.6x, 0.7x, 0.8x, 0.9x, 1.0x, 1.1x, 1.2x, 1.3x, 1.4x, 1.5x, 2.0x, 2.1x, 2.2x, 2.3x, 2.4x, 2.5x, 2.6x, 2.7x, 2.8x, 2.9x, 3.0x, 4.0x, 5.0x, 10x, 15x, 20x, 30x, 40x, and 50x.
Alternatively, homology can be calculated using BLAST (Basic Local Alignment Search Tool at the National Center for Biological Information) or the like (for example, using default or initial setting parameters).
The gene (3) above includes a gene encoding a polypeptide having a homology of 90% or more, preferably 93% or more, more preferably 95% or more, even more preferably 98% or more, and most preferably 99% or more to the amino acid sequence set forth in SEQ ID NO: 11 or 12.
The gene (5) above is a gene obtained by utilizing hybridization between DNAs. The "stringent conditions" in this gene refer to conditions under which only specific hybridization occurs and non-specific hybridization does not occur. Such conditions are usually hybridization in a buffer containing 5×SSC and 1% SDS at 37° C. and washing treatment with a buffer containing 1×SSC and 0.1% SDS at 37° C., preferably hybridization in a buffer containing 5×SSC and 1% SDS at 42° C. and washing treatment with a buffer containing 0.5×SSC and 0.1% SDS at 42° C., and more preferably hybridization in a buffer containing 5×SSC and 1% SDS at 65° C. and washing treatment with a buffer containing 0.2×SSC and 0.1% SDS at 65° C. Whether or not the DNA obtained by hybridization encodes a polypeptide having activity can be determined, for example, by introducing the DNA into Escherichia coli or the like, expressing it, and examining whether or not the Escherichia coli or the like can produce isoprene using dimethylallyl diphosphate as a substrate. The DNA obtained by hybridization usually has high homology with the gene (SEQ ID NO: 13 or 14) in (4) above. High homology refers to a homology of 90% or more, preferably a homology of 95% or more, more preferably a homology of 98% or more, and most preferably a homology of 99% or more.
The gene (6) above is a gene consisting of DNA having the base sequence set forth in SEQ ID NO: 13 or 14, in which 1 to 50, preferably 1 to 30, more preferably 1 to 20, particularly preferably 1 to 10, and most preferably 1 to 5 base sequences have been substituted, deleted, inserted and/or added.
The gene (7) above includes a gene consisting of DNA having a homology of 90% or more, preferably 93% or more, more preferably 95% or more, even more preferably 98% or more, and most preferably 99% or more to the DNA consisting of the base sequence set forth in SEQ ID NO: 13 or 14.

(変異型イソプレン合成酵素)
本発明の変異型イソプレン合成酵素は、(1)配列番号11又は12に記載のアミノ酸配列、(2)配列番号11又は12に記載のアミノ酸配列において、1~20個、好ましくは1~15個、より好ましくは1~10個、最も好ましくは1~5個のアミノ酸が置換、欠損、挿入及び/又は付加しており、かつ配列番号11又は12に記載のアミノ酸配列からなるポリペプチドが有するジメチルアリル二リン酸を基質としてイソプレンを生成する活性と実質的同等の活性を有するアミノ酸配列、(3)配列番号11又は12に記載のアミノ酸配列と90%以上の相同性を有し、かつ配列番号11又は12に記載のアミノ酸配列からなるポリペプチドが有するジメチルアリル二リン酸を基質としてイソプレンを生成する活性と実質的同等の活性を有するアミノ酸配列を、含む。
なお、ペプチドの変異の導入において、当該ペプチドの基本的な性質(物性、機能、生理活性又は免疫学的活性等)を変化させないという観点からは、例えば、同族アミノ酸(極性アミノ酸、非極性アミノ酸、疎水性アミノ酸、親水性アミノ酸、陽性荷電アミノ酸、陰性荷電アミノ酸及び芳香族アミノ酸等)の間での相互の置換は容易に想定される。
(Mutant isoprene synthase)
The mutant isoprene synthase of the present invention comprises: (1) an amino acid sequence set forth in SEQ ID NO: 11 or 12; (2) an amino acid sequence in which 1 to 20, preferably 1 to 15, more preferably 1 to 10, and most preferably 1 to 5 amino acids have been substituted, deleted, inserted, and/or added in the amino acid sequence set forth in SEQ ID NO: 11 or 12, and which has substantially the same activity as the activity of a polypeptide consisting of the amino acid sequence set forth in SEQ ID NO: 11 or 12 to produce isoprene using dimethylallyl diphosphate as a substrate; or (3) an amino acid sequence which has 90% or more homology with the amino acid sequence set forth in SEQ ID NO: 11 or 12, and which has substantially the same activity as the activity of a polypeptide consisting of the amino acid sequence set forth in SEQ ID NO: 11 or 12 to produce isoprene using dimethylallyl diphosphate as a substrate.
From the viewpoint of not changing the basic properties (physical properties, functions, physiological activity, immunological activity, etc.) of the peptide when introducing mutations into the peptide, for example, mutual substitutions between homologous amino acids (polar amino acids, nonpolar amino acids, hydrophobic amino acids, hydrophilic amino acids, positively charged amino acids, negatively charged amino acids, aromatic amino acids, etc.) can be easily envisioned.

