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JP2012065604A - Recombinant yeast and method of producing ethanol - Google Patents

Recombinant yeast and method of producing ethanol Download PDF

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JP2012065604A
JP2012065604A JP2010214024A JP2010214024A JP2012065604A JP 2012065604 A JP2012065604 A JP 2012065604A JP 2010214024 A JP2010214024 A JP 2010214024A JP 2010214024 A JP2010214024 A JP 2010214024A JP 2012065604 A JP2012065604 A JP 2012065604A
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JP
Japan
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gene
strain
ethanol
recombinant yeast
xylosidase
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Application number
JP2010214024A
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Japanese (ja)
Inventor
Satoshi Saito
聡志 齋藤
Akihiko Kondo
昭彦 近藤
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Kobe University NUC
Toyota Motor Corp
Original Assignee
Kobe University NUC
Toyota Motor Corp
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Publication date
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method which efficiently uses cellulose based biomass in a method of producing ethanol including a process which saccharifies cellulose based biomass using cellulase.SOLUTION: A recombinant yeast in which a β-glucosidase gene, a xylose reductase gene as a xylose metabolism related gene, and a β-xylosidase gene are introduced into the genome is disclosed, wherein the β-xylosidase gene is introduced in the form in which the expression control is carried out by the expression control region of a xylitol dehydrogenase gene, xylulokinase gene, and a hyperosmolarity response 7 (HOR7) gene. In addition, the method of producing ethanol includes a process which cultivates the recombinant yeast in a cellulose and/or hemicellulose containing medium including a cellulase formulation, and process which collects ethanol from the cellulose and/or hemicellulose containing medium.

Description

本発明は、所定の遺伝子を導入した組換え酵母及び当該組換え酵母を利用したエタノールの製造方法に関する。   The present invention relates to a recombinant yeast introduced with a predetermined gene and a method for producing ethanol using the recombinant yeast.

セルロース系バイオマスは、エタノール等の有用なアルコールや有機酸の原料として有効に利用されている。セルロース系バイオマスを利用したエタノール製造において、エタノール生産量を向上させるため、基質として5単糖のキシロースを利用できる酵母が開発されている(特許文献1及び2)
一方、セルロース系バイオマスを利用したエタノール製造において、糖化と同時にエタノール発酵を行うことで、エタノールの生産効率を向上できる。例えば、エタノール発酵を担う酵母に対して、糖化関連酵素を付与する技術が知られている(特許文献3、4及び非特許文献1)。
Cellulosic biomass is effectively used as a raw material for useful alcohols such as ethanol and organic acids. In order to improve ethanol production in ethanol production using cellulosic biomass, yeasts have been developed that can use xylose of 5 monosaccharides as a substrate (Patent Documents 1 and 2).
On the other hand, in ethanol production using cellulosic biomass, ethanol production efficiency can be improved by performing ethanol fermentation simultaneously with saccharification. For example, techniques for imparting saccharification-related enzymes to yeast responsible for ethanol fermentation are known (Patent Documents 3 and 4 and Non-Patent Document 1).

セルロース系バイオマスを利用したエタノール製造では、エタノール生産量や生産効率を向上させるため、上述した酵母の使用と同時に、セルラーゼ製剤等の酵素製剤をセルロース系バイオマスを含む培地に添加するといった手法が考えられている。しかしながら、上述した酵母を使用してセルロース系バイオマスからエタノールを製造する場合、セルラーゼ製剤等の酵素製剤を添加しても、エタノール生産量を向上させることができなかった。   In ethanol production using cellulosic biomass, in order to improve ethanol production and production efficiency, it is conceivable to add an enzyme preparation such as a cellulase preparation to a medium containing cellulosic biomass simultaneously with the use of yeast as described above. ing. However, when ethanol is produced from cellulosic biomass using the yeast described above, the amount of ethanol produced cannot be improved even when an enzyme preparation such as a cellulase preparation is added.

特表2000−509988号公報Special table 2000-509988 特表2008−506383号公報Special table 2008-506383 特開2008−193935号公報JP 2008-193935 A 特開2010−035556号公報JP 2010-035556 A S. Katahira et al., Appl. Environ. Microbiol. Sept. 2004, p. 5407-5414S. Katahira et al., Appl. Environ. Microbiol. Sept. 2004, p. 5407-5414

そこで、本発明は、上述した実情に鑑み、特に、セルラーゼ製剤を使用してセルロース系バイオマスを糖化する工程を含むエタノールの製造方法において、セルロース系バイオマスを効率良く利用することができる組換え酵母及び当該組換え酵母を利用したエタノールの製造方法を提供することを目的とする。   Therefore, in view of the above-described circumstances, the present invention is a recombinant yeast that can efficiently use cellulosic biomass, particularly in a method for producing ethanol including a step of saccharifying cellulosic biomass using a cellulase preparation, and It aims at providing the manufacturing method of ethanol using the said recombinant yeast.

上記目的を達成するため、本発明者らが鋭意検討した結果、セルラーゼ製剤を使用してセルロース系バイオマスを糖化する工程を含むエタノールの製造方法において、セルラーゼ製剤に含まれるキシロシダーゼ活性が微弱であること、これに起因して糖化が十分に進行しないことを明らかにした。また、本発明者らは、キシロース代謝関連遺伝子とβ−グルコシダーゼ遺伝子を導入した酵母と比較して、当該酵母に更にβ−キシロシダーゼ遺伝子を導入した場合には、セルロース系バイオマスの糖化を促進し、エタノールの生産性が大幅に向上することを見いだし本発明を完成するに至った。   As a result of intensive studies by the present inventors in order to achieve the above object, the xylosidase activity contained in the cellulase preparation is weak in the ethanol production method including the step of saccharifying cellulosic biomass using the cellulase preparation. It was clarified that saccharification did not proceed sufficiently due to this. In addition, the present inventors promoted saccharification of cellulosic biomass when a β-xylosidase gene is further introduced into the yeast as compared with a yeast introduced with a xylose metabolism-related gene and a β-glucosidase gene, The inventors have found that the productivity of ethanol is greatly improved and have completed the present invention.

本発明は以下を包含する。   The present invention includes the following.

(1)β−グルコシダーゼ遺伝子、キシロース代謝関連遺伝子及びβ−キシロシダーゼ遺伝子がゲノムに導入された組換え酵母。
(2)上記β−キシロシダーゼ遺伝子は、Aspergillus oryzae由来のβ−キシロシダーゼ遺伝子であることを特徴とする(1)記載の組換え酵母。
(1) A recombinant yeast in which a β-glucosidase gene, a xylose metabolism-related gene, and a β-xylosidase gene are introduced into the genome.
(2) The recombinant yeast according to (1), wherein the β-xylosidase gene is a β-xylosidase gene derived from Aspergillus oryzae.

(3)上記β−グルコシダーゼ遺伝子及びβ−キシロシダーゼ遺伝子は、細胞表層提示型遺伝子として導入されたことを特徴とする(1)記載の組換え酵母。
(4)上記キシロース代謝関連遺伝子は、キシロースリダクターゼ遺伝子、キシリトールデヒドロゲナーゼ遺伝子及びキシルロキナーゼ遺伝子であることを特徴とする(1)記載の組換え酵母。
(3) The recombinant yeast according to (1), wherein the β-glucosidase gene and the β-xylosidase gene are introduced as cell surface display type genes.
(4) The recombinant yeast according to (1), wherein the xylose metabolism-related genes are a xylose reductase gene, a xylitol dehydrogenase gene, and a xylulokinase gene.

(5)高次倍体の酵母を宿主として上記遺伝子を導入したことを特徴とする(1)記載の組換え酵母。
(6)上記β−キシロシダーゼ遺伝子は、高浸透圧応答7(HOR7)遺伝子の発現制御領域により発現制御されるかたちで導入されたことを特徴とする(1)記載の組換え酵母。
(5) The recombinant yeast according to (1), wherein the gene is introduced using a higher-ploidy yeast as a host.
(6) The recombinant yeast according to (1), wherein the β-xylosidase gene is introduced in such a manner that its expression is controlled by the expression control region of the hyperosmotic response 7 (HOR7) gene.

(7)(1)〜(6)いずれかに記載の組換え酵母を、セルラーゼ製剤を含むセルロース及び/又はヘミセルロース含有培地に培養する工程と、上記セルロース及び/又はヘミセルロース含有培地からエタノールを回収する工程とを含むエタノールの製造方法。
(8)上記セルロース及び/又はヘミセルロース含有培地は、セルロース系バイオマスを由来のセルロースを更に含有することを特徴とする(7)記載のエタノールの製造方法。
(7) A step of culturing the recombinant yeast according to any one of (1) to (6) in a cellulose and / or hemicellulose-containing medium containing a cellulase preparation, and recovering ethanol from the cellulose and / or hemicellulose-containing medium. A process for producing ethanol comprising the steps.
(8) The method for producing ethanol according to (7), wherein the cellulose and / or hemicellulose-containing medium further contains cellulose derived from cellulosic biomass.

(9)上記培養する工程は、セルロース及び/又はヘミセルロースの糖化とエタノール発酵とを行う工程であることを特徴とする(7)記載のエタノールの製造方法。
(10)上記培養する工程は、エタノール発酵の至適温度範囲で実施することを特徴とする(7)記載のエタノールの製造方法。
(9) The method for producing ethanol according to (7), wherein the culturing step is a step of saccharification of cellulose and / or hemicellulose and ethanol fermentation.
(10) The method for producing ethanol according to (7), wherein the culturing step is performed in an optimum temperature range for ethanol fermentation.

