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JP2024092581A - Recombinant halophilic microorganisms capable of producing carboxylic acids - Google Patents

Recombinant halophilic microorganisms capable of producing carboxylic acids Download PDF

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JP2024092581A
JP2024092581A JP2022208623A JP2022208623A JP2024092581A JP 2024092581 A JP2024092581 A JP 2024092581A JP 2022208623 A JP2022208623 A JP 2022208623A JP 2022208623 A JP2022208623 A JP 2022208623A JP 2024092581 A JP2024092581 A JP 2024092581A
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acid
recombinant microorganism
carboxylic acid
microorganism
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JP2022208623A
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Japanese (ja)
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章友 牛木
Akitomo Ushiki
令 宮武
Rei Miyatake
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Asahi Kasei Corp
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Asahi Kasei Corp
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Abstract

To provide a halophilic recombinant microbe capable of carboxylic acid production.SOLUTION: The present invention provides a halophilic recombinant microbe capable of carboxylic acid production, where the carboxylic acid is selected from C5 carboxylic acid, C6 carboxylic acid and aromatic carboxylic acid.SELECTED DRAWING: None

Description

本発明は、産業上有用な化合物であるカルボン酸生産能を有する好塩性の組換え微生物、および、当該組換え微生物を用いたカルボン酸の製造方法に関する。 The present invention relates to a recombinant halophilic microorganism capable of producing carboxylic acids, which are industrially useful compounds, and a method for producing carboxylic acids using the recombinant microorganism.

アジピン酸(CAS No.124-04-9)は、ナイロン-66などに代表されるポリアミド原料、ウレタン、および可塑剤原料として使用されるモノマー化合物であり、工業的に重要な化合物である。 Adipic acid (CAS No. 124-04-9) is an industrially important monomer compound used as a raw material for polyamides such as nylon 66, urethanes, and plasticizers.

アジピン酸は現在、一般的に、化学合成法、例えば、シクロヘキサノール単独、または、シクロヘキサノールとシクロヘキサノンとの混合物(K/Aオイル)を硝酸で酸化する方法によって製造されている。 Adipic acid is currently generally produced by chemical synthesis, for example by oxidizing cyclohexanol alone or a mixture of cyclohexanol and cyclohexanone (K/A oil) with nitric acid.

近年、化石燃料は、枯渇が危惧され、かつ、地球温暖化の一因とされていることから、化学品製造プロセスにおいては、化石燃料由来の原料から再生可能な原料、例えばバイオマス由来原料への移行が望まれており、遺伝子組換えにより代謝が改変された微生物の発酵生産による製造方法が提案されている。例えば、微生物による、アジピン酸、6-アミノカプロン酸、またはカプロラクタム生合成が報告されている(特許文献1)。 In recent years, there are concerns that fossil fuels will be depleted and are considered to be a factor in global warming, so in chemical production processes, there is a desire to shift from fossil fuel-derived raw materials to renewable raw materials, such as biomass-derived raw materials, and production methods using fermentation production by microorganisms whose metabolism has been modified by genetic engineering have been proposed. For example, the biosynthesis of adipic acid, 6-aminocaproic acid, and caprolactam by microorganisms has been reported (Patent Document 1).

また、アジピン酸は化学的水素化によりムコン酸の3つの異性体、すなわちcis,cis-ムコン酸;cis,trans-ムコン酸;およびtrans,trans-ムコン酸のいずれかから作製することができる。例えば、遺伝子組換えにより代謝が改変された微生物の発酵によるcis,cis-ムコン酸生合成の後、水素化することにより、再生可能なバイオマス原料からアジピン酸を生成できることが報告されている(特許文献2)。 Adipic acid can also be produced from any of the three isomers of muconic acid, namely cis,cis-muconic acid; cis,trans-muconic acid; and trans,trans-muconic acid, by chemical hydrogenation. For example, it has been reported that adipic acid can be produced from renewable biomass feedstocks by hydrogenation after biosynthesis of cis,cis-muconic acid through fermentation by a microorganism whose metabolism has been modified by genetic engineering (Patent Document 2).

一方、コハク酸などのジカルボン酸の微生物による発酵生産においては、pH調整のため、合成するジカルボン酸と同量以上のアンモニアおよび/または水酸化ナトリウムを加える必要がある。pH調整剤の多量添加は微生物の生育と目的化合物の生産性を大きく低下させる。コハク酸の発酵生産において種々のpH調整剤を検討し、生産性を改善させた報告があるが(非特許文献1)、コハク酸塩の蓄積に伴う生産性の低下を根本的には解決できていない。 On the other hand, in the fermentative production of dicarboxylic acids such as succinic acid by microorganisms, it is necessary to add ammonia and/or sodium hydroxide in an amount equal to or greater than the amount of dicarboxylic acid to be synthesized in order to adjust the pH. Adding a large amount of pH adjuster significantly reduces the growth of the microorganisms and the productivity of the target compound. There are reports that various pH adjusters have been investigated in the fermentative production of succinic acid and have improved productivity (Non-Patent Document 1), but the decrease in productivity associated with the accumulation of succinate salts has not been fundamentally resolved.

微生物による高い生産性を維持したままジカルボン酸を発酵生産するためには、ジカルボン酸塩濃度が高い環境でも生育可能な、耐塩性または好塩性を有する微生物を生産宿主として用いることが望ましいと考えられる。例えば、好塩性微生物の高塩濃度環境への耐性を活かして、塩基性の廃棄グリセロールから、生分解性ポリマーの原料となるポリヒドロキシ酪酸(Polyhydroxybutyrate;PHB)の蓄積が可能であることが報告されている(非特許文献2)。 In order to produce dicarboxylic acids by fermentation while maintaining high productivity using microorganisms, it is considered desirable to use, as a production host, a microorganism that is salt-tolerant or halophilic and can grow in an environment with a high dicarboxylate concentration. For example, it has been reported that it is possible to accumulate polyhydroxybutyrate (PHB), a raw material for biodegradable polymers, from basic waste glycerol by utilizing the tolerance of halophilic microorganisms to high salt concentration environments (Non-Patent Document 2).

しかしながら、汎用的な大腸菌を生産宿主として用いる場合とは異なり、好塩性微生物では目的のタンパク質の生産量を高めるための技術が確立されていない。そのため、カルボン酸類を生産する好塩性微生物はこれまでに報告されていない。 However, unlike when the general-purpose Escherichia coli is used as a production host, no technology has been established to increase the production of target proteins in halophilic microorganisms. As a result, no halophilic microorganisms that produce carboxylic acids have been reported to date.

特許第5951990号明細書Patent No. 5951990 特許第5487987号明細書Patent No. 5487987

American Institute of Chemical Engineers Biotechnol. Prog., 25: 116-123, 2009American Institute of Chemical Engineers Biotechnol. Prog., 25: 116-123, 2009 Kawata and Aiba, Biosci. Biotechnol. Biochem., 74, 175-177, 2010Kawata and Aiba, Biosci. Biotechnol. Biochem., 74, 175-177, 2010

上記の現状に鑑み、本発明の課題は、カルボン酸類の生産能を有する、好塩性の組換え微生物を提供することである。 In view of the above-mentioned current situation, the objective of the present invention is to provide a halophilic recombinant microorganism capable of producing carboxylic acids.

上記の課題を解決するために、発明者らは鋭意検討を行った結果、好塩性の宿主微生物に、外来性の遺伝子を導入することで、目的のカルボン酸の生産能を付与することができることを見出した。 In order to solve the above problems, the inventors conducted extensive research and discovered that it is possible to impart the ability to produce the desired carboxylic acid by introducing an exogenous gene into a halophilic host microorganism.

すなわち本発明は以下を提供する:
[1]カルボン酸生産能を有する、好塩性の組換え微生物であって、
当該カルボン酸が、C5カルボン酸、C6カルボン酸および芳香族カルボン酸から選択される、組換え微生物;
[2]前記カルボン酸が、レブリン酸、アジピン酸、3-オキソアジピン酸、3-ヒドロキシアジピン酸および2,3-デヒドロアジピン酸から選択される少なくとも1つである、[1]に記載の組換え微生物;
[3]前記組換え微生物が、β-ケトアジピルCoAチオラーゼ(EC:2.3.1.174)、3-オキソアジピルCoAデヒドロゲナーゼ(EC:1.1.1.157)、3-ヒドロキシアジピルCoAヒドラターゼ(EC:4.2.1.17)、2,3-デヒドロアジピルCoAデヒドロゲナーゼ(EC: 1.3.99.-)およびアシルCoAチオエステラーゼ(EC:3.1.2.-)からなる群より選択される少なくとも1つのタンパク質を発現する、[1]または[2]に記載の組換え微生物;
[4]前記タンパク質をコードする塩基配列の上流に、Pslpプロモーター、PaldプロモーターおよびPsodプロモーターから選択される上流配列が配置されている、[3]に記載の組換え微生物;
[5]前記タンパク質をコードする塩基配列からレアコドンが除去されている、[3]に記載の組換え微生物;
[6]前記カルボン酸が、プロトカテク酸およびcis,cis-ムコン酸から選択される少なくとも1つである、[1]に記載の組換え微生物;
[7]前記組換え微生物が、3-デヒドロシキミ酸デヒドラターゼ(EC:4.2.1.118)、プロトカテク酸デカルボキシラーゼ(EC:4.1.1.63)およびカテコール1,2―ジオキシゲナーゼ(EC:1.13.11.1)からなる群より選択される少なくとも1つのタンパク質を発現する、[6]に記載の組換え微生物;
[8]エノレートレダクターゼ(EC:1.3.1.31)をさらに発現する、[7]記載の組換え微生物;
[9]前記タンパク質をコードする塩基配列の上流に、Pslpプロモーター、Paldプロモーター、および、Psodプロモーターから選択されるプロモーターの塩基配列が配置されている、[8]に記載の組換え微生物:
[10]前記微生物が、Bacillus属である、[2]または[7]に記載の組換え微生物;
[11]前記微生物が、バチルス・シュードフィラマス(Bacillus pseudofirmus)、バチルス・ハロデュランス(Bacillus halodurans)またはバチルス・マーマエンシス(Bacillus marmarensis)である、[10]に記載の組換え微生物;
[12]前記微生物が、バチルス・シュードフィラマス(Bacillus pseudofirmus)である[11]に記載の組換え微生物;
[13][1]に記載の組換え微生物を用いる、カルボン酸の製造方法;
[14]前記カルボン酸が、レブリン酸、アジピン酸、3-オキソアジピン酸、3-ヒドロキシアジピン酸および2,3-デヒドロアジピン酸からなる群より選択される少なくとも1つである、[13]に記載の製造方法;
[15]前記カルボン酸が、プロトカテク酸およびcis,cis-ムコン酸からなる群より選択される少なくとも1つである、[13]に記載の製造方法;
[16][1]に記載の組換え微生物を用いてcis,cis-ムコン酸を生成し、生成したムコン酸を水素化によってアジピン酸へ変換する、[15]に記載の製造方法;
[17]前記組換え微生物を5質量%以上の無機塩を含有する培地で培養することによりカルボン酸を含む培養液を得る培養工程を含む、[13]に記載の製造方法;
[18]前記組換え微生物を培養して、菌体を含む培養液を得る培養工程と、
前記培養液および/または前記菌体を、5質量%以上の無機塩を含有する水溶液と接触させてカルボン酸を含む反応液を得る反応工程と
を含む、[13]に記載の製造方法;
[19]前記培養液または反応液から前記組換え微生物を除去する除去工程を含む、[18]に記載の製造方法;
[20]前記培養液または反応液を濃縮する濃縮工程を含む、[18]に記載の製造方法;
[21]前記無機塩が、炭酸ナトリウム及び/又は硫酸ナトリウムである、[17]に記載の製造方法;
[22]前記カルボン酸が、前記組換え微生物による、糖、二酸化炭素、合成ガス、メタノール、及びアミノ酸のうちの少なくとも1つ以上の発酵により生成されたものである、[13]に記載の製造方法;
[23]得られたカルボン酸を精製する精製工程を含む、[13]に記載の製造方法。
That is, the present invention provides:
[1] A recombinant halophilic microorganism capable of producing a carboxylic acid, comprising:
a recombinant microorganism, wherein the carboxylic acid is selected from a C5 carboxylic acid, a C6 carboxylic acid, and an aromatic carboxylic acid;
[2] The recombinant microorganism according to [1], wherein the carboxylic acid is at least one selected from levulinic acid, adipic acid, 3-oxoadipic acid, 3-hydroxyadipic acid, and 2,3-dehydroadipic acid;
[3] The recombinant microorganism according to [1] or [2], wherein the recombinant microorganism expresses at least one protein selected from the group consisting of β-ketoadipyl-CoA thiolase (EC: 2.3.1.174), 3-oxoadipyl-CoA dehydrogenase (EC: 1.1.1.157), 3-hydroxyadipyl-CoA hydratase (EC: 4.2.1.17), 2,3-dehydroadipyl-CoA dehydrogenase (EC: 1.3.99.-), and acyl-CoA thioesterase (EC: 3.1.2.-);
[4] The recombinant microorganism according to [3], wherein an upstream sequence selected from a Pslp promoter, a Pald promoter, and a Psod promoter is arranged upstream of the base sequence encoding the protein;
[5] The recombinant microorganism according to [3], wherein rare codons are removed from a base sequence encoding the protein.
[6] The recombinant microorganism according to [1], wherein the carboxylic acid is at least one selected from protocatechuic acid and cis,cis-muconic acid;
[7] The recombinant microorganism according to [6], wherein the recombinant microorganism expresses at least one protein selected from the group consisting of 3-dehydroshikimate dehydratase (EC: 4.2.1.118), protocatechuate decarboxylase (EC: 4.1.1.63), and catechol 1,2-dioxygenase (EC: 1.13.11.1);
[8] The recombinant microorganism according to [7], further expressing enolate reductase (EC: 1.3.1.31);
[9] The recombinant microorganism according to [8], wherein a base sequence of a promoter selected from a Pslp promoter, a Pald promoter, and a Psod promoter is arranged upstream of a base sequence encoding the protein:
[10] The recombinant microorganism according to [2] or [7], wherein the microorganism is of the genus Bacillus;
[11] The recombinant microorganism according to [10], wherein the microorganism is Bacillus pseudofirmus, Bacillus halodurans or Bacillus marmarensis;
[12] The recombinant microorganism according to [11], wherein the microorganism is Bacillus pseudofirmus;
[13] A method for producing a carboxylic acid using the recombinant microorganism according to [1];
[14] The method according to [13], wherein the carboxylic acid is at least one selected from the group consisting of levulinic acid, adipic acid, 3-oxoadipic acid, 3-hydroxyadipic acid, and 2,3-dehydroadipic acid;
[15] The method according to [13], wherein the carboxylic acid is at least one selected from the group consisting of protocatechuic acid and cis,cis-muconic acid;
[16] The method according to [15], which comprises producing cis,cis-muconic acid using the recombinant microorganism according to [1] and converting the produced muconic acid into adipic acid by hydrogenation;
[17] The production method according to [13], comprising a culture step of culturing the recombinant microorganism in a medium containing 5% by mass or more of an inorganic salt to obtain a culture solution containing a carboxylic acid;
[18] A culturing step of culturing the recombinant microorganism to obtain a culture solution containing bacterial cells;
and a reaction step of contacting the culture solution and/or the bacterial cells with an aqueous solution containing 5% by mass or more of an inorganic salt to obtain a reaction solution containing a carboxylic acid;
[19] The production method according to [18], further comprising a removal step of removing the recombinant microorganism from the culture solution or reaction solution.
[20] The production method according to [18], which comprises a concentration step of concentrating the culture solution or reaction solution.
[21] The method according to [17], wherein the inorganic salt is sodium carbonate and/or sodium sulfate;
[22] The method according to [13], wherein the carboxylic acid is produced by fermentation of at least one of sugar, carbon dioxide, synthetic gas, methanol, and amino acids by the recombinant microorganism;
[23] The method according to [13], further comprising a purification step of purifying the obtained carboxylic acid.