(本発明のスクリーニング方法)
本発明の変異型イソプレン合成酵素のスクリーニング方法は、変異型イソプレン合成酵素の探索を行うため、ジメチルアリルアルコール(DMAOH)からジメチルアリル二リン酸(DAMPP)を合成可能な細胞(好ましくはイソペンテニルホスフェートキナーゼ(IPK)を導入した細胞、より好ましくは変異型イソペンテニルホスフェートキナーゼを導入した大腸菌)に、変異型イソプレン合成酵素遺伝子(好ましくはイソプレン合成酵素遺伝子ライブラリ、特に、ランダム変異を導入したイソプレン合成酵素遺伝子ライブラリ)を導入し、該導入細胞の段階的濃度のジメチルアリルアルコール存在下(DMAOHが細胞内に存在すればどのような方法でもよい。例えば、DMAOHを細胞に添加する、DMAOHを培地に添加する等を例示することができる)における細胞増殖速度の増加又は低下(好ましくは細胞増殖の可否)を指標とする、変異型イソプレン合成酵素のスクリーニング方法に関する。
さらに、本発明は、該導入細胞の段階的濃度のジメチルアリルアルコール存在下における細胞増殖速度を、野生型イソプレン合成酵素を導入した細胞と比較して、細胞増殖速度が高い細胞(又は細胞増殖の停止に要するジメチルアリルアルコール濃度が高い細胞)を選抜することにより、野生型イソプレン合成酵素と比較して活性の高い変異型イソプレン合成酵素遺伝子のスクリーニング方法に関する。
さらに、本発明は、イソプレン合成酵素遺伝子ライブラリ、好ましくはランダム変異を導入したイソプレン合成酵素遺伝子ライブラリを導入して得られた2種以上のクローン由来細胞の段階的濃度のジメチルアリルアルコール存在下における細胞増殖速度を比較して、細胞増殖速度が少なくとも1の他のクローン由来細胞よりも高い細胞(又は細胞増殖の停止に要するジメチルアリルアルコール濃度が少なくとも1の他のクローン由来細胞よりも高い細胞)、好ましくは細胞増殖速度が1~5番目に高い細胞、1~10番目に高い細胞若しくは1~50番目に高い細胞(又は細胞増殖の停止に要するジメチルアリルアルコール濃度が1~5番目に高い細胞、1~10番目に高い細胞若しくは1~50番目に高い細胞)のうちいずれか1以上の細胞、より好ましくは細胞増殖速度が最も高い細胞(又は細胞増殖の停止に要するジメチルアリルアルコール濃度が最も高い細胞)を選抜することにより、イソプレン合成酵素遺伝子ライブラリ、好ましくはランダム変異を導入したイソプレン合成酵素遺伝子ライブラリ導入細胞の中で、イソプレン合成酵素活性の高い変異型イソプレン合成酵素遺伝子を得ることができるスクリーニング方法に関する。
(Screening Method of the Present Invention)
The screening method for mutant isoprene synthase of the present invention involves introducing a mutant isoprene synthase gene (preferably an isoprene synthase gene library, in particular an isoprene synthase gene library into which random mutations have been introduced) into cells capable of synthesizing dimethylallyl diphosphate (DAMPP) from dimethylallyl alcohol (DMAOH) (preferably a cell into which isopentenyl phosphate kinase (IPK) has been introduced, more preferably Escherichia coli into which a mutant isopentenyl phosphate kinase has been introduced) in order to search for mutant isoprene synthases, and using an increase or decrease in the cell proliferation rate (preferably the possibility of cell proliferation) of the introduced cells in the presence of graded concentrations of dimethylallyl alcohol (any method is acceptable as long as DMAOH is present in the cells; for example, DMAOH may be added to the cells, or DMAOH may be added to the culture medium) as an indicator for screening for mutant isoprene synthases.
Furthermore, the present invention relates to a method for screening for a mutant isoprene synthase gene that is more active than the wild-type isoprene synthase, by comparing the cell growth rate of the introduced cells in the presence of graded concentrations of dimethylallyl alcohol with that of cells into which wild-type isoprene synthase has been introduced, and selecting cells that have a higher cell growth rate (or cells that require a higher concentration of dimethylallyl alcohol to stop cell growth).
Furthermore, the present invention relates to a screening method for comparing the cell growth rates of two or more clone-derived cells obtained by introducing an isoprene synthase gene library, preferably an isoprene synthase gene library into which random mutations have been introduced, in the presence of graded concentrations of dimethylallyl alcohol, and selecting cells having a higher cell growth rate than at least one other clone-derived cell (or cells having a higher dimethylallyl alcohol concentration required to stop cell growth than at least one other clone-derived cell), preferably cells having the 1st to 5th highest cell growth rates, the 1st to 10th highest cell growth rates, or the 1st to 50th highest cell growth rates (or cells having the 1st to 5th highest dimethylallyl alcohol concentration required to stop cell growth), more preferably any one or more cells among the cells having the highest cell growth rate (or cells having the highest dimethylallyl alcohol concentration required to stop cell growth). This screening method allows for obtaining mutant isoprene synthase genes with high isoprene synthase activity among cells into which an isoprene synthase gene library, preferably an isoprene synthase gene library into which random mutations have been introduced, has been introduced.

(変異型イソペンテニルホスフェートキナーゼ)
野生型イソペンテニルホスフェートキナーゼ(IPK)は、Thermoplasma acidophilum属等の古細菌で産出され、イソペンテニル化合物の基本的な構成要素であるリン酸イソペンテニル(IP)またはリン酸ジメチルアリル(DMAP)を触媒して、イソペンテニル二リン酸(IPP)またはジメチルアリル二リン酸(DAMPP)を生成する。
同様に、IPKの3つのアミノ酸変異V73I、Y141V、K204Gを導入した変異型イソペンテニルホスフェートキナーゼは、ジメチルアリルアルコール(DMAOH、DMAともいう)のモノリン酸化活性を獲得し、DMAOHをDMAPに変換することが報告されている(LIU, Ying, et al. Scientific reports, 2016, 6: 24117.)。
本発明での「変異型イソペンテニルホスフェートキナーゼ」とは、ジメチルアリルアルコールの消費に関与する酵素(複数の酵素群も含む)である。特に、変異型イソペンテニルホスフェートキナーゼは、ジメチルアリルアルコール(DMAOH)を直接又は間接的にジメチルアリル二リン酸(DAMPP)に転換する作用を有すれば特に限定されない。
(Mutant isopentenyl phosphate kinase)
Wild-type isopentenyl phosphate kinase (IPK) is produced in archaea such as Thermoplasma acidophilum and catalyzes the synthesis of isopentenyl diphosphate (IPP) or dimethylallyl phosphate (DMAP), which are the basic building blocks of isopentenyl compounds, to produce isopentenyl diphosphate (IPP) or dimethylallyl diphosphate (DAMPP).
Similarly, it has been reported that a mutant isopentenyl phosphate kinase with three amino acid mutations, V73I, Y141V, and K204G, in IPK acquires monophosphorylation activity for dimethylallyl alcohol (DMAOH, also known as DMA), converting DMAOH to DMAP (LIU, Ying, et al. Scientific Reports, 2016, 6: 24117.).
The "mutant isopentenyl phosphate kinase" in the present invention is an enzyme (including a group of enzymes) involved in the consumption of dimethylallyl alcohol. In particular, the mutant isopentenyl phosphate kinase is not particularly limited as long as it has the action of directly or indirectly converting dimethylallyl alcohol (DMAOH) into dimethylallyl diphosphate (DAMPP).

(ジメチルアリルアルコールからジメチルアリル二リン酸を合成可能な細胞)
本発明での「ジメチルアリルアルコールからジメチルアリル二リン酸を合成可能な細胞」は、ジメチルアリルアルコールからジメチルアリル二リン酸を生合成することができる細胞であれば制限されない。天然の細胞でも、遺伝子組み換えにより形質転換されている細胞でもよい。遺伝子組み換え細胞は、遺伝子組み換えの操作に簡便な細胞である、大腸菌、枯草菌、酵母などが挙げられる。
(Cells capable of synthesizing dimethylallyl diphosphate from dimethylallyl alcohol)
In the present invention, the "cell capable of synthesizing dimethylallyl diphosphate from dimethylallyl alcohol" is not limited as long as it is a cell capable of biosynthesizing dimethylallyl diphosphate from dimethylallyl alcohol. It may be a natural cell or a cell transformed by genetic recombination. Examples of genetically modified cells include Escherichia coli, Bacillus subtilis, and yeast, which are cells that are easy to manipulate for genetic recombination.

