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JP7754409B2 - Engineered glutamic acid decarboxylase - Google Patents
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JP7754409B2 - Engineered glutamic acid decarboxylase - Google Patents

Engineered glutamic acid decarboxylase

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JP7754409B2 JP2021133138A JP2021133138A JP7754409B2 JP 7754409 B2 JP7754409 B2 JP 7754409B2 JP 2021133138 A JP2021133138 A JP 2021133138A JP 2021133138 A JP2021133138 A JP 2021133138A JP 7754409 B2 JP7754409 B2 JP 7754409B2
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本発明はグルタミン酸デカルボキシラーゼ活性を有する改変ポリペプチド、このポリペプチドを含むγ-アミノ酪酸(GABA)製造用酵素剤、およびこのGABA製造用酵素剤を用いることを含むGABA製造方法に関する。本発明は、さらには、上記ポリペプチドをコードするポリヌクレオチド、このポリヌクレオチドを含むベクター、このベクターで形質転換された宿主細胞、およびこの宿主細胞を作用させることを含む、GABAの製造方法に関する。 The present invention relates to a modified polypeptide having glutamic acid decarboxylase activity, an enzyme preparation for producing gamma-aminobutyric acid (GABA) containing this polypeptide, and a method for producing GABA that includes using this enzyme preparation for producing GABA. The present invention further relates to a polynucleotide encoding the polypeptide, a vector containing this polynucleotide, a host cell transformed with this vector, and a method for producing GABA that includes using this host cell.

γ-アミノ酪酸(Gamma-Amino Butyric Acid、GABA)は、生体内で抑制性の神経伝達物質として働き、血圧降下作用、利尿作用などの生理作用があることが知られている。また、発芽玄米、味噌、漬け物(キムチなど)等の食品中にも多く含まれていることが知られている(特許文献1)。加えて、GABAは、ナイロン4を構成するモノマーとしても知られている。ナイロン4は、従来のナイロン6やナイロン66には無い生分解性を備え、更に従来の生分解性プラスチック材料と比較して強度、耐熱性に優れている(特許文献1)。 Gamma-aminobutyric acid (GABA) acts as an inhibitory neurotransmitter in the body and is known to have physiological effects such as lowering blood pressure and diuretic effects. It is also known to be found in large amounts in foods such as germinated brown rice, miso, and pickles (such as kimchi) (Patent Document 1). GABA is also known as a monomer that makes up nylon 4. Nylon 4 has biodegradability not found in conventional nylon 6 or nylon 66, and also has superior strength and heat resistance compared to conventional biodegradable plastic materials (Patent Document 1).

従来、GABAは、化学合成、発酵法、酵素法で生産され、酵素法ではグルタミン酸にグルタミン酸デカルボキシラーゼ(Glutamate decarboxylase, glutamic acid decarboxylase、GAD;EC 4.1.1.15)を作用させることによって行われている。GADは微生物や植物に内在しており、GABAが食品用途で利用されることが多いことから、発酵食品生産に用いる乳酸菌、カビに内在するGADを利用して生産されている(特許文献2~3)。例えば、特許文献2および3は、それぞれ乳酸菌および麹菌を培養することを含むγ-アミノ酪酸の製造方法を開示する。 Traditionally, GABA has been produced by chemical synthesis, fermentation, and enzymatic methods. The enzymatic method involves the action of glutamate decarboxylase (GAD; EC 4.1.1.15) on glutamic acid. GAD is endogenous to microorganisms and plants, and since GABA is often used in food applications, it is produced using GAD endogenous to lactic acid bacteria and molds used in fermented food production (Patent Documents 2 and 3). For example, Patent Documents 2 and 3 disclose methods for producing γ-aminobutyric acid, which involve culturing lactic acid bacteria and koji mold, respectively.

遺伝子組換え技術を利用したGABAの生産例も報告されている。例えば、非特許文献1には、Lactobacillus plantarum WCFS1株由来GADを大腸菌で発現させ、GADを調製し精製酵素を用いてGABAを生産したことが記載されている。さらに、特許文献1は、好熱性古細菌由来の耐熱性GADを単離し、これを用いたγ-アミノ酪酸を製造する方法を開示する。 Examples of GABA production using genetic recombination technology have also been reported. For example, Non-Patent Document 1 describes the expression of GAD derived from the Lactobacillus plantarum WCFS1 strain in Escherichia coli, the preparation of GAD, and the production of GABA using a purified enzyme. Furthermore, Patent Document 1 discloses a method for producing gamma-aminobutyric acid using a thermostable GAD isolated from a thermophilic archaea.

特許第4243685号Patent No. 4243685 特開2007-135416号公報Japanese Patent Application Laid-Open No. 2007-135416 特開2007-028998号公報Japanese Patent Application Laid-Open No. 2007-028998

Microbiol. Biotechnol. Lett., 2015年, 43巻, 300-305頁Microbiol. Biotechnol. Lett., 2015, 43, 300-305

GABAを工業的に製造するために、生産性と高温での安定性に優れたGADの開発が求められている。乳酸菌や麹菌などGADを内包する微生物を利用したGABAの製造(例えば、特許文献2および3)では、GADの基質であるグルタミン酸またはグルタミン酸塩からGABAへの生物変換率が低いという問題があった。また、従来のGADは高温での安定性が低いという欠点がある。非特許文献1は、精製GADをビーズに固定化することで熱安定性を高めており、酵素そのものの特性を改変するものではない。好熱性古細菌由来の耐熱性GADが発見されているが(特許文献1)、酵素の採取を高塩濃度環境下で行なう必要があり、GABA製造に使用する際に、持ち込んだ塩を除去する工程が必要だった。 In order to produce GABA industrially, there is a need for the development of GAD with excellent productivity and stability at high temperatures. GABA production using microorganisms containing GAD, such as lactic acid bacteria and koji mold (see, for example, Patent Documents 2 and 3), has the problem of low bioconversion rates from glutamic acid or glutamate, the GAD substrate, to GABA. Conventional GAD also has the disadvantage of low stability at high temperatures. Non-Patent Document 1 improves the thermal stability of purified GAD by immobilizing it on beads, but does not alter the properties of the enzyme itself. While a thermostable GAD derived from thermophilic archaea has been discovered (Patent Document 1), the enzyme must be extracted in a high-salt environment, and a process for removing the salt carried over was required before it could be used to produce GABA.

そこで本発明は、より高いGABA生産性と工業規模での生産に適した特性(酵素としての熱安定性、pH、生産性)を有するGADを提供すること、並びにこのGADを用いることを含むGABA製造方法、およびこのGAD遺伝子を導入した宿主細胞を作用させることを含むGABA製造方法を提供することを課題とする。 The present invention therefore aims to provide a GAD that has higher GABA productivity and properties suitable for industrial-scale production (enzymatic thermostability, pH, productivity), as well as a GABA production method that includes using this GAD, and a GABA production method that includes using host cells into which this GAD gene has been introduced.

本発明者らは、改変グルタミン酸デカルボキシラーゼの作出を企図し、多数の人工GABA合成酵素を設計し、機能解析によるスクリーニングを行ってきた。その中で、Lactobacillus brevis由来のグルタミン酸デカルボキシラーゼを鋳型とした少なくとも2種類の人工GADがより高いGABA生産性と工業規模での生産に適した特性を有することを見出し、本発明の完成に至った。 The present inventors aimed to create an engineered glutamic acid decarboxylase and designed numerous artificial GABA synthases, screening them through functional analysis. Among these, they discovered that at least two types of artificial GABA synthesized using glutamic acid decarboxylase derived from Lactobacillus brevis as a template possess higher GABA productivity and properties suitable for industrial-scale production, leading to the completion of the present invention.

本発明によれば以下の発明が提供される。
[1] 配列番号1または2に記載のアミノ酸配列と少なくとも85%同一であるアミノ酸配列を含み、且つグルタミン酸デカルボキシラーゼ活性を有する、ポリペプチド。
[2] 配列番号1または2に記載のアミノ酸配列を含む、[1]に記載のポリペプチド。
[3] [1]または[2]に記載のポリペプチドを含むγ-アミノ酪酸(GABA)製造用酵素剤。
[4] [3]に記載のGABA製造用酵素剤を用いることを含む、GABA製造方法。
[5] 基質がグルタミン酸および/またはグルタミン酸塩である、[4]に記載のGABA製造方法。
According to the present invention, the following inventions are provided.
[1] A polypeptide comprising an amino acid sequence that is at least 85% identical to the amino acid sequence set forth in SEQ ID NO: 1 or 2 and having glutamic acid decarboxylase activity.
[2] The polypeptide according to [1], comprising the amino acid sequence set forth in SEQ ID NO: 1 or 2.
[3] An enzyme preparation for producing γ-aminobutyric acid (GABA), comprising the polypeptide according to [1] or [2].
[4] A method for producing GABA, comprising using the enzyme preparation for producing GABA described in [3].
[5] The method for producing GABA according to [4], wherein the substrate is glutamic acid and/or glutamate.

[6] [1]または[2]に記載のポリペプチドをコードするポリヌクレオチド。
[7] [6]に記載のポリヌクレオチドを含むベクター。
[8] [7]に記載のベクターで形質転換された宿主細胞。
[9] 大腸菌(E. coli)、バチルス属細菌(Bacillus)、乳酸菌(Lactobacillus、Lactococcus)、放線菌(Corynebacterium)、アスペルギルス(Aspergillus)、または酵母の細胞である、[8]に記載の宿主細胞。
[10] [8]または[9]に記載の宿主細胞を作用させることを含む、GABAの製造方法。
[11] [8]または[9]に記載の宿主細胞を培養し、培養物からグルタミン酸デカルボキシラーゼを回収することを含む、グルタミン酸デカルボキシラーゼの製造方法。
[12] [4]、[5]および[10]の何れか一に記載の方法を実施して得られたGABAを用いて食品、飼料、餌料、化粧料、または医薬品を得る工程を含む、食品、飼料、餌料、化粧料、または医薬品の製造方法。
[13] [1]もしくは[2]に記載のポリペプチド、[3]に記載の酵素剤、または[8]もしくは[9]に記載の宿主細胞をグルタミン酸および/またはグルタミン酸塩を含む食品素材に接触させることを含む、GABA含有食品の製造方法。
[6] A polynucleotide encoding the polypeptide according to [1] or [2].
[7] A vector comprising the polynucleotide according to [6].
[8] A host cell transformed with the vector according to [7].
[9] The host cell according to [8], which is a cell of Escherichia coli (E. coli), Bacillus, Lactobacillus, Lactococcus, Corynebacterium, Aspergillus, or yeast.
[10] A method for producing GABA, comprising treating the host cell according to [8] or [9].
[11] A method for producing glutamic acid decarboxylase, comprising culturing the host cell according to [8] or [9] and recovering glutamic acid decarboxylase from the culture.
[12] A method for producing a food, feed, cosmetic, or pharmaceutical, comprising a step of obtaining a food, feed, cosmetic, or pharmaceutical using GABA obtained by carrying out the method according to any one of [4], [5], and [10].
[13] A method for producing a GABA-containing food, comprising contacting the polypeptide described in [1] or [2], the enzyme preparation described in [3], or the host cell described in [8] or [9] with a food material containing glutamic acid and/or glutamate.

本発明によれば、グルタミン酸デカルボキシラーゼ活性を有する新規改変ポリペプチドが提供される。 The present invention provides a novel modified polypeptide having glutamic acid decarboxylase activity.

図1Aは、Lactobacillus brevis CGMCC 1306由来の野生型GAD(GAD-Wild_GU987102.1)および改変GAD(GAD-NSK01, GAD-NSK02)のアミノ酸配列を示す。FIG. 1A shows the amino acid sequences of wild-type GAD (GAD-Wild_GU987102.1) and modified GADs (GAD-NSK01, GAD-NSK02) derived from Lactobacillus brevis CGMCC 1306. 図1Bは、組換えに使用したベクターに含まれる野生型GAD(GAD-Wild)および改変GAD(GAD-NSK01, GAD-NSK02)の塩基配列を示す。FIG. 1B shows the nucleotide sequences of wild-type GAD (GAD-Wild) and modified GAD (GAD-NSK01, GAD-NSK02) contained in the vectors used for recombination. 図1Cは、図1Bのつづきであり、組換えに使用したベクターに含まれる野生型GAD(GAD-Wild)および改変GAD(GAD-NSK01, GAD-NSK02)の塩基配列を示す。FIG. 1C is a continuation of FIG. 1B and shows the nucleotide sequences of wild-type GAD (GAD-Wild) and modified GAD (GAD-NSK01, GAD-NSK02) contained in the vectors used for recombination. 図2は、精製したGAD-Wild、GAD-NSK01、およびGAD-NSK02を示すSDS-PAGEである。M:分子量マーカー、レーン1~4:GAD-NSK01、レーン5~8:GAD-NSK02、レーン9~12:GAD-Wild、レーン1、5および9:不溶出性画分、レーン2、6および10:溶出液(5mM)、レーン3、7および11:溶出液(50mM)、レーン4、8および12:溶出液(250mM)。2 is an SDS-PAGE showing purified GAD-Wild, GAD-NSK01, and GAD-NSK02. M: molecular weight marker; lanes 1 to 4: GAD-NSK01; lanes 5 to 8: GAD-NSK02; lanes 9 to 12: GAD-Wild; lanes 1, 5, and 9: inelutable fraction; lanes 2, 6, and 10: eluate (5 mM); lanes 3, 7, and 11: eluate (50 mM); and lanes 4, 8, and 12: eluate (250 mM). 図3は、精製したGAD-Wild、GAD-NSK01、およびGAD-NSK02の各反応pHにおける相対活性を示したグラフである。FIG. 3 is a graph showing the relative activities of purified GAD-Wild, GAD-NSK01, and GAD-NSK02 at each reaction pH. 図4のAは、精製したGAD-Wild、GAD-NSK01、およびGAD-NSK02の酵素反応を各反応温度で10分間行った際の相対活性を示したグラフである。図4のBは、精製したGAD-Wild、GAD-NSK01、およびGAD-NSK02を各温度で10分間保持した際の相対残存活性を示したグラフである。4A is a graph showing the relative activity of purified GAD-Wild, GAD-NSK01, and GAD-NSK02 when the enzyme reaction was carried out at each reaction temperature for 10 minutes. FIG. 4B is a graph showing the relative residual activity of purified GAD-Wild, GAD-NSK01, and GAD-NSK02 when they were maintained at each temperature for 10 minutes. 図5は、反応中のGABA濃度の時間変化を示す。反応は、グルタミン酸と水の混合液に、GAD-NSK02を発現させた菌体を加えて、40℃または50℃で旋回撹拌により行った。The change in GABA concentration over time during the reaction is shown in Figure 5. The reaction was carried out by adding the GAD-NSK02-expressing bacteria to a mixture of glutamic acid and water at 40°C or 50°C with vortex stirring.