本発明に係る組換え酵母は、キシロオリゴ糖を加水分解してキシロースとする活性と、キシロースを資化してエタノールとする活性を有する。このため、本発明に係る組換え酵母を利用することで、セルラーゼ製剤によるセルロース及び/又はヘミセルロースの糖化を促進することができ、エタノールの生産性を大幅に向上させることができる。   The recombinant yeast according to the present invention has an activity to hydrolyze xylooligosaccharide to xylose and an activity to assimilate xylose to ethanol. For this reason, by utilizing the recombinant yeast according to the present invention, saccharification of cellulose and / or hemicellulose by a cellulase preparation can be promoted, and ethanol productivity can be greatly improved.

pHPDC1-xylAfAG、pHHOR7-xylAfAG及びpHTDH2-xylAfAGを作製する工程を示す図である。It is a figure which shows the process of producing pHPDC1-xylAfAG, pHHOR7-xylAfAG, and pHTDH2-xylAfAG. TX1株について、キシロオリゴ糖の分解特性を示す特性図である。It is a characteristic view which shows the decomposition | disassembly characteristic of xylo-oligosaccharide about TX1 strain | stump | stock. TX3410株について、キシロオリゴ糖の分解特性を示す特性図である。It is a characteristic view which shows the decomposition characteristic of xylo-oligosaccharide about TX3410 strain. TX3411株について、キシロオリゴ糖の分解特性を示す特性図である。It is a characteristic view which shows the decomposition characteristic of xylo-oligosaccharide about TX3411 strain. TX3412株について、キシロオリゴ糖の分解特性を示す特性図である。It is a characteristic view which shows the decomposition characteristic of xylo-oligosaccharide about TX3412 strain | stump | stock. TX1株、TX3410株、TX3411株及びTX3412株のエタノール生産性を示す特性図である。It is a characteristic view which shows ethanol productivity of TX1 strain, TX3410 strain, TX3411 strain and TX3412 strain. TX3411株、OC2-HUT株、OC2-XR-XDH-HK株及びTX1株についてPNPG活性を測定した結果を示す特性図である。It is a characteristic view which shows the result of having measured PNPG activity about TX3411 strain, OC2-HUT strain, OC2-XR-XDH-HK strain, and TX1 strain. TX3411株、OC2-HUT株、OC2-XR-XDH-HK株及びTX1株を培養し、エタノールの生産量を経時的に測定した結果を示す特性図である。FIG. 3 is a characteristic diagram showing the results of culturing TX3411 strain, OC2-HUT strain, OC2-XR-XDH-HK strain, and TX1 strain and measuring ethanol production over time. TX3411株、OC2-HUT株、OC2-XR-XDH-HK株及びTX1株を、酵素使用量等を変更して培養し、エタノールの生産量を経時的に測定した結果を示す特性図である。FIG. 4 is a characteristic diagram showing the results of culturing TX3411 strain, OC2-HUT strain, OC2-XR-XDH-HK strain, and TX1 strain while changing the amount of enzyme used and the like, and measuring the amount of ethanol produced over time.

以下、本発明を図面及び実施例を用いてより詳細に説明する。
<組換え酵母>
本発明に係る組換え酵母は、β−グルコシダーゼ遺伝子、キシロース代謝関連遺伝子及びβ−キシロシダーゼ遺伝子がゲノムに導入されている。これらβ−グルコシダーゼ遺伝子、キシロース代謝関連遺伝子及びβ−キシロシダーゼ遺伝子が発現することにより、本発明に係る組換え酵母は、β−グルコシダーゼ活性、キシロース代謝活性及びβ−キシロシダーゼ活性を有することとなる。
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the drawings and examples.
<Recombinant yeast>
In the recombinant yeast according to the present invention, a β-glucosidase gene, a xylose metabolism-related gene, and a β-xylosidase gene are introduced into the genome. By expressing these β-glucosidase gene, xylose metabolism-related gene, and β-xylosidase gene, the recombinant yeast according to the present invention has β-glucosidase activity, xylose metabolism activity, and β-xylosidase activity.

ここでβ−グルコシダーゼ活性とは、糖のβ-グリコシド結合を加水分解する反応を触媒する活性を意味する。すなわち、β−グルコシダーゼは、セロビオース等のセロオリゴ糖をグルコースに分解することができる。また、キシロース代謝活性とは、詳細を後述するが、キシロースを資化して、宿主となる酵母が本来的に有するエタノール発酵の代謝経路を利用してエタノールを生成する活性を意味する。さらに、β−キシロシダーゼ活性とは、キシロビオース等のキシロオリゴ糖を加水分解してキシロースとする反応を触媒する活性を意味する。   Here, β-glucosidase activity means an activity of catalyzing a reaction of hydrolyzing a β-glycoside bond of a sugar. That is, β-glucosidase can decompose cellooligosaccharides such as cellobiose into glucose. The xylose metabolic activity, as will be described in detail later, means the activity of assimilating xylose and producing ethanol using the metabolic pathway of ethanol fermentation inherently possessed by the yeast serving as the host. Furthermore, the β-xylosidase activity means an activity that catalyzes a reaction of hydrolyzing a xylo-oligosaccharide such as xylobiose into xylose.

これらβ−グルコシダーゼ遺伝子、キシロース代謝関連遺伝子及びβ−キシロシダーゼ遺伝子のうち、β−グルコシダーゼ遺伝子及びβ−キシロシダーゼ遺伝子は、それぞれ細胞表層提示型遺伝子として導入されることが好ましい。ここで、細胞表層提示型遺伝子とは、当該遺伝子がコードするタンパク質が細胞の表層にディスプレイされるように発現するように改変された遺伝子である。例えば、細胞表層提示型β−グルコシダーゼ遺伝子とは、β−グルコシダーゼ遺伝子と細胞表層局在タンパク質遺伝子とを融合した遺伝子である。細胞表層局在タンパク質とは、酵母の細胞表層に固定され、細胞表層に存在するタンパク質をいう。例えば、凝集性タンパク質であるα-またはa-アグルチニン、FLOタンパク質などが挙げられる。一般に細胞表層局在タンパク質は、N末端側に分泌シグナル配列及びC末端側にGPIアンカー付着認識シグナルを有している。分泌シグナルを有する点では分泌性タンパク質と共通しているが、細胞表層局在タンパク質はGPIアンカーを介して細胞膜に固定されて輸送される点が分泌性タンパク質と異なる。細胞表層局在タンパク質は、細胞膜通過の際、GPIアンカー付着認識シグナル配列が選択的に切断され、新たに突出したC末端部分でGPIアンカーと結合して細胞膜に固定される。その後ホスファチジルイノシトール依存性ホスホリパーゼC(PI-PLC)によりGPIアンカーの根元部分が切断される。ついで、細胞膜から切り離されたタンパク質は細胞壁に組み込まれて細胞表層に固定され、細胞表層に局在する(例えば、特開2006−174767号公報参照)。   Of these β-glucosidase genes, xylose metabolism-related genes, and β-xylosidase genes, the β-glucosidase gene and the β-xylosidase gene are preferably introduced as cell surface display type genes, respectively. Here, the cell surface display type gene is a gene modified so that a protein encoded by the gene is expressed so as to be displayed on the surface layer of the cell. For example, the cell surface display type β-glucosidase gene is a gene obtained by fusing a β-glucosidase gene and a cell surface localized protein gene. The cell surface localized protein refers to a protein that is fixed on the cell surface layer of yeast and is present on the cell surface layer. For example, α- or a-agglutinin which is an aggregating protein, FLO protein and the like can be mentioned. In general, a cell surface localized protein has a secretory signal sequence on the N-terminal side and a GPI anchor attachment recognition signal on the C-terminal side. Although it has the same secretory protein in that it has a secretion signal, the cell surface localized protein is different from the secreted protein in that it is transported by being immobilized on the cell membrane via a GPI anchor. When the cell surface localized protein passes through the cell membrane, the GPI anchor attachment recognition signal sequence is selectively cleaved, and is bound to the GPI anchor at the newly protruding C-terminal portion and fixed to the cell membrane. Thereafter, the base of the GPI anchor is cleaved by phosphatidylinositol-dependent phospholipase C (PI-PLC). Next, the protein separated from the cell membrane is incorporated into the cell wall, fixed to the cell surface layer, and localized on the cell surface layer (see, for example, JP-A-2006-174767).

β−グルコシダーゼ遺伝子
β−グルコシダーゼ遺伝子としては、特に限定されないが、例えば、Aspergillus aculeatus由来のβ−グルコシダーゼ遺伝子(Murai et al., Appl. Environ. Microbiol. 64:4857-4861)を挙げることができる。その他にも、β−グルコシダーゼ遺伝子としては、Aspergillus oryzae由来のβ−グルコシダーゼ遺伝子、Clostridium cellulovorans由来のβ−グルコシダーゼ遺伝子及びSaccharomycopsis fibligera由来のβ−グルコシダーゼ遺伝子等を利用することができる。
β-glucosidase gene The β-glucosidase gene is not particularly limited, and examples thereof include a β-glucosidase gene derived from Aspergillus aculeatus (Murai et al., Appl. Environ. Microbiol. 64: 4857-4861). In addition, as a β-glucosidase gene, a β-glucosidase gene derived from Aspergillus oryzae, a β-glucosidase gene derived from Clostridium cellulovorans, a β-glucosidase gene derived from Saccharomycopsis fibligera, and the like can be used.