本発明により、カルボン酸生産能を有する、好塩性の微生物を提供することができる。 The present invention provides a halophilic microorganism capable of producing carboxylic acids.

図1Aは、カルボン酸の合成経路の一例の概略を示す図である。FIG. 1A is a schematic diagram showing an example of a synthetic pathway for a carboxylic acid. 図1Bは、カルボン酸の合成経路の一例の概略を示す図である。FIG. 1B is a schematic diagram showing an example of a synthetic pathway for a carboxylic acid. 図2は、各酵素のアミノ酸配列および塩基配列を示す図である。FIG. 2 shows the amino acid sequence and base sequence of each enzyme. 図3は、各酵素のアミノ酸配列および塩基配列を示す図である。FIG. 3 shows the amino acid sequence and base sequence of each enzyme. 図4は、実施例で遺伝子合成した配列番号17~19の塩基配列を示す図である。FIG. 4 shows the base sequences of SEQ ID NOs: 17 to 19 synthesized in the examples. 図5は、実施例で使用した各プライマーの塩基配列を示す図である。FIG. 5 shows the nucleotide sequences of the primers used in the examples. 図6は、実施例で構築したpAKAD08~16の塩基配列を示す図である。FIG. 6 shows the base sequences of pAKAD08 to pAKAD16 constructed in the Examples. 図7は、遺伝子発現量を示す図である。FIG. 7 shows gene expression levels. 図8は、実施例で使用した各プライマーの塩基配列を示す図である。FIG. 8 shows the base sequences of the primers used in the examples. 図9は、実施例で使用したプロモーターの塩基配列を示す図である。FIG. 9 shows the base sequence of the promoter used in the examples. 図10は、タンパク質活性を示す図である。FIG. 10 shows protein activity. 図11は、実施例で作成したAKAD-401株およびAKAD-402株の塩基配列を示す図である。FIG. 11 shows the base sequences of the AKAD-401 and AKAD-402 strains prepared in the Examples. 図12は、実施例で使用した各プライマーの塩基配列を示す図である。FIG. 12 shows the base sequences of the primers used in the examples.

以下、本発明を実施するための形態(以下、「本実施形態」ともいう。)について詳細に説明する。なお、本発明は、本実施形態に限定されるものではなく、その要旨の範囲内で種々変形して実施することができる。また、本明細書に記述されているDNAの取得、ベクターの調製および形質転換等の遺伝子操作は、特に明記しない限り、Molecular Cloning 4th Edition(Cold Spring Harbor Laboratory Press, 2012)、Current Protocols in Molecular Biology(Greene Publishing Associates and Wiley-Interscience)、および、遺伝子工学実験ノート(羊土社 田村隆明)等の公知の文献に記載されている方法により行うことができる。本明細書において特に断りのない限りヌクレオチド配列は5’方向から3’方向に向けて記載される。本明細書において、「ポリペプチド」および「タンパク質」の語は、互換可能に使用される。「遺伝子組換え微生物」の語は、単に「組換え微生物」とも称する。 Hereinafter, the embodiment for carrying out the present invention (hereinafter also referred to as "the present embodiment") will be described in detail. Note that the present invention is not limited to the present embodiment, and various modifications can be made within the scope of the gist of the present invention. Furthermore, unless otherwise specified, the acquisition of DNA described in this specification, the preparation of vectors, and the genetic manipulation such as transformation can be performed by the methods described in known documents such as Molecular Cloning 4th Edition (Cold Spring Harbor Laboratory Press, 2012), Current Protocols in Molecular Biology (Greene Publishing Associates and Wiley-Interscience), and Genetic Engineering Experiment Notes (Yodosha, Takaaki Tamura). Unless otherwise specified in this specification, the nucleotide sequence is described from the 5' to the 3' direction. In this specification, the terms "polypeptide" and "protein" are used interchangeably. The term "genetically modified microorganism" is also referred to simply as "recombinant microorganism."

本明細書において、「~」を用いて示された数値範囲は、「~」の前後に記載される数値をそれぞれ最小値及び最大値として含む範囲を示す。本明細書に段階的に記載されている数値範囲において、ある段階の数値範囲の上限値又は下限値は、他の段階の数値範囲の上限値又は下限値と任意に組み合わせることができる。 In this specification, a numerical range indicated using "~" indicates a range that includes the numerical values before and after "~" as the minimum and maximum values, respectively. In numerical ranges described in stages in this specification, the upper limit or lower limit of a numerical range in one stage can be arbitrarily combined with the upper limit or lower limit of a numerical range in another stage.

本明細書において、「内因」または「内因性」の用語は、遺伝子組換えによる改変がなされていない宿主微生物が、言及している遺伝子ないしはそれによりコードされるタンパク質(典型的には酵素)を、当該宿主細胞内で優位な生化学的反応を進行させ得る程度に機能的に発現しているかどうかに関わらず、宿主微生物が有していることを意味するために用いられる。 As used herein, the terms "endogenous" or "endogenous" are used to mean that the unmodified host microorganism possesses the referenced gene or the protein (typically an enzyme) encoded thereby, regardless of whether the gene is functionally expressed to the extent that it is capable of carrying out a dominant biochemical reaction within the host cell.

本明細書において、「外来」または「外来性」の用語は、遺伝子組換え前の宿主微生物が本発明により導入されるべき遺伝子を有していない場合、その遺伝子による酵素を実質的に発現していない場合、及び異なる遺伝子により当該酵素のアミノ酸配列をコードしているが、遺伝子組換え後に匹敵する内因性酵素活性を発現しない場合において、本発明に基づく遺伝子または核酸配列を宿主に導入することを意味するために用いられる。「外来性」および「外因性」の用語は、本明細書において互換可能に用いられる。 The terms "foreign" or "exogenous" are used herein to refer to the introduction of a gene or nucleic acid sequence according to the present invention into a host when the host microorganism does not have the gene to be introduced according to the present invention before genetic recombination, does not substantially express the enzyme from that gene, and has the amino acid sequence of the enzyme encoded by a different gene but does not express the comparable endogenous enzyme activity after genetic recombination. The terms "foreign" and "exogenous" are used interchangeably herein.

本発明にかかる組換え微生物は、カルボン酸生産能を有する、好塩性の組換え微生物である。具体的には、好塩性宿主微生物に、カルボン酸生産能を有するように改変を行ったものである。本発明にかかる組換え微生物は、塩耐性を有するため、高濃度のカルボン酸塩の生産に適した微生物である。 The recombinant microorganism of the present invention is a halophilic recombinant microorganism capable of producing carboxylic acid. Specifically, a halophilic host microorganism has been modified to have carboxylic acid production ability. The recombinant microorganism of the present invention is a microorganism suitable for producing high concentrations of carboxylate salts because it has salt tolerance.

本発明にかかる組換え微生物は、カルボン酸生産能を有する。本発明の微生物に関し、「カルボン酸生産能を有する」とは、その微生物を使用したカルボン酸生産のプロセスのいずれかの段階において、カルボン酸が生産される微生物をいう。具体的には、当該微生物の培養によって得られた培地にカルボン酸が含まれていてもよいし、培地にカルボン酸の前駆体、例えば、プロトカテク酸および/またはカテコールを添加し、カルボン酸前駆体をカルボン酸に変換する微生物を培養することによってカルボン酸を生産してもよい。「カルボン酸生産能を有する微生物」には、これらの性質の1つまたは複数を有する微生物が含まれる。 The recombinant microorganism of the present invention has the ability to produce a carboxylic acid. In relation to the microorganism of the present invention, "having the ability to produce a carboxylic acid" refers to a microorganism that produces a carboxylic acid at any stage of the process of carboxylic acid production using the microorganism. Specifically, the medium obtained by culturing the microorganism may contain a carboxylic acid, or a carboxylic acid may be produced by adding a precursor of the carboxylic acid, for example, protocatechuic acid and/or catechol, to the medium and culturing a microorganism that converts the carboxylic acid precursor into a carboxylic acid. "Microorganisms having the ability to produce a carboxylic acid" include microorganisms that have one or more of these properties.

本発明にかかる組換え微生物に関し、「カルボン酸生産能を有する」とは、当該微生物がカルボン酸の生産経路を有することを意味する。本明細書において、ある化合物に関し、「生産経路を有する」とは、本発明にかかる遺伝子組換え微生物が、その化合物の生産経路の各反応段階が進行するために十分な量の酵素を発現し、その化合物を生合成可能であることを意味する。すなわち、本発明にかかる組換え微生物は、カルボン酸の生産経路の各反応段階が進行するために十分な量の酵素を発現し、カルボン酸を生合成することが可能である。本発明の組換え微生物は、カルボン酸を生産する能力を本来有する宿主微生物を用いたものであってもよく、本来は当該化合物を生産する能力を有さない宿主微生物に対して、カルボン酸の生産能を有するように改変を行ったものであってもよい。 In the present specification, the expression "having a carboxylic acid producing ability" in relation to a recombinant microorganism means that the microorganism has a carboxylic acid production pathway. In relation to a compound, the expression "having a production pathway" in relation to the present invention means that the recombinant microorganism of the present invention expresses sufficient amounts of enzymes for each reaction step in the production pathway of the compound to proceed, and is capable of biosynthesizing the compound. In other words, the recombinant microorganism of the present invention expresses sufficient amounts of enzymes for each reaction step in the production pathway of the carboxylic acid to proceed, and is capable of biosynthesizing the carboxylic acid. The recombinant microorganism of the present invention may be a host microorganism that originally has the ability to produce a carboxylic acid, or may be a host microorganism that does not originally have the ability to produce the compound, but has been modified to have the ability to produce a carboxylic acid.

本発明において、宿主として利用することのできる好塩性微生物は、高濃度の塩ストレスに対応できる微生物の総称である。最適増殖塩濃度による微生物の分類では、塩化ナトリウム濃度0~0.2M未満が最適増殖塩濃度である非好塩菌、0.2M以上~0.5M未満が最適増殖塩濃度である低度好塩菌、0.5M以上~2.5M未満が最適増殖塩濃度である中度好塩菌、2.5M以上~5.2M未満が最適増殖塩濃度である高度好塩菌に分類される。これらのうち非好塩菌を除くいずれもが、本発明にかかる好塩性微生物である。ここで、塩化ナトリウム濃度0.2M以上が最適増殖塩濃度である好塩菌を耐塩性とし、「耐塩性」微生物には、「好塩性」微生物が含まれるものとする。 In the present invention, halophilic microorganisms that can be used as hosts are a general term for microorganisms that can cope with high salt stress. Microorganisms are classified according to the optimum salt concentration for growth into non-halophilic bacteria, whose optimum salt concentration for growth is 0 to less than 0.2 M sodium chloride, mild halophilic bacteria, whose optimum salt concentration for growth is 0.2 M to less than 0.5 M sodium chloride, moderate halophilic bacteria, whose optimum salt concentration for growth is 0.5 M to less than 2.5 M sodium chloride, and severe halophilic bacteria, whose optimum salt concentration for growth is 2.5 M to less than 5.2 M sodium chloride. All of these except non-halophilic bacteria are halophilic microorganisms according to the present invention. Here, halophilic bacteria whose optimum salt concentration for growth is 0.2 M sodium chloride or more are considered to be halotolerant, and "halotolerant" microorganisms include "halophilic" microorganisms.

本発明者らは、自然界に存在する、0.2M以上の塩化ナトリウム濃度の環境でも生育することができる好塩性の性質を持つ微生物をカルボン酸の生産に使用することができれば、培地中にカルボン酸塩が蓄積した場合であっても、蓄積に伴う生産性の低下を回避できると考え、鋭意検討の結果、100g/Lという高濃度のアジピン酸塩存在下でも生育できる好塩性微生物を宿主とし、カルボン酸生産能を有するように改変した組換え微生物を構築した。なお、好塩性の性質を有する微生物を、カルボン酸生産に適用した例はこれまでにない。 The inventors believed that if a naturally occurring halophilic microorganism capable of growing in an environment with a sodium chloride concentration of 0.2 M or more could be used for the production of carboxylic acids, it would be possible to avoid the decline in productivity associated with the accumulation of carboxylates in the medium. As a result of extensive investigations, they constructed a recombinant microorganism modified to have carboxylic acid production ability, using a halophilic microorganism capable of growing in the presence of a high concentration of adipate, 100 g/L, as a host. Note that there have been no previous examples of applying halophilic microorganisms to carboxylic acid production.

すなわち、本発明者らは、好塩性微生物にカルボン酸生産能を付与することに成功し、かかる微生物を用いることで、培地中にカルボン酸塩が蓄積した場合であっても、蓄積に伴う生産性の低下を回避できることを見出した。 In other words, the inventors have succeeded in imparting carboxylic acid production ability to a halophilic microorganism, and have found that by using such a microorganism, even if carboxylates accumulate in the medium, the decrease in productivity associated with the accumulation can be avoided.

宿主微生物には、好塩性を持つ様々な微生物が含まれるが、その非限定的な例としては、バチルス属、ハロモナス属、ハロバクテロイデス属、サリニバクター属の細菌等が挙げられる。宿主微生物は、好ましくは、バチルス属の細菌であり、具体例としては、バチルス・シュードフィラマス(Bacillus pseudofirmus)、バチルス・ハロデュランス(Bacillus halodurans)、バチルス・マーマエンシス(Bacillus marmarensis)である。中でも、バチルス・シュードフィラマス(Bacillus psuedofirmus)を使用することが特に好ましい。 The host microorganism includes various halophilic microorganisms, non-limiting examples of which include bacteria of the genus Bacillus, Halomonas, Halobacteroides, and Salinibacter. The host microorganism is preferably a bacterium of the genus Bacillus, specific examples of which include Bacillus pseudofirmus, Bacillus halodurans, and Bacillus marmarensis. Among these, it is particularly preferable to use Bacillus pseudofirmus.