以下に記載する本発明の説明は、代表的な実施形態や具体例に基づいてなされることがあるが、本発明はそのような実施形態に限定されるものではない。本明細書では、数値が「約」の用語を伴う場合、その値の±10%の範囲を含むことを意図する。また、「~」を用いて表される数値範囲は「~」の前後に記載される数値を下限値および上限値として含む範囲を意味する。 The following description of the present invention may be based on representative embodiments and specific examples, but the present invention is not limited to such embodiments. In this specification, when a numerical value is accompanied by the word "about," it is intended to include a range of ±10% of that value. Furthermore, a numerical range expressed using "to" means a range that includes the numerical values before and after "to" as the lower and upper limits.

(ポリペプチド)
本発明は、配列番号1または2に記載のアミノ酸配列と少なくとも85%同一であるアミノ酸配列を含み、且つグルタミン酸デカルボキシラーゼ活性を有する、ポリペプチド(以下、改変ポリペプチドと記載する場合がある)に関する。一実施態様では、本発明のポリペプチドは、配列番号1または2に記載のアミノ酸配列を含むか、またはそれからなるものであってもよい。
(Polypeptide)
The present invention relates to a polypeptide (hereinafter sometimes referred to as a modified polypeptide) comprising an amino acid sequence at least 85% identical to the amino acid sequence set forth in SEQ ID NO: 1 or 2 and having glutamic acid decarboxylase activity. In one embodiment, the polypeptide of the present invention may comprise or consist of the amino acid sequence set forth in SEQ ID NO: 1 or 2.

「グルタミン酸デカルボキシラーゼ活性」は、グルタミン酸(L‐グルタミン酸)を脱炭酸する反応を触媒する活性を意味し、この反応により、グルタミン酸からGABA(γ-アミノ酪酸)が得られる。 "Glutamic acid decarboxylase activity" refers to the activity of catalyzing the decarboxylation of glutamic acid (L-glutamic acid), which converts glutamic acid to GABA (gamma-aminobutyric acid).

本発明の改変ポリペプチドは、Lactobacillus brevis CGMCC 1306由来のGAD(DDBJ/EMBL/GenBank Accession number: GU987102.1、配列番号3、以下、GAD-Wildと記載する)を基に、アミノ酸変異を挿入して設計した。Lactobacillus brevis CGMCC 1306株は、ミルクから単離された株であり、高いGAD活性を有することが報告されている(Chinese J Chem Eng, 15, 157-161 (2007))。本発明者らは、人工設計GADである、配列番号1および2に記載のアミノ酸配列をそれぞれ有する2種の改変ポリペプチドが、野生型(GAD-Wild)に比較して高いGAD生産性を有し、酵素としての熱安定性に優れ、GABA生産に好適な至適pHを有し、さらには高いGABA生産性を有することを見出した。 The modified polypeptides of the present invention were designed by inserting amino acid mutations into GAD derived from Lactobacillus brevis CGMCC 1306 (DDBJ/EMBL/GenBank Accession number: GU987102.1, SEQ ID NO: 3, hereinafter referred to as GAD-Wild). Lactobacillus brevis CGMCC 1306 was isolated from milk and has been reported to have high GAD activity (Chinese J Chem Eng, 15, 157-161 (2007)). The present inventors have discovered that two types of modified polypeptides, which are artificially designed GADs and have the amino acid sequences set forth in SEQ ID NOs: 1 and 2, respectively, have higher GAD productivity than the wild-type (GAD-Wild), excellent enzymatic thermostability, an optimum pH suitable for GABA production, and high GABA productivity.

本発明の改変ポリペプチド(ヒスチジンタグ無し)の分子量の理論値は54kDaである。本発明の改変ポリペプチドにヒスチジンタグを付与したものの分子量の理論値は56kDaであり、SDS-PAGEにより測定される分子量が約56kDaである。 The theoretical molecular weight of the modified polypeptide of the present invention (without a histidine tag) is 54 kDa. The theoretical molecular weight of the modified polypeptide of the present invention with a histidine tag is 56 kDa, and the molecular weight measured by SDS-PAGE is approximately 56 kDa.

本発明の改変ポリペプチドは、宿主細胞における向上した発現効率を有することができる。後記する実施例2のとおり、野生型GADと改変GADを同じ種類のベクターに組み込み、各GADの形質転換体での発現効率を比較したところ、野生型に対して、改変ポリペプチドのGAD-NSK01では2倍以上、GAD-NSK02では20倍以上の発現増大が得られた。Fan et al (Ann Microbiol (2012) 62:689‐69)は、Lactobacillus brevis CGMCC 1306のクローニングを記載し、組換え酵素の特性を解析したことを記載する。Fan et alの1L培養当たりの酵素の生産量は13mgであるが、本発明の改変ポリペプチドのGAD-NSK02は253mg/Lであり、19.5倍程度の発現増大が得られた。宿主細胞におけるGAD生産性の向上は、酵素法と発酵法のいずれを用いる場合もGABAの製造効率および純度の向上につながり、相対的に製造したGABAに対する夾雑物が減るため、GABA製造時の精製負荷低減に寄与する。 The modified polypeptides of the present invention can have improved expression efficiency in host cells. As described in Example 2 below, wild-type GAD and modified GAD were inserted into the same type of vector, and the expression efficiency of each GAD in the transformant was compared. Compared to the wild-type, the modified polypeptides GAD-NSK01 and GAD-NSK02 showed a more than 2-fold increase in expression, and more than 20-fold increase in expression, respectively. Fan et al. (Ann Microbiol (2012) 62:689-69) described the cloning of Lactobacillus brevis CGMCC 1306 and the analysis of the properties of the recombinant enzyme. While Fan et al. reported that the enzyme production per 1 L of culture was 13 mg, the modified polypeptide GAD-NSK02 of the present invention produced 253 mg/L, resulting in an approximately 19.5-fold increase in expression. Improving GAD productivity in host cells leads to improved GABA production efficiency and purity, whether using an enzymatic method or a fermentation method, and also reduces the amount of contaminants in the produced GABA, thereby contributing to a reduction in the purification burden during GABA production.

改変ポリペプチドのグルタミン酸デカルボキシラーゼ活性の評価は、グルタミン酸を基質として、改変ポリペプチドを作用させ、得られた反応生成物(GABA)を検出することにより行なわれる。反応生成物は、高速液体クロマトグラフィー(HPLC)を用い、蛍光検出器、RI検出器や荷電化粒子検出器などで検出することができる。検出は、薄層クロマトグラフィー(TLC)および高性能イオン交換クロマトグラフィー/パルスドアンペロメトリ検出法(HPAEC-PAD)を用いて行うこともできる。 The glutamate decarboxylase activity of a modified polypeptide is evaluated by reacting the modified polypeptide with glutamate as a substrate and detecting the resulting reaction product (GABA). The reaction product can be detected using high-performance liquid chromatography (HPLC) with a fluorescence detector, RI detector, or charged aerosol detector. Detection can also be performed using thin-layer chromatography (TLC) and high-performance ion-exchange chromatography with pulsed amperometric detection (HPAEC-PAD).

本発明の改変ポリペプチドはグルタミン酸を基質として温度40℃で測定した場合、pH3.5で最大活性を示し、最大活性に対し80%以上の活性となるpH範囲は3.0~3.5(GAD-NSK01)および3.0~4.0(GAD-NSK02)である。一方、野生型GADはpH4.5で最大活性を示した。
本発明の改変ポリペプチドは、グルタミン酸を基質としてpH3.5で測定した場合、温度70℃で最大活性を示し、最大活性の80%以上の活性となる温度範囲は50℃~70℃(GAD-NSK01)および70℃~80℃(GAD-NSK02)である。また、改変ポリペプチドは、pH7.0、温度30℃~90℃で10分保持する試験において、70℃以下でほぼ100%(GAD-NSK01)または65℃以下で約90%以上(GAD-NSK02)の残存活性を示し安定であった。一方、野生型GADはpH4.5で測定した場合、温度30℃で最大活性を示し、70℃での残存活性は15%以下であった。なお、最大活性を示す温度および温度安定性は、グルタミン酸生成量を、実施例3に示す条件で測定したものである。
When measured at 40°C using glutamic acid as a substrate, the modified polypeptides of the present invention exhibited maximum activity at pH 3.5, and the pH ranges at which they exhibited 80% or more of the maximum activity were 3.0 to 3.5 (GAD-NSK01) and 3.0 to 4.0 (GAD-NSK02).On the other hand, wild-type GAD exhibited maximum activity at pH 4.5.
When measured at pH 3.5 using glutamic acid as a substrate, the modified polypeptides of the present invention exhibit maximum activity at 70°C, with the temperature ranges at which they exhibit 80% or more of the maximum activity being 50°C to 70°C (GAD-NSK01) and 70°C to 80°C (GAD-NSK02). Furthermore, in a test in which the modified polypeptides were maintained at pH 7.0 and temperatures of 30°C to 90°C for 10 minutes, they exhibited a residual activity of nearly 100% at 70°C or below (GAD-NSK01) or approximately 90% or more at 65°C or below (GAD-NSK02), demonstrating stability. On the other hand, when measured at pH 4.5, wild-type GAD exhibited maximum activity at 30°C, with a residual activity of 15% or less at 70°C. The temperature at which maximum activity was exhibited and the temperature stability were determined by measuring the amount of glutamic acid produced under the conditions shown in Example 3.

本発明の改変ポリペプチドは至適pHが酸性領域を有する。これは、GADの基質として使用するグルタミン酸の水溶液は酸性となるため(0.7%の場合、pH2.9~3.9)、培地のpH調整の必要性がなく、好都合である。また、反応pHを低く保つことにより、反応液中での夾雑微生物の増殖を防ぐことができるという利点がある。本発明の改変ポリペプチドは、至適温度70℃を有し、少なくとも65℃以下で安定であり、野生型GADと比較して非常に高い温度域で高い活性を示すものであり、GABAの工業的製造に適した特性を有するといえる。 The modified polypeptide of the present invention has an optimum pH in the acidic range. This is advantageous because the aqueous solution of glutamic acid used as a substrate for GAD is acidic (pH 2.9-3.9 at 0.7%), eliminating the need for pH adjustment of the culture medium. Maintaining a low reaction pH also has the advantage of preventing the growth of contaminating microorganisms in the reaction solution. The modified polypeptide of the present invention has an optimum temperature of 70°C, is stable at least below 65°C, and exhibits high activity at a much higher temperature range than wild-type GAD, making it suitable for the industrial production of GABA.

一実施態様では、本発明の改変ポリペプチドは、配列番号1または2に記載のアミノ酸配列と少なくとも60%、少なくとも65%、少なくとも70%、少なくとも75%、少なくとも80%、少なくとも81%、少なくとも82%、少なくとも83%、少なくとも84%、少なくとも85%、少なくとも86%、少なくとも87%、少なくとも88%、または少なくとも89%、少なくとも90%、少なくとも91%、少なくとも92%、少なくとも93%、少なくとも94%、少なくとも95%、少なくとも96%、少なくとも97%、少なくとも98%、または少なくとも99%のアミノ酸配列同一性を有するアミノ酸配列を含み、且つグルタミン酸デカルボキシラーゼ活性を有する、ポリペプチドであってもよい。 In one embodiment, the modified polypeptide of the present invention may be a polypeptide comprising an amino acid sequence having at least 60%, at least 65%, at least 70%, at least 75%, at least 80%, at least 81%, at least 82%, at least 83%, at least 84%, at least 85%, at least 86%, at least 87%, at least 88%, or at least 89%, at least 90%, at least 91%, at least 92%, at least 93%, at least 94%, at least 95%, at least 96%, at least 97%, at least 98%, or at least 99% amino acid sequence identity to the amino acid sequence set forth in SEQ ID NO: 1 or 2, and having glutamic acid decarboxylase activity.

参照ポリペプチド配列に関する「パーセント(%)アミノ酸配列同一性」は、配列を整 列させ、最大のパーセント配列同一性を得るために必要ならばギャップを導入した後、いかなる保存的置換も配列同一性の一部と考えないとした場合の、参照ポリペプチドのアミノ酸 残基と同一である候補配列中のアミノ酸残基のパーセントとして定義される。パーセントアミノ酸配列同一性を決定する目的のためのアラインメントは、当業者の技量の範囲にある種々の方法、例えばBLAST、BLAST-2、ALIGN、又はMegalign(DNASTAR)ソフトウェアのような公に入手可能なコンピュータソフトウェアを使用して達成可能である。当業者であれば、比較される配列の完全長に対して最大のアライ ンメントを達成するために必要な任意のアルゴリズムを含む、配列を整列させるための適切なパラメータを決定することができる。 "Percent (%) amino acid sequence identity" with respect to a reference polypeptide sequence is defined as the percentage of amino acid residues in a candidate sequence that are identical with those in the reference polypeptide after aligning the sequences and introducing gaps, if necessary, to achieve the maximum percent sequence identity, and not considering any conservative substitutions as part of the sequence identity. Alignment for purposes of determining percent amino acid sequence identity can be accomplished by a variety of methods within the skill of one in the art, for example, using publicly available computer software such as BLAST, BLAST-2, ALIGN, or Megalign (DNASTAR) software. Those skilled in the art can determine appropriate parameters for aligning sequences, including any algorithms needed to achieve maximal alignment over the full length of the sequences being compared.