キシロース代謝関連遺伝子
キシロース代謝関連遺伝子とは、キシロースをキシリトールに変換するキシロースリダクターゼをコードするキシロースリダクターゼ遺伝子、キシリトールをキシルロースに変換するキシリトールデヒドロゲナーゼをコードするキシリトールデヒドロゲナーゼ遺伝子及びキシルロースをリン酸化してキシルロース5-リン酸を生成するキシルロキナーゼをコードするキシルロキナーゼ遺伝子を含む意味である。なお、キシルロキナーゼにより生成されたキシルロース5-リン酸は、ペントースリン酸経路に入り代謝されることとなる。
Genes related to xylose metabolism Xylose metabolism-related genes are xylose reductase gene encoding xylose reductase that converts xylose to xylitol, xylitol dehydrogenase gene encoding xylitol dehydrogenase that converts xylitol to xylulose, and xylulose 5- It is meant to include a xylulokinase gene encoding xylulokinase that produces phosphate. Xylulose 5-phosphate produced by xylulokinase enters the pentose phosphate pathway and is metabolized.

酵母ゲノムに導入されるキシロース代謝関連遺伝子としては、特に限定されないが、Pichia stipitis由来のキシロースリダクターゼ遺伝子及びキシリトールデヒドロゲナーゼ遺伝子、Saccharomyces cerevisiae由来のキシルロキナーゼ遺伝子を挙げることができる(Eliasson A. et al., Appl. Environ. Microbiol, 66:3381-3386及びToivari MN et al., Metab. Eng.3:236-249参照)。その他にも、キシロースリダクターゼ遺伝子としては、Candida tropicalisやCandida prapsilosis由来のキシロースリダクターゼ遺伝子を利用することができる。キシリトールデヒドロゲナーゼ遺伝子としては、Candida tropicalisやCandida prapsilosis由来のキシリトールデヒドロゲナーゼ遺伝子を利用することができる。キシルロキナーゼ遺伝子としては、Pichia stipitis由来のキシルロキナーゼ遺伝子を利用することもできる。なお、ストレプトマイセスムリナスクラスター由来のキシロースイソメラーゼ遺伝子等を利用することもできる。   Examples of genes related to xylose metabolism introduced into the yeast genome include, but are not limited to, xylose reductase gene and xylitol dehydrogenase gene derived from Pichia stipitis, and xylulokinase gene derived from Saccharomyces cerevisiae (Eliasson A. et al. , Appl. Environ. Microbiol, 66: 3381-3386 and Toivari MN et al., Metab. Eng. 3: 236-249). In addition, a xylose reductase gene derived from Candida tropicalis or Candida prapsilosis can be used as the xylose reductase gene. As the xylitol dehydrogenase gene, a xylitol dehydrogenase gene derived from Candida tropicalis or Candida prapsilosis can be used. A xylulokinase gene derived from Pichia stipitis can also be used as the xylulokinase gene. A xylose isomerase gene derived from Streptomyces murinus cluster or the like can also be used.

β−キシロシダーゼ遺伝子
β−キシロシダーゼ遺伝子は、キシロオリゴ糖を加水分解してキシロースとする反応を触媒する活性を有するタンパク質をコードする遺伝子を意味する。β−キシロシダーゼ遺伝子としては、特に限定されず、如何なる生物種由来の遺伝子であっても使用することができる。
β-xylosidase gene The β-xylosidase gene means a gene encoding a protein having an activity of catalyzing a reaction of hydrolyzing xylo-oligosaccharide to xylose. The β-xylosidase gene is not particularly limited, and any gene derived from any species can be used.

特に、β−キシロシダーゼ遺伝子としては、Aspergillus oryzae由来のxylA遺伝子、Aspergillus nidulans由来のxlnD遺伝子、Aspergillus niger由来のxlnD遺伝子、Trichoderma reesei由来のbxlI遺伝子等を使用することができる。   In particular, as the β-xylosidase gene, an xylA gene derived from Aspergillus oryzae, an xlnD gene derived from Aspergillus nidulans, an xlnD gene derived from Aspergillus niger, a bxlI gene derived from Trichoderma reesei, and the like can be used.

一例として、Aspergillus oryzae由来のxylA遺伝子のコーディング領域の塩基配列を配列番号1に示し、xylA遺伝子によりコードされるβ−キシロシダーゼのアミノ酸配列を配列番号2に示す。なお、本発明においてβ−キシロシダーゼ遺伝子としては、配列番号1の塩基配列を有するものに限定されず、配列番号2のアミノ酸配列に対して80%以上の類似性、好ましくは90%以上の類似性、より好ましくは95%以上の類似性を有するアミノ酸配列を有し、β−キシロシダーゼ活性を有するタンパク質をコードする遺伝子を使用してもよい。ここで、塩基配列間の類似性は、FASTAやBLASTといった相同性検索ソフトウェアをデフォルトの設定で算出することができる。   As an example, the base sequence of the coding region of the xylA gene derived from Aspergillus oryzae is shown in SEQ ID NO: 1, and the amino acid sequence of β-xylosidase encoded by the xylA gene is shown in SEQ ID NO: 2. In the present invention, the β-xylosidase gene is not limited to the one having the nucleotide sequence of SEQ ID NO: 1, but 80% or more similarity, preferably 90% or more similarity to the amino acid sequence of SEQ ID NO: 2. More preferably, a gene encoding a protein having an amino acid sequence having a similarity of 95% or more and having β-xylosidase activity may be used. Here, the similarity between base sequences can be calculated using homology search software such as FASTA and BLAST with default settings.

また、所定のタンパク質がβ−キシロシダーゼ活性を有するか否かは、キシロビオース等のキシロオリゴ糖を含む反応溶液に当該タンパク質を添加し、キシロースの生成量を測定することで評価できる。   Whether or not a given protein has β-xylosidase activity can be evaluated by adding the protein to a reaction solution containing a xylooligosaccharide such as xylobiose and measuring the amount of xylose produced.

組換え酵母の作製
上述したβ−グルコシダーゼ遺伝子、キシロース代謝関連遺伝子及びβ−キシロシダーゼ遺伝子を宿主となる酵母ゲノムに導入することにより、本発明に係る組換え酵母を作製することができる。
Production of Recombinant Yeast The recombinant yeast according to the present invention can be produced by introducing the β-glucosidase gene, the xylose metabolism-related gene and the β-xylosidase gene described above into the yeast genome serving as a host.

上述した遺伝子を導入する際には、各遺伝子をそれぞれ多コピーで導入することが好ましい。各遺伝子をそれぞれ多コピーで導入する方法としては、特に限定されないが、例えば、複数の選抜マーカーを有する酵母のホモタリック性を利用した方法を適用することができる。特開2009−34036号公報において、ホモタリック性を有する酵母を利用して、簡便にゲノムへの多コピー遺伝子導入が可能となるといった技術を開示した。例えば、特開2009−34036号公報で開示された方法及び形質転換用酵母を利用することで、上述した各遺伝子を多コピーで導入することができる。   When introducing the above-described genes, it is preferable to introduce each gene in multiple copies. A method for introducing each gene in multiple copies is not particularly limited. For example, a method using homothallic properties of yeast having a plurality of selection markers can be applied. Japanese Patent Application Laid-Open No. 2009-34036 discloses a technique that makes it possible to easily introduce a multicopy gene into a genome by using yeast having homothallic properties. For example, by using the method disclosed in JP-A-2009-34036 and the yeast for transformation, each gene described above can be introduced in multiple copies.

ホモタリック性を有する酵母とは、ホモタリックな酵母と同義である。ホモタリック性を有する酵母としては、特に限定されず、如何なる酵母をも使用することができる。ホモタリック性を有する酵母としては、Saccharomyces cerevisiae OC-2株(NBRC2260)を挙げることができるが、これに限定されるものではない。その他にもホモタリック性を有する酵母としては、アルコール酵母(台研396号、NBRC0216)(出典:「アルコール酵母の諸特性」酒研会報、No37、p18-22(1998.8))、ブラジルと沖縄で分離したエタノール生産酵母(出典:「ブラジルと沖縄で分離したSaccharomyces cerevisiae野生株の遺伝学的性質」日本農芸化学会誌、Vol.65、No.4、p759-762(1991.4))及び180(出典「アルコール発酵力の強い酵母のスクリーニング」日本醸造協会誌、Vol.82、No.6、p439-443(1987.6))を挙げることができる。また、ヘテロタリックな表現型を示す酵母においても、HO遺伝子を発現可能に導入することによってホモタリック性を有する酵母として使用することができる。すなわち、本発明において、ホモタリック性を有する酵母とは、HO遺伝子を発現可能に導入された酵母も含む意味である。   Yeast having homothallic properties is synonymous with homothallic yeast. The yeast having homothallic properties is not particularly limited, and any yeast can be used. Examples of yeast having homothallic properties include, but are not limited to, Saccharomyces cerevisiae OC-2 strain (NBRC2260). Other yeasts with homothallic properties include alcoholic yeasts (Taken 396, NBRC0216) (Source: “Characteristics of Alcoholic Yeast”, Sakekenkai Bulletin, No37, p18-22 (1998.8)), isolated in Brazil and Okinawa Ethanol producing yeast (Source: “Genetic properties of wild strains of Saccharomyces cerevisiae isolated in Brazil and Okinawa” Journal of Japanese Agricultural Chemical Society, Vol. 65, No. 4, p759-762 (1991.4)) and 180 (Source: Alcohol The screening of yeast having a strong fermenting ability ”, Journal of Japan Brewing Association, Vol.82, No.6, p439-443 (1987.6)). In addition, even a yeast exhibiting a heterothallic phenotype can be used as a yeast having homothallic properties by introducing the HO gene so that it can be expressed. That is, in the present invention, the yeast having homothallic properties is meant to include yeast into which the HO gene has been introduced so as to be expressed.