(ジメチルアリルアルコール存在下における細胞増殖速度の増加又は低下)
本発明での「ジメチルアリルアルコール存在下における細胞増殖速度の増加又は低下」は、細胞におけるジメチルアリル二リン酸(DAMPP)を基質とするイソプレン合成活性が増加又は低下することによって、ジメチルアリルアルコール存在下における細胞増殖速度が増加又は低下することである。
すなわち、本発明のスクリーニング方法では、変異型イソプレン合成酵素遺伝子を導入したジメチルアリルアルコールからジメチルアリル二リン酸を合成可能な細胞のジメチルアリルアルコール存在下における細胞増殖速度(又は、ランダム変異を導入したイソプレン合成酵素遺伝子を導入したジメチルアリルアルコールからジメチルアリル二リン酸を合成可能な細胞におけるジメチルアリルアルコール存在下における細胞増殖速度)を指標として、変異型イソプレン合成酵素遺伝子を取得する。
また、本発明のスクリーニング方法では、変異型イソプレン合成酵素遺伝子を導入したジメチルアリルアルコールからジメチルアリル二リン酸を合成可能な細胞のジメチルアリルアルコール存在下における細胞増殖速度を、野生型イソプレン合成酵素遺伝子を導入したジメチルアリルアルコールからジメチルアリル二リン酸を合成可能な細胞におけるジメチルアリルアルコール存在下における細胞増殖速度と比較し、ジメチルアリルアルコール存在下における細胞増殖速度の増加した細胞を選択し、その細胞に導入された該遺伝子を野生型イソプレン合成酵素と比較して活性の高い変異型イソプレン合成酵素遺伝子であると決定する。
また、本発明のスクリーニング方法では、イソプレン合成酵素遺伝子ライブラリ、好ましくはランダム変異を導入したイソプレン合成酵素遺伝子ライブラリを導入して得られた2種以上のクローン由来のメチルアリルアルコールからジメチルアリル二リン酸を合成可能な細胞のジメチルアリルアルコール存在下における細胞増殖速度を比較し、ジメチルアリルアルコール存在下における細胞増殖速度の増加した(速い)細胞を選択し、その細胞に導入された該遺伝子をイソプレン合成酵素活性の高い変異型イソプレン合成酵素遺伝子であると決定する。
変異型イソプレン合成酵素のジメチルアリル二リン酸(DAMPP)を基質とするイソプレン合成活性が高いほど、ジメチルアリル二リン酸をより多く消費できるため、ジメチルアリル二リン酸による細胞増殖抑制作用をより打ち消すことができる。
したがって、変異型イソプレン合成酵素遺伝子を導入された、ジメチルアリルアルコール(DMAOH)からジメチルアリル二リン酸を合成可能な細胞は、イソプレン合成活性が高いほど、ジメチルアリルアルコール存在下における細胞増殖速度が増加し、より高い濃度のジメチルアリルアルコール存在下で細胞増殖できる。
(Increase or decrease in cell proliferation rate in the presence of dimethylallyl alcohol)
In the present invention, "an increase or decrease in the cell proliferation rate in the presence of dimethylallyl alcohol" refers to an increase or decrease in the cell proliferation rate in the presence of dimethylallyl alcohol due to an increase or decrease in the isoprene synthesis activity in the cells using dimethylallyl diphosphate (DAMPP) as a substrate.
That is, in the screening method of the present invention, a mutant isoprene synthase gene is obtained using as an indicator the cell growth rate in the presence of dimethylallyl alcohol of cells capable of synthesizing dimethylallyl diphosphate from dimethylallyl alcohol into which a mutant isoprene synthase gene has been introduced (or the cell growth rate in the presence of dimethylallyl alcohol of cells capable of synthesizing dimethylallyl diphosphate from dimethylallyl alcohol into which an isoprene synthase gene with random mutations has been introduced).
Furthermore, in the screening method of the present invention, the cell growth rate in the presence of dimethylallyl alcohol of cells capable of synthesizing dimethylallyl diphosphate from dimethylallyl alcohol into which a mutant isoprene synthase gene has been introduced is compared with the cell growth rate in the presence of dimethylallyl alcohol of cells capable of synthesizing dimethylallyl diphosphate from dimethylallyl alcohol into which a wild-type isoprene synthase gene has been introduced; cells with increased cell growth rate in the presence of dimethylallyl alcohol are selected; and the gene introduced into those cells is determined to be a mutant isoprene synthase gene with higher activity than the wild-type isoprene synthase.
Furthermore, in the screening method of the present invention, the cell growth rates in the presence of dimethylallyl alcohol of cells capable of synthesizing dimethylallyl diphosphate from methylallyl alcohol derived from two or more clones obtained by introducing an isoprene synthase gene library, preferably an isoprene synthase gene library into which random mutations have been introduced, are compared, cells with an increased (faster) cell growth rate in the presence of dimethylallyl alcohol are selected, and the gene introduced into the cells is determined to be a mutant isoprene synthase gene with high isoprene synthase activity.
The higher the isoprene synthesis activity of the mutant isoprene synthase using dimethylallyl diphosphate (DAMPP) as a substrate, the more dimethylallyl diphosphate it can consume, and therefore the more effectively it can counteract the cell growth inhibitory effect of dimethylallyl diphosphate.
Therefore, in cells that have been introduced with a mutant isoprene synthase gene and are capable of synthesizing dimethylallyl diphosphate from dimethylallyl alcohol (DMAOH), the higher the isoprene synthesis activity, the higher the cell growth rate in the presence of dimethylallyl alcohol, and the higher the cell growth rate in the presence of higher concentrations of dimethylallyl alcohol.