本明細書において、「カルボン酸」には、モノカルボン酸の他、ジカルボン酸等のカルボキシル基を複数有するカルボン酸が包含される。カルボン酸としては、例えば、C5カルボン酸、C6カルボン酸および芳香族カルボン酸が挙げられる。C5カルボン酸としては、例えばレブリン酸が挙げられ、C6カルボン酸としては、例えば、アジピン酸、3-オキソアジピン酸、3-ヒドロキシアジピン酸、2,3-デヒドロアジピン酸、cis,cis-ムコン酸が挙げられ、芳香族カルボン酸としては、例えばプロトカテク酸が挙げられるが、カルボン酸はこれらに限定されない。 In this specification, "carboxylic acid" includes monocarboxylic acids as well as carboxylic acids having multiple carboxyl groups such as dicarboxylic acids. Examples of carboxylic acids include C5 carboxylic acids, C6 carboxylic acids, and aromatic carboxylic acids. Examples of C5 carboxylic acids include levulinic acid, examples of C6 carboxylic acids include adipic acid, 3-oxoadipic acid, 3-hydroxyadipic acid, 2,3-dehydroadipic acid, and cis,cis-muconic acid, and examples of aromatic carboxylic acids include protocatechuic acid, but are not limited to these.

本発明にかかる組換え微生物によるカルボン酸の生合成経路としては、以下で説明する2つの経路が挙げられる(図1Aおよび図1B)。 The following two pathways are examples of carboxylic acid biosynthesis pathways using the recombinant microorganism of the present invention (Figures 1A and 1B).

<経路1>
経路1では、宿主微生物が本来有する、グルコースを出発物質とする代謝経路において生成するアセチル-CoAおよびスクシニル-CoAが3-オキソアジピル-CoAに変換され、3-オキソアジピル-CoAからカルボン酸を生合成する。本経路において生合成されるカルボン酸は、レブリン酸、アジピン酸、3-オキソアジピン酸、3-ヒドロキシアジピン酸および2,3-デヒドロアジピン酸から選択される少なくとも1つである。以下、カルボン酸がアジピン酸である例について、図1Aを参照しながら説明する。
<Route 1>
In pathway 1, acetyl-CoA and succinyl-CoA produced in a metabolic pathway originally possessed by the host microorganism and using glucose as a starting material are converted to 3-oxoadipyl-CoA, and a carboxylic acid is biosynthesized from 3-oxoadipyl-CoA. The carboxylic acid biosynthesized in this pathway is at least one selected from levulinic acid, adipic acid, 3-oxoadipic acid, 3-hydroxyadipic acid, and 2,3-dehydroadipic acid. An example in which the carboxylic acid is adipic acid will be described below with reference to FIG. 1A.

本経路に関連する一態様では、宿主微生物において、β-ケトアジピルCoAチオラーゼ(EC:2.3.1.174)、3-オキソアジピルCoAデヒドロゲナーゼ(EC:1.1.1.157)、3-ヒドロキシアジピルCoAヒドラターゼ(EC:4.2.1.17)、2,3-デヒドロアジピルCoAデヒドロゲナーゼ(EC:1.3.99.-)およびアシルCoAチオエステラーゼ(EC:3.1.2.-)からなる群より選択される少なくとも1つのタンパク質を発現するような改変が行われている。具体的には、β-ケトアジピルCoAチオラーゼ、3-オキソアジピルCoAデヒドロゲナーゼ、3-ヒドロキシアジピルCoAヒドラターゼ、2,3-デヒドロアジピルCoAデヒドロゲナーゼおよびアシルCoAチオエステラーゼの1つ以上を上記宿主微生物の細胞に導入する。かかる改変を行うことによって、カルボン酸生合成経路が構築される。好ましくは、上記酵素遺伝子配列は、上記宿主微生物のゲノム配列に挿入される。 In one aspect related to this pathway, a host microorganism is modified to express at least one protein selected from the group consisting of β-ketoadipyl CoA thiolase (EC: 2.3.1.174), 3-oxoadipyl CoA dehydrogenase (EC: 1.1.1.157), 3-hydroxyadipyl CoA hydratase (EC: 4.2.1.17), 2,3-dehydroadipyl CoA dehydrogenase (EC: 1.3.99.-), and acyl CoA thioesterase (EC: 3.1.2.-). Specifically, one or more of β-ketoadipyl CoA thiolase, 3-oxoadipyl CoA dehydrogenase, 3-hydroxyadipyl CoA hydratase, 2,3-dehydroadipyl CoA dehydrogenase, and acyl CoA thioesterase are introduced into the cells of the host microorganism. By carrying out such modifications, a carboxylic acid biosynthetic pathway is constructed. Preferably, the enzyme gene sequence is inserted into the genome sequence of the host microorganism.

図1Aに示す例では、宿主微生物が本来有する代謝経路において生成するアセチル-CoAとスクシニル-CoAとを縮合し、3-オキソアジピル-CoAを生成する(図1A、ステップ1)。本変換は、例えば、β-ケトアジピルCoAチオラーゼ(EC:2.3.1.174)に触媒される。本酵素の遺伝子配列として代表的なものは、大腸菌(Escherichia coli)のPaaJが挙げられる。大腸菌PaaJ酵素のアミノ酸配列を配列番号1に、塩基配列を配列番号2に示す(図2)。 In the example shown in Figure 1A, acetyl-CoA and succinyl-CoA, which are produced in the metabolic pathway inherent to the host microorganism, are condensed to produce 3-oxoadipyl-CoA (Figure 1A, step 1). This conversion is catalyzed, for example, by β-ketoadipyl-CoA thiolase (EC: 2.3.1.174). A representative gene sequence for this enzyme is PaaJ of Escherichia coli. The amino acid sequence of the E. coli PaaJ enzyme is shown in SEQ ID NO: 1, and the nucleotide sequence is shown in SEQ ID NO: 2 (Figure 2).

次いで、ステップ2において、3-オキソアジピル-CoAが還元され、3-ヒドロキシアジピル-CoAが生成する。本変換は、例えば、3-オキソアジピルCoAデヒドロゲナーゼ(EC:1.1.1.157)に触媒される。本酵素の遺伝子配列として代表的なものは、大腸菌(Escherichia coli)のPaaHが挙げられる。大腸菌PaaH酵素のアミノ酸配列を配列番号3に、塩基配列を配列番号4に示す(図2)。 Next, in step 2, 3-oxoadipyl-CoA is reduced to produce 3-hydroxyadipyl-CoA. This conversion is catalyzed, for example, by 3-oxoadipyl-CoA dehydrogenase (EC: 1.1.1.157). A representative gene sequence for this enzyme is PaaH from Escherichia coli. The amino acid sequence of the E. coli PaaH enzyme is shown in SEQ ID NO: 3, and the base sequence is shown in SEQ ID NO: 4 (Figure 2).

ステップ3において、3-ヒドロキシアジピル-CoAが脱水され、2,3-デヒドロアジピルCoAが生成する。本変換は、例えば、3-ヒドロキシアジピルCoAヒドラターゼ(EC:4.2.1.17)に触媒される。本酵素の遺伝子配列として代表的なものは、大腸菌(Escherichia coli)のPaaFが挙げられる。大腸菌PaaF酵素のアミノ酸配列を配列番号5に、塩基配列を配列番号6に示す(図2)。 In step 3, 3-hydroxyadipyl-CoA is dehydrated to produce 2,3-dehydroadipyl-CoA. This conversion is catalyzed, for example, by 3-hydroxyadipyl-CoA hydratase (EC: 4.2.1.17). A representative gene sequence for this enzyme is PaaF of Escherichia coli. The amino acid sequence of the E. coli PaaF enzyme is shown in SEQ ID NO: 5, and the base sequence is shown in SEQ ID NO: 6 (Figure 2).

ステップ4において、2,3-デヒドロキシアジピル-CoAが還元され、アジピルCoAが生成する。本変換は、例えば、2,3-デヒドロアジピルCoAデヒドロゲナーゼ(EC:1.3.99.-)に触媒される。本酵素の遺伝子配列として代表的なものは、Thermobifida fuscaのTerが挙げられる。Ter酵素のアミノ酸配列を配列番号7に、塩基配列を配列番号8に示す(図2)。 In step 4, 2,3-dehydroxyadipyl-CoA is reduced to produce adipyl-CoA. This conversion is catalyzed, for example, by 2,3-dehydroadipyl-CoA dehydrogenase (EC: 1.3.99.-). A representative gene sequence for this enzyme is Ter from Thermobifida fusca. The amino acid sequence of the Ter enzyme is shown in SEQ ID NO: 7, and the base sequence is shown in SEQ ID NO: 8 (Figure 2).

ステップ5において、アジピル-CoAが加水分解され、アジピン酸が生成する。本変換は、例えば、アシルCoAチオエステラーゼ(EC:3.1.2.-)に触媒される。本酵素の遺伝子配列として代表的なものは、Escherichia coliのTesBが挙げられる。TesB酵素のアミノ酸配列を配列番号9に、塩基配列を配列番号10に示す(図2)。 In step 5, adipyl-CoA is hydrolyzed to produce adipic acid. This conversion is catalyzed, for example, by acyl-CoA thioesterase (EC: 3.1.2.-). A representative gene sequence for this enzyme is TesB from Escherichia coli. The amino acid sequence of the TesB enzyme is shown in SEQ ID NO: 9, and the base sequence is shown in SEQ ID NO: 10 (Figure 2).

図1Aに示す経路では、レブリン酸が副産物として生成する。具体的には、3-オキソアジピルCoAが3-オキソアジピン酸を経てレブリン酸へと変換される。アシルCoAチオエステラーゼによって3-オキソアジピルCoAが3-オキソアジピン酸へと加水分解され、デカルボキシラーゼによって3-オキソアジピン酸の脱炭酸によりレブリン酸が生成すると予測される。前述の反応は、宿主微生物が有するいずれかの内因性のデカルボキシラーゼによって触媒される。 In the pathway shown in Figure 1A, levulinic acid is produced as a by-product. Specifically, 3-oxoadipyl CoA is converted to levulinic acid via 3-oxoadipate. It is predicted that acyl-CoA thioesterase hydrolyzes 3-oxoadipyl CoA to 3-oxoadipate, and decarboxylase decarboxylates 3-oxoadipate to produce levulinic acid. The aforementioned reactions are catalyzed by any endogenous decarboxylase present in the host microorganism.

上記のように、宿主微生物に、外来性の5つの遺伝子を導入することで、当該微生物の代謝経路において生成するアセチル-CoAとスクシニル-CoAとからカルボン酸(図1Aではアジピン酸)を生産する能力を宿主微生物に付与することができる。 As described above, by introducing five exogenous genes into a host microorganism, the host microorganism can be endowed with the ability to produce a carboxylic acid (adipic acid in Figure 1A) from acetyl-CoA and succinyl-CoA produced in the metabolic pathway of the microorganism.

本実施形態の遺伝子組換え微生物の作製において、例えば、好塩性を有する微生物の細胞内に外来の遺伝子を導入する技術、ゲノム配列に任意の外来の遺伝子配列を導入する技術、またはゲノム配列から不要な遺伝子配列を取り除く技術を利用することができる。 In producing the genetically modified microorganism of this embodiment, for example, a technique for introducing a foreign gene into the cells of a halophilic microorganism, a technique for introducing an arbitrary foreign gene sequence into a genome sequence, or a technique for removing an unnecessary gene sequence from a genome sequence can be used.

すなわち、以下のような技術が挙げられる。
(1)好塩性を有する微生物にて発現可能なプロモーターとカルボン酸生産に関わる遺伝子を組み合わせた技術、
(1-1)前記技術の対象となるプロモーターとして、S-Layerタンパク質(「Slp」とも称する。)をコードする遺伝子、アラニンデヒドロゲナーゼ(「Ald」とも称する。)をコードする遺伝子またはスーパーオキシドディスムターゼ(「Sod」とも称する。)をコードする遺伝子の上流領域の配列を使用する、上記(1)の技術、
(1-2)宿主微生物の全遺伝子のコドン頻度から使用頻度が少ないレアコドンを、前技術の対象となるカルボン酸生産に関わる遺伝子をコードする塩基配列から除去している、上記(1)の技術、
(2)前記技術が、好塩性を有する微生物の細胞内で安定的に複製されるプラスミドベクターを使用することを特徴とする、上記(1)の技術、
(2-1)前記技術の対象となるプラスミドベクターがpUB110である、上記(1)の技術、
(3)前記技術が、好塩性を有する微生物の細胞内で所望する形質が安定的に発現することを特徴とする、上記(1)の技術、
(4)温度感受性プラスミドベクターとネガティブセレクションを組み合わせた染色体上の遺伝子配列を任意に改変する技術、
(5)前記技術が、37℃以上の温度において微生物が保有するプラスミドの複製を停止させる、もしくは保有しているプラスミドのコピー数が減少させることを特徴とする、上記(4)の技術、
(6)前記技術が、スクロースおよび4-クロロフェニルアラニン等の物質が存在する条件において特定の遺伝子を保有する微生物の増殖が阻害されることで、特定の遺伝子を保有しない微生物をセレクション(ネガティブセレクション)することを特徴とする、上記の(4)の技術、
(6-1)前記技術の対象となる特定の遺伝子が、レバンスクラーゼ遺伝子(sacB遺伝子)である、上記(4)の技術、
(6-2)前記技術の対象となる特定の遺伝子が、塩基配列に変異を導入した宿主由来のフェニルアラニンtRNA合成酵素αサブユニット遺伝子(pheS遺伝子)である、上記(4)の技術。
That is, the following techniques are included:
(1) A technology that combines a promoter that can be expressed in halophilic microorganisms with a gene involved in carboxylic acid production,
(1-1) The above-mentioned technique (1), which uses a sequence of an upstream region of a gene encoding an S-Layer protein (also referred to as "Slp"), a gene encoding an alanine dehydrogenase (also referred to as "Ald"), or a gene encoding a superoxide dismutase (also referred to as "Sod"), as a promoter to be used in the technique;
(1-2) The above-mentioned technique (1), in which rare codons with low codon frequencies in all genes of a host microorganism are removed from the base sequence encoding the gene involved in carboxylic acid production, which is the subject of the previous technique;
(2) The technique according to (1) above, characterized in that the technique uses a plasmid vector that is stably replicated in the cells of a halophilic microorganism;
(2-1) The technique according to (1) above, wherein the plasmid vector to be used in the technique is pUB110;
(3) The technique according to (1) above, characterized in that a desired trait is stably expressed in the cells of a halophilic microorganism.
(4) A technique for selectively modifying gene sequences on chromosomes by combining temperature-sensitive plasmid vectors and negative selection.
(5) The technique according to (4) above, characterized in that the technique stops replication of a plasmid carried by a microorganism or reduces the copy number of the plasmid carried by the microorganism at a temperature of 37° C. or higher.
(6) The technique according to (4) above, characterized in that the growth of a microorganism having a specific gene is inhibited in the presence of substances such as sucrose and 4-chlorophenylalanine, thereby selecting a microorganism not having the specific gene (negative selection);
(6-1) The technique according to (4) above, wherein the specific gene to be targeted by the technique is the levansucrase gene (sacB gene);
(6-2) The technique according to (4) above, wherein the specific gene to be the subject of the technique is a phenylalanine tRNA synthetase α subunit gene (pheS gene) derived from a host into which a mutation has been introduced into the base sequence.