なかでも、Saccharomyces cerevisiae OC-2株は、従来ワイン醸造の場面で利用されてきた安全性を確認されている菌株であるため好ましい。また、Saccharomyces cerevisiae OC-2株は、後述する実施例で示したように、高糖濃度の条件下におけるプロモーター活性が優れた菌株であるため好ましい。特にSaccharomyces cerevisiae OC-2株は、高糖濃度条件においてピルビン酸脱炭酸酵素遺伝子(PDC1)のプロモーター活性が優れているため好ましい。   Of these, the Saccharomyces cerevisiae OC-2 strain is preferable because it is a strain that has been confirmed to be safe and has been used in the winemaking scene. Further, the Saccharomyces cerevisiae OC-2 strain is preferable because it has excellent promoter activity under conditions of high sugar concentration, as shown in the Examples described later. In particular, the Saccharomyces cerevisiae OC-2 strain is preferable because it has an excellent promoter activity of the pyruvate decarboxylase gene (PDC1) under high sugar concentration conditions.

また、導入する遺伝子のプロモーターとしては、特に限定されないが、例えばグリセルアルデヒド3リン酸デヒドロゲナーゼ遺伝子(TDH3)のプロモーター、3-ホスホグリセレートキナーゼ遺伝子(PGK1)のプロモーター、高浸透圧応答7遺伝子(HOR7)のプロモーターなどが利用可能である。なかでもピルビン酸脱炭酸酵素遺伝子(PDC1)のプロモーターが下流の目的遺伝子を高発現させる能力が高いために好ましい。   Further, the promoter of the gene to be introduced is not particularly limited. For example, the promoter of glyceraldehyde 3-phosphate dehydrogenase gene (TDH3), the promoter of 3-phosphoglycerate kinase gene (PGK1), the hyperosmotic response 7 gene ( HOR7) promoters can be used. Of these, the pyruvate decarboxylase gene (PDC1) promoter is preferred because of its high ability to highly express a downstream target gene.

すなわち、上述した遺伝子は、発現を制御するプロモーターやその他の発現制御領域とともに、ホモタリック性を有する酵母のゲノムに導入してもよい。または、上述した遺伝子若しくはその細胞表層提示型遺伝子は、ホモタリック性を有する酵母のゲノムに本来的に存在する遺伝子のプロモーターやその他の発現制御領域により発現制御されるように導入してもよい。特に、ホモタリック性を有する酵母における高浸透圧応答7(HOR7)遺伝子のプロモーターを含む発現制御領域の下流に、すなわち、当該発現制御領域により発現制御されるように上述した遺伝子を導入することが好ましい。   That is, the gene described above may be introduced into the genome of yeast having homothallic properties together with a promoter controlling expression and other expression control regions. Alternatively, the above-described gene or its cell surface display-type gene may be introduced so that expression is controlled by a promoter of a gene originally present in the genome of yeast having homothallic properties or other expression control regions. In particular, it is preferable to introduce the gene described above downstream of the expression control region containing the promoter of the hyperosmotic response 7 (HOR7) gene in yeast having homothallic properties, that is, so that the expression is controlled by the expression control region. .

また、上述した遺伝子を導入する方法としては、酵母の形質転換方法として知られている従来公知のいかなる手法をも適用することができる。具体的には、例えば、例えば、エレクトロポレーション法“Meth. Enzym., 194, p182 (1990)”、スフェロプラスト法“Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 75 p1929(1978)”、酢酸リチウム法“J.Bacteriology, 153, p163(1983)”、Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 75 p1929 (1978)、Methods in yeast genetics, 2000 Edition : A Cold Spring Harbor Laboratory Course Manualなどに記載の方法で実施可能であるが、これに限定されない。   In addition, as a method for introducing the above-described gene, any conventionally known technique known as a yeast transformation method can be applied. Specifically, for example, electroporation method “Meth. Enzym., 194, p182 (1990)”, spheroplast method “Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 75 p1929 (1978)”, acetic acid Lithium method “J. Bacteriology, 153, p163 (1983)”, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 75 p1929 (1978), Methods in yeast genetics, 2000 Edition: A Cold Spring Harbor Laboratory Course Manual, etc. The method can be implemented, but is not limited thereto.

なお、細胞表層型β−グルコシダーゼ遺伝子及び細胞表層型β−キシロシダーゼ遺伝子についても、上述した材料及び方法を適用して酵母ゲノムに導入することができる。細胞表層型遺伝子を導入した酵母は、いわゆるアーミング酵母である。アーミング酵母とは、細胞表層局在タンパク質と種々の機能性タンパク質(酵素・抗原・抗体・レポータータンパク質など)やペプチドを融合させ、細胞表層にディスプレイさせることにより、通常の酵母では有していない新しい機能を有する、あるいは元来有している機能を増強した酵母細胞のことをいう。また、細胞表層とは、細胞膜・細胞壁ならびにその間の空間であるペリプラズムのことであり、これらの層を利用し上記の様な要件を満たす酵母細胞をアーミング酵母という。すなわち、細胞表層型にβ−グルコシダーゼ及びβ−キシロシダーゼを提示する酵母は、アーミング酵母の創製について詳述された公開特許公報(特開平11-290078、WO02/085935)基づいて創製することができる。   The cell surface type β-glucosidase gene and the cell surface type β-xylosidase gene can also be introduced into the yeast genome by applying the materials and methods described above. Yeast into which a cell surface type gene has been introduced is a so-called arming yeast. Arming yeast is a new type that does not exist in normal yeast by fusing cell surface localized proteins with various functional proteins (enzymes, antigens, antibodies, reporter proteins, etc.) and peptides and displaying them on the cell surface. A yeast cell having a function or having an originally enhanced function. The cell surface layer is a periplasm which is a cell membrane, a cell wall, and a space between them, and a yeast cell that uses these layers and satisfies the above requirements is called an arming yeast. That is, a yeast that presents β-glucosidase and β-xylosidase on the cell surface type can be created based on published patent publications (JP-A-11-290078, WO02 / 085935) detailing the creation of arming yeast.

<エタノール製造>
以上で説明した組換え酵母は、β−キシロシダーゼ遺伝子(好ましくは細胞表層提示型β−キシロシダーゼ遺伝子)を導入しているため、β−キシロシダーゼ活性を示すことができる。すなわち、当該組換え酵母は、培地に含まれるキシロビオース等のキシロオリゴ糖を加水分解してキシロースを生成することができる。また、当該組換え酵母は、キシロース代謝関連遺伝子を導入しているため、キシロースを資化してエタノールを生成することができる。したがって、当該組換え酵母は、培地に含まれるキシロオリゴ糖からキシロースを生成するとともに、培地に含まれるキシロース及び生成したキシロースを資化してエタノールを生成することができる。
<Ethanol production>
Since the recombinant yeast described above has a β-xylosidase gene (preferably a cell surface display β-xylosidase gene) introduced therein, it can exhibit β-xylosidase activity. That is, the recombinant yeast can produce xylose by hydrolyzing xylooligosaccharides such as xylobiose contained in the medium. In addition, since the recombinant yeast has introduced a xylose metabolism-related gene, xylose can be assimilated to produce ethanol. Therefore, the recombinant yeast can produce xylose from the xylooligosaccharide contained in the medium, and can assimilate the xylose contained in the medium and the produced xylose to produce ethanol.

当該組換え酵母は、上述のようにキシロース生成能とエタノール生成能を有するため、セルロース及び/又はヘミセルロースを含有する培地を使用した、いわゆる同時糖化発酵処理に利用することが好ましい。ここで、同時糖化発酵処理とは、セルロース系バイオマスを糖化する工程とエタノール発酵工程とを区別せずに同時に実施する処理を意味する。なお、同時糖化発酵処理に先立って、セルロース系バイオマスに対して従来公知の前処理を施しても良い。前処理としては、特に限定されないが、例えば、リグニンを微生物によって分解する処理や、セルロース系バイオマスの粉砕処理等を挙げることができる。   Since the recombinant yeast has a xylose producing ability and an ethanol producing ability as described above, it is preferably used for so-called simultaneous saccharification and fermentation treatment using a medium containing cellulose and / or hemicellulose. Here, the simultaneous saccharification and fermentation treatment means a treatment that is carried out simultaneously without distinguishing between the step of saccharifying cellulosic biomass and the ethanol fermentation step. Prior to the simultaneous saccharification and fermentation treatment, a conventionally known pretreatment may be applied to the cellulosic biomass. Although it does not specifically limit as pre-processing, For example, the process which decomposes | disassembles a lignin with microorganisms, the grinding | pulverization process of a cellulose biomass, etc. can be mentioned.