(DMAOHのリン酸化によって高濃度のDMAPP蓄積方法)
本発明では、ジメチルアリルアルコールからジメチルアリル二リン酸を合成可能な細胞にジメチルアリルアルコールを添加することにより、該細胞にDMAPPを高濃度に蓄積させる方法(多量のDMAPPを含む細胞の作製方法)も対象である。詳しくは、上記で述べたイソペンテニルホスフェートキナーゼ遺伝子(特に、変異型イソペンテニルホスフェートキナーゼ遺伝子)を細胞に導入し、さらにジメチルアリルアルコールを該細胞に導入すれば、高濃度のDMAPP蓄積が達成することができる。該細胞は、変異型イソペンテニルホスフェートキナーゼにより形質転換された細胞であることが好ましい。
さらに、該細胞は、野生型細胞と比較して、DMAPPを多く含むことを特徴としている。「DMAPPを多く含む」とは、野生型と比較して、1.05倍以上、1.1倍以上、1.2倍以上、1.3倍以上、1.4倍以上、1.5倍以上、2.0倍以上、2.1倍以上、2.2倍以上、2.3倍以上、2.4倍以上、2.5倍以上、2.6倍以上、2.7倍以上、2.8倍以上、2.9倍以上、3.0倍以上、約4.0倍(以上)、約5.0倍(以上)、約6.0倍(以上)、約7.0倍(以上)、約8.0倍(以上)、約9.0倍(以上)、約10倍(以上)、約11倍(以上)、約12倍(以上)、約13倍(以上)、約14倍(以上)、約15倍(以上)、約16倍(以上)、約17倍(以上)、約18倍(以上)、約19倍(以上)、約20倍(以上)、約21倍(以上)、約22倍(以上)、約23倍(以上)、約24倍(以上)、約25倍(以上)、約26倍(以上)、約27倍(以上)、約28倍(以上)、約29倍(以上)、約30倍(以上)、約31倍(以上)、約35倍(以上)、約40倍(以上)の細胞中のDMAPP量を例示することができる。
(How DMAOH phosphorylation leads to high DMAPP accumulation)
The present invention also relates to a method for accumulating high concentrations of DMAPP in cells capable of synthesizing dimethylallyl diphosphate from dimethylallyl alcohol (a method for producing cells containing a large amount of DMAPP).Specifically, by introducing the above-mentioned isopentenyl phosphate kinase gene (particularly, mutant isopentenyl phosphate kinase gene) into cells and then introducing dimethylallyl alcohol into the cells, high concentrations of DMAPP can be accumulated.The cells are preferably cells transformed with mutant isopentenyl phosphate kinase.
Furthermore, the cells are characterized by containing more DMAPP than wild-type cells. "Containing more DMAPP" means that the cells are more than 1.05 times, 1.1 times, 1.2 times, 1.3 times, 1.4 times, 1.5 times, 2.0 times, 2.1 times, 2.2 times, 2.3 times, 2.4 times, 2.5 times, 2.6 times, 2.7 times, 2.8 times, 2.9 times, 3.0 times, about 4.0 times (or more), about 5.0 times (or more), about 6.0 times (or more), about 7.0 times (or more), about 8.0 times (or more), about 9.0 times (or more), about 10 times (or more), about 11 times (or more) compared to the wild-type cells. Examples of DMAPP amounts in cells include about 12-fold (or more), about 13-fold (or more), about 14-fold (or more), about 15-fold (or more), about 16-fold (or more), about 17-fold (or more), about 18-fold (or more), about 19-fold (or more), about 20-fold (or more), about 21-fold (or more), about 22-fold (or more), about 23-fold (or more), about 24-fold (or more), about 25-fold (or more), about 26-fold (or more), about 27-fold (or more), about 28-fold (or more), about 29-fold (or more), about 30-fold (or more), about 31-fold (or more), about 35-fold (or more), and about 40-fold (or more).

以下、実施例により本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。 The present invention will be described in detail below with reference to examples, but the present invention is not limited to these examples.

[IPKmut発現株のDMAOH感受性]
1.発現系の構築
学名(Thermoplasma acidophilum)由来のIPKの遺伝子を大腸菌にコドン最適化したかたちで合成した(全長260アミノ酸、783-bases:配列番号6)。このとき、報告に従って、天然の配列からN末端の2個のアミノ酸「MM」を取り除き、17個のアミノ酸「MRGSHHHHHHTDPALRA」を付加し(M1-M2delinsMRGSHHHHHHTDPALRA)、3つのアミノ酸変異V73I、Y141V、K204Gを導入している。報告によれば、これらの変異の導入によって、DMAOHのモノリン酸活性を獲得する。これをJ23119-promoter下流に、制限酵素BamHI、XhoIによって挿入し、pJ211-J23119-IPKmutを得た(RBSスコアは2048に設定)(参考:LIU, Ying, et al. Scientific reports, 2016, 6: 24117.)。
プラスミドMAP(pJ211-J23119-IPKmut:配列番号1)を図1に示す。
[DMAOH sensitivity of IPK mut expressing strain]
1. Construction of expression system The gene for IPK derived from the scientific name (Thermoplasma acidophilum) was synthesized in a codon-optimized form for E. coli (total length 260 amino acids, 783-bases: SEQ ID NO: 6). In accordance with the report, the two amino acids "MM" at the N-terminus were removed from the natural sequence, and 17 amino acids "MRGSHHHHHHTDPALRA" were added (M1-M2delinsMRGSHHHHHHTDPALRA), and three amino acid mutations V73I, Y141V, and K204G were introduced. According to the report, the introduction of these mutations results in the acquisition of monophosphate activity of DMAOH. This was inserted downstream of the J23119-promoter using the restriction enzymes BamHI and XhoI to obtain pJ211-J23119-IPK mut (RBS score set to 2048) (Reference: LIU, Ying, et al. Scientific Reports, 2016, 6: 24117.).
The plasmid MAP (pJ211-J23119-IPK mut : sequence number 1) is shown in FIG.

2.IPKmut変異体の発現株のDMAOH感受性(寒天培地)
pJ211-J23119-IPKmutを用いて大腸菌XL1 Blueを形質転換し、コロニーを形成させた。これをつつき、LB培地にて一晩培養したのち、希釈して300細胞相当をさまざまな濃度のジメチルアリルアルコール(DMAOH)を含むLB寒天培地に撒いた。37℃で24時間静置し、形成されたコロニーの数を数えた(図2)。
IPK変異体(IPKmut)を発現させた大腸菌は、それを発現しない株にくらべると、明らかに高いDMAOH感受性を示した。IPKmut発現株は、DMAOHを添加するとcfuが低下し、10 mM以上ではもはや生存率は0%となった(図2の青の線)。DMAOHそのものに毒性は少なく、IPK発現をしていない(かわりにGFPを発現させた)大腸菌は、20 mMまで添加してもコロニー数が減ることはなかった(図2の緑線)。
2. DMAOH sensitivity of strains expressing IPK mut mutants (agar medium)
E. coli XL1 Blue was transformed with pJ211-J23119-IPK mut to form colonies. The colonies were picked and cultured overnight in LB medium, then diluted and 300 cells were plated on LB agar medium containing various concentrations of dimethylallyl alcohol (DMAOH). The colonies were left to stand at 37°C for 24 hours, and the number of colonies formed was counted (Figure 2).
E. coli expressing an IPK mutant (IPK mut ) showed significantly higher sensitivity to DMAOH than strains that did not express IPK. The IPK mut- expressing strain showed a decrease in cfu when DMAOH was added, and the survival rate was 0% at 10 mM or higher (blue line in Figure 2). DMAOH itself is not very toxic, and E. coli that did not express IPK (expressed GFP instead) did not show a decrease in colony number even when DMAOH was added up to 20 mM (green line in Figure 2).