本発明においては、高発現プロモーターと外来遺伝子とをプラスミドベクターに保有させ、好塩性を有する微生物の細胞内に導入することにより、外来遺伝子を安定的に高発現させてよい。また、温度感受性のプラスミドベクターとネガティブセレクションとを組み合わせた技術により、好塩性を有数する微生物が保持するゲノム配列が任意に編集される。当該技術を利用して遺伝子導入またはゲノム配列が編集された細胞株は、通常の意味での野生型であってよく、或いは、栄養要求性変異株、抗生物質耐性変異株であってもよい。更に、本発明の宿主細胞として利用できる細胞株は、上記のような変異に関する各種マーカー遺伝子を有するように既に形質転換されていてもよい。これらの技術により、本発明の組換微生物の作製、維持および/または管理に有益な性質を提供することができる。 In the present invention, a high expression promoter and a foreign gene may be carried in a plasmid vector and introduced into the cells of a halophilic microorganism to stably and highly express the foreign gene. In addition, a technique that combines a temperature-sensitive plasmid vector with negative selection allows the genome sequence carried by the halophilic microorganism to be arbitrarily edited. The cell line into which the gene has been introduced or the genome sequence has been edited using this technique may be a wild type in the usual sense, or may be an auxotrophic mutant or an antibiotic-resistant mutant. Furthermore, the cell line that can be used as the host cell of the present invention may already be transformed to have various marker genes related to the above-mentioned mutations. These techniques can provide properties that are useful for the production, maintenance and/or management of the recombinant microorganism of the present invention.

本発明の経路1にかかる実施形態では、組換え微生物において、前記タンパク質(酵素)をコードする塩基配列の上流に、プロモーターの塩基配列が配置されていてもよい。一態様において、2以上のプロモーターを選択し、複数のタンパク質のそれぞれの遺伝子の上流に、プロモーターを配置してもよいし、複数のタンパク質の遺伝子を含む一連の塩基配列の上流に、1つのプロモーターを配置してもよい。 In an embodiment of Pathway 1 of the present invention, in a recombinant microorganism, a promoter base sequence may be placed upstream of the base sequence encoding the protein (enzyme). In one aspect, two or more promoters may be selected and placed upstream of each gene of multiple proteins, or one promoter may be placed upstream of a series of base sequences including genes of multiple proteins.

本実施形態では、組換え微生物において、前記タンパク質(酵素)をコードする塩基配列の上流に、S-Layerタンパク質(「Slp」とも称する。)をコードする遺伝子、アラニンデヒドロゲナーゼ(「Ald」とも称する。)をコードする遺伝子またはスーパーオキシドディスムターゼ(「Sod」とも称する。)をコードする遺伝子の上流配列がプロモーターとして配置されていることが好ましく(上記(1-1))、具体的には、前記タンパク質(酵素)をコードする塩基配列の上流に:
・Pslpプロモーター、
・Paldプロモーター、および、
・Psodプロモーター
から選択されるプロモーターの塩基配列が配置されていることが好ましい。各プロモーターの配列の例を、配列番号104~106に示す(図9)。このように、目的とするタンパク質をコードする遺伝子の上流にプロモーター配列を配置することによって、目的とするタンパク質をコードする遺伝子の転写効率を向上させることができる。
In this embodiment, in the recombinant microorganism, it is preferable that an upstream sequence of a gene encoding an S-Layer protein (also referred to as "Slp"), a gene encoding an alanine dehydrogenase (also referred to as "Ald"), or a gene encoding a superoxide dismutase (also referred to as "Sod") is arranged as a promoter upstream of a base sequence encoding the protein (enzyme) (above (1-1)). Specifically, the following is arranged upstream of the base sequence encoding the protein (enzyme):
- Pslp promoter,
- the Pald promoter, and
- It is preferable that the base sequence of a promoter selected from the Psod promoter is arranged. Examples of the sequences of each promoter are shown in SEQ ID NOs: 104 to 106 (Figure 9). In this way, by arranging the promoter sequence upstream of the gene encoding the target protein, the transcription efficiency of the gene encoding the target protein can be improved.

本発明の組換え微生物において、さらに、コドン最適化を行ってもよい。コドン最適化を行うことによって、目的とするタンパク質(酵素)への翻訳効率を向上させることができる。遺伝子配列のコドン最適化は、使用頻度の低いコドンを除去する操作である。よって、一態様において、組換え組成物は、タンパク質(酵素)をコードする塩基配列からレアコドンが除去されている。好ましくは、使用頻度の低いコドンを使用頻度の高いコドンに変更する操作であり、さらに好ましくは使用頻度の最も高いコドンのみで構成される遺伝子配列に変更する操作である。 In the recombinant microorganism of the present invention, codon optimization may be further performed. By performing codon optimization, the efficiency of translation into the target protein (enzyme) can be improved. Codon optimization of a gene sequence is an operation to remove infrequently used codons. Thus, in one embodiment, rare codons are removed from the base sequence encoding the protein (enzyme) in the recombinant composition. Preferably, it is an operation to change infrequently used codons to frequently used codons, and more preferably, it is an operation to change the gene sequence to one composed only of the most frequently used codons.

<経路2>
本経路では、宿主微生物が本来有する、グルコースを出発物質とする代謝経路において生成する3-デヒドロシキミ酸(Dehydro shikimic acid;DHS)が、プロトカテク酸およびカテコールを経て、cis,cis-ムコン酸へと変換される(図1B)。本経路において生合成されるカルボン酸は、プロトカテク酸およびcis,cis-ムコン酸から選択される少なくとも1つである。
<Route 2>
In this pathway, 3-dehydroshikimic acid (DHS), which is produced in a metabolic pathway that uses glucose as a starting material and is inherent to the host microorganism, is converted to cis,cis-muconic acid via protocatechuic acid and catechol (FIG. 1B). The carboxylic acid biosynthesized in this pathway is at least one selected from protocatechuic acid and cis,cis-muconic acid.

本経路に関連する一態様では、宿主微生物において、3-デヒドロシキミ酸デヒドラターゼ(EC:4.2.1.118)、プロトカテク酸デカルボキシラーゼ(EC:4.1.1.63)およびカテコール1,2-ジオキシゲナーゼ(EC:1.13.11.1)の1以上を上記宿主微生物の細胞に導入する。かかる改変を行うことによって、カルボン酸生合成経路が構築される。好ましくは、上記酵素遺伝子配列は、上記宿主微生物のゲノム配列に挿入される。 In one aspect related to this pathway, one or more of 3-dehydroshikimate dehydratase (EC: 4.2.1.118), protocatechuate decarboxylase (EC: 4.1.1.63), and catechol 1,2-dioxygenase (EC: 1.13.11.1) are introduced into the cells of a host microorganism. By carrying out such modifications, a carboxylic acid biosynthetic pathway is constructed. Preferably, the enzyme gene sequence is inserted into the genome sequence of the host microorganism.

図1Bに示す例では、宿主微生物が本来有する代謝経路において生成する3-デヒドロシキミ酸(Dehydro shikimic acid;DHS)が脱水によって3,4-ジヒドロキシ安息香酸(プロトカテク酸)に変換される(図1B、ステップ1)。本変換は、例えば、3-デヒドロシキミ酸デヒドラターゼにより触媒される。本酵素の遺伝子配列として代表的なものは、Acinetobacter BaylyiのQuiCが挙げられる。QuiC酵素のアミノ酸配列を配列番号11に、塩基配列を配列番号12に示す(図3)。 In the example shown in Figure 1B, 3-dehydroshikimic acid (DHS) produced in the metabolic pathway inherent to the host microorganism is converted to 3,4-dihydroxybenzoic acid (protocatechuic acid) by dehydration (Figure 1B, step 1). This conversion is catalyzed, for example, by 3-dehydroshikimic acid dehydratase. A representative gene sequence for this enzyme is QuiC from Acinetobacter Baylyi. The amino acid sequence of the QuiC enzyme is shown in SEQ ID NO: 11, and the nucleotide sequence is shown in SEQ ID NO: 12 (Figure 3).

ステップ2において、3,4-ジヒドロキシ安息香酸が脱炭酸され、1,2-ベンゼンジオール(カテコール)が生成する。本変換は、例えば、プロトカテク酸デカルボキシラーゼ(EC:4.1.1.63)により触媒される。本酵素の遺伝子配列として代表的なものは、Klebsiella pneumoniaeのUbiDが挙げられる。UbiD酵素のアミノ酸配列を配列番号13に、塩基配列を配列番号14に示す(図3)。 In step 2, 3,4-dihydroxybenzoic acid is decarboxylated to produce 1,2-benzenediol (catechol). This conversion is catalyzed, for example, by protocatechuate decarboxylase (EC: 4.1.1.63). A representative gene sequence for this enzyme is UbiD from Klebsiella pneumoniae. The amino acid sequence of the UbiD enzyme is shown in SEQ ID NO: 13, and the base sequence is shown in SEQ ID NO: 14 (Figure 3).

ステップ3において、1,2-ベンゼンジオールが酸化され、cis,cis-ムコン酸が生成する。本変換は、例えば、カテコール1,2-ジオキシゲナーゼ(EC:1.13.11.1)により触媒される。本酵素の遺伝子配列として代表的なものは、Acinetobacter BaylyiのCatAが挙げられる。CatA酵素のアミノ酸配列を配列番号15に、塩基配列を配列番号16に示す(図3)。 In step 3, 1,2-benzenediol is oxidized to produce cis,cis-muconic acid. This conversion is catalyzed, for example, by catechol 1,2-dioxygenase (EC: 1.13.11.1). A representative gene sequence for this enzyme is CatA from Acinetobacter Baylyi. The amino acid sequence of the CatA enzyme is shown in SEQ ID NO: 15, and the base sequence is shown in SEQ ID NO: 16 (Figure 3).

上記のように、外来性の3つの遺伝子を宿主微生物に導入することで、当該微生物の代謝経路において生成する3-デヒドロシキミ酸から、カルボン酸(図1Bではプロトカテク酸およびcis,cis-ムコン酸)を生産する能力を宿主微生物に付与することができる。ここで生成したカルボン酸は、さらに反応に供され、別のカルボン酸に変換されてもよい。例えば、cis,cis-ムコン酸は、さらに水素化に供され、アジピン酸へと変換されてもよい。当該水素化において、cis,cis-ムコン酸は例えば、2,3デヒドロアジピン酸を経て、アジピン酸へと変換される。cis,cis-ムコン酸の水素化の方法は、特に限定されず、例えば、金属触媒による水素化、および、酵素による水素化が挙げられる。好ましい態様において、cis,cis-ムコン酸の水素化は金属触媒により行われる。別の好ましい態様では、cis,cis-ムコン酸は、エノレートレダクターゼ(EC:1.3.1.31)によって水素化され、アジピン酸へと変換される。 As described above, by introducing three exogenous genes into a host microorganism, the host microorganism can be endowed with the ability to produce a carboxylic acid (protocatechuic acid and cis, cis-muconic acid in FIG. 1B) from 3-dehydroshikimic acid produced in the metabolic pathway of the microorganism. The carboxylic acid produced here may be subjected to further reaction and converted into another carboxylic acid. For example, cis, cis-muconic acid may be further subjected to hydrogenation and converted into adipic acid. In the hydrogenation, cis, cis-muconic acid is converted into adipic acid via, for example, 2,3-dehydroadipic acid. The method of hydrogenating cis, cis-muconic acid is not particularly limited, and examples include hydrogenation using a metal catalyst and hydrogenation using an enzyme. In a preferred embodiment, hydrogenation of cis, cis-muconic acid is performed using a metal catalyst. In another preferred embodiment, cis,cis-muconic acid is hydrogenated by enolate reductase (EC: 1.3.1.31) and converted to adipic acid.

経路2にかかる実施形態の遺伝子組換え微生物の作製において、例えば、好塩性を有する微生物の細胞内に外来の遺伝子を導入する技術、ゲノム配列に任意の外来の遺伝子配列を導入する技術、またはゲノム配列から不要な遺伝子配列を取り除く技術を利用することができ、経路1にかかる実施形態について説明した、上記(1)~(6)の技術を、経路2にかかる実施形態においても利用することができる。 In producing a genetically modified microorganism according to an embodiment of Route 2, for example, a technique for introducing a foreign gene into the cells of a halophilic microorganism, a technique for introducing an arbitrary foreign gene sequence into a genome sequence, or a technique for removing an unnecessary gene sequence from a genome sequence can be used, and the techniques (1) to (6) described above for the embodiment of Route 1 can also be used in the embodiment of Route 2.

本発明の経路2にかかる実施形態では、組換え微生物において、前記タンパク質をコードする塩基配列の上流に、上記表Aに記載するプロモーター群から選択されるプロモーターが、上流配列が配置されている。組換え微生物において、前記タンパク質(酵素)をコードする塩基配列の上流に、Slpをコードする遺伝子、Aldをコードする遺伝子またはSodをコードする遺伝子の上流配列がプロモーターとして配置されていることが好ましく(上記(1-1))、具体的には、前記タンパク質(酵素)をコードする塩基配列の上流に:
・Pslpプロモーター、
・Paldプロモーター、および、
・Psodプロモーター
から選択されるプロモーターの塩基配列が配置されていることが好ましい。各プロモーターの配列の例を、配列番号104~106に示す(図9)。このように、目的とするタンパク質をコードする遺伝子の上流にプロモーター配列を配置することによって、目的とするタンパク質をコードする遺伝子の転写効率を向上させることができる。
In an embodiment of pathway 2 of the present invention, in a recombinant microorganism, a promoter selected from the group of promoters described in Table A above is arranged as an upstream sequence upstream of a base sequence encoding the protein. In a recombinant microorganism, it is preferable that an upstream sequence of a gene encoding Slp, a gene encoding Ald, or a gene encoding Sod is arranged as a promoter upstream of a base sequence encoding the protein (enzyme) (above (1-1)), and specifically, upstream of a base sequence encoding the protein (enzyme):
- Pslp promoter,
- the Pald promoter, and
- It is preferable that the base sequence of a promoter selected from the Psod promoter is arranged. Examples of the sequences of each promoter are shown in SEQ ID NOs: 104 to 106 (Figure 9). In this way, by arranging the promoter sequence upstream of the gene encoding the target protein, the transcription efficiency of the gene encoding the target protein can be improved.

さらに、本発明の組換え微生物において、コドン最適化を行ってもよい。コドン最適化を行うことによって、目的とするタンパク質(酵素)への翻訳効率を向上させることができる。遺伝子配列のコドン最適化は、使用頻度の低いコドンを除去する操作である。よって、一態様において、組換え組成物は、タンパク質(酵素)をコードする塩基配列からレアコドンが除去されている。好ましくは、使用頻度の低いコドンを使用頻度の高いコドンに変更する操作であり、さらに好ましくは使用頻度の最も高いコドンのみで構成される遺伝子配列に変更する操作である。 Furthermore, the recombinant microorganism of the present invention may be subjected to codon optimization. By performing codon optimization, the efficiency of translation into the target protein (enzyme) can be improved. Codon optimization of a gene sequence is an operation to remove infrequently used codons. Thus, in one embodiment, the recombinant composition has rare codons removed from the base sequence encoding the protein (enzyme). Preferably, it is an operation to change infrequently used codons to frequently used codons, and more preferably, it is an operation to change the gene sequence to one composed only of the most frequently used codons.