糖化方法としては、特に限定されないが、セルラーゼやヘミセルラーゼ等のセルラーゼ製剤を利用する酵素法等を挙げることができる。セルラーゼ製剤は、セルロース鎖及びヘミセルロース鎖の分解に関与する複数の酵素を含んでおり、エンドグルカナーゼ活性、エンドキシラナーゼ活性、セロビオヒドロラーゼ活性、グルコシダーゼ活性及びキシロシダーゼ活性等の複数の活性を示す。セルラーゼ製剤としては、特に限定されないが、例えば、Trichoderma reeseiや、Acremonium cellulolyticusなどが生産するセルラーゼを挙げることができる。セルラーゼ製剤としては、市販されているものを使用しても良い。   The saccharification method is not particularly limited, and examples thereof include an enzyme method using a cellulase preparation such as cellulase or hemicellulase. The cellulase preparation contains a plurality of enzymes involved in the degradation of cellulose chains and hemicellulose chains, and exhibits a plurality of activities such as endoglucanase activity, endoxylanase activity, cellobiohydrolase activity, glucosidase activity, and xylosidase activity. Although it does not specifically limit as a cellulase formulation, For example, the cellulase which Trichoderma reesei, Acremonium cellulolyticus, etc. produce can be mentioned. As the cellulase preparation, a commercially available product may be used.

同時糖化発酵処理では、セルロース系バイオマス(前処理後であってもよい)を含む培地にセルラーゼ製剤と上述した組換え微生物とを加え、所定の温度範囲で当該組換え酵母を培養する。培養温度としては特に限定されないが、エタノール発酵の効率を考慮して25〜45℃とすることができ、30〜40℃とすることが好ましい。また、培養液のpHを4〜6とすることが好ましい。また、培養に際して、攪拌や振とうしてもよい。   In the simultaneous saccharification and fermentation treatment, a cellulase preparation and the above-described recombinant microorganism are added to a medium containing cellulosic biomass (which may be after pretreatment), and the recombinant yeast is cultured in a predetermined temperature range. Although it does not specifically limit as culture | cultivation temperature, Considering the efficiency of ethanol fermentation, it can be set to 25-45 degreeC, and it is preferable to set it as 30-40 degreeC. Further, the pH of the culture solution is preferably 4-6. Moreover, you may stir and shake in the case of culture | cultivation.

後述の実施例に示すように、同時糖化発酵処理に使用するセルラーゼ製剤は、セルロース鎖及びヘミセルロース鎖の分解に関与する複数の酵素活性のうちβ−キシロシダーゼ活性が低い。β−キシロシダーゼの反応至適温度は約70℃であるため、培養温度近傍ではその酵素活性が約1/3程度に低下することが報告されている。すなわち、従来、セルラーゼ製剤を用いて同時糖化発酵処理を行う場合、セロビオース等のキシロオリゴ糖の加水分解が不十分であり、キシランやヘミセルロースを十分にキシロースとしてエタノール発酵に利用できていなかった。しかしながら、本発明において、上述した組換え酵母を使用しているため、セルラーゼ製剤による糖化、特にキシロースの生成量を向上させることができる。その結果、上述した組換え酵母を利用した同時糖化発酵処理では、より多くのキシロースを利用することができエタノールの生産性が向上することとなる。   As shown in Examples described later, the cellulase preparation used for the simultaneous saccharification and fermentation treatment has a low β-xylosidase activity among a plurality of enzyme activities involved in the degradation of the cellulose chain and the hemicellulose chain. Since the optimal reaction temperature of β-xylosidase is about 70 ° C., it has been reported that the enzyme activity decreases to about 1/3 around the culture temperature. That is, conventionally, when simultaneous saccharification and fermentation treatment is performed using a cellulase preparation, hydrolysis of xylooligosaccharides such as cellobiose is insufficient, and xylan and hemicellulose cannot be sufficiently used as xylose for ethanol fermentation. However, since the above-described recombinant yeast is used in the present invention, the amount of saccharification by cellulase preparation, particularly xylose, can be improved. As a result, in the simultaneous saccharification and fermentation treatment using the above-described recombinant yeast, more xylose can be used and ethanol productivity is improved.

本発明に係る組換え酵母を利用したエタノールの製造方法では、同時糖化発酵処理の後、培地からエタノールを回収する。エタノールの回収方法は、特に限定されず、従来公知のいかなる方法も適用することができる。例えば、上述したエタノール発酵が終了した後、固液分離操作によってエタノールを含む液層と、組換え酵母や固形成分を含有する固層とを分離する。その後、液層に含まれるエタノールを蒸留法によって分離・精製することで、純度の高いエタノールを回収することができる。なお、エタノールの精製度は、エタノールの使用目的にあわせて適宜調整することができる。   In the method for producing ethanol using the recombinant yeast according to the present invention, ethanol is recovered from the medium after the simultaneous saccharification and fermentation treatment. The method for recovering ethanol is not particularly limited, and any conventionally known method can be applied. For example, after the above-described ethanol fermentation is completed, a liquid layer containing ethanol and a solid layer containing recombinant yeast and solid components are separated by solid-liquid separation operation. Thereafter, ethanol contained in the liquid layer is separated and purified by a distillation method, whereby high purity ethanol can be recovered. The purity of ethanol can be adjusted as appropriate according to the intended use of ethanol.

以下、実施例を用いて本発明をより詳細に説明するが、本発明の技術的範囲は以下の実施例に限定されるものではない。
〔実施例1〕
本実施例では、Saccharomyces cerevisiae OC-2株にヒスチジン要求性、ウラシル要求性及びトリプトファン要求性を付与したOC2-HUT株を使用した。このOC2-HUT株の作製方法については、特開2010−035556号公報に詳述されている。本実施例では、このOC2-HUT株に対して、2コピーの細胞表層提示型β−グルコシダーゼ遺伝子、2コピーのキシロース代謝関連遺伝子及び2コピーの細胞表層提示型β−キシロシダーゼ遺伝子を導入した。
EXAMPLES Hereinafter, although this invention is demonstrated in detail using an Example, the technical scope of this invention is not limited to a following example.
[Example 1]
In this example, an OC2-HUT strain in which histidine requirement, uracil requirement and tryptophan requirement were imparted to the Saccharomyces cerevisiae OC-2 strain was used. The method for producing this OC2-HUT strain is described in detail in JP 2010-035556 A. In this example, 2 copies of the cell surface display β-glucosidase gene, 2 copies of the xylose metabolism-related gene, and 2 copies of the cell surface display β-xylosidase gene were introduced into the OC2-HUT strain.

<プラスミドの作製>
細胞表層提示型β−グルコシダーゼ遺伝子を導入する際には、pABGL-PDC1P(HIS3マーカー)を制限酵素AscIで線状化したプラスミドを使用した。プラスミドpABGL-PDC1Pについては、特開2010−035556号公報に詳述されている。
<Plasmid preparation>
When introducing the cell surface display β-glucosidase gene, a plasmid in which pABGL-PDC1P (HIS3 marker) was linearized with the restriction enzyme AscI was used. The plasmid pABGL-PDC1P is described in detail in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2010-035556.

キシロース代謝関連遺伝子を導入する際には、pIUX1X2Xk(URA3マーカー)を制限酵素NcoIで線状化したプラスミドを使用した。プラスミドpIUX1X2Xkについては、S. Katahira et al., Appl. Microbiol. Biotechnol. (2006) 72: 1136-1143に開示されており、キシロースリダクターゼ遺伝子、キシリトールデヒドロゲナーゼ遺伝子及びキシルロキナーゼ遺伝子がそれぞれGAPDHプロモーターの制御下に発現可能に導入されたプラスミドである。   When introducing a gene related to xylose metabolism, a plasmid in which pIUX1X2Xk (URA3 marker) was linearized with the restriction enzyme NcoI was used. The plasmid pIUX1X2Xk is disclosed in S. Katahira et al., Appl. Microbiol. Biotechnol. (2006) 72: 1136-1143, and the xylose reductase gene, xylitol dehydrogenase gene and xylulokinase gene are respectively controlled by the GAPDH promoter. A plasmid introduced so as to allow expression below.

また、本実施例では、細胞表層提示型β−キシロシダーゼ遺伝子を導入する際に使用する、プロモーターの異なる3種類のプラスミド(pHPDC1-xylAfAG、pHHOR7-xylAfAG及びpHTDH2-xylAfAG)を作製した。これらプラスミドの作製手順を図1に示す。   Moreover, in this example, three types of plasmids (pHPDC1-xylAfAG, pHHOR7-xylAfAG and pHTDH2-xylAfAG) having different promoters used for introducing the cell surface-presenting β-xylosidase gene were prepared. The procedure for preparing these plasmids is shown in FIG.