3.IPKmut変異体の発現株のDMAOH感受性(液体培地)
DMAOH感受性が、液体培養系でも発現するかどうかを調べた(図3)。
詳しくは、PJ211-IPKmutを導入した大腸菌株(XL1 blue:図3の青線)とPJ211-emptyを導入した大腸菌株(図3の黄線)を、さまざまなDMAOH濃度のLB培地に入れて、37℃で12時間震盪培養した。それぞれの細胞密度(OD)を測定した。
液体培養系では、IPKmutの発現株の示すDMAPP感受性は、固体培地上よりもはるかに顕著であった。すなわち、わずか2 mMのDMAOH濃度で、細胞密度の増加は実質的には完全に停止している。この濃度では、IPKmutを発現していない対照株では、まったく増殖に影響がない。
3. DMAOH sensitivity of strains expressing IPK mut mutants (liquid medium)
We investigated whether DMAOH sensitivity was also expressed in a liquid culture system (Figure 3).
Specifically, E. coli strains carrying PJ211-IPK mut (XL1 blue: blue line in Fig. 3) and E. coli strains carrying PJ211-empty (yellow line in Fig. 3) were placed in LB medium with various DMAOH concentrations and cultured at 37°C for 12 hours with shaking. The cell density (OD) of each strain was measured.
In liquid culture, the sensitivity of IPK mut -expressing strains to DMAPP was much more pronounced than on solid medium: at a DMAOH concentration of just 2 mM, cell density increase was virtually completely abolished, whereas the growth of the control strain not expressing IPK mut was completely unaffected at this concentration.

4.IPKmut変異体の発現株のDMAOH感受性(固体培地)
本方法でおこすDMAPP過剰によって、どれほどの効率で細胞増殖を抑えられるかを調べるために、プレートに播く細胞の数を200~200万までふって、各種濃度(0-20mM)におけるDMAOH添加での生菌数を調べた(図4)。
DMAOH濃度が高いほど、その生菌数が低下することを確認した。DMAOH濃度5 mM、10 mM、20 mMでの生菌数比は、それぞれ、DMAOHのない培地に比べ、555分の1,670分の1、20,000分の1であった。これはメバロン酸経路の強化がもたらす弱い制菌効果(菌密度が半減する)とは明らかに異なり、単純に計算して、1000~20,000倍の濃縮効率である。
4. DMAOH sensitivity of strains expressing IPK mut mutants (solid medium)
To investigate how efficiently the excess DMAPP produced by this method could inhibit cell proliferation, the number of cells seeded on a plate was increased from 2 to 2 million, and the viable cell count was examined when DMAOH was added at various concentrations (0-20 mM) (Figure 4).
It was confirmed that the higher the DMAOH concentration, the lower the viable cell count. The viable cell count ratios at DMAOH concentrations of 5 mM, 10 mM, and 20 mM were 555/1,670/1, and 20,000/1, respectively, compared to the medium without DMAOH. This is clearly different from the weak bacteriostatic effect (bacterial density is halved) brought about by the enhancement of the mevalonate pathway, and by simple calculation, it is a concentration efficiency of 1,000 to 20,000 times.

以上の実験によって、該発現株において、IPKmutを発現すると培地に添加したDMAOH濃度に応じて、漸進的にDMAPP濃度が高まることを確認した。すなわち、毒性の少ないDMAOHを出発物質として、IPKmutが2ステップのリン酸化によってDMAPPを過剰蓄積させることによって細胞の増殖が非常に効率よく止まることが明らかになった。このDMAPPの「異常蓄積」は、DMAPPを消費する強い酵素活性によってのみ解消される。より高い酵素活性をもつDMAPP消費酵素を持つ宿主細胞だけを選択的に増殖させることが可能になった。 From the above experiments, it was confirmed that when IPK mut is expressed in the expression strain, the DMAPP concentration gradually increases depending on the concentration of DMAOH added to the medium. In other words, it was revealed that cell growth is stopped very efficiently by IPK mut overaccumulating DMAPP through two-step phosphorylation, starting from DMAOH, which is less toxic. This "abnormal accumulation" of DMAPP can only be eliminated by a strong enzyme activity that consumes DMAPP. It has become possible to selectively grow only host cells that have a DMAPP-consuming enzyme with a higher enzyme activity.

本発明の方法の優れた点は、1) DMAOHを与えなければ、DMAPPの異常蓄積は起こらないことにある(その細胞毒性が常時発現しておらず、DMAOHというプロドラッグ添加してはじめて発揮される「条件付き」のものであること)、2)極めて高い増殖阻害効果(~20,000倍)である。
本発明の方法は、IPP(イソプレン族骨格形成における付加ユニット)ではなく、DMAPP(イソプレン類の直接の原料)の消費活性をスクリーニングできる点で従来の方法とは異なり、さらにDMAOH添加によって3桁にもおよぶ生菌数低下を生み出すことができた。
The advantages of the method of the present invention are: 1) if DMAOH is not administered, abnormal accumulation of DMAPP does not occur (its cytotoxicity is not constantly expressed, but is "conditional" and is exerted only upon the addition of the prodrug DMAOH); and 2) it has an extremely high proliferation inhibitory effect (up to 20,000-fold).
The method of the present invention differs from conventional methods in that it can screen the consumption activity of DMAPP (the direct source of isoprene) rather than IPP (an additional unit in the formation of the isoprene skeleton), and furthermore, the addition of DMAOH was able to produce a three-order reduction in the viable cell count.

[IspSの進化工学]
1.発現系の構築
Populus alba由来のIspS(全長595アミノ酸(1815-bases)(配列番号7)のN末端52アミノ酸を切除した573アミノ酸(M1-T52del)および終止コドン、計1722-bases)の遺伝子(配列番号10)をPT5/LacO下流に、制限酵素BamHI、XhoIによって挿入した。RBScalculator(https://salislab.net/software/predict_rbs_calculator)によって計算されたRBSスコアは17,091であった。
プラスミドMAP(pT5/lacO-IspS:配列番号2)を図5に示す。
[Evolutionary engineering of IspS]
1. Construction of expression system
The gene (SEQ ID NO: 10) of IspS derived from Populus alba (573 amino acids (M1-T52del) with the N-terminal 52 amino acids of the full-length 595 amino acids (1815-bases) (SEQ ID NO: 7) truncated and a stop codon, totaling 1722-bases) was inserted downstream of PT5/LacO using the restriction enzymes BamHI and XhoI. The RBS score calculated by RBScalculator (https://salislab.net/software/predict_rbs_calculator) was 17,091.
The plasmid MAP (pT5/lacO-IspS: sequence number 2) is shown in FIG.