さらには、本発明の改変ポリペプチドは、配列番号1または2に記載のアミノ酸配列において、1もしくは数個のアミノ酸が置換、挿入、欠失および/または付加されたアミノ酸配列からなるタンパク質からなり、且つグルタミン酸デカルボキシラーゼ活性を有するポリペプチドであってもよい。本明細書で言う「1もしくは数個のアミノ酸が置換、挿入、欠失および/または付加されたアミノ酸配列」における「1もしく数個」の範囲は特には限定されないが、例えば、1から20個、好ましくは1から10個、より好ましくは1から7個、さらに好ましくは1から5個、特に好ましくは1から3個程度を意味する。
本発明の改変ポリペプチドの製造方法については、後述の<改変ポリペプチドの製造>を参照されたい。
Furthermore, the modified polypeptide of the present invention may be a polypeptide having glutamic acid decarboxylase activity, and consisting of a protein consisting of an amino acid sequence in which one or several amino acids have been substituted, inserted, deleted, and/or added in the amino acid sequence set forth in SEQ ID NO: 1 or 2. As used herein, the range of "one or several" in the "amino acid sequence in which one or several amino acids have been substituted, inserted, deleted, and/or added" is not particularly limited, but means, for example, about 1 to 20, preferably 1 to 10, more preferably 1 to 7, even more preferably 1 to 5, and particularly preferably 1 to 3.
For the method for producing the modified polypeptide of the present invention, see <Production of Modified Polypeptides> below.

(酵素剤)
本発明は、配列番号1または2に記載のアミノ酸配列と少なくとも85%同一であるアミノ酸配列を含み且つグルタミン酸デカルボキシラーゼ活性を有するポリペプチドを含むγ-アミノ酪酸(GABA)製造用酵素剤に関する。本発明のGABA製造用酵素剤は、配列番号1または2に記載のアミノ酸配列を含むかまたはそれからなるポリペプチドを含むものであってもよい。本発明の酵素剤は、グルタミン酸またはグルタミン酸塩を基質としてGABAを製造するために使用することができる。本発明の酵素剤は、単離・精製された上記改変ポリペプチドであってもよい。さらに、本発明の酵素剤は、単離・精製された上記改変ポリペプチドを有効成分として含む酵素組成物であってもよく、酵素組成物は上記改変ポリペプチドに加えて、グルタミン酸デカルボキシラーゼ反応を阻害しないものであれば、さらなる成分を含むことができる。これらは、例えば、緩衝液、安定化剤、賦形剤など、通常の酵素組成物に用いる成分であってもよい。このようなさらなる成分は、先行技術より公知であり、また当業者によく知られている。また、本発明の酵素剤は、その形状も特に制限は無く、固体(たとえば、粉末状)や液体であり得る。本発明の酵素剤は、例えば、固体や液体のものを、例えば食品素材に添加することにより使用することができる。
(enzyme preparation)
The present invention relates to an enzyme preparation for producing γ-aminobutyric acid (GABA), which comprises a polypeptide having glutamic acid decarboxylase activity and an amino acid sequence at least 85% identical to the amino acid sequence set forth in SEQ ID NO: 1 or 2. The enzyme preparation for producing GABA of the present invention may comprise a polypeptide comprising or consisting of the amino acid sequence set forth in SEQ ID NO: 1 or 2. The enzyme preparation of the present invention can be used to produce GABA using glutamic acid or glutamate as a substrate. The enzyme preparation of the present invention may be an isolated and purified modified polypeptide. Furthermore, the enzyme preparation of the present invention may be an enzyme composition containing the isolated and purified modified polypeptide as an active ingredient. The enzyme composition may contain additional components in addition to the modified polypeptide, as long as they do not inhibit the glutamic acid decarboxylase reaction. These may be components commonly used in enzyme compositions, such as buffers, stabilizers, and excipients. Such additional components are known in the prior art and are well known to those skilled in the art. The enzyme preparation of the present invention may also be in any form, including solid (e.g., powder) or liquid. The enzyme preparation of the present invention can be used, for example, by adding the solid or liquid form to food materials.

本発明の酵素剤は、例えば、配列番号1または2に記載のアミノ酸配列と少なくとも85%同一であるアミノ酸配列を含み且つグルタミン酸デカルボキシラーゼ活性を有するポリペプチドが固定化担体に固定された酵素剤として提供することができる。固定化された酵素剤とすることで、例えば、高基質濃度および高温において、反応生成物の製造を行うことができ、また、バイオリアクター方式による反応生成物の製造を行うこともできる。 The enzyme preparation of the present invention can be provided, for example, as an enzyme preparation in which a polypeptide having glutamic acid decarboxylase activity and containing an amino acid sequence at least 85% identical to the amino acid sequence set forth in SEQ ID NO: 1 or 2 is immobilized on an immobilization carrier. By using an immobilized enzyme preparation, for example, it is possible to produce a reaction product at a high substrate concentration and at a high temperature, and it is also possible to produce a reaction product using a bioreactor system.

上記固定化担体は、特に制限されず、例えば、グルタミン酸デカルボキシラーゼ活性を有するポリペプチドが吸着または架橋結合され、本発明の改変ポリペプチドの活性が保持されるものであれば使用できる。上記固定化担体は、例えば、陰イオン交換担体、陽イオン交換担体、疎水性担体等があげられる。上記固定化担体の具体例は、例えば、イオン交換ゲルである。上記イオン交換ゲルは、例えば、ダイヤイオン(登録商標)SK1B、ダイヤイオン(登録商標)PK212、ダイヤイオン(登録商標)HPA25、ダイヤイオン(登録商標)UBK550、UBK555等のダイヤイオン(登録商標)シリーズ(三菱ケミカル社製);セパビーズ(登録商標)SP-207、セパビーズ(登録商標)SP-850等のセパビーズ(登録商標)シリーズ(三菱ケミカル社製);デュオライトA568、デュオライトPWA7、デュオライトXAD761等のデュオライトシリーズ(住化ケムテックス社製)等があげられる。上記固定化担体の形状は、特に制限されず、例えば、膜、ビーズ、プレート等があげられる。上記改変ポリペプチドの上記固定化担体への固定方法は、特に制限されず、例えば、緩衝液等の溶媒に本発明の改変ポリペプチドと上記固定化担体とを添加し、この混合液を振とうすることで行うことができる。 The immobilization carrier is not particularly limited, and any carrier can be used as long as it can adsorb or crosslink a polypeptide having glutamic acid decarboxylase activity and retain the activity of the modified polypeptide of the present invention. Examples of the immobilization carrier include anion exchange carriers, cation exchange carriers, and hydrophobic carriers. Specific examples of the immobilization carrier include ion exchange gels. Examples of the ion exchange gel include the Diaion (registered trademark) series (manufactured by Mitsubishi Chemical Corporation), such as Diaion (registered trademark) SK1B, Diaion (registered trademark) PK212, Diaion (registered trademark) HPA25, Diaion (registered trademark) UBK550, and UBK555; the Sepabeads (registered trademark) series (manufactured by Mitsubishi Chemical Corporation), such as Sepabeads (registered trademark) SP-207 and Sepabeads (registered trademark) SP-850; and the Duolite (manufactured by Sumika Chemtex Co., Ltd.), such as Duolite A568, Duolite PWA7, and Duolite XAD761. The shape of the immobilization carrier is not particularly limited and may be, for example, a membrane, beads, or plate. The method for immobilizing the modified polypeptide to the immobilization carrier is not particularly limited and can be carried out, for example, by adding the modified polypeptide of the present invention and the immobilization carrier to a solvent such as a buffer solution and shaking the mixture.

(GABA製造方法)
本発明は、上記GABA製造用酵素剤を用いることを含む、GABA製造方法に関する。本発明のGABA製造方法の基質は、グルタミン酸および/またはグルタミン酸塩であり、特に遊離のグルタミン酸またはグルタミン酸塩であり、グルタミン酸塩の例としては、グルタミン酸ナトリウム、グルタミン酸カリウム、グルタミン酸カルシウム、グルタミン酸マグネシウム等が挙げられる。すなわち、本発明は、グルタミン酸および/またはグルタミン酸塩に、本発明のGABA製造用酵素剤を作用させて、GABAを得る工程を含む、GABA製造方法を提供する。
(GABA manufacturing method)
The present invention relates to a method for producing GABA, which comprises using the above-mentioned enzymatic preparation for producing GABA. The substrate for the method for producing GABA of the present invention is glutamic acid and/or glutamate, particularly free glutamic acid or glutamate, and examples of glutamate include sodium glutamate, potassium glutamate, calcium glutamate, magnesium glutamate, etc. That is, the present invention provides a method for producing GABA, which comprises the step of allowing the enzymatic preparation for producing GABA of the present invention to act on glutamic acid and/or glutamate to obtain GABA.

グルタミン酸および/またはグルタミン酸塩に、本発明の酵素剤を作用させることは、例えば、グルタミン酸および/またはグルタミン酸塩の水溶液を調製し、必要に応じてpHを調整した後、当該水溶液に本発明の酵素剤を添加することにより実施することができる。さらには、本発明の配列番号1または2に記載のアミノ酸配列と少なくとも85%同一であるアミノ酸配列を含み且つグルタミン酸デカルボキシラーゼ活性を有するポリペプチドを担体に固定して酵素剤とし、当該酵素剤にグルタミン酸および/またはグルタミン酸塩の水溶液を接触させることにより実施することができる。本発明の酵素剤を用いたグルタミン酸デカルボキシラーゼ反応は、反応液中で実施することができるためである。 The enzymatic preparation of the present invention can be allowed to act on glutamic acid and/or glutamate by, for example, preparing an aqueous solution of glutamic acid and/or glutamate, adjusting the pH as necessary, and then adding the enzymatic preparation of the present invention to the aqueous solution. Furthermore, the enzymatic preparation can be prepared by immobilizing a polypeptide containing an amino acid sequence at least 85% identical to the amino acid sequence set forth in SEQ ID NO: 1 or 2 of the present invention and having glutamic acid decarboxylase activity on a support, and then contacting the enzymatic preparation with an aqueous solution of glutamic acid and/or glutamate. This is because the glutamic acid decarboxylase reaction using the enzymatic preparation of the present invention can be carried out in a reaction solution.

グルタミン酸および/またはグルタミン酸塩は、純品を用いても良いし、あるいは他のグルタミン酸および/またはグルタミン酸塩を含む材料や素材(食品素材など)を用いてもよい。具体的には、遊離のグルタミン酸またはグルタミン酸塩を含有する調味料、蛋白素材等の食品素材、加工品や食品残さがあげられ、例えば、天然原料から抽出した昆布エキスやチキンエキスなどの天然調味料、茶殻、脱脂大豆、オカラなどの食品残さ(食品加工残さ、調理残さ)、また、大豆・小麦等の植物性タンパク質や豚・鶏等の動物タンパク質を酸加水分解または酵素分解して得られるアミノ酸やペプチド混合物、大豆・黒豆・小豆・枝豆・いんげん・えんどう等の豆類、大麦・小麦・えん麦・はと麦等の麦類、胡麻・ピーナッツ・アーモンド・くるみ等の種実類、米・とうもろこし・蕎麦・あわ・きび・ひえ・アマランサス等の雑穀類等のグルタミン酸を含有する原料あるいはその抽出物を微生物発酵により遊離のグルタミン酸を産生させた穀物等の発酵物を使用できる。さらにグルタミン酸を産生させる微生物(カビ・乳酸菌・ビフィズス菌・納豆菌・酢酸菌・酵母・放線菌など)を利用することができる。本発明には、上記改変ポリペプチド、上記酵素剤、または上記宿主細胞をグルタミン酸および/またはグルタミン酸塩を含む食品素材に接触させることを含む、GABA含有食品の製造方法が含まれる。例えば、上記改変ポリペプチドを含むドレッシングをトマトサラダにかけて食することで、日々の食事で手軽にGABAを摂取することができる。 Glutamic acid and/or glutamate may be used in pure form, or other materials or ingredients (such as food ingredients) containing glutamic acid and/or glutamate may be used. Specific examples of the glutamic acid or glutamate-containing food materials include seasonings, proteinaceous materials, and other food ingredients, processed foods, and food residues. Examples of such glutamic acid or glutamate-containing food materials include natural seasonings extracted from natural ingredients, such as kelp extract and chicken extract; food residues (food processing residues and cooking residues) such as used tea leaves, defatted soybeans, and okara; amino acid and peptide mixtures obtained by acid hydrolysis or enzymatic degradation of vegetable proteins such as soybeans and wheat, or animal proteins such as pork and chicken; beans such as soybeans, black beans, adzuki beans, edamame, kidney beans, and peas; wheat and grains such as barley, wheat, oats, and job's barley; nuts and seeds such as sesame, peanuts, almonds, and walnuts; and cereals such as rice, corn, buckwheat, foxtail millet, millet, barnyard millet, and amaranth; and fermented grains and other cereals in which free glutamic acid is produced by microbial fermentation of glutamic acid-containing raw materials or extracts thereof. Furthermore, microorganisms that produce glutamic acid (such as mold, lactic acid bacteria, bifidobacteria, natto bacteria, acetic acid bacteria, yeast, and actinomycetes) can also be used. The present invention includes a method for producing a GABA-containing food product, which comprises contacting the modified polypeptide, the enzyme preparation, or the host cell with a food material containing glutamic acid and/or glutamate. For example, GABA can be easily ingested in daily meals by adding a dressing containing the modified polypeptide to a tomato salad.

