JP2007068437A - Variant aspartokinase and method for utilizing the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、変異型アスパルトキナーゼとその利用方法に関する。 The present invention relates to a mutant aspartokinase and a method for using the same.
現在、食品保存料として広く利用されているε-ポリ-L-リジンは、ストレプトマイセス属に属するε-ポリ-L-リジン生産菌を用いた発酵法により製造されている。発酵法による物質生産において生産性を高めるためには、NTGや紫外線など化学的及び物理的な変異処理を施すことにより、変異株を取得することが一般的である。ε-ポリ-L-リジンの場合においても、このような変異処理を施し、S−(2−アミノエチル)−システイン(以下AECと略記する)耐性変異株(例えば、特許文献1参照)、AEC及びグリシン耐性変異株(例えば、特許文献2参照)やバリン、イソロイシン要求性変異株(例えば、特許文献3参照)を取得することにより、野生株と比較してより高い生産性を有する菌株を得られる。 Currently, ε-poly-L-lysine, which is widely used as a food preservative, is produced by a fermentation method using ε-poly-L-lysine-producing bacteria belonging to the genus Streptomyces. In order to increase productivity in substance production by fermentation, it is common to obtain mutant strains by applying chemical and physical mutation treatments such as NTG and ultraviolet rays. Even in the case of ε-poly-L-lysine, such a mutation treatment is performed, and S- (2-aminoethyl) -cysteine (hereinafter abbreviated as AEC) resistant mutant strain (for example, see Patent Document 1), AEC And glycine-resistant mutant strains (for example, see Patent Document 2) and valine, isoleucine-requiring mutant strains (for example, see Patent Document 3), thereby obtaining a strain having higher productivity than the wild strain. It is done.
細菌類において、L-リジンは主にジアミノピメリン酸経路により生合成されるが、この生合成経路の一連の酵素群の中で、アスパルトキナーゼがL-リジンの合成量を調節する重要な酵素である。ε-ポリ-L-リジン生産株においてもAEC耐性変異株を用いることによって生産性が高まることから、L-リジンがε-ポリ-L-リジンの前駆体となっており、AEC耐性変異株はアスパルトキナーゼのL-リジンに対するフィードバック阻害に対する感受性が低下することによりL-リジンの蓄積量が増加し、その結果としてε-ポリ-L-リジン生産量が増大したと考えられている(例えば、非特許文献1参照)。 In bacteria, L-lysine is mainly biosynthesized by the diaminopimelate pathway, and aspartokinase is an important enzyme that regulates the amount of L-lysine synthesized in a series of enzymes in this biosynthetic pathway. is there. In the ε-poly-L-lysine producing strain, the productivity is increased by using the AEC resistant mutant. Therefore, L-lysine is a precursor of ε-poly-L-lysine. It is thought that the amount of L-lysine accumulated increased due to the decreased sensitivity of Aspartokinase to feedback inhibition of L-lysine, resulting in an increase in ε-poly-L-lysine production (for example, Non-patent document 1).
このようにε-ポリ-L-リジン生産においてアスパルトキナーゼが重要な酵素であることが示唆されていたが、ε-ポリ-L-リジン生産菌のアスパルトキナーゼ遺伝子の構造は明らかにされておらず、遺伝子組み換え技術を用いて直接的に変異を導入することはできなかった。また、アスパルトキナーゼのどの部分に変異を導入することにより、L-リジンによるフィードバック阻害活性を低下させることができるのかについても全く知られていなかった。
本発明は、上記の問題点に鑑み、L-リジン及びL-スレオニンによる協奏的なフィードバック阻害活性が低下した変異型アスパルトキナーゼを遺伝子組換えによって作製し、L-リジンまたはε-ポリ-L-リジンの大量合成を可能にすることを目的とする。 In view of the above-mentioned problems, the present invention produces a mutant aspartokinase with reduced concerted feedback inhibition activity by L-lysine and L-threonine by gene recombination, and produces L-lysine or ε-poly-L. -The purpose is to enable mass synthesis of lysine.