2.ライブラリ(第一世代)
IspS遺伝子をepPCR法によって増幅した。
反応条件は以下のとおりである。
テンプレートplamsid 量:5 ng/ 反応体積50 μL
PCRバッファNEB 10×Thermo Pol Reaction Buffer
dNTP濃度0.2 mM each、Mg濃度0.2 mM、Mn濃度10、20、および50 μM
NEB Taq DNA Polymerase、5 units
最終収量5000 ng、増幅率1000倍
プライマー配列1:Fwd:5-CTCGAAAATAATAAAGGGAAAATCAG-3(配列番号8)
プライマー配列2:Rev:5- GTAGGGAACTGCCAGGCATCAAATA-3(配列番号9)
2. Library (first generation)
The IspS gene was amplified by epPCR.
The reaction conditions are as follows:
Template plamsid amount: 5 ng/reaction volume 50 μL
PCR Buffer NEB 10x Thermo Pol Reaction Buffer
dNTP concentration: 0.2 mM each, Mg concentration: 0.2 mM, Mn concentration: 10, 20, and 50 μM
NEB Taq DNA Polymerase, 5 units
Final yield: 5000 ng, amplification rate: 1000-fold Primer sequence 1: Fwd: 5-CTCGAAAATAATAAAGGGAAAATCAG-3 (SEQ ID NO: 8)
Primer sequence 2: Rev: 5- GTAGGGAACTGCCAGGCATCAAATA-3 (SEQ ID NO: 9)

得られたDNAをゲル抽出、さらに精製して、以下の反応条件でベクターにライゲーションした。
vector:100 ng、insert:122 ng、反応体積10 μL
反応時間16時間、反応温度16℃、NEB T4 DNA Ligase、40 units
The resulting DNA was gel extracted, further purified, and ligated into the vector under the following reaction conditions.
Vector: 100 ng, insert: 122 ng, reaction volume: 10 μL
Reaction time: 16 hours, reaction temperature: 16℃, NEB T4 DNA Ligase, 40 units

得られたLigation液を脱塩し、大腸菌株BW25113にエレクトポレーションした。コンピテントセル60 μLにSOC 1440 μL加えて37度で1hキュレーション培養した(総量1.5 mL)。うち10 μL(150分の1)をAgar Plateにまいた。残り1490 μLは40 mLのLBに希釈して一晩(12h)37度で震盪培養した。得られた菌体懸濁液のうち2 mLをミニプレップした。
翌日、寒天プレート上にMn10:196個、Mn20個:512、Mn50:396個のコロニーを得たことから、それぞれのライブラリサイズは、Mn10:2.9×104、Mn20:7.7×104、Mn50:5.9×104であると決定した。
The obtained ligation solution was desalted and electroporated into E. coli strain BW25113. 1440 μL of SOC was added to 60 μL of competent cells and curation cultured at 37°C for 1 h (total volume 1.5 mL). 10 μL (1/150) was plated on an agar plate. The remaining 1490 μL was diluted with 40 mL of LB and cultured overnight (12 h) at 37°C with shaking. 2 mL of the obtained bacterial cell suspension was mini-prepped.
The next day, 196 colonies for Mn10, 512 colonies for Mn20, and 396 colonies for Mn50 were obtained on the agar plate, and the respective library sizes were determined to be 2.9×10 4 for Mn10, 7.7×10 4 for Mn20, and 5.9×10 4 for Mn50.

3.高活性クローンの選抜(1次スクリーニング)
得たIspSライブラリを、IPKmut発現株(pJ211-IPKmutを導入したXL1-Blue株)に導入した。具体的には、IspSライブラリplasmid 5 μLとコンピテントセル100 μLを混合し、氷上に15分静置した。SOC 1150 μLを加えて37度で1時間キュレーション培養した(総量1250 μL)。
プラスミドMAP(PJ211-pJ23119-IPKmut:配列番号3)を図6に示す。
得た形質転換体を、0mM、 12mM、 14 mM (0、 0.86 g/L、1.01 g/L)のDMAOHを含むLB-Agar Plate (9 cm直径)に、それぞれ、およそ500細胞/plates程度になるように播いた(それぞれ5枚ずつ播いたので、スクリーニングサイズは、それぞれおよそ2,500)。全スクリーニングサイズ:2500×2条件×3ライブラリ=1.5×104であった。
37度で24h静置してコロニーを形成させた。表1に示すように、12 mM DMAOHを含むプレートからは12、 14 mM DMAOHを含むプレートでは1個のコロニーが生えてきた(一次スクリーニングのヒット率は:13÷1.5×104×100=0.087%)。
3. Selection of highly active clones (primary screening)
The obtained IspS library was introduced into an IPK mut expression strain (XL1-Blue strain with pJ211-IPK mut ). Specifically, 5 μL of the IspS library plasmid was mixed with 100 μL of competent cells and left on ice for 15 minutes. 1150 μL of SOC was added and the cells were curated at 37°C for 1 hour (total volume 1250 μL).
The plasmid MAP (PJ211-pJ23119-IPK mut : sequence number 3) is shown in Figure 6.
The obtained transformants were plated on LB-Agar plates (9 cm diameter) containing 0 mM, 12 mM, and 14 mM (0, 0.86 g/L, 1.01 g/L) DMAOH at approximately 500 cells/plate (5 plates were plated for each, so the screening size was approximately 2,500 for each). Total screening size: 2500 x 2 conditions x 3 libraries = 1.5 x 104 .
The plates were incubated at 37°C for 24 hours to allow colony formation. As shown in Table 1, 12 colonies grew on the plate containing 12 mM DMAOH, and one colony grew on the plate containing 14 mM DMAOH (hit rate in primary screening: 13÷1.5× 104 ×100=0.087%).

一次スクリーニングの結果。このコンストラクトでは、野生型IspS発現株は~ 11 mM以上で、生菌率が1/100以下になることを確認した。 Results of the primary screening. With this construct, it was confirmed that the viable cell rate of the wild-type IspS expression strain was 1/100 or less at 11 mM or more.

4.セカンドスクリーニング
上記で得た合計13個のクローンを単離・ミニプレした。これらに制限酵素Hind IIIおよびEcoRIで処理して混入しているIPKmutプラスミドを選択切断した。単離した13個のクローンおよび野生型をそれぞれフレッシュなIPKmut発現株(pJ211-IPKmutを導入したXL1-Blue株)に再び導入した。
形質転換体を、0、11、12、13又は14 mol/LのDMAOHを含むLB-Agar Plate (9cm直径)に、それぞれ2000細胞/platesに播き、37度で24h静置してコロニーを形成させた。れぞれの変異体について、DMAOH(11、12、13、14 mM)含有培地上の生菌数比(対DMAOHを含まない培地)を図7に示す。
13個のうち9個(図中灰色で示すもの)は、野生型と比べて顕著なDMAOH耐性を示さなかった。しかし、4つの変異体を発現する株は、親(野生型、wt)よりも明らかに高いDMAOH耐性を示した(図7)。
4. Secondary screening A total of 13 clones obtained above were isolated and miniprepared. They were treated with the restriction enzymes Hind III and EcoRI to selectively cleave the contaminating IPK mut plasmid. The 13 isolated clones and the wild type were each reintroduced into a fresh IPK mut expression strain (XL1-Blue strain with pJ211-IPK mut introduced).
The transformants were plated on LB-Agar plates (9 cm diameter) containing 0, 11, 12, 13 or 14 mol/L DMAOH at 2000 cells/plate and allowed to stand at 37°C for 24 hours to form colonies. The viable cell count ratios on DMAOH (11, 12, 13, 14 mM)-containing media (relative to media without DMAOH) for each mutant are shown in Figure 7.
Nine of the 13 (shown in gray in the figure) did not show significant DMAOH resistance compared to the wild type, but strains expressing the four mutants showed significantly higher DMAOH resistance than the parent (wild type, wt) (Figure 7).