グルタミン酸および/またはグルタミン酸塩に、本発明の酵素剤に含まれるポリペプチドを作用させる際の反応温度は、酵素活性が発現する温度域であれば、特に制限はない。本発明の酵素剤に含まれるポリペプチドは、実施例に記載の通り、pH7.0で反応した場合、少なくとも65℃まで熱安定性を示し、pH3.5で反応した場合、至適温度は70℃である。従来のグルタミン酸デカルボキシラーゼの中には、熱安定性の点から工業規模での使用について制限があるものがあった。例えば、Lactobacillus brevis CGMCC 1306由来の野生型GADの至適温度は30℃であり、70℃10分の処理で残存する活性は15%以下であった。しかし、本発明の酵素剤に含まれるポリペプチドは、高い耐熱性を示し、工業規模での使用に適した熱安定性を有している。よって、本発明の酵素剤を作用させる際の反応温度(反応液の液温)を、35~65℃といった幅広い温度域に設定することができる。工業規模の反応系では正確な温度管理が難しい場合があるが、本発明の改変ポリペプチドは、幅広い温度域で安定的に使用できる点で有利である。 The reaction temperature when the polypeptide contained in the enzyme preparation of the present invention is reacted with glutamic acid and/or glutamate is not particularly limited, as long as it is within the temperature range in which enzymatic activity is expressed. As described in the Examples, the polypeptide contained in the enzyme preparation of the present invention exhibits thermostability up to at least 65°C when reacted at pH 7.0, and has an optimum temperature of 70°C when reacted at pH 3.5. Some conventional glutamic acid decarboxylases have limitations on their use on an industrial scale due to their thermostability. For example, the optimum temperature of wild-type GAD derived from Lactobacillus brevis CGMCC 1306 is 30°C, and after 10 minutes of treatment at 70°C, the remaining activity is 15% or less. However, the polypeptide contained in the enzyme preparation of the present invention exhibits high thermostability and has thermostability suitable for use on an industrial scale. Therefore, the reaction temperature (liquid temperature of the reaction solution) when the enzyme preparation of the present invention is reacted can be set over a wide temperature range, such as 35-65°C. Accurate temperature control can be difficult in industrial-scale reaction systems, but the modified polypeptides of the present invention have the advantage of being stable over a wide temperature range.

上記反応温度は、35~65℃の範囲に設定することができるが、pH3.5の場合、50~65℃の範囲に設定することが好ましい。反応温度が50℃以上であれば、混入菌が繁殖しにくく、65℃以下で、本発明のポリペプチドは安定するためである。 The reaction temperature can be set in the range of 35 to 65°C, but in the case of pH 3.5, it is preferably set in the range of 50 to 65°C. A reaction temperature of 50°C or higher makes it difficult for contaminating bacteria to grow, while a temperature of 65°C or lower stabilizes the polypeptide of the present invention.

GABA製造方法においては、後述の通り、本発明の酵素剤と、その他の酵素を併用することができる。その他の酵素を併用する場合には、上記反応温度は、本発明の酵素剤に含まれるタンパク質が安定に作用する温度域であればよい。上記の通り、本発明の酵素剤に含まれるタンパク質は幅広い温度域で安定性を有するため、併用するその他の酵素が安定に活性化する温度を勘案して、反応系で使用するすべての酵素の活性が十分に利用できる範囲に、温度設定ができる場合が多い。 In the GABA production method, as described below, the enzyme preparation of the present invention can be used in combination with other enzymes. When other enzymes are used in combination, the reaction temperature need only be within a temperature range in which the protein contained in the enzyme preparation of the present invention can act stably. As described above, the protein contained in the enzyme preparation of the present invention is stable over a wide temperature range, so it is often possible to set the temperature within a range in which the activity of all enzymes used in the reaction system can be fully utilized, taking into account the temperature at which the other enzymes used in combination are stably active.

反応温度は、反応時間の全体を通して一定である必要はなく、反応時間の初期に併用するその他の酵素の活性を高めることが望ましい場合には、その酵素の活性が高くなる温度域に、反応初期の温度を設定し、反応時間の中期や後期には、本発明の酵素剤に含まれるタンパク質の活性が高くなる温度域に温度を設定するなど、適宜調整することができる。 The reaction temperature does not need to be constant throughout the entire reaction time. If it is desired to increase the activity of another enzyme used in combination in the early stages of the reaction time, the temperature at the beginning of the reaction can be set to a temperature range where the activity of that enzyme is high, and the temperature at the middle and late stages of the reaction can be set to a temperature range where the activity of the protein contained in the enzyme preparation of the present invention is high.

グルタミン酸および/またはグルタミン酸塩に、本発明の酵素剤に含まれるポリペプチドを作用させる際の反応液のpHは、酵素活性が発現するpH域であれば、特に制限はないが、pH2.5~5.0の範囲に設定することができる。本発明の酵素剤に含まれるポリペプチドは、実施例に記載の通り、少なくともpH2.5~5.0の範囲で反応が可能であるためである。効率よくGABAを得るには、本発明の酵素剤に含まれるポリペプチドを作用させる際の反応液のpHを、pH3.0~4.0の範囲に設定することが好ましい。とくにGAD-NSK02は、GAD生産性だけでなく、比活性が野生型と比較して高いため、幅広いpH条件で使用可能である。なお、比活性とは、酵素試料タンパク質1mgあたりに含まれる酵素量(unit/mg)である。反応液のpHの調整は、必要に応じ、酸またはアルカリの添加により行うことができる。 The pH of the reaction solution when the polypeptide contained in the enzyme preparation of the present invention is reacted with glutamic acid and/or glutamate is not particularly limited as long as it is within the pH range in which the enzyme activity is expressed, but can be set in the range of pH 2.5 to 5.0. This is because, as described in the Examples, the polypeptide contained in the enzyme preparation of the present invention can react at least in the pH range of 2.5 to 5.0. To efficiently obtain GABA, it is preferable to set the pH of the reaction solution when the polypeptide contained in the enzyme preparation of the present invention is reacted in the range of pH 3.0 to 4.0. In particular, GAD-NSK02 has not only higher GAD productivity but also higher specific activity than the wild-type, making it usable over a wide range of pH conditions. Specific activity refers to the amount of enzyme (units/mg) contained per mg of enzyme sample protein. The pH of the reaction solution can be adjusted by adding acid or alkali as needed.

GABA製造方法における基質と本発明の酵素剤に含まれるポリペプチドの反応時間は、反応温度や基質の濃度、その他の酵素を併用する場合には使用する酵素の特性等を考慮して適宜決定できる。また、本分野の従来技術に基づいて、効率よくGABAを製造するための、好適な反応時間を適宜決定することができる。具体的な反応時間の例としては、5分から72時間を挙げることができるが、これに限定する意図はない。反応中、本発明の酵素剤を、適宜添加することができる。 The reaction time between the substrate and the polypeptide contained in the enzyme preparation of the present invention in the GABA production method can be determined appropriately taking into consideration the reaction temperature, substrate concentration, and, if other enzymes are used in combination, the characteristics of the enzymes used. Furthermore, an appropriate reaction time for efficient GABA production can be determined appropriately based on conventional technology in this field. Specific examples of reaction times include, but are not limited to, 5 minutes to 72 hours. The enzyme preparation of the present invention can be added appropriately during the reaction.

反応液中のグルタミン酸および/またはグルタミン酸塩濃度は、特に制限されず、例えば、上記酵素反応が進行可能な範囲において、グルタミン酸および/またはグルタミン酸塩の濃度が高いほど経済的に有利である。基質としてグルタミン酸を使用する場合、グルタミン酸濃度は、溶媒100gあたり0.1g~100gの範囲である。上記反応液の溶媒は、特に制限されず、例えば、水、緩衝液等があげられる。なお、選択した基質の溶媒への溶解度が低い場合、例えば、所望の濃度で完全に溶解されない場合がある。バッチ式で酵素反応を行う場合、例えば、反応初期において基質が完全に溶解された状態である必要はなく、酵素反応の終了時に溶解される基質濃度を選択すればよい。一方、固定化された酵素剤を充填したカラムを酵素反応に使用する場合、例えば、カラムの目詰まりによる圧力損失を避けるために、基質が完全に溶解された状態であることが好ましい。また、固定化された酵素剤を充填したカラムを酵素反応に使用する場合、例えば、基質溶液を、上記カラムに還流させて、連続的に通液するのが好ましい。 The concentration of glutamic acid and/or glutamate in the reaction solution is not particularly limited. For example, within the range in which the enzymatic reaction can proceed, a higher concentration of glutamic acid and/or glutamate is more economically advantageous. When glutamic acid is used as a substrate, the glutamic acid concentration is in the range of 0.1 g to 100 g per 100 g of solvent. The solvent for the reaction solution is not particularly limited, and examples include water, buffer solutions, etc. Note that if the selected substrate has low solubility in the solvent, it may not be completely dissolved at the desired concentration. When performing an enzymatic reaction in a batch system, for example, the substrate does not need to be completely dissolved at the beginning of the reaction; a substrate concentration that is dissolved at the end of the enzymatic reaction may be selected. On the other hand, when using a column packed with an immobilized enzyme agent for the enzymatic reaction, it is preferable that the substrate be completely dissolved to avoid pressure loss due to column clogging. When using a column packed with an immobilized enzyme agent for the enzymatic reaction, it is preferable, for example, to reflux the substrate solution through the column and continuously pass it through.

本発明の酵素剤を用いることを含むGABAの製造は、具体的な例として、基質としてグルタミン酸を用いる場合、水100gあたり0.1g~100g程度のグルタミン酸水溶液を調製し、必要に応じて酸またはアルカリを用いて当該水溶液のpHを2.5~4.5程度、好ましくは3.0~4.0程度に調整し、当該水溶液に本発明の酵素剤を添加し、温度35~65℃の範囲で、約5分~72時間保持することでGABAを製造することができる。 As a specific example of GABA production using the enzyme preparation of the present invention, when glutamic acid is used as a substrate, an aqueous solution of glutamic acid at approximately 0.1 g to 100 g per 100 g of water is prepared, and the pH of the aqueous solution is adjusted to approximately 2.5 to 4.5, preferably approximately 3.0 to 4.0, using an acid or alkali as needed. The enzyme preparation of the present invention is added to the aqueous solution, and the solution is then maintained at a temperature in the range of 35 to 65°C for approximately 5 minutes to 72 hours, thereby producing GABA.

また、GABA製造方法において、本発明の酵素剤と、その他の酵素を併用することができる。その他の酵素は、これに制限されないが、本発明のグルタミン酸デカルボキシラーゼ反応を触媒する活性を有する酵素の基質となりうるグルタミン酸および/またはグルタミン酸塩を生成するものであってもよい。その他の酵素として、限定されないが、グルタミン酸の合成に関わる酵素(例えば、グルタミン酸合成酵素、グルタミン酸デヒドロゲナーゼ、アミノトランスフェラーゼ)、プロテアーゼ、ペプチダーゼ等を用いることができる。本発明の酵素剤(すなわち、グルタミン酸デカルボキシラーゼ反応触媒用酵素剤)と、グルタミン酸の合成に関わる酵素をその他の酵素として併用することにより、グルタミン酸を生成しつつ、グルタミン酸デカルボキシラーゼ反応によりグルタミン酸からGABAを生成することができる。本発明の酵素剤(すなわち、グルタミン酸デカルボキシラーゼ反応触媒用酵素剤)と、プロテアーゼ、ペプチダーゼ等をその他の酵素として併用することにより、食品、食品素材、食品廃棄物および食品残さ(例えば、茶殻、脱脂大豆、オカラ)に含まれるタンパク質を加水分解してグルタミン酸を得ながら、グルタミン酸デカルボキシラーゼ反応によりグルタミン酸からGABAを生成することができる。 Furthermore, in the GABA production method, the enzyme preparation of the present invention can be used in combination with other enzymes. The other enzymes may be, but are not limited to, those that produce glutamic acid and/or glutamate, which can serve as substrates for the enzymes of the present invention that have the activity of catalyzing the glutamic acid decarboxylase reaction. Examples of other enzymes that can be used include, but are not limited to, enzymes involved in glutamic acid synthesis (e.g., glutamate synthase, glutamate dehydrogenase, aminotransferase), proteases, peptidases, etc. By using the enzyme preparation of the present invention (i.e., an enzyme preparation for catalyzing the glutamic acid decarboxylase reaction) in combination with an enzyme involved in glutamic acid synthesis as the other enzyme, it is possible to produce glutamic acid while simultaneously producing GABA from glutamic acid via the glutamic acid decarboxylase reaction. By using the enzyme preparation of the present invention (i.e., an enzyme preparation for catalyzing the glutamic acid decarboxylase reaction) in combination with other enzymes such as protease or peptidase, proteins contained in food, food ingredients, food waste, and food residues (e.g., used tea leaves, defatted soybeans, and okara) can be hydrolyzed to obtain glutamic acid, while GABA can be produced from glutamic acid through the glutamic acid decarboxylase reaction.

上記製造方法により、GABAを含む水溶液が得られる。このGABAを含む水溶液に対し、必要に応じて常法を用いて脱色、脱塩、精製処理などを施すことができる。また、樹脂分画処理、エタノール等を用いた有機溶媒による沈殿法、クロマト分画法や限外濾過膜による処理等を施すことにより、未反応の基質等を除去し、GABAの純度を高めることができる。精製処理は、単独の操作によって、またはいくつかの操作を組み合わせることにより、より効率的にGABAを精製することができる。 The above manufacturing method produces an aqueous solution containing GABA. This GABA-containing aqueous solution can be subjected to standard processes such as decolorization, desalination, and purification, as needed. Furthermore, unreacted substrates can be removed and the purity of GABA increased by using resin fractionation, precipitation with organic solvents such as ethanol, chromatographic fractionation, or ultrafiltration membrane treatment. GABA can be purified more efficiently by using a single purification process or a combination of several processes.