先ず、S. Katahira et al., Appl. Environ. Microbiol. Sept. 2004, p. 5407-5414に開示されたpCUSxylAfを鋳型とし、一対のプライマーBssHII-EcoRI-NotI_GLAss_fw及びBssHII_3'AGterm_rvを用いたPCRにより、シグナルペプチド(図中「s.s」)と、Aspergillus oryzae由来のβ−キシロシダーゼ遺伝子(XylA)と、FLAGタグと、3'-half α-agglutininとをこの順で含む3893bpのDNA断片を増幅した。得られたDNA断片とStratagene社製のpRS403とをそれぞれBssHIIで処理し、その後、これらを連結することで、プラスミドpRS403-xylAfAGを作製した。   First, by pCUSxylAf disclosed in S. Katahira et al., Appl. Environ. Microbiol. Sept. 2004, p. 5407-5414 as a template, PCR using a pair of primers BssHII-EcoRI-NotI_GLAss_fw and BssHII_3′AGterm_rv A 3893 bp DNA fragment containing a signal peptide (“ss” in the figure), a β-xylosidase gene (XylA) derived from Aspergillus oryzae, a FLAG tag, and 3′-half α-agglutinin in this order was amplified. The obtained DNA fragment and pRS403 manufactured by Stratagene were each treated with BssHII, and then ligated to prepare plasmid pRS403-xylAfAG.

一方、S. cerevisiae YPH449株のゲノムDNAを鋳型とし、一対のプライマーEcoRI_PDC1_fw及びNotI_PDC1_rvを用いたPCRにより、PDC1プロモーターを含む約650bpのDNA断片を増幅した。同様に、一対のプライマーEcoRI_HOR7_fw及びNotI_HOR7_rvを用いたPCRにより、HOR7プロモーターを含む約1000bpのDNA断片を増幅した。同様に、一対のプライマーEcoRI_TDH2_fw及びNotI_TDH2_rvを用いたPCRにより、HOR7プロモーターを含む約1000bpのDNA断片を増幅した。   On the other hand, a DNA fragment of about 650 bp containing the PDC1 promoter was amplified by PCR using the genomic DNA of S. cerevisiae YPH449 strain as a template and a pair of primers EcoRI_PDC1_fw and NotI_PDC1_rv. Similarly, an approximately 1000 bp DNA fragment containing the HOR7 promoter was amplified by PCR using a pair of primers EcoRI_HOR7_fw and NotI_HOR7_rv. Similarly, an about 1000 bp DNA fragment containing the HOR7 promoter was amplified by PCR using a pair of primers EcoRI_TDH2_fw and NotI_TDH2_rv.

これらプロモーターを含む3種類のDNA断片を、それぞれEcoRI及びNotIで処理した。得られた3種のDNA断片を、EcoRI及びNotIで処理したプラスミドpRS403-xylAfAGにそれぞれライゲーションし、3種類のプラスミドpHPDC1-xylAfAG、pHHOR7-xylAfAG及びpHTDH2-xylAfAGを作製した。
なお、以下に本実施例で使用したプライマーの塩基配列を示した。
Three types of DNA fragments containing these promoters were treated with EcoRI and NotI, respectively. The obtained three types of DNA fragments were ligated to plasmids pRS403-xylAfAG treated with EcoRI and NotI, respectively, to prepare three types of plasmids pHPDC1-xylAfAG, pHHOR7-xylAfAG, and pHTDH2-xylAfAG.
In addition, the base sequence of the primer used in the present Example is shown below.

Figure 2012065604
Figure 2012065604

<形質転換>
まず、AscI処理したプラスミドpABGL-PDC1PをOC2-HUT株に形質転換し、SD+ウラシル+ヒスチジンプレートで選択した。得られた形質転換株は染色体の片側にプラスミド断片が導入されているため胞子形成後トリプトファン原栄養株を分離することでpABGL-PDC1Pが2コピー導入された組換え株を作製した。
<Transformation>
First, the plasmid pABGL-PDC1P treated with AscI was transformed into the OC2-HUT strain and selected with SD + uracil + histidine plate. Since the resulting transformant had a plasmid fragment introduced on one side of the chromosome, a tryptophan prototrophic strain was isolated after sporulation to produce a recombinant strain into which two copies of pABGL-PDC1P had been introduced.

次に、NcoI処理したプラスミドpIUX1X2Xkを上記組換え株に形質転換した。形質転換にはFrozen-EZ Yeast Transformation II(Zymo Research社)を使用した。選択プレートはSDプレートを用い、形質転換により得られたコロニーをSD+ヒスチジンプレートで選択した。同様に胞子形成後、ウラシル原栄養株を分離することで上記組換え株にpIUX1X2XKが2コピー導入された組換え株を作製した。   Next, plasmid pIUX1X2Xk treated with NcoI was transformed into the above recombinant strain. Frozen-EZ Yeast Transformation II (Zymo Research) was used for transformation. The selection plate was an SD plate, and colonies obtained by transformation were selected on an SD + histidine plate. Similarly, after spore formation, a uracil prototrophic strain was isolated to prepare a recombinant strain in which two copies of pIUX1X2XK were introduced into the above recombinant strain.

最後に、NdeIで線状化したpHPDC1-xylAfAG、pHHOR7-xylAfAG又はpHTDH2-xylAfAGを上記株に形質転換した。そして、同様に、ヒスチジン原栄養株を取得した。こうしてOC2-HUT株を宿主として2コピーのpABGL-PDC1P及び2コピーのpIUX1X2XKが導入され、更に2コピーのpHPDC1-xylAfAGが導入されたTX3410株、2コピーのpHHOR7-xylAfAGが導入されたTX3411株及び2コピーのpHTDH2-xylAfAGが導入されたTX3412株を作製した。   Finally, pHCDC1-xylAfAG, pHHOR7-xylAfAG or pHTDH2-xylAfAG linearized with NdeI was transformed into the above strain. And the histidine prototrophic strain was acquired similarly. In this way, 2 copies of pABGL-PDC1P and 2 copies of pIUX1X2XK were introduced using the OC2-HUT strain as a host, and TX3410 strain into which 2 copies of pHPDC1-xylAfAG were introduced, TX3411 strain into which 2 copies of pHHOR7-xylAfAG were introduced, and A TX3412 strain into which two copies of pHTDH2-xylAfAG were introduced was prepared.

〔実施例2〕
本実施例では、実施例1で作製したTX3410株、TX3411株及びTX3412株並びに比較のためのTX1株について、キシロオリゴ糖の分解特性を評価した。
[Example 2]
In this example, the degradation characteristics of xylooligosaccharides were evaluated for the TX3410 strain, TX3411 strain and TX3412 strain prepared in Example 1 and the TX1 strain for comparison.

試験は以下のように行った。20%(w/w)のキシロオリゴ糖95p(サントリー社製)、1%(w/w)のyeast extract及び2%(w/w)のbacto peptoneを含む培養液に、菌体濃度がOD660=4となるように各株を接種した。なお、培養液は60mlとし、100mlのフラスコ容器を使用した。培養温度を37℃とし、150rpmで振盪しながら培養を行った。   The test was conducted as follows. In a culture solution containing 20% (w / w) xylooligosaccharide 95p (manufactured by Suntory), 1% (w / w) yeast extract and 2% (w / w) bacto peptone, the cell concentration is OD660 = Each strain was inoculated to be 4. The culture solution was 60 ml, and a 100 ml flask container was used. The culture temperature was 37 ° C., and the culture was performed while shaking at 150 rpm.

反応開始時、反応開始から6時間、24時間、30時間及び48時間後の培養液に含まれるエタノール、キシロース、キシロビオース及びキシロトリオースの濃度を測定した。   At the start of the reaction, the concentrations of ethanol, xylose, xylobiose and xylotriose contained in the culture solution 6 hours, 24 hours, 30 hours and 48 hours after the start of the reaction were measured.

比較のためのTX1株を用いた試験の結果を図2に示す。図2から判るように、培養開始から24時間程度で培地に含まれるキシロースを完全に消費しており、エタノールの生産量も増加していない。これはTX1株にはβ−キシロシダーゼ活性がないため、キシロビオースやキシロトリオースをキシロースへ分解できないことを示している。   The result of the test using TX1 strain for comparison is shown in FIG. As can be seen from FIG. 2, the xylose contained in the medium was completely consumed in about 24 hours from the start of the culture, and the amount of ethanol produced did not increase. This indicates that xylobiose and xylotriose cannot be decomposed into xylose because TX1 strain does not have β-xylosidase activity.

また、TX3410株、TX3411株及びTX3412株を用いた試験の結果を、それぞれ図3、4及び5に示す。図3乃至5に示すように、培養開始から48時間を経過しても培地中のキシロビオース及びキシロトリオースは減少し、キシロースは増加していることが判る。これは、TX3410株、TX3411株及びTX3412株に導入された細胞表層提示型β−キシロシダーゼ遺伝子が機能し、これらTX3410株、TX3411株及びTX3412株がβ−キシロシダーゼ活性を有することを示している。また、図3乃至5から判るように、TX3410株、TX3411株及びTX3412株を用いた場合は、TX1株を用いた場合と比較してエタノールの生産量も大幅に向上している。これは、TX3410株、TX3411株及びTX3412株に導入されたキシロース代謝関連遺伝子が機能しており、上述したβ−キシロシダーゼ活性により生産されたキシロースがエタノール発酵に利用されていることを示している。   Moreover, the result of the test using TX3410 strain, TX3411 strain and TX3412 strain is shown in FIGS. 3, 4 and 5, respectively. As shown in FIGS. 3 to 5, it can be seen that xylobiose and xylotriose in the medium decreased and xylose increased even after 48 hours from the start of culture. This indicates that the cell surface display β-xylosidase gene introduced into the TX3410 strain, TX3411 strain, and TX3412 strain functions, and that the TX3410 strain, TX3411 strain, and TX3412 strain have β-xylosidase activity. Further, as can be seen from FIGS. 3 to 5, when the TX3410 strain, TX3411 strain, and TX3412 strain are used, the production amount of ethanol is greatly improved as compared with the case where the TX1 strain is used. This indicates that the xylose metabolism-related genes introduced into the TX3410 strain, TX3411 strain and TX3412 strain are functioning, and the xylose produced by the β-xylosidase activity described above is used for ethanol fermentation.