5.シーケンシング
上記で活性亢進と判断された4個(Mn10-12A、Mn10-12B、Mn20-12E、Mn50-12A)の配列を表2に示す。
5. Sequencing The sequences of the four proteins determined to have increased activity above (Mn10-12A, Mn10-12B, Mn20-12E, and Mn50-12A) are shown in Table 2.

IspS変異体の遺伝型。 Genotypes of IspS mutants.

Mn10-12A、Mn50-12Aの2個はispSの構造遺伝子には変異が見出されなかったが、LacOに塩基置換が導入されていた。これらは、lacIへの親和性低下によって転写レベルが高まった「発現変異体」である。一方、発現変異体と考えづらい変異体は2個であった。そこに見出された変異の中にみつかったアミノ酸置換は、Mn10-12B(H218R、T587A)、Mn20-12E(F593L)にはアミノ酸置換が見つかった。これらは、構造(PDB 3N0G)上、図8の位置にMapされた。いずれも反応ポケットの中というよりは表面に位置する残基であった。 In the two mutants Mn10-12A and Mn50-12A, no mutations were found in the structural gene of ispS, but base substitutions were introduced into LacO. These are "expression mutants" in which the transcription level has increased due to a decrease in affinity for lacI. On the other hand, there were two mutants that were difficult to consider as expression mutants. Among the mutations found there, amino acid substitutions were found in Mn10-12B (H218R, T587A) and Mn20-12E (F593L). These were mapped to the position in Figure 8 on the structure (PDB 3N0G). In both cases, the residues were located on the surface rather than inside the reactive pocket.

6.プラスミドの載せ替え(発現系の変換)
Mn10-12BおよびMn20-12E酵素が、酵素活性が高い発現変異体ではなく、大腸菌活性を高める性質を有するかを調べるために、Reading Frameを、制限酵素BamHI、XhoIによって切り出し、lacOのない定常プロモータ(PT5)下流に載せ替えた。
プラスミドMAP(pT5-IspS:配列番号4)を図9に示す。
6. Plasmid transfer (conversion of expression system)
To examine whether the Mn10-12B and Mn20-12E enzymes have properties that enhance E. coli activity rather than being expression mutants with high enzyme activity, the reading frames were excised with the restriction enzymes BamHI and XhoI and placed downstream of a constant promoter (PT5) that does not contain lacO.
The plasmid MAP (pT5-IspS: sequence number 4) is shown in FIG.

7.GC-解析によるプロダクト特性の比較
pMEV-idi(配列番号5)によって前駆体供給路(メバロン酸経路)を導入した大腸菌株XL1 BlueにpT5-IspS(wt)、pT5-IspS(Mn10-12B)、pT5-IspS(Mn10-12E)を、それぞれ導入した。
プラスミドMAP(pMEV-idi)を図10に示す。
7. Comparison of product characteristics by GC analysis
pT5-IspS(wt), pT5-IspS(Mn10-12B), and pT5-IspS(Mn10-12E) were each introduced into the E. coli strain XL1 Blue, into which a precursor supply pathway (mevalonate pathway) had been introduced using pMEV-idi (SEQ ID NO:5).
The plasmid MAP (pMEV-idi) is shown in FIG.

7-1.ドデカン上層解析
こうして得られた形質転換体のイソプレン生産能を測定した。具体的には、形質転換体(OD2のプレ培液を50 μL:5×107cells相当)を5 mLのTB培地に植菌し、培地体積の5分の1のドデカン(1 mL)を培地に上層したのち、37度で24時間震盪培養した。その後、ドデカン(0.25 mL)を回収し、うち0.5 μL(1/500: 培地上層したドデカン総量の1/2000)をGC-FIDにインジェクトした。
GC分析条件:Rtx-5(Shimadzu)、オーブン温度250℃
昇温プロトコル35℃5min、30℃/minで150℃、20℃/minで200℃まで昇温した。
Mn10-12B、Mn20-12Eを発現する大腸菌は、ともにIspS(wt)を発現する大腸菌よりも高いイソプレン生産量を示した(図11)。
7-1. Analysis of dodecane layer The isoprene production ability of the transformants thus obtained was measured. Specifically, the transformants (50 μL of OD2 pre-culture solution: equivalent to 5× 107 cells) were inoculated into 5 mL of TB medium, and one-fifth of the medium volume of dodecane (1 mL) was layered on top of the medium, followed by shaking culture at 37°C for 24 hours. Dodecane (0.25 mL) was then collected, and 0.5 μL of it (1/500: 1/2000 of the total amount of dodecane layered on top of the medium) was injected into GC-FID.
GC analysis conditions: Rtx-5 (Shimadzu), oven temperature 250℃
The temperature ramp protocol was 35°C for 5 min, then ramped at 30°C/min to 150°C and 20°C/min to 200°C.
Both E. coli expressing Mn10-12B and Mn20-12E produced higher amounts of isoprene than E. coli expressing IspS(wt) (FIG. 11).

7-2.ヘッドスペース解析
顕著な活性を示したMn10-12B変異体について、上記とは異なる培養・測定プロトコルで再評価した。具体的には、形質転換体(OD~2のプレ培液を100 μL:1×108 cells相当)を50 mLのフラスコ内の10 mL TB培地に植菌し、30度で48時間震盪培養した。培養中は、一貫して、フラスコはアルミホイルと輪ゴムで硬く縛り気密状態を保持した。その後、それぞれのサンプルのヘッドスペース部の空気を10 mL分、ガス採取器(NeedlEx、信和化工)で回収した。回収気体から、固相吸着材に吸着した成分を、GC-FIDにインジェクトした。
GC分析条件: Rtx-5(Shimadzu)、オーブン温度250℃
昇温プロトコル:30℃ 5min、20℃/minで200℃まで昇温した。
結果を図12に示す。
Mn10-12Bを発現する大腸菌は、IspS(wt)を発現する大腸菌よりも高いイソプレン生産量を示した(図12)。
以上の結果から、IPKmutによるDMAOHのリン酸化が与えるDMAPPの過剰蓄積からのレスキュー能を指標とすることによって、活性の高い変異型イソプレン合成酵素が得られた。
7-2. Headspace analysis The Mn10-12B mutant, which showed significant activity, was reevaluated using a different culture and measurement protocol than the above. Specifically, the transformant (100 μL of preculture solution at OD ~ 2: equivalent to 1 × 10 8 cells) was inoculated into 10 mL TB medium in a 50 mL flask and cultured at 30 degrees for 48 hours with shaking. During the culture, the flask was tightly tied with aluminum foil and a rubber band to keep it airtight throughout. Then, 10 mL of air from the headspace of each sample was collected using a gas sampler (NeedlEx, Shinwa Kako). The components adsorbed to the solid-phase adsorbent from the collected gas were injected into GC-FID.
GC analysis conditions: Rtx-5 (Shimadzu), oven temperature 250℃
Heating protocol: 30°C for 5 min, then heated at 20°C/min up to 200°C.
The results are shown in Figure 12.
E. coli expressing Mn10-12B exhibited higher isoprene production than E. coli expressing IspS(wt) (FIG. 12).
These results suggest that a highly active mutant isoprene synthase was isolated by using the ability to rescue DMAPP from excessive accumulation through phosphorylation of DMAOH by IPK mut as an indicator.