本発明は、上記GABA製造方法を実施して得られたGABAを用いて食品、飼料、餌料、化粧料、または医薬品を得る工程を含む、食品、飼料、餌料、化粧料、または医薬品の製造方法を提供する。GABAの製造方法を実施して得られたGABAを用いて食品、飼料、餌料、化粧料、または医薬品を得る工程では、GABAを原料の一つとして、食品、飼料、餌料、化粧料、または医薬品を製造すること、またはGABAそのものを適当な形態(粉末、液体など)に調製し、食品、飼料、餌料、化粧料、または医薬品として提供することができる。 The present invention provides a method for producing food, feed, cosmetic, or pharmaceutical, which includes a step of obtaining food, feed, cosmetic, or pharmaceutical using GABA obtained by carrying out the above-mentioned GABA production method. In the step of obtaining food, feed, cosmetic, or pharmaceutical using GABA obtained by carrying out the GABA production method, GABA can be used as one of the raw materials to produce food, feed, cosmetic, or pharmaceutical, or GABA itself can be prepared in an appropriate form (powder, liquid, etc.) and provided as food, feed, cosmetic, or pharmaceutical.

本発明の方法で製造される食品の例には、限定されるものではないが、各種炭水化物類(パン、麺、米飯、もち)、各種和菓子類(せんべい、あられ、おこし、求肥、もち類、まんじゅう、どら焼き、ういろう、餡類、羊羹、水羊羹、錦玉、カステラ、飴玉)、各種洋菓子類(パン、ビスケット、クラッカー、クッキー、パイ、ドーナツ、蒸しケーキ、プリン、ゼリー、ムース、ババロア、カスタードクリーム、シュークリーム、ワッフル、スポンジケーキ、チョコレート、チューインガム、キャラメル、ヌガー、キャンディー、シロップ類)、各種氷菓(アイスクリーム、シャーベット、ジェラート、かき氷)、各種ペースト状食品(フラワーペースト、ピーナッツペースト、マーガリン、フルーツペースト)、各種飲料(果汁含有飲料、果汁ジュース、野菜ジュース、サイダー、ジンジャーエール、アイソトニック飲料、アミノ酸飲料、ゼリー飲料、コーヒー飲料、緑茶、紅茶、ウーロン茶、麦茶、乳飲料、乳酸菌飲料、ココア、ビール、発泡酒、第三のビール、ノンアルコール飲料、ビール風味飲料、リキュール、チューハイ、清酒、果実酒、蒸留酒、栄養ドリンク、健康飲料、粉末飲料)、果物・野菜加工品(ジャム、マーマレード、シロップ漬、糖果、漬物)、各種乳製品(チーズ、ヨーグルト、バター、練乳、粉乳)、粉末食品(粉末スープ、粉末ムース、粉末ゼリー、粉末甘味料)、栄養食、ダイエット食、スポーツ用栄養食、流動食、半固形流動食、介護食、嚥下食等が挙げられる。 Examples of foods that can be produced using the method of the present invention include, but are not limited to, various carbohydrates (bread, noodles, cooked rice, mochi), various Japanese sweets (rice crackers, arare, okoshi, gyuhi, mochi, manju, dorayaki, uriwara, bean paste, yokan, mizu yokan, kingyoku, castella, candy), various Western sweets (bread, biscuits, crackers, cookies, pies, donuts, steamed cakes, puddings, jellies, mousses, bavarois, custard cream, cream puffs, waffles, sponge cakes, chocolates, chewing gum, caramel, nougat, candies, syrups), various frozen desserts (ice cream, sorbet, gelato, shaved ice), various paste-like foods (flour paste, peanut paste, margarine, fruit paste), various beverages (fruit juice-containing beverages, fruit juice, vegetable juice, cider, ginger ale, isotonic drinks, amino acid drinks, jelly drinks, coffee drinks, green tea, black tea, oolong tea, barley tea, milk drinks, lactic acid bacteria drinks, cocoa, beer, happoshu, third beer, non-alcoholic drinks, beer-flavored drinks, liqueurs, chuhai, sake, fruit wine, distilled alcohol, energy drinks, health drinks, powdered drinks), processed fruit and vegetable products (jam, marmalade, preserved fruit in syrup, candied fruit, pickles), various dairy products (cheese, yogurt, butter, condensed milk, powdered milk), powdered foods (powdered soup, powdered mousse, powdered jelly, powdered sweeteners), nutritional foods, diet foods, nutritional foods for sports, liquid foods, semi-solid liquid foods, nursing care foods, foods for dysphagia, etc.

本発明の方法で製造される飼料および餌料の例には、限定されるものではないが、家畜、家禽、魚介類、昆虫(ミツバチ、蚕など)用飼料および餌料を挙げることができる。その形態としては、粉体、ペレット、錠剤、練り餌、カプセルなどである。 Examples of feeds and baits produced using the method of the present invention include, but are not limited to, feeds and baits for livestock, poultry, seafood, and insects (honeybees, silkworms, etc.). These feeds and baits may be in the form of powder, pellets, tablets, paste, capsules, etc.

本発明の方法で製造される化粧料の例には、限定されるものではないが、保湿剤および美容剤などを挙げることができる。それらの形態としては、乳液、クリームおよびエマルジョンなどである。 Examples of cosmetics produced using the method of the present invention include, but are not limited to, moisturizers and beauty products. These may be in the form of lotions, creams, emulsions, etc.

本発明の方法で製造される医薬品の例には、限定されるものではないが、例えば脳機能改善剤、血圧上昇抑制剤、睡眠改善剤、疲労感軽減剤、ストレス緩和剤などを挙げることができ、それらの形態としては、錠剤、粉剤、液剤、カプセル剤などである。 Examples of pharmaceuticals produced by the method of the present invention include, but are not limited to, brain function improvers, blood pressure inhibitors, sleep improvers, fatigue reducers, and stress relievers, and may be in the form of tablets, powders, liquids, capsules, etc.

<改変ポリペプチドの製造>
本発明の酵素剤に含まれる改変ポリペプチドの取得方法は、特に制限されず、化学合成により合成したタンパク質であってもよいし、遺伝子組換え技術により作製した組換え改変ポリペプチドであってもよい。以下に、遺伝子組換えポリペプチドを作製する場合について説明する。
<Production of modified polypeptide>
The method for obtaining the modified polypeptide contained in the enzyme preparation of the present invention is not particularly limited, and the modified polypeptide may be a protein synthesized by chemical synthesis or a recombinant modified polypeptide produced by genetic recombination technology. The production of a recombinant polypeptide will be described below.

配列番号1または2に示されるアミノ酸配列、または配列番号1または2に示されるアミノ酸配列に対して85%以上のアミノ酸配列同一性を有するアミノ酸配列を有するポリペプチドは、遺伝子工学的手法によって調製することができる。例えば、配列番号1または2のアミノ酸配列をコードする遺伝子は、宿主細胞内で複製可能であるか、あるいは染色体に組み込まれかつ同遺伝子を発現可能な状態で含むDNA分子として、特に発現ベクターに挿入された形態で宿主細胞の形質転換を行い、宿主細胞を培養することでタンパク質を産生させることができる。このDNA分子は、配列番号1または2に示されるアミノ酸配列、または配列番号1または2に示されるアミノ酸配列に対して85%以上のアミノ酸配列同一性を有するアミノ酸配列をコードするDNA断片をベクター分子に組み込むことによって得ることができる。本発明の好ましい態様によれば、このベクターはプラスミドである。本発明におけるDNA分子の作製は、Molecular Cloning:A Laboratory Manualに記載の方法に準じて行なうことができる。 A polypeptide having the amino acid sequence set forth in SEQ ID NO: 1 or 2, or an amino acid sequence having 85% or more amino acid sequence identity to the amino acid sequence set forth in SEQ ID NO: 1 or 2, can be prepared by genetic engineering techniques. For example, a gene encoding the amino acid sequence set forth in SEQ ID NO: 1 or 2 can be replicated within a host cell, or incorporated into a chromosome and contained in an expressible DNA molecule, particularly inserted into an expression vector, by transforming the host cell and culturing the host cell to produce the protein. This DNA molecule can be obtained by incorporating a DNA fragment encoding the amino acid sequence set forth in SEQ ID NO: 1 or 2, or an amino acid sequence having 85% or more amino acid sequence identity to the amino acid sequence set forth in SEQ ID NO: 1 or 2, into a vector molecule. In a preferred embodiment of the present invention, the vector is a plasmid. The DNA molecule of the present invention can be produced according to the method described in Molecular Cloning: A Laboratory Manual.

本発明は、配列番号1または2に記載のアミノ酸配列と少なくとも85%同一であり且つグルタミン酸デカルボキシラーゼ活性を有するポリペプチドをコードするポリヌクレオチドに関する。本発明の一実施態様において、本発明の改変ポリペプチドをコードするポリヌクレオチドは、配列番号4もしくは5に記載の塩基配列を含むか、またはその相補鎖配列を含む。配列番号4もしくは5に記載の塩基配列またはその相補鎖配列からなるポリヌクレオチドに対して、少なくとも80%、少なくとも81%、少なくとも82%、少なくとも83%、少なくとも84%、少なくとも85%、少なくとも86%、少なくとも87%、少なくとも88%、または少なくとも89%、少なくとも90%、少なくとも91%、少なくとも92%、少なくとも93%、少なくとも94%、少なくとも95%、少なくとも96%、少なくとも97%、少なくとも98%、または少なくとも99%の塩基配列同一性を有するポリヌクレオチドであり、かつグルタミン酸デカルボキシラーゼ反応を触媒する活性を有するポリペプチドをコードするポリヌクレオチドも、本発明に含まれる。塩基配列同一性は、比較する2本の塩基配列を整列させ、最大のパーセント配列同一性を得るために必要ならばギャップを導入した後、2本の塩基配列間で同一である塩基のパーセントとして定義される。塩基配列同一性は、例えばBLAST、BLAST-2、ALIGN、またはMegalign(DNASTAR)ソフトウェアのような公に入手可能なコンピュータソフトウェアを使用することにより決定することができる。 The present invention relates to a polynucleotide that is at least 85% identical to the amino acid sequence set forth in SEQ ID NO: 1 or 2 and encodes a polypeptide having glutamic acid decarboxylase activity. In one embodiment of the present invention, the polynucleotide encoding the modified polypeptide of the present invention comprises the nucleotide sequence set forth in SEQ ID NO: 4 or 5, or its complementary strand sequence. The present invention also includes polynucleotides that have at least 80%, at least 81%, at least 82%, at least 83%, at least 84%, at least 85%, at least 86%, at least 87%, at least 88%, at least 89%, at least 90%, at least 91%, at least 92%, at least 93%, at least 94%, at least 95%, at least 96%, at least 97%, at least 98%, or at least 99% nucleotide sequence identity to a polynucleotide consisting of the nucleotide sequence set forth in SEQ ID NO: 4 or 5 or its complementary strand sequence, and that encode a polypeptide having the activity of catalyzing a glutamic acid decarboxylase reaction. Sequence identity is defined as the percentage of bases that are identical between two sequences after aligning the two sequences and introducing gaps, if necessary, to achieve the maximum percent sequence identity. Sequence identity can be determined using publicly available computer software, such as BLAST, BLAST-2, ALIGN, or Megalign (DNASTAR) software.

本発明はさらに、上記のポリヌクレオチドを含むベクターに関する。本発明において利用できるベクターは、使用する宿主細胞の種類を勘案しながら、ウイルス、プラスミド、コスミドベクターなどから適宜選択できる。例えば、宿主細胞が枯草菌(Bacillus subtilis)の場合はpHT系のプラスミド、大腸菌の場合はλファージ系のバクテリオファージ、pET系、pUC系、pCold系、pGEX系のプラスミド、酵母の場合はYEp、YCp系、YIp系のベクター、あるいはpLeu4、pPPLeu4、pJPLeu4系などが挙げられるが、これらに限定されない。このプラスミドは形質転換体を選択するためのマーカーを含んでいてもよく、該選択マーカーとしては薬剤耐性マーカーや栄養要求マーカー遺伝子を使用することができるが、これらに限定されない。 The present invention further relates to a vector comprising the above-described polynucleotide. Vectors that can be used in the present invention can be appropriately selected from viruses, plasmids, cosmid vectors, etc., taking into consideration the type of host cell used. For example, when the host cell is Bacillus subtilis, pHT-series plasmids are used; when the host cell is Escherichia coli, λ-phage-series bacteriophages, pET-series, pUC-series, pCold-series, and pGEX-series plasmids are used; and when the host cell is yeast, YEp-series, YCp-series, and YIp-series vectors, or pLeu4-series, pPPLeu4-series, pJPLeu4-series, etc., are used. This plasmid may contain a marker for selecting transformants; the selection marker can be, but is not limited to, a drug resistance marker or an auxotrophic marker gene.