経路1および2に関して説明した外来性のタンパク質(すなわち酵素)は、下記(A)、(B)、(C)、(D)及び(E):
(A)宿主微生物に、前記タンパク質をコードする外来性遺伝子を導入する操作、
(B)宿主微生物内の前記タンパク質の内因性遺伝子のコピー数を増加させる操作、
(C)宿主微生物内の前記タンパク質の内因性遺伝子の発現調整領域に変異を導入する操作、
(D)宿主微生物内の前記タンパク質の内因性遺伝子の発現調整領域を、高発現可能な外来調整領域で置換する操作、および
(E)宿主微生物内の前記タンパク質の内因性遺伝子の調整領域を欠失させる操作
から成る群より選択される1以上の遺伝子操作を行うことによって、導入および/または発現することができる。
The exogenous proteins (i.e., enzymes) described for pathways 1 and 2 are (A), (B), (C), (D), and (E) below:
(A) introducing into a host microorganism an exogenous gene encoding the protein;
(B) increasing the copy number of the endogenous gene for said protein in a host microorganism;
(C) introducing a mutation into an expression regulatory region of an endogenous gene for said protein in a host microorganism;
The protein can be introduced and/or expressed by performing one or more genetic manipulations selected from the group consisting of: (D) a manipulation for replacing the expression regulatory region of an endogenous gene for the protein in a host microorganism with an exogenous regulatory region capable of high expression; and (E) a manipulation for deleting the regulatory region of an endogenous gene for the protein in a host microorganism.

上記のようにして得られる遺伝子組み換え体は、カルボン酸生産のために、その生育及び/または維持に適した条件下で培養及び維持される。従って、本発明の別の側面は、先述の組換え微生物を用いる、カルボン酸の製造方法に関する。カルボン酸は、例えば、C5カルボン酸、C6カルボン酸および芳香族カルボン酸より選択される少なくとも1つであり、好ましくは、レブリン酸、アジピン酸、3-オキソアジピン酸、3-ヒドロキシアジピン酸、2,3-デヒドロアジピン酸、プロトカテク酸およびcis,cis-ムコン酸からなる群より選択される少なくとも1つである。 The genetically modified organism obtained as described above is cultured and maintained under conditions suitable for its growth and/or maintenance for the production of carboxylic acids. Therefore, another aspect of the present invention relates to a method for producing carboxylic acids using the recombinant microorganism described above. The carboxylic acid is, for example, at least one selected from a C5 carboxylic acid, a C6 carboxylic acid, and an aromatic carboxylic acid, and is preferably at least one selected from the group consisting of levulinic acid, adipic acid, 3-oxoadipic acid, 3-hydroxyadipic acid, 2,3-dehydroadipic acid, protocatechuic acid, and cis,cis-muconic acid.

本発明にかかる製造方法は、例えば以下の工程を含む。 The manufacturing method of the present invention includes, for example, the following steps:

(培養工程)
本工程では、先述の組換え微生物を培地中で培養する。一態様において、組換え微生物を、無機塩を含有する培地で培養することによりカルボン酸を含む培養液を得る。培地中の無機塩の濃度は、例えば5質量%以上である。培地に含まれる無機塩は、炭酸ナトリウム及び/又は硫酸ナトリウムである。別の一態様では、組換え微生物を培養して、菌体を含む培養液を得る。
(Cultivation process)
In this step, the recombinant microorganism is cultured in a medium. In one embodiment, the recombinant microorganism is cultured in a medium containing an inorganic salt to obtain a culture solution containing a carboxylic acid. The concentration of the inorganic salt in the medium is, for example, 5 mass% or more. The inorganic salt contained in the medium is sodium carbonate and/or sodium sulfate. In another embodiment, the recombinant microorganism is cultured to obtain a culture solution containing the bacterial cells.

(反応工程)
本工程では、培養工程において菌体を含む培養液を得たのち、培養液および/または菌体を、5質量%以上の無機塩を含有する水溶液と接触させてカルボン酸を含む反応液を得る。
(Reaction step)
In this step, after obtaining a culture solution containing the bacterial cells in the culture step, the culture solution and/or the bacterial cells are contacted with an aqueous solution containing 5% by mass or more of an inorganic salt to obtain a reaction solution containing a carboxylic acid.

本発明にかかる製造方法は、先の工程で得られた培養液または反応液から組換え微生物を除去する除去工程、および/または、先の工程で得られた培養液または反応液を濃縮する濃縮工程を、さらに含んでもよい。 The production method of the present invention may further include a removal step of removing the recombinant microorganism from the culture solution or reaction solution obtained in the previous step, and/or a concentration step of concentrating the culture solution or reaction solution obtained in the previous step.

(分離工程)
本工程では、先の工程で得られた培養液または反応液から、目的化合物であるカルボン酸を分離および/または精製する工程を含んでよい。当該分離および/または精製する工程では、任意の手法、例えば、遠心分離、ろ過、膜分離、晶析、抽出、蒸留、吸着、相分離、イオン交換および各種のクロマトグラフィーなどが挙げられるが、これらに限定されない。分離および/または精製工程では、一種類の方法を選択しても良く、また複数の方法を組み合わせても良い。
(Separation process)
This step may include a step of separating and/or purifying the target compound, carboxylic acid, from the culture solution or reaction solution obtained in the previous step. The separation and/or purification step may be performed by any method, such as, but not limited to, centrifugation, filtration, membrane separation, crystallization, extraction, distillation, adsorption, phase separation, ion exchange, and various types of chromatography. In the separation and/or purification step, one method may be selected, or multiple methods may be combined.

本発明にかかる製造方法において、各種の宿主微生物細胞に由来する形質転換体のための好適な培地組成、培養条件、培養時間は当業者により容易に設定することができる。 In the production method of the present invention, a person skilled in the art can easily determine suitable medium compositions, culture conditions, and culture times for transformants derived from various host microbial cells.

培地は、1つ以上の炭素源、窒素源、無機塩、ビタミン、及び場合により微量元素ないしビタミン等の微量成分を含む天然、半合成、合成培地であってよい。しかし、使用する培地は、培養すべき遺伝子組み換え体の栄養要求を適切に満たさなければならないことは言うまでもない。 The medium may be a natural, semi-synthetic, or synthetic medium containing one or more carbon sources, nitrogen sources, inorganic salts, vitamins, and optionally trace elements or vitamins. However, it goes without saying that the medium used must adequately meet the nutritional requirements of the genetically modified organism to be cultured.

炭素源としては、D-グルコース、スクロース、ラクトース、フルクトース、マルトース、オリゴ糖、多糖、でんぷん、セルロース、米ぬか、廃糖蜜、油脂(例えば大豆油、ヒマワリ油、ピーナッツ油、ヤシ油など)、脂肪酸(例えばパルミチン酸、リノール酸、リノレン酸など)、アルコール(例えばグリセロール、エタノールなど)、有機酸(例えば酢酸、乳酸、コハク酸など)が挙げられる。更にD-グルコースを含有するバイオマスであり得る。好適なバイオマスとしては、トウモロコシ分解液およびセルロース分解液が例示される。さらにその他の炭素源として、糖、二酸化炭素、合成ガス、メタノールおよびアミノ酸等も挙げられる。すなわち、一態様において、本発明にかかる製造方法では、カルボン酸は、組換え微生物による、糖、二酸化炭素、合成ガス、メタノールおよびアミノ酸のうちの少なくとも1つ以上の発酵により生成されたものである。上記炭素源は、個別にあるいは混合物として使用することが出来る。 Carbon sources include D-glucose, sucrose, lactose, fructose, maltose, oligosaccharides, polysaccharides, starch, cellulose, rice bran, blackstrap molasses, fats and oils (e.g., soybean oil, sunflower oil, peanut oil, coconut oil, etc.), fatty acids (e.g., palmitic acid, linoleic acid, linolenic acid, etc.), alcohols (e.g., glycerol, ethanol, etc.), and organic acids (e.g., acetic acid, lactic acid, succinic acid, etc.). It may also be biomass containing D-glucose. Suitable biomass includes corn decomposition liquid and cellulose decomposition liquid. Other carbon sources include sugar, carbon dioxide, synthetic gas, methanol, and amino acids. That is, in one embodiment, in the production method according to the present invention, the carboxylic acid is produced by fermentation of at least one of sugar, carbon dioxide, synthetic gas, methanol, and amino acids by a recombinant microorganism. The above carbon sources can be used individually or as a mixture.

バイオマス由来の原料を用いた場合、製品であるカルボン酸は、ISO16620-2またはASTM D6866に規定されるCarbon-14(放射性炭素)分析に基づくバイオベース炭素含有率の測定により、例えば石油、天然ガス、石炭などを由来とする合成原料と明確に区別することができる。 When biomass-derived raw materials are used, the product carboxylic acids can be clearly distinguished from synthetic raw materials derived from, for example, petroleum, natural gas, or coal by measuring the biobased carbon content based on Carbon-14 (radiocarbon) analysis as specified in ISO 16620-2 or ASTM D6866.

窒素源としては、含窒素有機化合物(例えば、ペプトン、酵母抽出物、肉抽出物、麦芽抽出物、コーンスティープリカー、大豆粉および尿素など)、または無機化合物(例えば、硫酸アンモニウム、塩化アンモニウム、リン酸アンモニウム、炭酸アンモニウム、硝酸ナトリウム、硝酸アンモニウムなど)が挙げられる。これらの窒素源は、個別にあるいは混合物として使用することが出来る。 Nitrogen sources include nitrogen-containing organic compounds (e.g., peptone, yeast extract, meat extract, malt extract, corn steep liquor, soy flour, and urea) or inorganic compounds (e.g., ammonium sulfate, ammonium chloride, ammonium phosphate, ammonium carbonate, sodium nitrate, ammonium nitrate, etc.). These nitrogen sources can be used individually or as a mixture.

また、培地は、形質転換体が有用な付加的形質を発現する場合、例えば抗生物質への耐性マーカーを有する場合、対応する抗生物質を含んでいてよい。それにより、発酵中の雑菌による汚染リスクが低減される。抗生物質としては、アンピシリン、カナマイシン、クロラムフェニコール、テトラサイクリン、エリスロマイシン、ストレプトマイシン、スペクチノマイシンなどが挙げられるが、これらに限定されない。 In addition, if the transformant expresses a useful additional trait, for example, if it has an antibiotic resistance marker, the medium may contain the corresponding antibiotic. This reduces the risk of contamination with unwanted bacteria during fermentation. Examples of antibiotics include, but are not limited to, ampicillin, kanamycin, chloramphenicol, tetracycline, erythromycin, streptomycin, and spectinomycin.

セルロースおよび多糖類などの上記炭素源を宿主微生物が資化できない場合は、当該宿主微生物に外来遺伝子を導入するなどの公知の遺伝子工学的手法を施すことで、これら炭素源を使用したカルボン酸生産に適応させることができる。外来遺伝子としては、例えば、セルラーゼ遺伝子およびアミラーゼ遺伝子などを挙げることができる。 If the host microorganism cannot assimilate the above carbon sources such as cellulose and polysaccharides, the host microorganism can be adapted to carboxylic acid production using these carbon sources by using known genetic engineering techniques such as introducing foreign genes into the host microorganism. Examples of foreign genes include cellulase genes and amylase genes.

培養は、バッチ式であっても連続式であってもよい。また、いずれの場合にも、培養の適切な時点で追加の前記炭素源等を補給する形式であってもよい。更に、培養は、好適な温度、酸素濃度、pH等を維持しながら継続されるべきである。一般的な微生物宿主細胞に由来する形質転換体の好適な培養温度は、通常15℃~50℃、好ましくは25℃~37℃の範囲である。宿主微生物が好気性の場合、発酵中の適切な酸素濃度を確保するために振盪(フラスコ培養等)、攪拌/通気(ジャー・ファーメンター培養等)を行う必要がある。それらの培養条件は、当業者にとって容易に設定可能である。 The culture may be batch or continuous. In either case, the carbon source or the like may be added at an appropriate time during the culture. Furthermore, the culture should be continued while maintaining an appropriate temperature, oxygen concentration, pH, etc. The appropriate culture temperature for transformants derived from general microbial host cells is usually in the range of 15°C to 50°C, preferably 25°C to 37°C. When the host microorganism is aerobic, shaking (flask culture, etc.) or stirring/aeration (jar fermenter culture, etc.) is required to ensure an appropriate oxygen concentration during fermentation. Those culture conditions can be easily determined by those skilled in the art.

本発明によれば、カルボン酸生産能を有する好塩性の組換え微生物を提供することができる。当該組換え微生物は、好塩性の宿主微生物に改変を行ったものであるため、微生物により生成したカルボン酸塩が培地中に蓄積し、塩濃度が上昇した場合でも、塩の蓄積に伴う生産性の低下を回避することができる。また、宿主微生物が本来有するグルコース代謝経路を利用した、新規なカルボン酸生合成経路を提供することができる。 According to the present invention, a recombinant halophilic microorganism capable of producing carboxylic acids can be provided. Since the recombinant microorganism is a modified version of a halophilic host microorganism, even if carboxylates produced by the microorganism accumulate in the medium and the salt concentration increases, a decrease in productivity due to salt accumulation can be avoided. In addition, a novel carboxylic acid biosynthesis pathway can be provided that utilizes the glucose metabolic pathway inherent to the host microorganism.

以下、本発明を実施例に基づいて説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。 The present invention will be described below based on examples, but the present invention is not limited to these examples.

本実施例に示す全てのPCRは、PrimeSTAR Max DNA Polymerase(製品名、タカラバイオ製)、RNA抽出はQuiagen(製品名、Quiagen製)、RNAの逆転写はPrimeScript RT reagent Kit with gDNA Eraser(製品名、タカラバイオ製)、定量PCRはTB Green Premix Ex Taq(製品名、タカラバイオ製)を用いて実施した。 All PCRs shown in this example were performed using PrimeSTAR Max DNA Polymerase (product name, manufactured by Takara Bio), RNA extraction was performed using Qiagen (product name, manufactured by Qiagen), RNA reverse transcription was performed using PrimeScript RT reagent Kit with gDNA Eraser (product name, manufactured by Takara Bio), and quantitative PCR was performed using TB Green Premix Ex Taq (product name, manufactured by Takara Bio).