本発明者らは、まず、ε-ポリ-L-リジン生産菌であるストレプトマイセス・アルブラス・サブスピーシズ・リジノポリメラス(Streptomyces albulus subsp. lysinopolymerus)から、L-リジン及びε-ポリ-L-リジン生合成の制御に重要な役割を果たしているアスパルトキナーゼ遺伝子をクローニングした。そのアスパルトキナーゼ遺伝子に対してランダムに変異を導入し、変異酵素の活性を調べたところ、配列番号1を有するアスパルトキナーゼにおいて第68番目のメチオニン残基をバリン残基に置換することにより、L-リジン及びL-スレオニンによる協奏的なフィードバック阻害活性が低下したアスパルトキナーゼを得られることを見出した。そして、この変異型アスパルトキナーゼをコードする遺伝子を外来遺伝子として有するε-ポリ-L-リジン生産菌の形質転換体を作製したところ、野生株よりもε-ポリ-L-リジンの生産性が高まることを見出し、本発明の完成に至った。なお、本明細書において、「フィードバック阻害活性 」とは「フィードバック阻害を受ける感受性」をいう。 The present inventors firstly synthesized L-lysine and ε-poly-L-lysine from Streptomyces albulus subsp. Lysinopolymerus, which is an ε-poly-L-lysine-producing bacterium. We cloned an aspartokinase gene that plays an important role in the regulation of. Mutations were randomly introduced into the aspartokinase gene and the activity of the mutant enzyme was examined. Aspartokin having SEQ ID NO: 1 replaced the 68th methionine residue with a valine residue. It was found that aspartokinase with reduced concerted feedback inhibition activity by L-lysine and L-threonine can be obtained. Then, when a transformant of an ε-poly-L-lysine producing bacterium having a gene encoding this mutant aspartokinase as a foreign gene was prepared, ε-poly-L-lysine was more productive than the wild type As a result, the present invention has been completed. In the present specification, “feedback inhibitory activity” refers to “sensitivity to feedback inhibition”.
本発明は、以下の各項によって構成される。
(1)以下の(a)または(b)のタンパク質。
(a)配列番号1に記載のアミノ酸配列からなるタンパク質。
(b)配列番号1のアミノ酸配列において、1もしくは数個のアミノ酸が欠失、置換もしくは付加されたアミノ酸配列からなり、アスパルトキナーゼ活性を有するタンパク質。
The present invention is constituted by the following items.
(1) The following protein (a) or (b).
(A) A protein comprising the amino acid sequence set forth in SEQ ID NO: 1.
(B) A protein having an aspartokinase activity, comprising an amino acid sequence in which one or several amino acids are deleted, substituted or added in the amino acid sequence of SEQ ID NO: 1.
(2)以下の(a)または(b)のタンパク質。
(a)配列番号1記載のアミノ酸配列において、第68番目のメチオニン残基が他のアミノ酸残基に変異したアミノ酸配列からなるタンパク質。
(b)配列番号1記載のアミノ酸配列において、第68番目のメチオニン残基が他のアミノ酸残基に変異し、第68番目のメチオニン残基以外のアミノ酸残基において、1もしくは数個のアミノ酸が欠失、置換もしくは付加されたアミノ酸配列からなり、L-リジン及びL-スレオニンによるフィードバック阻害活性が低下した、アスパルトキナーゼ活性を有するタンパク質。
(2) The following protein (a) or (b).
(A) A protein comprising an amino acid sequence in which the 68th methionine residue is mutated to another amino acid residue in the amino acid sequence described in SEQ ID NO: 1.
(B) In the amino acid sequence set forth in SEQ ID NO: 1, the 68th methionine residue is mutated to another amino acid residue, and one or several amino acids other than the 68th methionine residue are A protein having an aspartokinase activity, comprising an amino acid sequence deleted, substituted or added and having reduced feedback inhibition activity by L-lysine and L-threonine.
(3)以下の(a)または(b)のタンパク質。
(a)ストレプトマイセス属細菌またはコリネ属細菌における、配列番号1記載のアミノ酸配列を有するタンパク質のホモログが有するアミノ酸配列において、68番目のメチオニン残基が他のアミノ酸残基に変異したアミノ酸配列からなるタンパク質。
(b)(a)に記載のタンパク質が有するアミノ酸配列において、1もしくは数個のアミノ酸が欠失、置換もしくは付加されたアミノ酸配列からなり、L-リジン及びL-スレオニンによるフィードバック阻害活性が低下した、アスパルトキナーゼ活性を有するタンパク質。
(3) The following protein (a) or (b).
(A) From the amino acid sequence of the homologue of the protein having the amino acid sequence of SEQ ID NO: 1 in Streptomyces or Corynebacterium, the amino acid sequence in which the 68th methionine residue is mutated to another amino acid residue Protein.
(B) The amino acid sequence of the protein described in (a) consists of an amino acid sequence in which one or several amino acids are deleted, substituted, or added, and the feedback inhibitory activity by L-lysine and L-threonine is reduced. A protein having aspartokinase activity.
(4)以下の(a)または(b)のタンパク質。
(a)配列番号1記載のアミノ酸配列における68番目のメチオニン残基が保存されているタンパク質が有するアミノ酸配列において、68番目のメチオニン残基が他のアミノ酸残基に変異したアミノ酸配列からなる、アスパルトキナーゼ活性を有するタンパク質。
(b)(a)に記載のタンパク質が有するアミノ酸配列において、1もしくは数個のアミノ酸が欠失、置換もしくは付加されたアミノ酸配列からなり、L-リジン及びL-スレオニンによるフィードバック阻害活性が低下した、アスパルトキナーゼ活性を有するタンパク質。
(4) The following protein (a) or (b).