さらに、本発明で利用できる発現ベクターは、酵素遺伝子の発現に必要なDNA配列、例えばプロモーター、ターミネーター、リボゾーム結合部位、転写終結シグナルなどの転写調節信号、翻訳調節信号などを有することができる。該プロモーターとしては、枯草菌においてはズブチリシン、SPAC等のプロモーター、酵母ではアルコールデヒドロゲナーゼ(ADH)、酸性フォスファターゼ(PHO)、ガラクトース遺伝子(GAL)、グリセルアルデビド3リン酸脱水素酵素遺伝子(GAP)等のプロモーターを用いることができるが、これらに限定されない。シグナルペプチドの付与は、目的酵素が培養上清中に分泌され、精製が容易になるという利点があるので使用することが好ましい。また、シグナルペプチドを枯草菌や酵母由来のもの(例えば、インベルターゼシグナル、酸性フォスファターゼシグナル、λ-ファクターシグナルなど)に置き換えることができる。また、大腸菌においては、一般に慣用されるlacプロモーターやT7プロモーターのほかに、cspAプロモーター等を用いて分子シャペロンを同時に発現させるなど、発現をより効率化する工夫を行うことができる Furthermore, expression vectors usable in the present invention can contain DNA sequences necessary for the expression of enzyme genes, such as promoters, terminators, ribosome binding sites, transcriptional regulatory signals such as transcription termination signals, and translational regulatory signals. Examples of promoters that can be used include, but are not limited to, promoters such as subtilisin and SPAC in Bacillus subtilis, and promoters such as alcohol dehydrogenase (ADH), acid phosphatase (PHO), galactose gene (GAL), and glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase gene (GAP) in yeast. Adding a signal peptide is preferred because it allows the target enzyme to be secreted into the culture supernatant, facilitating purification. Signal peptides can also be replaced with those derived from Bacillus subtilis or yeast (e.g., invertase signal, acid phosphatase signal, λ-factor signal, etc.). In addition to commonly used lac and T7 promoters, in E. coli, more efficient expression can be achieved by simultaneously expressing molecular chaperones using promoters such as the cspA promoter.

本発明は、上記ベクターで形質転換された宿主細胞を培養し、培養物からグルタミン酸デカルボキシラーゼを回収することを含む、グルタミン酸デカルボキシラーゼの製造方法に関する。形質転換を行なった宿主細胞の培養は、使用する宿主細胞に関して一般的な方法を用いることができる。通常は、1~4日程度の培養により細胞内または細胞外の培養物中に酵素が生成され蓄積される。培養条件(培地、pH、温度等)に関しては、例えば、細菌では25~37℃、酵母では25~30℃、真核細胞では37℃程度が一般的である。培養条件については、遺伝子発現実験マニュアル(講談社)等を参照することができる。 The present invention relates to a method for producing glutamic acid decarboxylase, which comprises culturing host cells transformed with the above vector and recovering glutamic acid decarboxylase from the culture. The transformed host cells can be cultured using a method commonly used for the host cells used. Typically, the enzyme is produced and accumulated in the intracellular or extracellular culture after approximately 1 to 4 days of culture. Culture conditions (medium, pH, temperature, etc.) are typically 25 to 37°C for bacteria, 25 to 30°C for yeast, and approximately 37°C for eukaryotic cells. For information on culture conditions, see the Gene Expression Experiment Manual (Kodansha), etc.

宿主細胞としては、大腸菌、バチルス属細菌(Bacillus)、乳酸菌(Lactobacillus、Lactococcus)、放線菌(Corynebacterium)、アスペルギルス(Aspergillus)等の細菌、カンディダ・ウチリス(Candida utilis)、サッカロミセス・セレビシエ(Saccaromyces cerevisiae)、ピチア・パストリス(Pichia pastoris)等の酵母以外に、リゾプス・ニベウス(Rhizopus niveus)、リゾプス・デルマー(Rhizopus delemar)や高等真核生物(例えばCHO細胞など)を用いることができる。本発明の改変ポリペプチドの製造の目的において、宿主細胞として酵母、糸状菌または細菌が好ましいが、細菌がより好ましく、特に大腸菌やバチルス・スブチリス(Bacillus subtilis、枯草菌)が好ましい。さらに、ウサギ網状赤血球溶解物(RRL)、小麦胚芽抽出物、大腸菌溶解物および昆虫細胞溶解物(SF9またはSF21など)等を用いた無細胞タンパク質発現系を用いて、本発明の改変ポリペプチドを製造することができる。 Host cells that can be used include bacteria such as Escherichia coli, Bacillus, Lactobacillus, Lactococcus, Corynebacterium, and Aspergillus; yeasts such as Candida utilis, Saccaromyces cerevisiae, and Pichia pastoris; Rhizopus niveus, Rhizopus delemar, and higher eukaryotes (e.g., CHO cells). For the purpose of producing the modified polypeptides of the present invention, yeast, filamentous fungi, or bacteria are preferred as host cells, with bacteria being more preferred, and Escherichia coli and Bacillus subtilis being particularly preferred. Furthermore, the modified polypeptides of the present invention can be produced using cell-free protein expression systems using rabbit reticulocyte lysate (RRL), wheat germ extract, Escherichia coli lysate, insect cell lysate (such as SF9 or SF21), and the like.

形質転換体が産生したポリペプチドの単離・精製は、公知の分離方法や精製方法を適当に組み合わせて行なうことができる。これらの分離・精製方法としては例えば塩沈殿、溶媒沈殿のような溶解性の差を利用する方法、透析、限外濾過、ゲル濾過およびSDS-ポリアクリル電気泳動のような分子量の差を利用する方法、イオン交換クロマトグラフィーのような電荷の差を利用する方法、疎水クロマトグラフィー、逆相クロマトグラフィーのような疎水性の差を利用する方法、さらに等電点電気泳動のような等電点の差を利用する方法、このほかにアフィニティークロマトグラフィー等が挙げられる。実施例に記載した精製方法のほかに、一般的な分離・精製法に関しては、例えば蛋白質・酵素の基礎実験法(南江堂)等を参照することができる。 Polypeptides produced by transformants can be isolated and purified by an appropriate combination of known separation and purification methods. These separation and purification methods include, for example, methods that exploit differences in solubility, such as salt precipitation and solvent precipitation; methods that exploit differences in molecular weight, such as dialysis, ultrafiltration, gel filtration, and SDS-polyacrylamide gel electrophoresis; methods that exploit differences in charge, such as ion exchange chromatography; methods that exploit differences in hydrophobicity, such as hydrophobic chromatography and reversed-phase chromatography; and methods that exploit differences in isoelectric point, such as isoelectric focusing. Furthermore, affinity chromatography can also be used. In addition to the purification methods described in the examples, general separation and purification methods can be found in, for example, Basic Experimental Methods for Proteins and Enzymes (Nankodo).

(発酵法)
本発明は、上記ベクターで形質転換された宿主細胞を作用させることを含む、GABA製造方法に関する。具体的には、宿主細胞を作用させるとは、例えば、グルタミン酸および/またはグルタミン酸塩の水溶液を調製し、必要に応じてpHを調整した後、当該水溶液に本発明の宿主細胞を添加することにより実施することができる。宿主細胞として、乳酸菌(乳酸桿菌 Lactobacillus、乳酸球菌、例えばLactococcus)、放線菌 (コリネバクテリウム属Corynebacterium)、アスペルギルス(Aspergillus)、大腸菌(E. coli)、バチルス属細菌(Bacillus)、または酵母を用いることができる。一実施態様にいて、宿主細胞として、Corynebacterium glutamicumを用いることが好ましい。C. glutamicum は、グルタミン酸ナトリウムの工業的な発酵生産に用いられている。改変グルタミン酸デカルボキシラーゼ遺伝子で C. glutamicum を形質転換することにより、グルタミン酸および/またはグルタミン酸塩を添加しなくても、C. glutamicum 自身が生産したグルタミン酸塩を用いてGABAを生産することができるであろう。宿主細胞は用いる前に、タンパク質発現誘導を行うことができる。宿主細胞として大腸菌を用いる場合、例えばイソプロピル-β-チオガラクトピラノシド(IPTG)を誘導剤として用いることができる。グルタミン酸および/またはグルタミン酸塩の水溶液中の濃度は0.01~3Mの範囲とすることができる。宿主細胞を添加したグルタミン酸および/またはグルタミン酸塩の水溶液を、インキュベーションすることができ、その時間は特に制限されないが、例えば5分から72時間の範囲である。インキュベーションは、室温で静置または振盪・攪拌してもよいし、宿主細胞におけるタンパク質の発現に適した温度に設定してもよく、例えば温度30~55℃の範囲で静置または振盪・攪拌してもよい。グルタミン酸および/またはグルタミン酸塩の水溶液のpHは、宿主細胞に適した値に設定することができる。
(Fermentation method)
The present invention relates to a method for producing GABA, which comprises using a host cell transformed with the vector. Specifically, using a host cell can be carried out, for example, by preparing an aqueous solution of glutamic acid and/or a glutamate, adjusting the pH as necessary, and then adding the host cell of the present invention to the aqueous solution. Examples of host cells that can be used include lactic acid bacteria (Lactobacillus, Lactococcus, e.g., Lactococcus), actinomycetes (Corynebacterium), Aspergillus, Escherichia coli, Bacillus, or yeast. In one embodiment, Corynebacterium glutamicum is preferably used as the host cell. C. glutamicum is used for industrial fermentation production of monosodium glutamate. Transforming C. glutamicum with a modified glutamate decarboxylase gene may enable GABA production using glutamate produced by C. glutamicum itself, without the need for added glutamate and/or glutamate. Protein expression in the host cells can be induced before use. When E. coli is used as the host cell, isopropyl-β-thiogalactopyranoside (IPTG) can be used as an inducer. The concentration of glutamate and/or glutamate in the aqueous solution can range from 0.01 to 3 M. The aqueous solution of glutamate and/or glutamate containing the host cells can be incubated for a period of time that is not particularly limited, but can range from 5 minutes to 72 hours. Incubation can be performed at room temperature, with shaking or agitation, or at a temperature suitable for protein expression in the host cells, for example, at a temperature between 30 and 55°C, with shaking or agitation. The pH of the aqueous solution of glutamic acid and/or glutamate can be set to a value suitable for the host cell.

GABA製造法については、大きく分けて微生物の発酵による発酵法と酵素を使った酵素法の二つがある。一般的に、発酵法の方が生産に時間がかかり、基質変換効率も低いという問題があった。一方、酵素法は反応時間が短くなるが、補酵素であるピリドキサールリン酸(PLP)の添加や酵素自体の精製に労力とコストがかかるという事情があった。上記方法と比較して、本発明の改変グルタミン酸デカルボキシラーゼは、従来の酵素と比較して、酵素の比活性と耐熱性の向上による反応速度が速い点で優れているので、基質変換効率が高く、短時間で高濃度のGABAを製造できる。また、本発明の改変グルタミン酸デカルボキシラーゼは、酵素の生産性が高く菌体重量当たりの酵素量が多いため、本発明の改変グルタミン酸デカルボキシラーゼを発現させた菌体を利用することにより、補酵素添加や酵素精製のコストを削減してGABAを製造できる。後記する実施例4では、2.5MのGABAが50分で生産できており、グルタミン酸からGABAの変換率は90%以上であった。 GABA production methods can be broadly divided into two: fermentation methods using microbial fermentation and enzymatic methods using enzymes. Generally, fermentation methods have the drawback of requiring longer production times and lower substrate conversion efficiency. On the other hand, enzymatic methods shorten reaction times, but require labor and cost for the addition of the coenzyme pyridoxal phosphate (PLP) and the purification of the enzyme itself. Compared to the above methods, the modified glutamic acid decarboxylase of the present invention is superior to conventional enzymes in that it has a faster reaction rate due to its improved specific activity and thermostability, resulting in high substrate conversion efficiency and the production of high-concentration GABA in a short period of time. Furthermore, the modified glutamic acid decarboxylase of the present invention has high enzyme productivity and a high enzyme amount per cell weight. Therefore, by using cells expressing the modified glutamic acid decarboxylase of the present invention, GABA can be produced with reduced costs for coenzyme addition and enzyme purification. In Example 4 described below, 2.5 M GABA was produced in 50 minutes, with a conversion rate of glutamic acid to GABA of over 90%.

以下の例に基づいて本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれらの例に限定されるものではない。なお、本明細書において、特に記載しない限り、「%」等は質量基準であり、数値範囲はその端点を含むものとして記載される。 The present invention will be explained in more detail based on the following examples, but the present invention is not limited to these examples. In this specification, unless otherwise specified, "%" and other percentages are based on mass, and numerical ranges are stated as including their endpoints.