バチルス・シュードフィラマス(Bacillus pseudofirmus)の形質転換には、エレクトロポレーション法を用いた。エレクトロポレーション法では、1μlのプラスミドDNAを60μlのコンピテントセルと共に入れた幅0.1cmのキュベットをgene pulsar(Bio-Rad製)に装着して、電圧2.5kV・抵抗200Ω・キャパシタンス25μFのパルスをキュベットに負荷した。30℃にて3時間復帰培養した後、クロラムフェニコール10μg/mLを含む181培地に塗布し、形質転換体を取得した。181培地組成を表1に示す。 Electroporation was used to transform Bacillus pseudofirmus. In the electroporation method, a 0.1 cm wide cuvette containing 1 μl of plasmid DNA together with 60 μl of competent cells was attached to a gene pulsar (Bio-Rad), and a pulse of 2.5 kV voltage, 200 Ω resistance, and 25 μF capacitance was applied to the cuvette. After 3 hours of recovery culture at 30°C, the cells were spread on 181 medium containing 10 μg/mL chloramphenicol to obtain transformants. The composition of 181 medium is shown in Table 1.

Figure 2024092581000001
Figure 2024092581000001

実施例1:好塩性カルボン酸生産菌の構築
(実施例1-a)染色体挿入プラスミドの作製
バチルス・シュードフィラマスOF4株(JCM17055株、本株は文部科学省ナショナルリソースプロジェクトを介して、理研BRCから提供された)を181培地中(2ml)で37℃にて振盪培養した。培養終了後、培養液から菌体を回収し、Nucleo Spin Tissue(製品名、MACHEREY-NAGEL社製)を使用してゲノムDNAを抽出した。AおよびBを付したプライマーセット(図5)により、プロモーター領域を含む相同性領域をPCR増幅した(断片1)。反応条件は98℃(10sec),55℃(5sec),72℃(30sec),30cycleとした。
Example 1: Construction of a halophilic carboxylic acid producing bacterium (Example 1-a) Preparation of a chromosomal insertion plasmid Bacillus pseudophyllum OF4 strain (JCM17055 strain, this strain was provided by RIKEN BRC through the Ministry of Education, Culture, Sports, Science and Technology National Resource Project) was cultured in 181 medium (2 ml) with shaking at 37°C. After the culture was completed, the cells were collected from the culture liquid, and genomic DNA was extracted using Nucleo Spin Tissue (product name, manufactured by MACHEREY-NAGEL). A homology region including the promoter region was PCR amplified (fragment 1) using a primer set labeled A and B (Figure 5). The reaction conditions were 98°C (10 sec), 55°C (5 sec), 72°C (30 sec), and 30 cycles.

プラスミドpE197CTPK(NITE BP-03287として、独立行政法人製品評価技術基盤機構 バイオテクノロジーセンター 特許微生物寄託センター(NPMD)(住所:千葉県木更津市かずさ鎌足2-5-8 122号室)に2020年9月16日付けで国際寄託されている。)を、CおよびDを付したプライマーセット(図5)によりPCR増幅した(断片2)。反応条件は98℃(10sec),55℃(5sec),72℃(30sec),30cycleとした。断片2をベクター側とし、インサートとして断片1をライゲーションし、pAKAD01~03を構築した。 Plasmid pE197CTPK (internationally deposited as NITE BP-03287 at the National Institute of Technology and Evaluation, National Patent Microorganism Depository (NPMD) (Address: Room 122, 2-5-8 Kazusa Kamatari, Kisarazu City, Chiba Prefecture) on September 16, 2020) was PCR amplified using a primer set marked with C and D (Figure 5) (fragment 2). The reaction conditions were 98°C (10 sec), 55°C (5 sec), 72°C (30 sec), 30 cycles. Fragment 2 was used as the vector side, and fragment 1 was ligated as an insert to construct pAKAD01-03.

(実施例1-b)カルボン酸合成遺伝子のクローニング
配列番号17~19記載の配列の遺伝子を、遺伝子合成した(図4)。合成遺伝子を鋳型に、EおよびFを付したプライマーセット(図5)にてPCR増幅した(断片3)。反応条件は98℃(10sec),55℃(5sec),72℃(30sec),30cycleとした。上記の染色体挿入プラスミドを鋳型に、GおよびHを付したプライマーセット(図5)にてPCR増幅した(断片4)。断片4をベクター側とし、インサートとして断片3をライゲーションし、pAKAD04~06を構築した。すなわち、人工遺伝子合成で作製した配列番号17~19をベクタープラスミド(pAKAD01~03)にそれぞれ組み込むことにより、プラスミドpAKAD04~06を構築した。
(Example 1-b) Cloning of carboxylic acid synthesis genes Genes with sequences shown in SEQ ID NOs: 17 to 19 were synthesized (FIG. 4). Using the synthetic genes as a template, PCR amplification was performed with a primer set with E and F (FIG. 5) (fragment 3). The reaction conditions were 98°C (10 sec), 55°C (5 sec), 72°C (30 sec), 30 cycles. Using the above chromosome insertion plasmid as a template, PCR amplification was performed with a primer set with G and H (FIG. 5) (fragment 4). Fragment 4 was used as the vector side, and fragment 3 was ligated as an insert to construct pAKAD04 to 06. That is, plasmids pAKAD04 to 06 were constructed by incorporating SEQ ID NOs: 17 to 19 prepared by artificial gene synthesis into vector plasmids (pAKAD01 to 03), respectively.

(実施例1-c)形質転換体の取得
実施例1-bで構築したpAKAD04をバチルス・シュードフィラマスOF4株に形質転換し、AKADp-101株を取得した。
(Example 1-c) Obtaining a transformant The pAKAD04 constructed in Example 1-b was transformed into the Bacillus pseudophyllum OF4 strain to obtain the AKADp-101 strain.

(実施例1-d)プラスミド挿入株の取得
実施例1-cで取得したAKADp-101株を30℃にてクロラムフェニコール10μg/mLを含む181培地で1日間培養した後、100倍希釈してクロラムフェニコール10μg/mLを含む181培地に塗布し、43℃にて培養し、プラスミドが染色体に相同組み換えされた染色体挿入株AKADp-201株を取得した。
(Example 1-d) Obtaining a plasmid-inserted strain The AKADp-101 strain obtained in Example 1-c was cultured in 181 medium containing 10 μg/mL chloramphenicol at 30° C. for 1 day, then diluted 100-fold and spread onto 181 medium containing 10 μg/mL chloramphenicol and cultured at 43° C. to obtain a chromosomal insertion strain AKADp-201 strain in which the plasmid had been homologously recombined into the chromosome.

(実施例1-e)遺伝子挿入株の取得(1)
実施例1-dで取得したAKADp-201株を30℃にてクロラムフェニコール10μg/mLを含む181培地で1日間培養した後、100倍希釈して4-クロロフェニルアラニン5mMを含む181培地に塗布し、30℃にて培養し、染色体からプラスミドとそれぞれの遺伝子領域が除去され、外部遺伝子が挿入された遺伝子挿入株AKAD-001株を取得した。プラスミドの除去および遺伝子の挿入はIおよびKを付したプライマーセット(図5)を用いたPCRにより確認した。反応条件は98℃(10sec),55℃(5sec),72℃(30sec),30cycleとした。
(Example 1-e) Obtaining a gene-inserted strain (1)
The AKADp-201 strain obtained in Example 1-d was cultured for 1 day in 181 medium containing 10 μg/mL chloramphenicol at 30 ° C., then diluted 100-fold and spread on 181 medium containing 5 mM 4-chlorophenylalanine, and cultured at 30 ° C. to obtain a gene insertion strain AKAD-001 strain in which the plasmid and each gene region were removed from the chromosome and an external gene was inserted. The removal of the plasmid and the insertion of the gene were confirmed by PCR using a primer set with I and K (Figure 5). The reaction conditions were 98 ° C. (10 sec), 55 ° C. (5 sec), 72 ° C. (30 sec), and 30 cycles.

(実施例1-f)遺伝子挿入株の習得(2)
実施例1-bで構築したpAKAD05と実施例1-eで取得したAKAD-001株を用いて、実施例1-c~実施例1-eと同様の操作を行い、外部遺伝子が挿入された遺伝子挿入株AKAD-002株を取得した。
(Example 1-f) Acquisition of gene insertion strain (2)
Using pAKAD05 constructed in Example 1-b and the AKAD-001 strain obtained in Example 1-e, the same operations as in Examples 1-c to 1-e were performed to obtain a gene insertion strain, AKAD-002 strain, in which an external gene was inserted.

(実施例1-g)遺伝子挿入株の習得(3)
実施例1-bで構築したpAKAD06と実施例1-fで取得したAKAD-002株を用いて、実施例1-c~実施例1-eと同様の操作を行い、外部遺伝子が挿入された遺伝子挿入株AKAD-003株を取得した。
(Example 1-g) Acquisition of gene insertion strain (3)
Using pAKAD06 constructed in Example 1-b and the AKAD-002 strain obtained in Example 1-f, the same operations as in Examples 1-c to 1-e were performed to obtain a gene insertion strain, AKAD-003 strain, into which an external gene was inserted.

取得した遺伝子挿入株の遺伝子型を表2に記載する。使用した各プライマーの塩基配列を配列番号20~89として図5に示す。 The genotypes of the obtained gene insertion strains are shown in Table 2. The base sequences of the primers used are shown in Figure 5 as SEQ ID NOs: 20 to 89.

Figure 2024092581000002
Figure 2024092581000002

実施例2:構築した菌株におけるカルボン酸生産能の評価(ファーメンター培養)
AKAD-001~003株を、181培地プレート上で、37℃、1日間培養して、コロニーを形成させた。181培地2mLを14mL容の試験管に入れ、上記プレートからコロニーを白金耳で植菌し、37℃で、180rpmで培養を行い、十分な濁度を得るまで培養し、これを本培養のための前培養液とした。
Example 2: Evaluation of carboxylic acid production ability in the constructed strain (fermentor culture)
The AKAD-001 to AKAD-003 strains were cultured on a 181 medium plate at 37° C. for 1 day to form colonies. 2 mL of the 181 medium was placed in a 14 mL test tube, and a colony was inoculated from the plate using a platinum loop. The culture was carried out at 37° C. and 180 rpm until sufficient turbidity was obtained, and this was used as a preculture solution for main culture.

100mL容のジャー培養装置(機種名:Bio Jr.8、バイオット社製)に40g/Lグルコースを含むBSジャー培地(表4に示す)を入れ、1mLの前培養液を添加し本培養を行った(カダベリン生産試験)。培養条件は、培養温度:37℃、培養pH:7.5、アルカリ添加:10%アンモニア水、攪拌速度:750rpm、通気速度:0.1vvmとした。培養中に経時的にサンプリングを行い、培養液中の菌体濁度および培養上清中のカルボン酸濃度を定量した。培養開始24時間および48時間後に50%グルコース溶液を8ml添加した。 A BS jar medium (shown in Table 4) containing 40 g/L glucose was placed in a 100 mL jar culture device (model name: Bio Jr. 8, manufactured by Biot Co., Ltd.), 1 mL of preculture solution was added, and main culture was performed (cadaverine production test). The culture conditions were culture temperature: 37°C, culture pH: 7.5, alkali addition: 10% ammonia water, stirring speed: 750 rpm, and aeration speed: 0.1 vvm. Sampling was performed over time during the culture, and the turbidity of the bacterial cells in the culture solution and the carboxylic acid concentration in the culture supernatant were quantified. 8 ml of 50% glucose solution was added 24 hours and 48 hours after the start of culture.

上記の培養液を、10,000g×3分間遠心分離して上清を回収し、培養上清のカルボン酸濃度を測定した。分析は、トリメチルシリル誘導体化を用いたGC/MS分析によって行った。培養液遠心上清40μL(内部標準としてセバシン酸二ナトリウムを終濃度10mMとなるように添加)に水:メタノール:クロロホルム=5:2:2(v/v/v)となるように混合された抽出液を360μL添加し、ボルテックスミキサーでよく攪拌した。遠心分離(16,000×g、5分)後、上清40μLを別のマイクロチューブに採取し、遠心エバポレータで1時間遠心乾固した。得られた乾固物にメトキシアミン塩酸塩20mg/mLピリジン溶液100μLを添加し、30℃で90分振盪した。N-メチル-N-トリメチルシリルトリフルオロアセトアミド50μLを添加し、37℃で30分振盪した。反応溶液をGC/MS測定試料とし、下記の条件で分析を行った。 The above culture solution was centrifuged at 10,000g for 3 minutes to collect the supernatant, and the carboxylic acid concentration of the culture supernatant was measured. Analysis was performed by GC/MS analysis using trimethylsilyl derivatization. 360 μL of an extract mixed with water:methanol:chloroform = 5:2:2 (v/v/v) was added to 40 μL of the culture solution centrifuged supernatant (added with disodium sebacate as an internal standard to a final concentration of 10 mM), and the mixture was thoroughly stirred with a vortex mixer. After centrifugation (16,000 × g, 5 minutes), 40 μL of the supernatant was collected in another microtube and centrifuged and dried for 1 hour with a centrifugal evaporator. 100 μL of methoxyamine hydrochloride 20 mg/mL pyridine solution was added to the obtained dried product, and the mixture was shaken at 30 ° C for 90 minutes. 50 μL of N-methyl-N-trimethylsilyl trifluoroacetamide was added, and the mixture was shaken at 37 ° C for 30 minutes. The reaction solution was used as a GC/MS measurement sample and analyzed under the following conditions.

GC/MS分析条件
装置:GCMS-QP-2020NX(島津製作所製)
カラム:フューズドシリカキャピラリーチューブ 不活性処理チューブ(長さ1m、外径0.35mm、内径0.25mm、GLサイエンス社製)、InertCap 5MS/NP(長さ30m、内径0.25mm、膜厚0.25μm、GLサイエンス社製)
試料注入量:1μL
試料導入法:スプリット(スプリット比25:1)
気化室温度:230℃
キャリアガス:ヘリウム
キャリアガス線速度:39.0cm/秒
オーブン温度:80℃、2分保持→15℃/分昇温→325℃、13分保持
イオン化法:電子イオン化法(EI)
イオン化エネルギー:70eV
イオン源温度:230℃
スキャン範囲:m/z=50~500
GC/MS analysis conditions: Apparatus: GCMS-QP-2020NX (Shimadzu Corporation)
Column: Fused silica capillary tube, deactivated tube (length 1 m, outer diameter 0.35 mm, inner diameter 0.25 mm, manufactured by GL Sciences), InertCap 5MS/NP (length 30 m, inner diameter 0.25 mm, film thickness 0.25 μm, manufactured by GL Sciences)
Sample injection volume: 1 μL
Sample introduction method: split (split ratio 25:1)
Vaporization chamber temperature: 230°C
Carrier gas: Helium Carrier gas linear velocity: 39.0 cm/sec Oven temperature: 80°C, held for 2 minutes → 15°C/min heating → 325°C, held for 13 minutes Ionization method: Electron ionization (EI)
Ionization energy: 70 eV
Ion source temperature: 230° C.
Scan range: m/z = 50 to 500

Figure 2024092581000003
Figure 2024092581000003

41時間および67.5時間後の菌体密度(OD)、C6ジカルボン酸およびレブリン酸濃度(g/l)を表4に示す(レブリン酸は3-オキソアジピン酸の分解物)。AKAD-001の培養上清からは、レブリン酸およびC6ジカルボン酸は検出されなかった。一方、AKAD-002の培養上清からはレブリン酸および3-ヒドロキシアジピン酸が検出され、AKAD-003の培養上清からはレブリン酸、3-ヒドロキシアジピン酸およびアジピン酸が検出された。 The bacterial cell density (OD), C6 dicarboxylic acid and levulinic acid concentrations (g/l) after 41 and 67.5 hours are shown in Table 4 (levulinic acid is a decomposition product of 3-oxoadipic acid). Levulinic acid and C6 dicarboxylic acid were not detected in the culture supernatant of AKAD-001. On the other hand, levulinic acid and 3-hydroxyadipic acid were detected in the culture supernatant of AKAD-002, and levulinic acid, 3-hydroxyadipic acid and adipic acid were detected in the culture supernatant of AKAD-003.