さらに、図3乃至5に示した結果を比較すると、図5に示したTX3411株を使用した場合にエタノールの生産量が最も優れることが判る。すなわち、細胞表層提示型β−キシロシダーゼ遺伝子の発現を制御するプロモーターとしては、HOR7プロモーターを使用することが好ましい。HOR7プロモーターを使用することで、細胞表層提示型β−キシロシダーゼ遺伝子をより高発現でき、エタノール生産性を向上させることができる。なお、図2乃至5に示した結果から、TX1株、TX3410株、TX3411株及びTX3412株のエタノール生産性についてまとめて比較した結果を図6に示した。   Furthermore, when the results shown in FIGS. 3 to 5 are compared, it can be seen that the ethanol production is most excellent when the TX3411 strain shown in FIG. 5 is used. That is, it is preferable to use the HOR7 promoter as the promoter that controls the expression of the cell surface-presenting β-xylosidase gene. By using the HOR7 promoter, the cell surface display-type β-xylosidase gene can be expressed at a higher level, and the ethanol productivity can be improved. From the results shown in FIGS. 2 to 5, FIG. 6 shows the results of a comparison of ethanol productivity of the TX1 strain, TX3410 strain, TX3411 strain and TX3412 strain collectively.

〔実施例3〕
本実施例では、TX3411株を代表例として使用し、セルロース系バイオマスの同時糖化発酵のモデル系におけるPNPG活性を検討した。なおPNPG活性は、β-グルコシダーゼ活性の指標である。すなわち、β-グルコシダーゼがPNPGを基質としてp-nitrophenolとD-glucoseを生成するので、p-nitrophenol量を測定することでβ-グルコシダーゼ活性を検証することができる。なお、PNPG活性は、下記の条件で1分間に1マイクロモルのp-nitrophenolを生成する酵素量を1Uと定義した。
Example 3
In this example, TX3411 strain was used as a representative example, and PNPG activity in a model system for simultaneous saccharification and fermentation of cellulosic biomass was examined. The PNPG activity is an index of β-glucosidase activity. That is, since β-glucosidase generates p-nitrophenol and D-glucose using PNPG as a substrate, β-glucosidase activity can be verified by measuring the amount of p-nitrophenol. For PNPG activity, the amount of enzyme that produces 1 micromole of p-nitrophenol per minute under the following conditions was defined as 1 U.

測定に使用する試薬は下記の通りである。
・0.1M 酢酸緩衝液 pH5.0(25℃)
・20mM PNPG水溶液(603mgのPNPGを100mlの蒸留水に溶解)
・0.2M Na2CO3溶液(21.2gの無水炭酸ナトリウムを蒸留水1lに溶解)
測定の手順は、先ず試験管に反応混液(1.0mlの0.1M酢酸緩衝液及び0.5mlのPNPG水溶液)を調整し、37℃で約5分間予備加温した。次に、希釈した培養液を0.5ml加え、反応を開始した。次に、37℃で正確に15分間反応させた後、Na2CO3溶液2mlを加え、反応を停止した。次に、反応液における400nm吸光度を測定した。盲検は反応液を37℃で15分間放置後、Na2CO3溶液2mlを加えて混和し、次いで酵素溶液0.5mlを加えて調整した。
The reagents used for the measurement are as follows.
・ 0.1M acetate buffer pH5.0 (25 ℃)
・ 20mM PNPG aqueous solution (603mg PNPG dissolved in 100ml distilled water)
・ 0.2M Na 2 CO 3 solution (21.2 g of anhydrous sodium carbonate dissolved in 1 liter of distilled water)
The measurement procedure was as follows. First, a reaction mixture (1.0 ml of 0.1 M acetate buffer and 0.5 ml of PNPG aqueous solution) was prepared in a test tube, and pre-warmed at 37 ° C. for about 5 minutes. Next, 0.5 ml of the diluted culture solution was added to start the reaction. Then, after exactly allowed to react for 15 minutes at 37 ° C., was added a solution of Na 2 CO 3 2 ml, the reaction was stopped. Next, the 400 nm absorbance in the reaction solution was measured. In the blind test, the reaction solution was allowed to stand at 37 ° C. for 15 minutes, 2 ml of Na 2 CO 3 solution was added and mixed, and then 0.5 ml of enzyme solution was added and adjusted.

なお、本実施例では、TX3411株と比較するため、OC2-HUT株、OC2-HUT株にプラスミドpIUX1X2Xkのみを導入したOC2-XR-XDH-HK株及びTX1株についても同様にPNPG活性を測定した。本実施例では、培地組成:4%(w/w)のKCフロック、4%(w/w)のBirchwood xylan、1%(w/w)のyeast extract、2%(w/w)のbacto peptone(w/w) 及び3%(w/w)のセルラーゼ製剤(NS50013)の培地を使用した。菌体濃度がOD660=6となるように各株を接種した。なお、培養液は30mlとし、100mlのフラスコ容器を使用した。培養温度を37℃とし、80rpmで振盪しながら培養を行った。   In this example, for comparison with the TX3411 strain, OC2-HUT strain, OC2-XR-XDH-HK strain in which only the plasmid pIUX1X2Xk was introduced into the OC2-HUT strain, and TX1 strain were similarly measured for PNPG activity. . In this example, medium composition: 4% (w / w) KC floc, 4% (w / w) Birchwood xylan, 1% (w / w) yeast extract, 2% (w / w) bacto Medium of peptone (w / w) and 3% (w / w) cellulase preparation (NS50013) was used. Each strain was inoculated so that the bacterial cell concentration was OD660 = 6. The culture solution was 30 ml, and a 100 ml flask container was used. The culture temperature was 37 ° C., and the culture was performed while shaking at 80 rpm.

反応開始時、反応開始から6時間、24時間、30時間及び48時間後の培養液についてPNPG活性を測定した。その結果を図7に示す。図7から判るように、細胞表層提示型β−グルコシダーゼ遺伝子を導入したTX1株及びTX3411株は、培養開始から経時的にPNPG活性が高くなっている。これに対して、β−グルコシダーゼ遺伝子を有しないOC2-HUT株及びOC2-XR-XDH-HK株においては、僅かなPNPG活性しか検出されなかった。これらOC2-HUT株及びOC2-XR-XDH-HK株を培養した際に検出されたPNPG活性は、培地に添加されたセルラーゼ製剤によるものと考えられる。TX3411株は、TX1株のPNPG活性よりは低いものの、セルラーゼ製剤によるβ−グルコシダーゼ活性と比較すると約4倍のPNPG活性を有しており、優れたβ−グルコシダーゼ活性を示すことが明らかとなった。したがって、TX3411株のみならず、実施例1で作製したTX3410株及びTX3412株についても、同時糖化発酵に適した特性を有することが示された。   At the start of the reaction, PNPG activity was measured for the culture broth 6 hours, 24 hours, 30 hours and 48 hours after the start of the reaction. The result is shown in FIG. As can be seen from FIG. 7, the TX1 strain and TX3411 strain into which the cell surface-presenting β-glucosidase gene was introduced have higher PNPG activity over time from the start of the culture. In contrast, only a slight PNPG activity was detected in the OC2-HUT strain and the OC2-XR-XDH-HK strain that do not have the β-glucosidase gene. The PNPG activity detected when these OC2-HUT strain and OC2-XR-XDH-HK strain were cultured is considered to be due to the cellulase preparation added to the medium. Although the TX3411 strain is lower than the PNPG activity of the TX1 strain, it has been shown to have an excellent β-glucosidase activity, having about four times the PNPG activity compared to the β-glucosidase activity of the cellulase preparation. . Therefore, it was shown that not only TX3411 strain but also TX3410 strain and TX3412 strain prepared in Example 1 have characteristics suitable for simultaneous saccharification and fermentation.

〔実施例4〕
本実施例では、TX3411株を代表例として使用し、セルロース系バイオマスの同時糖化発酵のモデル系におけるエタノール生産量を検討した。なお、本実施例では、実施例4に記載した条件で、TX3411株、OC2-HUT株、OC2-XR-XDH-HK株及びTX1株を培養し、エタノールの生産量を経時的に測定した。結果を図8に示す。
Example 4
In this example, the TX3411 strain was used as a representative example, and ethanol production in a model system for simultaneous saccharification and fermentation of cellulosic biomass was examined. In this example, the TX3411 strain, the OC2-HUT strain, the OC2-XR-XDH-HK strain, and the TX1 strain were cultured under the conditions described in Example 4, and the ethanol production was measured over time. The results are shown in FIG.