実施例1:改変グルタミン酸デカルボキシラーゼの設計
Lactobacillus brevis CGMCC 1306由来のGAD(以下、GAD-Wildと記載する、DDBJ/EMBL/GenBank Accession number: GU987102.1、配列番号3)を鋳型として、Blastpから類似配列を10000個取得した。解析条件としてExpectec thresholdの値を1.0E‐4、Max target sequencesを10000とした。取得した類似配列を解析し、鋳型配列と類似した配列等を除去した後、文献A (Nakano, S., Motoyama, T., Miyashita, Y., Ishizuka, Y., Matsuo, N., Tokiwa, H., Shinoda, S., Asano, Y., and Ito, S. (2018) Benchmark Analysis of Native and Artificial NAD+-Dependent Enzymes Generated by a Sequence-Based Design Method with or without Phylogenetic Data, Biochemistry 57, 3722-3732.)、および文献B (Nakano, S., Niwa, M., Asano, Y., and Ito, S. (2019) Following the Evolutionary Track of a Highly Specific l-Arginine Oxidase by Reconstruction and Biochemical Analysis of Ancestral and Native Enzymes, Appl Environ Microbiol 85, e00459-00419.)で用いた手法を適用し、合計8種類の改変グルタミン酸デカルボキシラーゼの配列を設計した。これら8種類の配列をコードする遺伝子を人工合成し、組換え大腸菌での酵素生産の可否を確認した結果、5種についてグルタミン酸デカルボキシラーゼの生産が確認された。この5種について、hisタグ精製し、天然型と比較して活性が向上しているものを選抜したところ、GAD-NSK01およびGAD-NSK02と名付けた2種の改変グルタミン酸デカルボキシラーゼを得た。GAD-NSK01およびGAD-NSK02はそれぞれ配列番号1および2に記載のアミノ酸配列を有する(図1A)。
Example 1: Design of modified glutamate decarboxylases
Using GAD derived from Lactobacillus brevis CGMCC 1306 (hereinafter referred to as GAD-Wild, DDBJ/EMBL/GenBank Accession number: GU987102.1, SEQ ID NO: 3) as a template, 10,000 similar sequences were obtained from Blastp. The analysis conditions were an Expectec threshold value of 1.0E-4 and Max target sequences of 10,000. The obtained similar sequences were analyzed, and sequences similar to the template sequence were removed. Then, the resulting sequences were combined with the corresponding sequences from Reference A (Nakano, S., Motoyama, T., Miyashita, Y., Ishizuka, Y., Matsuo, N., Tokiwa, H., Shinoda, S., Asano, Y., and Ito, S. (2018) Benchmark Analysis of Native and Artificial NAD + -Dependent Enzymes Generated by a Sequence-Based Design Method with or without Phylogenetic Data, Biochemistry 57, 3722-3732.) and Reference B (Nakano, S., Niwa, M., Asano, Y., and Ito, S. (2019) Following the Evolutionary Track of a Highly Specific l-Arginine Oxidase by Reconstruction and Biochemical Analysis of Ancestral and Native Enzymes, Appl Environ Microbiol 85, Using the techniques used in [e00459-00419], a total of eight modified glutamate decarboxylase sequences were designed. Genes encoding these eight sequences were artificially synthesized, and the feasibility of enzyme production in recombinant E. coli was confirmed. Five of the sequences were confirmed to produce glutamate decarboxylase. These five sequences were purified using His tags, and those with improved activity compared to the wild-type were selected, yielding two modified glutamate decarboxylases designated GAD-NSK01 and GAD-NSK02. GAD-NSK01 and GAD-NSK02 have the amino acid sequences set forth in SEQ ID NOs: 1 and 2, respectively (Figure 1A).

実施例2:酵素の調製
以下の通り、GAD-Wild並びにGAD-NSK01およびGAD-NSK02を調製した。
ベクターとしてpET15b(メルク株式会社)の制限酵素サイトNdeI/BamHIに人工合成DNA(GeneScript社)を挿入した(図1B)。pET15bは、ヒスチジンタグ(MGSSHHHHHHSSGLVPAGSH、配列番号7)を含む。
Example 2: Preparation of enzymes GAD-Wild, GAD-NSK01 and GAD-NSK02 were prepared as follows.
An artificially synthesized DNA (GeneScript) was inserted into the NdeI/BamHI restriction enzyme sites of pET15b (Merck) as a vector (FIG. 1B). pET15b contains a histidine tag (MGSSHHHHHHSSGLVPAGSH, SEQ ID NO: 7).

次いで、上記のクローニングプラスミドにより大腸菌BL21(DE3)(ニッポンジーン株式会社)を形質転換し、LB培地にて37℃で培養した。濁度(OD600)が0.4~0.6になった時点でイソプロピル-β-チオガラクトピラノシド(IPTG)誘導を行い、25℃で一晩培養した。培養後、菌体を回収して、菌体破砕緩衝液(10mM リン酸緩衝液、50mM NaCl、pH7.0)に懸濁した。この菌体懸濁液に対して、超音波破砕および遠心を行い、遠心上清を粗酵素液とした。粗酵素液を、Niカラムを用いたアフィニティークロマトグラフィー(GEヘルスケアジャパン株式会社)に供して、SDS-PAGEにより精製GAD-Wild、GAD-NSK01および、GAD-NSK02が得られたことを確認した(図2)。SDS-PAGEにおけるポリアクリルアミドゲル(12.5%)はe・パジェル(アトー株式会社)を使用した。また、測定に当たってタンパク質は10μgを供し、電気泳動は20mAの定電流で行った。なお、分子量マーカーには、ワイドビューTMプレステインたん白質サイズマーカーIII(富士フィルム和光純薬株式会社)を用いた。また、調製したGADの濃度を280nmの吸光度で測定し、液量と濃度から各GADの生産性を算出した結果を表1に示す。具体的には、表1のGAD生産性(mg/L)は、精製したGAD溶液の液量と濃度から得られたGADの重量を算出し、そのGAD量を初期培地体積で割った値である。 Next, Escherichia coli BL21(DE3) (Nippon Gene Co., Ltd.) was transformed with the above cloning plasmid and cultured in LB medium at 37°C. When the turbidity (OD600) reached 0.4-0.6, induction with isopropyl-β-thiogalactopyranoside (IPTG) was performed, and the culture was cultured overnight at 25°C. After culture, the cells were collected and suspended in cell disruption buffer (10 mM phosphate buffer, 50 mM NaCl, pH 7.0). This cell suspension was subjected to ultrasonic disruption and centrifugation, and the centrifuged supernatant was used as a crude enzyme solution. The crude enzyme solution was subjected to affinity chromatography using a Ni column (GE Healthcare Japan Co., Ltd.), and SDS-PAGE confirmed that purified GAD-Wild, GAD-NSK01, and GAD-NSK02 were obtained (Figure 2). Polyacrylamide gel (12.5%) e-Pagel (ATTO Corporation) was used for SDS-PAGE. 10 μg of protein was applied for measurement, and electrophoresis was performed at a constant current of 20 mA. WideView Prestained Protein Size Marker III (Fujifilm Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) was used as a molecular weight marker. The concentration of the prepared GAD was measured by absorbance at 280 nm, and the productivity of each GAD was calculated from the solution volume and concentration. The results are shown in Table 1. Specifically, the GAD productivity (mg/L) in Table 1 was calculated by dividing the weight of GAD obtained from the volume and concentration of the purified GAD solution by the initial medium volume.

野生型GADと改変GADを同じベクターにそれぞれ組み込み、各GADの形質転換体での発現効率を比較したところ、GAD-Wildに対して、GAD-NSK01では2倍以上、GAD-NSK02では20倍以上の発現増大が得られた。また、比較例(Fan et al., 2012 上掲)の GADと比較すると、GAD-NSK02では、19.5倍程度の発現増大が得られた。
改変GADを導入した大腸菌におけるGAD生産性の増大は、精製酵素を用いる場合も、改変GADを導入した大腸菌を培養してGABAを製造する場合のいずれにおいても、GABAの製造効率および純度の向上につながると考えられる。
When wild-type GAD and modified GAD were inserted into the same vector and the expression efficiency of each GAD in the transformant was compared, GAD-NSK01 showed a more than 2-fold increase in expression compared to GAD-Wild, and GAD-NSK02 showed a more than 20-fold increase in expression compared to GAD-Wild. Furthermore, compared to the GAD used in the comparative example (Fan et al., 2012, supra), GAD-NSK02 showed an approximately 19.5-fold increase in expression.
It is believed that the increase in GAD productivity in E. coli into which modified GAD has been introduced will lead to improved GABA production efficiency and purity, whether GABA is produced using purified enzymes or by culturing E. coli into which modified GAD has been introduced.

実施例3:酵素の特性分析
a)活性測定
5~30mM グルタミン酸、0.2mMピリドキサールリン酸、100mM リン酸-クエン酸緩衝液(pH3.5)からなる混合液26μLに実施例1で調製したGAD-NSK01またはGAD-NSK02(100~500μg/mL)を4μL添加し、40℃、10分間保持した後、95℃、10分間保持して反応を停止させた。同様に、GAD-Wildについては、5~30mM グルタミン酸、0.2mM ピリドキサールリン酸、100mM リン酸-クエン酸緩衝液(pH4.5)からなる混合液26μLに実施例1で調製したGAD-Wild(100~500μg/mL)を4μL添加し、40℃、10分間保持した後、95℃、10分間保持して反応を停止させた。次いで、L-グルタミン酸測定キット「ヤマサ」NEO(ヤマサ醤油株式会社)R1酵素試薬液100μLおよびR2酵素試薬液100μLを添加し、30℃、20分間保持した後に吸光度(A555)を測定し、消費したグルタミン酸量から反応速度を算出した。なお、検量線作成には、グルタミン酸(0~30mM)を用いた。酵素活性単位1Uは、上記条件において反応1分間に1μmolのグルタミン酸を消費する酵素量と定義した。次いで、OriginPro2021(株式会社ライトストーン)を用いて、各濃度における反応速度について非線形近似を行い、ミカエリスメンテン式に適応させることで、反応速度定数を算出した。結果を表2に示す。
Example 3: Analysis of Enzyme Characteristics a) Activity Measurement To 26 μL of a mixed solution consisting of 5 to 30 mM glutamic acid, 0.2 mM pyridoxal phosphate, and 100 mM phosphate-citrate buffer (pH 3.5), 4 μL of GAD-NSK01 or GAD-NSK02 (100 to 500 μg/mL) prepared in Example 1 was added, and the mixture was kept at 40° C. for 10 minutes and then kept at 95° C. for 10 minutes to terminate the reaction. Similarly, for GAD-Wild, 4 μL of GAD-Wild (100-500 μg/mL) prepared in Example 1 was added to 26 μL of a mixture consisting of 5-30 mM glutamic acid, 0.2 mM pyridoxal phosphate, and 100 mM phosphate-citrate buffer (pH 4.5). The mixture was then incubated at 40°C for 10 minutes, followed by 95°C for 10 minutes to terminate the reaction. Next, 100 μL of R1 enzyme reagent solution and 100 μL of R2 enzyme reagent solution from the L-glutamic acid measurement kit "Yamasa" NEO (Yamasa Shoyu Co., Ltd.) were added. After incubation at 30°C for 20 minutes, the absorbance (A555) was measured, and the reaction rate was calculated from the amount of glutamic acid consumed. Glutamic acid (0-30 mM) was used to generate a calibration curve. One unit of enzyme activity was defined as the amount of enzyme that consumes 1 μmol of glutamate per minute of reaction under the above conditions. Next, using OriginPro2021 (Lightstone Co., Ltd.), nonlinear approximation of the reaction rate at each concentration was performed, and the reaction rate constant was calculated by applying the Michaelis-Menten equation. The results are shown in Table 2.

b)至適pH
至適pHは、pH2.5~6.0における酵素活性を測定して求めた。具体的には、10mM グルタミン酸、0.2mMピリドキサールリン酸、100mM リン酸-クエン酸緩衝液(pH2.5~6.0)からなる混合液26μLに、200μg/mLのGAD-WildまたはGAD-NSK01またはGAD-NSK02を4μL添加し、40℃、10分間保持して酵素反応を進行させ、95℃、10分間保持して反応を停止させた。次いで、L-グルタミン酸測定キット「ヤマサ」NEO(ヤマサ醤油株式会社)R1酵素試薬液100μLおよびR2酵素試薬液100μLを添加し、30℃、20分間保持した後に吸光度(A555)を測定した。酵素活性は、消費したグルタミン酸量に基づき前記a)の方法に従って算出した。最大活性を示す酵素活性を100%とした場合の相対活性を図3に示す。分析の結果、GAD-Wildの至適pHは4.5であり、GAD-NSK01およびGAD-NSK02の至適pHは3.5であった。具体的には、GAD-NSK01およびGAD-NSK02は、pH3.5で、活性6.9U/mgおよび17.2U/mgをそれぞれ示した。一方、GAD-Wildは、pH3.5で、活性2.7U/mgを示し、pH4.5で、活性5.4U/mgを示した。GAD-NSK01は酸性領域でGAD-Wildに対して活性が優位であり、GAD-NSK02はGAD-Wildに対して活性が優位なpH領域が広い。
b) Optimal pH
The optimum pH was determined by measuring enzyme activity at pH 2.5 to 6.0. Specifically, 4 μL of 200 μg/mL GAD-Wild, GAD-NSK01, or GAD-NSK02 was added to 26 μL of a mixture consisting of 10 mM glutamic acid, 0.2 mM pyridoxal phosphate, and 100 mM phosphate-citrate buffer (pH 2.5 to 6.0). The enzyme reaction was allowed to proceed at 40°C for 10 minutes, and then stopped at 95°C for 10 minutes. Next, 100 μL of R1 enzyme reagent solution and 100 μL of R2 enzyme reagent solution from the L-glutamic acid measurement kit "Yamasa" NEO (Yamasa Shoyu Co., Ltd.) were added, and the mixture was incubated at 30°C for 20 minutes, after which the absorbance (A555) was measured. Enzyme activity was calculated based on the amount of glutamic acid consumed according to the method described above in a). The relative activity, with the enzyme activity showing maximum activity taken as 100%, is shown in Figure 3. Analysis revealed that the optimum pH for GAD-Wild was 4.5, while the optimum pH for GAD-NSK01 and GAD-NSK02 was 3.5. Specifically, GAD-NSK01 and GAD-NSK02 exhibited activities of 6.9 U/mg and 17.2 U/mg, respectively, at pH 3.5. On the other hand, GAD-Wild exhibited activities of 2.7 U/mg at pH 3.5 and 5.4 U/mg at pH 4.5. GAD-NSK01 exhibited superior activity compared to GAD-Wild in the acidic range, while GAD-NSK02 exhibited superior activity over a wider pH range.