Figure 2024092581000004
Figure 2024092581000004

実施例3:カルボン酸生産経路の強化
(実施例3-a)遺伝子発現プラスミドの作製
バチルス・シュードフィラマスOF4株を181培地中(2ml)で37℃にて振盪培養した。培養終了後、培養液から菌体を回収し、Nucleo Spin Tissue(製品名、MACHEREY-NAGEL社製)を使用してゲノムDNAを抽出した。AおよびBを付したプライマーセットにより、プロモーター領域を含む相同性領域をPCR増幅した(断片5)。反応条件は98℃(10sec),55℃(5sec),72℃(30sec),30cycleとした。
Example 3: Enhancement of carboxylic acid production pathway (Example 3-a) Preparation of gene expression plasmid Bacillus pseudophyllum OF4 strain was cultured at 37°C with shaking in 181 medium (2 ml). After the culture was completed, the cells were collected from the culture liquid, and genomic DNA was extracted using Nucleo Spin Tissue (product name, manufactured by MACHEREY-NAGEL). A homology region including the promoter region was PCR amplified (fragment 5) using a primer set labeled A and B. The reaction conditions were 98°C (10 sec), 55°C (5 sec), 72°C (30 sec), and 30 cycles.

プラスミドpAL351(NITE BP-02918として、独立行政法人製品評価技術基盤機構 バイオテクノロジーセンター 特許微生物寄託センター(NPMD)(住所:千葉県木更津市かずさ鎌足2-5-8 122号室)に2019年3月18日付けで国際寄託されている。)を、CおよびDを付したプライマーセットによりPCR増幅した(断片6)。反応条件は98℃(10sec),55℃(5sec),72℃(30sec),30cycleとした。断片6をベクター側とし、インサートとして断片5をライゲーションし、pAKAD07を構築した。 Plasmid pAL351 (internationally deposited as NITE BP-02918 at the National Institute of Technology and Evaluation, National Patent Microorganism Depository (NPMD) (Address: Room 122, 2-5-8 Kazusa Kamatari, Kisarazu City, Chiba Prefecture) on March 18, 2019) was PCR amplified using a primer set labeled C and D (fragment 6). The reaction conditions were 98°C (10 sec), 55°C (5 sec), 72°C (30 sec), 30 cycles. Fragment 6 was used as the vector side, and fragment 5 was ligated as an insert to construct pAKAD07.

(実施例3-b)エノイルCoAデヒドロゲナーゼのクローニング
配列番号90~98記載の配列の遺伝子(計9つ)を遺伝子合成した(図6)。前述した合成遺伝子と(実施例1-b)で合成した遺伝子(配列番号18)を鋳型に、EおよびFを付したプライマーセットにてPCR増幅した(断片7)。反応条件は98℃(10sec),55℃(5sec),72℃(30sec),30cycleとした。上記の遺伝子発現プラスミドを鋳型に、GおよびHを付したプライマーセット(図5)にてPCR増幅した(断片8)。断片8をベクター側とし、インサートとして断片7をライゲーションし、pAKAD08~16を構築した。
(Example 3-b) Cloning of enoyl-CoA dehydrogenase Genes (total of 9) having sequences shown in SEQ ID NOs: 90 to 98 were synthesized (FIG. 6). Using the above-mentioned synthetic gene and the gene synthesized in (Example 1-b) (SEQ ID NO: 18) as templates, PCR amplification was performed with a primer set with E and F (fragment 7). The reaction conditions were 98°C (10 sec), 55°C (5 sec), 72°C (30 sec), 30 cycles. Using the above gene expression plasmid as a template, PCR amplification was performed with a primer set with G and H (FIG. 5) (fragment 8). Fragment 8 was used as the vector side, and fragment 7 was ligated as an insert to construct pAKAD08-16.

(実施例3-c)形質転換体の取得
実施例2-bで構築したpAKAD08~16をAKAD-003株に形質転換し、AKADp-301~309株を取得した。
(Example 3-c) Obtaining transformants The pAKAD08 to pAKAD16 constructed in Example 2-b were transformed into the AKAD-003 strain to obtain AKADp-301 to 309 strains.

(実施例3-d)取得した菌株におけるC6ジカルボン酸生産能の評価
AKADp-301~309株を、クロラムフェニコール10μg/mLを含む181培地プレート上で、37℃、1日間培養して、コロニーを形成させた。クロラムフェニコール10μg/mLを含む181培地2mLを14mL容の試験管に入れ、上記プレートからコロニーを白金耳で植菌し、37℃で、180rpmで培養を行い、十分な濁度を得るまで培養し、これを本培養のための前培養液とした。
(Example 3-d) Evaluation of C6 dicarboxylic acid productivity in the obtained strains AKADp-301 to 309 strains were cultured on a 181 medium plate containing 10 μg/mL chloramphenicol at 37° C. for 1 day to form colonies. 2 mL of 181 medium containing 10 μg/mL chloramphenicol was placed in a 14 mL test tube, and a colony was inoculated from the plate using a platinum loop. The culture was carried out at 37° C. and 180 rpm until sufficient turbidity was obtained, and this was used as a preculture solution for main culture.

100mL容のジャー培養装置(機種名:Bio Jr.8、バイオット社製)に40g/Lグルコースを含むBSジャー培地(表5に示す)を入れ、1mLの前培養液を添加し本培養を行った(カダベリン生産試験)。培養条件は、培養温度:37℃、培養pH:7.5、アルカリ添加:10%アンモニア水、攪拌速度:750rpm、通気速度:0.1vvmとした。培養中に経時的にサンプリングを行い、培養液中の菌体濁度および培養上清中のカルボン酸濃度を定量した。培養開始24時間および48時間後に50%グルコース溶液を8ml添加した。 A BS jar medium (shown in Table 5) containing 40 g/L glucose was placed in a 100 mL jar culture device (model name: Bio Jr. 8, manufactured by Biot Co., Ltd.), 1 mL of preculture solution was added, and main culture was performed (cadaverine production test). The culture conditions were culture temperature: 37°C, culture pH: 7.5, alkali addition: 10% ammonia water, stirring speed: 750 rpm, and aeration speed: 0.1 vvm. Sampling was performed over time during the culture, and the turbidity of the bacterial cells in the culture solution and the carboxylic acid concentration in the culture supernatant were quantified. 8 ml of 50% glucose solution was added 24 hours and 48 hours after the start of culture.

上記の培養液を、10,000g×3分間遠心分離して上清を回収し、培養上清のC6ジカルボン酸およびレブリン酸の濃度を測定した。具体的には、GC-MS分析を行うことで、培養上清中のカルボン酸濃度を定量した。 The above culture solution was centrifuged at 10,000 g for 3 minutes to collect the supernatant, and the concentrations of C6 dicarboxylic acids and levulinic acid in the culture supernatant were measured. Specifically, the carboxylic acid concentrations in the culture supernatant were quantified by GC-MS analysis.

Figure 2024092581000005
Figure 2024092581000005

41時間後、48時間後および67.5時間後の菌体密度(OD)、C6ジカルボン酸およびレブリン酸濃度(g/l)を表6に示す(レブリン酸は3-オキソアジピン酸の分解物)。AKADp-301~309株のすべての培養上清からは、150mg/L以上のアジピン酸が検出された。実施例2において、プラスミドを形質転換していないAKAD-003の培養上清では、アジピン酸が6mg/L検出されており、形質転換体ではアジピン酸の分泌量が顕著に向上している。また、実施例に2におけるAKAD-003の培養上清ではアジピン酸よりもレブリン酸濃度が高いが、すべての形質転換体ではレブリン酸よりもアジピン酸の濃度が高かった。 Table 6 shows the cell density (OD), C6 dicarboxylic acid and levulinic acid concentrations (g/l) after 41, 48 and 67.5 hours (levulinic acid is a decomposition product of 3-oxoadipic acid). Adipic acid of 150 mg/L or more was detected in the culture supernatant of all AKADp-301 to 309 strains. In Example 2, adipic acid was detected at 6 mg/L in the culture supernatant of AKAD-003, which was not transformed with a plasmid, and the amount of adipic acid secreted by the transformants was significantly improved. In Example 2, the culture supernatant of AKAD-003 had a higher concentration of levulinic acid than adipic acid, but all transformants had a higher concentration of adipic acid than levulinic acid.

Figure 2024092581000006
Figure 2024092581000006

実施例4:C6化合物への耐性
大腸菌K12株をLB培地プレート上で、37℃、1日間培養して、コロニーを形成させた。LB培地2mLを14mL容の試験管に入れ、上記プレートからコロニーを白金耳で植菌し、37℃で、180rpmで培養を行い、十分な濁度を得るまで培養し、これを本培養のための前培養液とした。
Example 4: Resistance to C6 compounds Escherichia coli K12 strain was cultured on an LB medium plate at 37° C. for 1 day to form colonies. 2 mL of LB medium was placed in a 14 mL test tube, and a colony was inoculated from the plate using a platinum loop. Culture was carried out at 37° C. and 180 rpm until sufficient turbidity was obtained, and this was used as a preculture solution for main culture.

バチルス・シュードフィラマスOF4株を、181培地プレート上で、37℃、1日間培養して、コロニーを形成させた。181培地2mLを14mL容の試験管に入れ、上記プレートからコロニーを白金耳で植菌し、37℃で、180rpmで培養を行い、十分な濁度を得るまで培養し、これを本培養のための前培養液とした。 Bacillus pseudophyllum OF4 strain was cultured on 181 medium plate at 37°C for 1 day to form colonies. 2 mL of 181 medium was placed in a 14 mL test tube, and a colony was inoculated from the plate using a platinum loop. The culture was carried out at 37°C and 180 rpm until sufficient turbidity was obtained, and this was used as a preculture solution for main culture.

2mL容のディープウェルに、アジピン酸2ナトリウム(ADA2Na)の濃度を0、20、40、60、80および100g/Lで調整したBS培地(表7に示す)を添加した。大腸菌もしくはバチルス・シュードフィラマスOF4株を50μLの前培養液を添加し本培養を行った。培養条件は37℃で、180rpmとした。43時間後にサンプリングを行い、培養液中の菌体濁度を定量した。 BS medium (shown in Table 7) containing disodium adipate (ADA2Na) at concentrations of 0, 20, 40, 60, 80, and 100 g/L was added to a 2 mL deep well. 50 μL of preculture solution of Escherichia coli or Bacillus pseudophyllum OF4 strain was added and main culture was performed. Culture conditions were 37°C and 180 rpm. Sampling was performed after 43 hours, and the turbidity of the bacterial cells in the culture solution was quantified.

Figure 2024092581000007
Figure 2024092581000007

ADA2Na濃度を0g/Lに調整した条件の生育を100とし、各濃度における生育比率を算出した(表8)。大腸菌はADA2Na20g/Lで生育比が半減するのに対し、バチルス・シュードフィラマスOF4株はADA2Na100g/Lの条件でも生育比は変化しなかった。 The growth rate at each concentration was calculated by setting the growth rate at 0 g/L of ADA2Na as 100 (Table 8). The growth rate of E. coli was halved at 20 g/L of ADA2Na, whereas the growth rate of Bacillus pseudophyllum OF4 did not change even at 100 g/L of ADA2Na.

Figure 2024092581000008
Figure 2024092581000008

実施例5:高発現プロモーターの選定
実施例1-c~実施例1-eと同様の操作を行い、上流に下記の4種類の塩基配列を付与したpaaJ-paaH遺伝子カセットをバチルス・シュードフィラマスOF4株の染色体に挿入した。挿入した4種類の塩基配列はそれぞれgapA遺伝子、sod遺伝子、ald遺伝子、slpA遺伝子の上流に存在するプロモーター配列であり、それぞれの株をAKAD-004~007株と命名した。各株と、使用したプロモーターとの対応関係を下記表(表9)に示し、プロモーターの配列を図9に示す。なお、挿入した4種類の塩基配列は、バチルス・シュードフィラマスOF4株のトランスクリプトーム解析によって得られた配列から選択した。具体的には、バチルス・シュードフィラマスOF4株をBS培地で培養した時のRNAを抽出し、トランスクリプトーム解析を行い、検出された数千個の遺伝子の中から、遺伝子の発現量の比較等に基づき、上記4種類のプロモーター配列を選択して用いた。
Example 5: Selection of a high-expression promoter The same operations as in Example 1-c to Example 1-e were performed to insert a paaJ-paaH gene cassette with the following four types of base sequences added upstream into the chromosome of the Bacillus pseudofilamus OF4 strain. The four types of base sequences inserted are promoter sequences present upstream of the gapA gene, sod gene, ald gene, and slpA gene, respectively, and the respective strains were named AKAD-004 to 007 strains. The correspondence between each strain and the promoter used is shown in the table below (Table 9), and the promoter sequence is shown in FIG. 9. The four types of base sequences inserted were selected from sequences obtained by transcriptome analysis of the Bacillus pseudofilamus OF4 strain. Specifically, RNA was extracted when the Bacillus pseudofilamus OF4 strain was cultured in BS medium, and transcriptome analysis was performed. The above four types of promoter sequences were selected and used from the several thousand detected genes based on comparison of gene expression levels, etc.

AKAD-004~007株を181培地プレート上で、37℃、1日間培養して、コロニーを形成させた。181培地2mLを14mL容の試験管に入れ、上記プレートからコロニーを白金耳で植菌し、37℃で、180rpmで培養を行い、十分な濁度を得るまで培養し、これを本培養のための前培養液とした。 The AKAD-004 to 007 strains were cultured on 181 medium plates at 37°C for 1 day to form colonies. 2 mL of 181 medium was placed in a 14 mL test tube, and a colony was inoculated from the plate using a platinum loop. The culture was carried out at 37°C and 180 rpm until sufficient turbidity was obtained, and this was used as a preculture solution for main culture.