図8から判るように、TX3411株は、セルロース系バイオマスの同時糖化発酵のモデル系においてもTX1株よりも約20%高いエタノール生産性を達成することができた。すなわち、細胞表層提示型β−キシロシダーゼを導入することで、実際の同時糖化発酵処理においてもエタノール生産性を向上できることが明らかとなった。なお、OC2-HUT株を使用した場合、培養液にセルラーゼ製剤を含有しているにも拘わらず、殆どエタノールを生産することができなかった。これは、セルラーゼ製剤は、その至適温度である50℃を大きく下回る温度(37℃)ではセルラーゼ活性が顕著に低下するためであると考えられる。よって、実際の同時糖化発酵処理では、セルラーゼ製剤に加えてβ−キシロシダーゼ遺伝子及びβ−グルコシダーゼ遺伝子を導入したキシロース資化性を有する組換え酵母を利用することが好ましいと言える。   As can be seen from FIG. 8, the TX3411 strain was able to achieve about 20% higher ethanol productivity than the TX1 strain even in the model system for simultaneous saccharification and fermentation of cellulosic biomass. That is, it has been clarified that the ethanol productivity can be improved in the actual simultaneous saccharification and fermentation treatment by introducing the cell surface-presenting β-xylosidase. When the OC2-HUT strain was used, ethanol could hardly be produced even though the culture solution contained a cellulase preparation. This is presumably because the cellulase activity of the cellulase preparation significantly decreases at a temperature (37 ° C.) far below the optimum temperature of 50 ° C. Therefore, it can be said that in the actual simultaneous saccharification and fermentation treatment, it is preferable to use a recombinant yeast having a xylose utilization property in which a β-xylosidase gene and a β-glucosidase gene are introduced in addition to the cellulase preparation.

一方、OC2-XR-XDH-HK株を使用した場合、培養開始から48時間で0.41%のエタノールが生産されていた。これは、OC2-HUT株に導入されたキシロース代謝関連遺伝子によりキシロースからのエタノール生産が可能になったことを示している。TX3411株を使用した場合、培養開始から48時間で0.75%のエタノールが生産されていたことから、OC2-HUT株に対してキシロース代謝関連遺伝子のみを導入した場合と比較して、細胞表層提示型β−キシロシダーゼ遺伝子と細胞表層提示型β−グルコシダーゼ遺伝子を更に導入することで、エタノール生産量が82%向上したこととなる。   On the other hand, when OC2-XR-XDH-HK strain was used, 0.41% ethanol was produced 48 hours after the start of the culture. This indicates that the xylose metabolism-related gene introduced into the OC2-HUT strain has made ethanol production from xylose possible. When TX3411 strain was used, 0.75% ethanol was produced 48 hours after the start of culture. Compared to the case where only xylose metabolism related gene was introduced into OC2-HUT strain, cell surface display type By further introducing the β-xylosidase gene and the cell surface display β-glucosidase gene, the ethanol production was improved by 82%.

〔実施例5〕
本実施例では、TX3411株を代表例として使用し、セルロース系バイオマスの同時糖化発酵のモデル系における酵素使用量低減効果を酵素使用量とエタノール生産量に基づいて検討した。なお、本実施例では、比較のためにOC2-HUT株、OC2-XR-XDH-HK株及びTX1株についても酵素使用量とエタノール生産量との関係を計算した。
Example 5
In this example, TX3411 strain was used as a representative example, and the effect of reducing the amount of enzyme used in a model system for simultaneous saccharification and fermentation of cellulosic biomass was examined based on the amount of enzyme used and the amount of ethanol produced. In this example, for comparison, the relationship between the amount of enzyme used and the amount of ethanol produced was also calculated for the OC2-HUT strain, the OC2-XR-XDH-HK strain, and the TX1 strain.

本実施例では、酵素使用量を下記表のように変更した以外は実施例4に記載した培地及び培養条件でTX3411株、OC2-HUT株、OC2-XR-XDH-HK株及びTX1株した。また、経時的にエタノールの生産量を測定した。   In this example, the TX3411 strain, the OC2-HUT strain, the OC2-XR-XDH-HK strain, and the TX1 strain were used under the medium and culture conditions described in Example 4 except that the enzyme usage was changed as shown in the following table. In addition, ethanol production was measured over time.

Figure 2012065604
Figure 2012065604

表2に示した試験区1〜7について経時的にエタノールの生産量を測定した結果を図9に示す。また、培養開始から48時間経過した時点におけるエタノールの生産量を測定し、単位生成エタノールあたりの酵素使用量を計算した結果を表3に示す。   FIG. 9 shows the results of measuring ethanol production over time for the test groups 1 to 7 shown in Table 2. Table 3 shows the results of measuring the amount of ethanol produced after 48 hours from the start of culture and calculating the amount of enzyme used per unit produced ethanol.

Figure 2012065604
Figure 2012065604

図9及び表3から判るように、TX3411株を用いた場合(試験区5〜7)は、他の試験区と比較して酵素使用量を低減できることが明らかとなった。特にOC2-XR-XDH-HK株を使用した場合(試験区3)と比較すると、試験区6では酵素使用量を約60%以上削減できることが判る。本実施例で示したTX3411株のみならず、実施例1で作製したTX3410株及びTX3412株についても、同時糖化発酵に際して酵素量を低減させることができ、低コストに同時糖化発酵処理に使用できることが示された。   As can be seen from FIG. 9 and Table 3, it was found that when the TX3411 strain was used (test groups 5 to 7), the amount of enzyme used could be reduced compared to other test groups. In particular, compared with the case of using OC2-XR-XDH-HK strain (test group 3), it can be seen that in test group 6, the amount of enzyme used can be reduced by about 60% or more. Not only the TX3411 strain shown in this example but also the TX3410 strain and TX3412 strain prepared in Example 1 can reduce the amount of enzyme during simultaneous saccharification and fermentation, and can be used for simultaneous saccharification and fermentation treatment at low cost. Indicated.

Claims (10)

β−グルコシダーゼ遺伝子、キシロース代謝関連遺伝子及びβ−キシロシダーゼ遺伝子がゲノムに導入された組換え酵母。   A recombinant yeast in which a β-glucosidase gene, a xylose metabolism-related gene and a β-xylosidase gene are introduced into the genome. 上記β−キシロシダーゼ遺伝子は、Aspergillus oryzae由来のβ−キシロシダーゼ遺伝子であることを特徴とする請求項1記載の組換え酵母。   The recombinant yeast according to claim 1, wherein the β-xylosidase gene is a β-xylosidase gene derived from Aspergillus oryzae. 上記β−グルコシダーゼ遺伝子及びβ−キシロシダーゼ遺伝子は、細胞表層提示型遺伝子として導入されたことを特徴とする請求項1記載の組換え酵母。   The recombinant yeast according to claim 1, wherein the β-glucosidase gene and the β-xylosidase gene are introduced as cell surface display type genes. 上記キシロース代謝関連遺伝子は、キシロースリダクターゼ遺伝子、キシリトールデヒドロゲナーゼ遺伝子及びキシルロキナーゼ遺伝子であることを特徴とする請求項1記載の組換え酵母。   The recombinant yeast according to claim 1, wherein the xylose metabolism-related genes are a xylose reductase gene, a xylitol dehydrogenase gene, and a xylulokinase gene. 高次倍体の酵母を宿主として上記遺伝子を導入したことを特徴とする請求項1記載の組換え酵母。   2. The recombinant yeast according to claim 1, wherein the gene is introduced using a higher-ploidy yeast as a host. 上記β−キシロシダーゼ遺伝子は、高浸透圧応答7(HOR7)遺伝子の発現制御領域により発現制御されるかたちで導入されたことを特徴とする請求項1記載の組換え酵母。   The recombinant yeast according to claim 1, wherein the β-xylosidase gene is introduced in such a manner that its expression is controlled by the expression control region of the hyperosmotic response 7 (HOR7) gene. 請求項1〜6いずれか一項記載の組換え酵母を、セルラーゼ製剤を含むセルロース及び/又はヘミセルロース含有培地に培養する工程と、上記セルロース及び/又はヘミセルロース含有培地からエタノールを回収する工程とを含むエタノールの製造方法。   A step of culturing the recombinant yeast according to any one of claims 1 to 6 in a cellulose and / or hemicellulose-containing medium containing a cellulase preparation, and a step of recovering ethanol from the cellulose and / or hemicellulose-containing medium. A method for producing ethanol. 上記セルロース及び/又はヘミセルロース含有培地は、セルロース系バイオマスを由来のセルロースを更に含有することを特徴とする請求項7記載のエタノールの製造方法。   The method for producing ethanol according to claim 7, wherein the cellulose and / or hemicellulose-containing medium further contains cellulose derived from cellulosic biomass. 上記培養する工程は、セルロース及び/又はヘミセルロースの糖化とエタノール発酵とを行う工程であることを特徴とする請求項7記載のエタノールの製造方法。   8. The method for producing ethanol according to claim 7, wherein the culturing step is a step of saccharification of cellulose and / or hemicellulose and ethanol fermentation. 上記培養する工程は、エタノール発酵の至適温度範囲で実施することを特徴とする請求項7記載のエタノールの製造方法。   The method for producing ethanol according to claim 7, wherein the culturing step is carried out in an optimum temperature range for ethanol fermentation.
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