8.DMAOH抵抗性の進化
得られた変異体プラスミドをIPKmut発現させた大腸菌XL1 Blueに導入し、そのDMAOH感受性を調べた(図13)。変異体は、野生型よりも明らかに高いDMAOH抵抗性を示した。再び、IPKmut発現株の、DMAOH感受性をしらべた。DMAOHの添加量に従って細胞の生存能力は急速に落ちてゆき、この発現系の場合、5 mMのDMAOHで完全に死滅した(図13濃青線)、野生型IspSの発現している株は、DMAPPの除去活性を持っているので、生存性は高まる(図13薄青線)。そして今回得られた変異体は(図13紫・赤線)を発現する株は、明らかにDMAOH耐性を獲得しており、これらの高いDMAOH消費活性(イソプレン合成活性:図13)を反映している。
活性変異体でも、さらに多くのDMAOHを与えると、細胞増殖は止まってしまう(IC99~12mM)。DMAOH=12 mMに設定すれば、この変異体を親(出発点)にして、より活性の高い2nd generation変異体が得られる。
8. Evolution of DMAOH resistance The obtained mutant plasmids were introduced into E. coli XL1 Blue expressing IPK mut , and their DMAOH sensitivity was examined (Fig. 13). The mutants showed clearly higher DMAOH resistance than the wild type. The DMAOH sensitivity of the IPK mut expression strain was examined again. The cell viability rapidly decreased with the amount of DMAOH added, and in this expression system, the cells were completely killed by 5 mM DMAOH (Fig. 13, dark blue line). The strain expressing the wild type IspS has DMAPP removal activity, so its viability increases (Fig. 13, light blue line). The strain expressing the mutants obtained this time (Fig. 13, purple and red lines) clearly acquired DMAOH resistance, reflecting their high DMAOH consumption activity (isoprene synthesis activity: Fig. 13).
Even with the active mutant, if more DMAOH is added, cell growth stops (IC99-12 mM). By setting DMAOH=12 mM, a more active second generation mutant can be obtained using this mutant as the parent (starting point).

本発明は、野生型イソプレン合成酵素と比較してイソプレン合成量が高い変異型イソプレン合成酵素並びに該酵素の変異体のスクリーニング方法を提供することができる。 The present invention can provide a mutant isoprene synthase that synthesizes a higher amount of isoprene than the wild-type isoprene synthase, as well as a method for screening mutants of the enzyme.

Claims (8)

変異を導入したイソプレン合成酵素遺伝子ライブラリを、ジメチルアリルアルコールからジメチルアリル二リン酸を合成可能な細胞に導入し、該細胞の細胞増殖速度の増加又は低下を指標とする、変異型イソプレン合成酵素のスクリーニング方法であって、
該細胞が配列番号6に記載のアミノ酸配列からなるポリペプチドをコードする遺伝子により形質転換された細胞である、スクリーニング方法。
A method for screening mutant isoprene synthases, comprising introducing a library of mutated isoprene synthase genes into cells capable of synthesizing dimethylallyl diphosphate from dimethylallyl alcohol, and using an increase or decrease in a cell proliferation rate of the cells as an indicator, the method comprising the steps of:
A screening method, wherein the cell is a cell transformed with a gene encoding a polypeptide consisting of the amino acid sequence set forth in SEQ ID NO:6.
前記細胞の細胞増殖速度の増加が、ジメチルアリル二リン酸を基質とするイソプレン合成量の増加である、請求項1に記載のスクリーニング方法。
The method of claim 1 , wherein the increase in the cell proliferation rate of the cells is an increase in the amount of isoprene synthesized using dimethylallyl diphosphate as a substrate.
前記細胞の細胞増殖速度が、ジメチルアリルアルコール存在下における細胞増殖速度である、請求項1~2のいずれか1項に記載のスクリーニング方法。
The method of any one of claims 1 to 2, wherein the cell proliferation rate of the cells is the cell proliferation rate in the presence of dimethylallyl alcohol.
前記細胞が大腸菌である、請求項1~3のいずれか1項に記載のスクリーニング方法。
The method of any one of claims 1 to 3, wherein the cell is Escherichia coli.
配列番号7で示されるアミノ酸配列において、1位~52位にアミノ酸欠失を有し、並びに、H218R及びT587Aのみのアミノ酸置換を有することを特徴とする、変異型イソプレン合成酵素。
A mutant isoprene synthase having amino acid deletions at positions 1 to 52 in the amino acid sequence shown in SEQ ID NO:7 and having only amino acid substitutions of H218R and T587A.
前記変異型イソプレン合成酵素は、野生型イソプレン合成酵素と比較して、イソプレン合成量が高いことを特徴とする、請求項5に記載の変異型イソプレン合成酵素。
The mutant isoprene synthase according to claim 5 , wherein the mutant isoprene synthase synthesizes a higher amount of isoprene than a wild-type isoprene synthase.
配列番号7で示されるアミノ酸配列において、1位~52位にアミノ酸欠失を有し、並びに、F593Lのみのアミノ酸置換を有することを特徴とする、変異型イソプレン合成酵素。
A mutant isoprene synthase having amino acid deletions at positions 1 to 52 in the amino acid sequence shown in SEQ ID NO:7 and having only the amino acid substitution F593L.
以下の(1)~(2)のいずれか1である遺伝子からなる変異型イソプレン合成酵素遺伝子、
(1)配列番号11又は12に記載のアミノ酸配列からなるポリペプチドをコードする遺伝子、及び
(2)配列番号13又は14に記載の塩基配列からなるDNAからなる遺伝子。
A mutant isoprene synthase gene comprising any one of the following genes (1) to (2):
(1) a gene encoding a polypeptide consisting of the amino acid sequence set forth in SEQ ID NO: 11 or 12, and (2) a gene consisting of DNA consisting of the base sequence set forth in SEQ ID NO: 13 or 14.
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