14mL容の試験管に、BS培地を2ml添加した。前培養したAKAD-004~007株を50μLの前培養液を添加し本培養を行った。培養条件は37℃で、180rpmとした。6時間後に全量回収し、RNA抽出を行った。抽出したRNAを逆転写した後に、定量PCRを行い、PpaaJ遺伝子とpaaH遺伝子の発現量を測定した(図7)。定量PCRに図8のプライマーリストを使用し、反応条件は95℃(30sec),{95℃(5sec),60℃(30sec)}×40cycle、Melt curveとした。 2 ml of BS medium was added to a 14-mL test tube. 50 μL of precultured AKAD-004 to 007 strains were added and main culture was performed. Culture conditions were 37°C and 180 rpm. After 6 hours, the entire amount was collected and RNA was extracted. After reverse transcription of the extracted RNA, quantitative PCR was performed to measure the expression levels of the PpaaJ gene and the paaH gene (Figure 7). The primer list in Figure 8 was used for quantitative PCR, and the reaction conditions were 95°C (30 sec), {95°C (5 sec), 60°C (30 sec)} x 40 cycles, Melt curve.

Figure 2024092581000009
Figure 2024092581000009

paaJ遺伝子、paaH遺伝子ともに、プロモーターにP_slpAを用いた場合、遺伝子発現量が最も高かった。P_gapAおよびP_slpAをそれぞれ用いた際のPpaaJ遺伝子およびPpaaH遺伝子の発現量は約100倍以上異なっており、バチルス・シュードフィラマスOF4株にいてP_slpAが強力な高発現プロモーターであることを明らかにした。 For both the paaJ and paaH genes, the gene expression levels were highest when P_slpA was used as the promoter. The expression levels of the PpaaJ and PpaaH genes when P_gapA and P_slpA were used, respectively, differed by approximately 100-fold or more, demonstrating that P_slpA is a strong, high-expression promoter in the Bacillus pseudophyllum OF4 strain.

実施例6:コドン最適化
(実施例6-a)ddh遺伝子発現プラスミドの作製
配列番号107および108記載の遺伝子を遺伝子合成した。配列番号107はCorynebacteria glutamicum ATCC13032株のddh遺伝子であり、配列番号108はバチルス・シュードフィラマスOF4株のコドン使用頻度を基に配列番号107をコドン最適化した塩基配列である。具体的には表10に示すように、使用頻度が低いコドンを使用頻度が高いコドンに変更した。
Example 6: Codon optimization (Example 6-a) Preparation of ddh gene expression plasmid The genes shown in SEQ ID NOs: 107 and 108 were synthesized. SEQ ID NO: 107 is the ddh gene of Corynebacteria glutamicum ATCC13032 strain, and SEQ ID NO: 108 is a base sequence obtained by optimizing SEQ ID NO: 107 with codons based on the codon usage frequency of Bacillus pseudofilamus OF4 strain. Specifically, as shown in Table 10, a codon with a low usage frequency was changed to a codon with a high usage frequency.

前述した合成遺伝子をAおよびB付した表13のプライマーセットにてPCR増幅した(断片9)。反応条件は98℃(10sec),55℃(5sec),72℃(30sec),30cycleとした。実施例3-aで作製したpAKAD07を鋳型に、CおよびDを付した表13のプライマーセットにてPCR増幅した(断片10)。反応条件は98℃(10sec),55℃(5sec),72℃(60sec),30cycleとした。断片9をベクター側とし、インサートとして断片10をライゲーションし、pAKAD17~18を構築した。 The synthetic gene described above was PCR amplified using the primer set in Table 13 marked with A and B (fragment 9). The reaction conditions were 98°C (10 sec), 55°C (5 sec), 72°C (30 sec), and 30 cycles. Using pAKAD07 prepared in Example 3-a as a template, PCR amplified using the primer set in Table 13 marked with C and D (fragment 10). The reaction conditions were 98°C (10 sec), 55°C (5 sec), 72°C (60 sec), and 30 cycles. Fragment 9 was used as the vector side, and fragment 10 was ligated as an insert to construct pAKAD17-18.

(実施例6-b)ddh遺伝子発現プラスミドの作製
構築したpAKAD17~18をバチルス・シュードフィラマスOF4株株に形質転換し、AKADp-401~402株を取得した。使用したプライマーの配列を図12に示す。
(Example 6-b) Preparation of ddh gene expression plasmid The constructed pAKAD17 to 18 were transformed into Bacillus pseudophyllum OF4 strain to obtain AKADp-401 to 402 strains. The sequences of the primers used are shown in FIG.

(実施例6-c)Ddh活性の比較
AKADp-401~402株を、クロラムフェニコール10μg/mLを含む181培地プレート上で、37℃、1日間培養して、コロニーを形成させた。クロラムフェニコール10μg/mLを含む181培地2mLを14mL容の試験管に入れ、上記プレートからコロニーを白金耳で植菌し、37℃で、180rpmで培養を行い、十分な濁度を得るまで培養し、これを本培養のための前培養液とした。
(Example 6-c) Comparison of Ddh activity AKADp-401 to 402 strains were cultured on a 181 medium plate containing 10 μg/mL chloramphenicol at 37 ° C. for 1 day to form colonies. 2 mL of 181 medium containing 10 μg/mL chloramphenicol was placed in a 14 mL test tube, and a colony was inoculated from the plate with a platinum loop, cultured at 37 ° C. and 180 rpm until sufficient turbidity was obtained, and this was used as a preculture solution for main culture.

14mL容の試験管に、クロラムフェニコール10μg/mLを含む181培地を2ml添加した。前培養したAKADp-401~402株を50μLの前培養液を添加し本培養を行った。培養条件は37℃で、180rpmとした。6時間後に遠心分離にて菌体を回収し、氷上での超音波処理にて菌体を破砕した。菌体破砕液を表11に示す組成にて、37℃で1時間インキュベーションし、マルチリーダーInfinite200にてOD340nmの波長を経時的に測定した。菌体破砕液中のタンパク質濃度をバイオ・ラッドプロテインアッセイキット(製品名、バイオラッド)で測定した。 2 ml of 181 medium containing 10 μg/mL chloramphenicol was added to a 14 mL test tube. 50 μL of the precultured AKADp-401-402 strains were added and main culture was performed. Culture conditions were 37°C and 180 rpm. After 6 hours, the cells were collected by centrifugation and disrupted by ultrasonic treatment on ice. The disrupted cell solution was incubated at 37°C for 1 hour with the composition shown in Table 11, and the wavelength at OD340 nm was measured over time using a multireader Infinite 200. The protein concentration in the disrupted cell solution was measured using a Bio-Rad Protein Assay Kit (product name, Bio-Rad).

コドン最適化の有無でDdh活性を比較した結果、コドン最適化を施していない塩基配列(配列番号107(図11))を保有するAKAD-401株ではほとんど活性が確認できなかった(図7)。一方、コドン最適化を施した塩基配列(配列番号108(図11))を保有するAKAD-402株では高い活性が確認できた(図10)。 Comparing Ddh activity with and without codon optimization, almost no activity was observed in the AKAD-401 strain, which has a base sequence that has not been codon optimized (SEQ ID NO: 107 (Figure 11)) (Figure 7). On the other hand, high activity was observed in the AKAD-402 strain, which has a base sequence that has been codon optimized (SEQ ID NO: 108 (Figure 11)) (Figure 10).

Figure 2024092581000010
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Claims (23)

カルボン酸生産能を有する、好塩性の組換え微生物であって、
当該カルボン酸が、C5カルボン酸、C6カルボン酸および芳香族カルボン酸から選択される、組換え微生物。
A recombinant halophilic microorganism capable of producing carboxylic acids, comprising:
The recombinant microorganism, wherein the carboxylic acid is selected from a C5 carboxylic acid, a C6 carboxylic acid, and an aromatic carboxylic acid.
前記カルボン酸が、レブリン酸、アジピン酸、3-オキソアジピン酸、3-ヒドロキシアジピン酸および2,3-デヒドロアジピン酸から選択される少なくとも1つである、請求項1に記載の組換え微生物。 The recombinant microorganism according to claim 1, wherein the carboxylic acid is at least one selected from levulinic acid, adipic acid, 3-oxoadipic acid, 3-hydroxyadipic acid, and 2,3-dehydroadipic acid. 前記組換え微生物が、β-ケトアジピルCoAチオラーゼ(EC:2.3.1.174)、3-オキソアジピルCoAデヒドロゲナーゼ(EC:1.1.1.157)、3-ヒドロキシアジピルCoAヒドラターゼ(EC:4.2.1.17)、2,3-デヒドロアジピルCoAデヒドロゲナーゼ(EC: 1.3.99.-)およびアシルCoAチオエステラーゼ(EC:3.1.2.-)からなる群より選択される少なくとも1つのタンパク質を発現する、請求項1または2に記載の組換え微生物。 The recombinant microorganism according to claim 1 or 2, wherein the recombinant microorganism expresses at least one protein selected from the group consisting of β-ketoadipyl CoA thiolase (EC: 2.3.1.174), 3-oxoadipyl CoA dehydrogenase (EC: 1.1.1.157), 3-hydroxyadipyl CoA hydratase (EC: 4.2.1.17), 2,3-dehydroadipyl CoA dehydrogenase (EC: 1.3.99.-) and acyl CoA thioesterase (EC: 3.1.2.-). 前記タンパク質をコードする塩基配列の上流に、Pslpプロモーター、PaldプロモーターおよびPsodプロモーターから選択される上流配列が配置されている、請求項3に記載の組換え微生物。 The recombinant microorganism according to claim 3, wherein an upstream sequence selected from a Pslp promoter, a Pald promoter, and a Psod promoter is arranged upstream of the base sequence encoding the protein. 前記タンパク質をコードする塩基配列からレアコドンが除去されている、請求項3に記載の組換え微生物。 The recombinant microorganism according to claim 3, wherein rare codons have been removed from the base sequence encoding the protein. 前記カルボン酸が、プロトカテク酸およびcis,cis-ムコン酸から選択される少なくとも1つである、請求項1に記載の組換え微生物。 The recombinant microorganism according to claim 1, wherein the carboxylic acid is at least one selected from protocatechuic acid and cis,cis-muconic acid. 前記組換え微生物が、3-デヒドロシキミ酸デヒドラターゼ(EC:4.2.1.118)、プロトカテク酸デカルボキシラーゼ(EC:4.1.1.63)およびカテコール1,2―ジオキシゲナーゼ(EC:1.13.11.1)からなる群より選択される少なくとも1つのタンパク質を発現する、請求項6に記載の組換え微生物。 The recombinant microorganism according to claim 6, wherein the recombinant microorganism expresses at least one protein selected from the group consisting of 3-dehydroshikimate dehydratase (EC: 4.2.1.118), protocatechuate decarboxylase (EC: 4.1.1.63) and catechol 1,2-dioxygenase (EC: 1.13.11.1). エノレートレダクターゼ(EC:1.3.1.31)さらに発現する、請求項7に記載の組換え微生物。 The recombinant microorganism of claim 7, further expressing enolate reductase (EC: 1.3.1.31). 前記タンパク質をコードする塩基配列の上流に、Pslpプロモーター、Paldプロモーター、および、Psodプロモーターから選択されるプロモーターの塩基配列が配置されている、請求項8に記載の組換え微生物。 The recombinant microorganism according to claim 8, wherein a base sequence of a promoter selected from a Pslp promoter, a Pald promoter, and a Psod promoter is arranged upstream of the base sequence encoding the protein. 前記微生物が、Bacillus属である、請求項2または7に記載の組換え微生物。 The recombinant microorganism according to claim 2 or 7, wherein the microorganism is of the genus Bacillus. 前記微生物が、バチルス・シュードフィラマス(Bacillus pseudofirmus)、バチルス・ハロデュランス(Bacillus halodurans)またはバチルス・マーマエンシス(Bacillus marmarensis)である、請求項10に記載の組換え微生物。 The recombinant microorganism according to claim 10, wherein the microorganism is Bacillus pseudofirmus, Bacillus halodurans or Bacillus marmarensis. 前記微生物が、バチルス・シュードフィラマス(Bacillus pseudofirmus)である請求項11に記載の組換え微生物。 The recombinant microorganism according to claim 11, wherein the microorganism is Bacillus pseudofirmus. 請求項1に記載の組換え微生物を用いる、カルボン酸の製造方法。 A method for producing a carboxylic acid using the recombinant microorganism according to claim 1. 前記カルボン酸が、レブリン酸、アジピン酸、3-オキソアジピン酸、3-ヒドロキシアジピン酸および2,3-デヒドロアジピン酸からなる群より選択される少なくとも1つである、請求項13に記載の製造方法。 The method according to claim 13, wherein the carboxylic acid is at least one selected from the group consisting of levulinic acid, adipic acid, 3-oxoadipic acid, 3-hydroxyadipic acid, and 2,3-dehydroadipic acid. 前記カルボン酸が、プロトカテク酸およびcis,cis-ムコン酸からなる群より選択される少なくとも1つである、請求項13に記載の製造方法。 The method according to claim 13, wherein the carboxylic acid is at least one selected from the group consisting of protocatechuic acid and cis,cis-muconic acid. 請求項1に記載の組換え微生物を用いてcis,cis-ムコン酸を生成し、生成したムコン酸を水素化によってアジピン酸へ変換する、請求項15に記載の製造方法。 The method according to claim 15, which uses the recombinant microorganism according to claim 1 to produce cis,cis-muconic acid and converts the produced muconic acid into adipic acid by hydrogenation. 前記組換え微生物を5質量%以上の無機塩を含有する培地で培養することによりカルボン酸を含む培養液を得る培養工程を含む、請求項13に記載の製造方法。 The method according to claim 13, further comprising a culture step of culturing the recombinant microorganism in a medium containing 5% by mass or more of inorganic salts to obtain a culture solution containing a carboxylic acid. 前記組換え微生物を培養して、菌体を含む培養液を得る培養工程と、
前記培養液および/または前記菌体を、5質量%以上の無機塩を含有する水溶液と接触させてカルボン酸を含む反応液を得る反応工程と
を含む、請求項13に記載の製造方法。
A culturing step of culturing the recombinant microorganism to obtain a culture solution containing the bacterial cells;
The method according to claim 13, further comprising a reaction step of contacting the culture solution and/or the bacterial cells with an aqueous solution containing 5% by mass or more of an inorganic salt to obtain a reaction solution containing a carboxylic acid.
前記培養液または反応液から前記組換え微生物を除去する除去工程を含む、請求項18に記載の製造方法。 The method according to claim 18, further comprising a removal step of removing the recombinant microorganism from the culture or reaction solution. 前記培養液または反応液を濃縮する濃縮工程を含む、請求項18に記載の製造方法。 The method according to claim 18, further comprising a concentration step of concentrating the culture solution or reaction solution. 前記無機塩が、炭酸ナトリウム及び/又は硫酸ナトリウムである、請求項17に記載の製造方法。 The method according to claim 17, wherein the inorganic salt is sodium carbonate and/or sodium sulfate. 前記カルボン酸が、前記組換え微生物による、糖、二酸化炭素、合成ガス、メタノール、及びアミノ酸のうちの少なくとも1つ以上の発酵により生成されたものである、請求項13に記載の製造方法。 The method according to claim 13, wherein the carboxylic acid is produced by fermentation of at least one of sugar, carbon dioxide, synthetic gas, methanol, and amino acids by the recombinant microorganism. 得られたカルボン酸を精製する精製工程を含む、請求項13に記載の製造方法。 The method according to claim 13, further comprising a purification step of purifying the resulting carboxylic acid.
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