GADの基質として使用するグルタミン酸の水溶液は酸性となるため(0.7%の場合、pH2.9~3.9)、GAD-NSK01およびGAD-NSK02の至適pHが酸性領域であることは、培地のpH調整の必要性がなく、好都合である。また、反応pHを低く保つことにより、反応液中での夾雑微生物の増殖を防ぐことができるという利点がある。 Since the aqueous solution of glutamic acid used as a substrate for GAD is acidic (pH 2.9-3.9 at 0.7%), the optimal pH for GAD-NSK01 and GAD-NSK02 is in the acidic range, which is advantageous as it eliminates the need for pH adjustment in the medium. Another advantage is that maintaining a low reaction pH can prevent the growth of contaminating microorganisms in the reaction solution.

c)至適温度および温度安定性
至適温度は、10~90℃における酵素活性を測定して求めた。具体的には、10mM グルタミン酸、0.2mMピリドキサールリン酸、100mM リン酸-クエン酸緩衝液(pH3.5)からなる混合液26μLに、200μg/mLのGAD-NSK01またはGAD-NSK02を4μL添加し、10~90℃で10分間保持して酵素反応を進行させ、95℃、10分間保持して反応を停止させた。同様に、GAD-Wildについては、10mM グルタミン酸、0.2mMピリドキサールリン酸、100mM リン酸-クエン酸緩衝液(pH4.5)からなる混合液26μLに、200μg/mLのGAD-Wildを4μL添加し、10~90℃で10分間保持して酵素反応を進行させ、95℃、10分間保持して反応を停止させた。次いで、L-グルタミン酸測定キット「ヤマサ」NEO(ヤマサ醤油株式会社)R1酵素試薬液100μLおよびR2酵素試薬液100μLを添加し、30℃、20分間保持した後に吸光度(A555)を測定した。酵素活性は、消費したグルタミン酸量に基づき前記a)の方法に従って算出した。最大活性を示す酵素活性を100%とした場合の相対活性を図4Aに示す。
温度安定性は、500μg/mLのGAD-NSK01またはGAD-NSK02を10mM リン酸緩衝液、50mM NaCl、pH7.0で30~90℃、10分間インキュベートした後、4℃に冷却して、酵素活性を測定することにより求めた。酵素活性の測定は、前記a)の方法に従って行った。最大残存活性を示す酵素活性を100%とした場合の相対活性(残存活性)を図4Bに示す。
分析の結果、GAD-Wildの至適温度は30℃であり、50℃以下で残存活性87.3%以上を示し、50℃以下で安定であった。70℃での残存活性は15%以下であった。また、GAD-NSK01の至適温度は70℃であり、70℃以下で安定であった。GAD-NSK02の至適温度は70℃であり、65℃以下で残存活性89.6以上%を示し、65℃以下で安定であった。具体的には、GAD-NSK01およびGAD-NSK02は、温度70℃で、活性10.5U/mgおよび34.3U/mgをそれぞれ示した。一方、GAD-Wildは、温度70℃で、活性1.2U/mgを示し、温度30℃では活性5.4U/mgを示した。すべての温度帯でGAD-NSK02の活性がGAD-Wildに対して優位であり、GAD-NSK01は特に40℃以上でGAD-Wildに対して優位な活性を示した。
GAD-NSK01およびGAD-NSK02は、共に至適温度70℃を有し、それぞれ70℃以下および65℃以下で安定であり、GABAの工業的製造に適した特性を有するといえる。
c) Optimum Temperature and Temperature Stability The optimum temperature was determined by measuring the enzyme activity at 10 to 90° C. Specifically, 4 μL of 200 μg/mL GAD-NSK01 or GAD-NSK02 was added to 26 μL of a mixture consisting of 10 mM glutamic acid, 0.2 mM pyridoxal phosphate, and 100 mM phosphate-citrate buffer (pH 3.5), and the enzyme reaction was allowed to proceed by maintaining the mixture at 10 to 90° C. for 10 minutes, and the reaction was terminated by maintaining the mixture at 95° C. for 10 minutes. Similarly, for GAD-Wild, 4 μL of 200 μg/mL GAD-Wild was added to 26 μL of a mixture consisting of 10 mM glutamic acid, 0.2 mM pyridoxal phosphate, and 100 mM phosphate-citrate buffer (pH 4.5). The enzyme reaction was allowed to proceed at 10-90°C for 10 minutes, and then stopped at 95°C for 10 minutes. Next, 100 μL of R1 enzyme reagent solution and 100 μL of R2 enzyme reagent solution from the L-glutamic acid measurement kit "Yamasa" NEO (Yamasa Shoyu Co., Ltd.) were added, and the mixture was incubated at 30°C for 20 minutes, after which the absorbance (A555) was measured. Enzyme activity was calculated based on the amount of glutamic acid consumed according to the method described above in a). Figure 4A shows the relative activity, with the maximum enzyme activity taken as 100%.
Temperature stability was determined by incubating 500 μg/mL of GAD-NSK01 or GAD-NSK02 in 10 mM phosphate buffer, 50 mM NaCl, pH 7.0 at 30 to 90°C for 10 minutes, then cooling to 4°C and measuring the enzyme activity. The enzyme activity was measured according to the method described in a) above. The relative activity (residual activity) is shown in Figure 4B, where the enzyme activity showing the maximum residual activity is defined as 100%.
Analysis showed that GAD-Wild had an optimum temperature of 30°C, exhibited a residual activity of 87.3% or more at 50°C or below, and was stable at 50°C or below. The residual activity at 70°C was 15% or less. GAD-NSK01 had an optimum temperature of 70°C and was stable at 70°C or below. GAD-NSK02 had an optimum temperature of 70°C, exhibited a residual activity of 89.6% or more at 65°C or below, and was stable at 65°C or below. Specifically, GAD-NSK01 and GAD-NSK02 exhibited activities of 10.5 U/mg and 34.3 U/mg, respectively, at 70°C. On the other hand, GAD-Wild exhibited an activity of 1.2 U/mg at 70°C and 5.4 U/mg at 30°C. The activity of GAD-NSK02 was superior to that of GAD-Wild in all temperature ranges, and GAD-NSK01 showed superior activity to GAD-Wild especially at temperatures of 40°C or higher.
Both GAD-NSK01 and GAD-NSK02 have an optimum temperature of 70° C. and are stable at temperatures below 70° C. and below 65° C., respectively, and can be said to have properties suitable for the industrial production of GABA.

実施例4:GABAの製造
500mlバッフル付き三角フラスコにグルタミン酸26.4gと超純水60mlの混合液にGAD-NSK02を発現させた菌体3g(湿重量)を加えて、40℃か50℃で旋回撹拌することでGABAを生産した。10分ごとにサンプリングを行い、超純水で10倍希釈した後に、10分間煮沸することで反応を停止させた。その後、AccQ・Tag 誘導体化ケミストリーキット(waters社)を用いて下記条件でHPLC分析を行い、GABAの生成量を確認した。
<HPLC分析条件>
カラム:AccQ-Taq Column(150mm × 3.9 mm、waters社製)
カラム温度:50°C
溶離液:(A)AccQ Taq、(B)アセトニトリル、(C)脱気超純水
グラジエント:表3に示す。
流速:1.0mL/分
検出器:蛍光検出器(励起波長250 nm、蛍光波長395 nm)
打ち込み量:10μL
分析時間:20分
Example 4: Production of GABA 3 g (wet weight) of GAD-NSK02-expressing bacteria was added to a mixture of 26.4 g of glutamic acid and 60 ml of ultrapure water in a 500 ml baffled Erlenmeyer flask, and GABA was produced by vortex stirring at 40°C or 50°C. Sampling was performed every 10 minutes, and the mixture was diluted 10-fold with ultrapure water and boiled for 10 minutes to stop the reaction. The amount of GABA produced was then confirmed by HPLC analysis using an AccQ Tag Derivatization Chemistry Kit (Waters) under the following conditions.
<HPLC analysis conditions>
Column: AccQ-Taq Column (150 mm x 3.9 mm, manufactured by Waters)
Column temperature: 50°C
Eluents: (A) AccQ Taq, (B) acetonitrile, (C) degassed ultrapure water Gradient: shown in Table 3.
Flow rate: 1.0 mL/min. Detector: Fluorescence detector (excitation wavelength 250 nm, fluorescence wavelength 395 nm)
Injection volume: 10 μL
Analysis time: 20 minutes

60分反応後、反応液を回収し、遠心分離によって菌体を除去し、反応液を得た。この反応液を減圧乾燥することでGABA粉末を得た。当該粉末を超純水に溶解させ、上記条件でHPLC分析を行い、GABAの純度を求めた。
分析の結果、反応中のGABA濃度の時間変化を図5に示す。50℃で50分反応させた時点でGABA濃度は2.5M程度になった。また、減圧乾燥により得られた粉末のGABA含有量は98%以上、グルタミン酸からGABAの変換率は90%以上であった。
After 60 minutes of reaction, the reaction solution was collected and centrifuged to remove the bacterial cells, yielding a reaction solution. This reaction solution was dried under reduced pressure to obtain GABA powder. The powder was dissolved in ultrapure water and subjected to HPLC analysis under the above conditions to determine the purity of GABA.
The analytical results, which show the change in GABA concentration over time during the reaction, are shown in Figure 5. After 50 minutes of reaction at 50°C, the GABA concentration reached approximately 2.5 M. The powder obtained by drying under reduced pressure had a GABA content of over 98%, and the conversion rate from glutamic acid to GABA was over 90%.

配列番号1:改変グルタミン酸デカルボキシラーゼ GAD―NSK01のアミノ酸配列
配列番号2:改変グルタミン酸デカルボキシラーゼ GAD―NSK02のアミノ酸配列
配列番号3:Lactobacillus brevis CGMCC 1306由来のグルタミン酸デカルボキシラーゼのアミノ酸配列
配列番号4:改変グルタミン酸デカルボキシラーゼ GAD―NSK01をコードする塩基配列
配列番号5:改変グルタミン酸デカルボキシラーゼ GAD―NSK02をコードする塩基配列
配列番号6:Lactobacillus brevis CGMCC 1306由来のグルタミン酸デカルボキシラーゼをコードする塩基配列
配列番号7:ヒスチジンタグ配列
SEQ ID NO: 1: Amino acid sequence of modified glutamic acid decarboxylase GAD-NSK01 SEQ ID NO: 2: Amino acid sequence of modified glutamic acid decarboxylase GAD-NSK02 SEQ ID NO: 3: Amino acid sequence of glutamic acid decarboxylase derived from Lactobacillus brevis CGMCC 1306 SEQ ID NO: 4: Nucleotide sequence encoding modified glutamic acid decarboxylase GAD-NSK01 SEQ ID NO: 5: Nucleotide sequence encoding modified glutamic acid decarboxylase GAD-NSK02 SEQ ID NO: 6: Nucleotide sequence encoding glutamic acid decarboxylase derived from Lactobacillus brevis CGMCC 1306 SEQ ID NO: 7: Histidine tag sequence

Claims (13)

配列番号1または2に記載のアミノ酸配列と少なくとも90%同一であるアミノ酸配列を含み、且つグルタミン酸デカルボキシラーゼ活性を有する、ポリペプチド。 A polypeptide comprising an amino acid sequence that is at least 90 % identical to the amino acid sequence set forth in SEQ ID NO: 1 or 2, and having glutamic acid decarboxylase activity. 配列番号1または2に記載のアミノ酸配列を含む、請求項1に記載のポリペプチド。 The polypeptide of claim 1, comprising the amino acid sequence set forth in SEQ ID NO: 1 or 2. 請求項1または2に記載のポリペプチドを含むγ-アミノ酪酸(GABA)製造用酵素剤。 An enzyme preparation for producing gamma-aminobutyric acid (GABA), comprising the polypeptide of claim 1 or 2. 請求項3に記載のGABA製造用酵素剤を用いることを含む、GABA製造方法。 A method for producing GABA, comprising using the enzyme preparation for producing GABA described in claim 3. 基質がグルタミン酸および/またはグルタミン酸塩である、請求項4に記載のGABA製造方法。 The GABA production method according to claim 4, wherein the substrate is glutamic acid and/or glutamate. 請求項1または2に記載のポリペプチドをコードするポリヌクレオチド。 A polynucleotide encoding the polypeptide of claim 1 or 2. 請求項6に記載のポリヌクレオチドを含むベクター。 A vector comprising the polynucleotide of claim 6. 請求項7に記載のベクターで形質転換された宿主細胞。 A host cell transformed with the vector of claim 7. 大腸菌(E. coli)、バチルス属細菌(Bacillus)、乳酸菌(Lactobacillus、Lactococcus)、放線菌(Corynebacterium)、アスペルギルス属細菌(Aspergillus)、または酵母の細胞である、請求項8に記載の宿主細胞。 The host cell of claim 8, which is a cell of Escherichia coli (E. coli), Bacillus, Lactobacillus, Lactococcus, Corynebacterium, Aspergillus, or yeast. 請求項8または9に記載の宿主細胞を作用させることを含む、GABAの製造方法。 A method for producing GABA, comprising inducing the host cell of claim 8 or 9 to act. 請求項8または9に記載の宿主細胞を培養し、培養物からグルタミン酸デカルボキシラーゼを回収することを含む、グルタミン酸デカルボキシラーゼの製造方法。 A method for producing glutamic acid decarboxylase, comprising culturing the host cell of claim 8 or 9 and recovering glutamic acid decarboxylase from the culture. 請求項1もしくは2に記載のポリペプチド、請求項3に記載の酵素剤、または請求項8もしくは9に記載の宿主細胞をグルタミン酸および/またはグルタミン酸塩を含む材料に接触させることを含むGABA含有飼料、GABA含有餌料、GABA含有化粧料、またはGABA含有医薬品の製造方法。 A method for producing a GABA- containing feed, a GABA-containing cosmetic, or a GABA-containing pharmaceutical, comprising contacting the polypeptide according to claim 1 or 2, the enzyme preparation according to claim 3, or the host cell according to claim 8 or 9 with a material containing glutamic acid and/ or glutamate . 請求項1もしくは2に記載のポリペプチド、請求項3に記載の酵素剤、または請求項8もしくは9に記載の宿主細胞をグルタミン酸および/またはグルタミン酸塩を含む食品素材に接触させることを含む、GABA含有食品の製造方法。 A method for producing a GABA-containing food product, comprising contacting the polypeptide of claim 1 or 2, the enzyme preparation of claim 3, or the host cell of claim 8 or 9 with a food material containing glutamic acid and/or glutamate.
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