(A) an aspart comprising an amino acid sequence of a protein in which the 68th methionine residue in the amino acid sequence described in SEQ ID NO: 1 is conserved, wherein the 68th methionine residue is mutated to another amino acid residue; A protein having tokinase activity.
(B) The amino acid sequence of the protein described in (a) consists of an amino acid sequence in which one or several amino acids are deleted, substituted, or added, and the feedback inhibitory activity by L-lysine and L-threonine is reduced. A protein having aspartokinase activity.
(5)第68番目のメチオニン残基がバリン残基に変異したアミノ酸配列からなることを特徴とする第2〜4項のいずれかに記載のタンパク質。 (5) The protein according to any one of Items 2 to 4, which comprises an amino acid sequence in which the 68th methionine residue is mutated to a valine residue.
(6)第1〜5項のいずれかに記載のタンパク質をコードするDNA。 (6) DNA encoding the protein according to any one of Items 1 to 5.
(7)配列番号2〜6のいずれかに記載の塩基配列を有することを特徴とする第6項に記載のDNA。 (7) The DNA according to item 6, which has the base sequence described in any one of SEQ ID NOs: 2 to 6.
(8)第6または7項に記載のDNAを含有し、第1〜5項のいずれかに記載のタンパク質を発現するように構築された発現ベクター。 (8) An expression vector containing the DNA according to item 6 or 7 and constructed so as to express the protein according to any one of items 1 to 5.
(9)第8項に記載のベクターを有する形質転換細胞。 (9) A transformed cell comprising the vector according to item 8.
(10)第9項に記載の形質転換細胞を培養し、該形質転換細胞が生産したL-リジンを単離することを特徴とするL-リジンの製造方法。 (10) A method for producing L-lysine, comprising culturing the transformed cell according to item 9 and isolating L-lysine produced by the transformed cell.
(11)第9項に記載の形質転換細胞を培養し、該形質転換細胞が生産したε-ポリ-L-リジンを単離することを特徴とするε-ポリ-L-リジンの製造方法。 (11) A method for producing ε-poly-L-lysine, comprising culturing the transformed cell according to item 9 and isolating ε-poly-L-lysine produced by the transformed cell.
本発明により、L-リジン及びL-スレオニンによる協奏的なフィードバック阻害活性が低下した変異型アスパルトキナーゼを遺伝子組換えによって作製することができる。これにより、L-リジンまたはε-ポリ-L-リジンの大量合成が可能になる。 According to the present invention, a mutant aspartokinase having reduced concerted feedback inhibition activity by L-lysine and L-threonine can be produced by genetic recombination. This enables large-scale synthesis of L-lysine or ε-poly-L-lysine.
==L-リジンまたはε-ポリ-L-リジン合成に用いるためのDNAの合成==
本発明にかかる変異型アスパルトキナーゼをコードするDNAを作製する元となる野生型アスパルトキナーゼは、配列番号1記載のアミノ酸配列における68番目のメチオニン残基が保存されているアスパルトキナーゼであればよいが、68番目のメチオニン残基の周囲のアミノ酸配列も保存されていることが好ましい。そのようなアスパルトキナーゼとして、ストレプトマイセス属細菌またはコリネ属細菌における、配列番号1記載のアスパルトキナーゼのホモログを例示できる。図1には、S. coelicolor A3(2) (NP_627820)、S. avermitilis MA-4680(NP_825736)、Streptomyces sp. NRRL 5331 (CAD24815) C. glutamicium (S15276)が例示されており、それ以外にも、S. noursei(FERM P-9797)、Streptomyces sp. SP-72株(FERM P-16810)などが挙げられる。なお、配列番号1記載のアスパルトキナーゼは、ストレプトマイセス・アルブラス・サブスピーシズ・リジノポリメラス(Streptomyces albulus subsp. lysinopolymerus)が内在的に有する酵素である。
== Synthesis of DNA for use in L-lysine or ε-poly-L-lysine synthesis ==
The wild type aspartokinase from which the DNA encoding the mutant aspartokinase according to the present invention is prepared may be an aspartokinase in which the 68th methionine residue in the amino acid sequence described in SEQ ID NO: 1 is conserved. The amino acid sequence around the 68th methionine residue is preferably conserved. Examples of such aspartokinase include homologs of aspartokinase described in SEQ ID NO: 1 in Streptomyces or Corynebacterium. FIG. 1 illustrates S. coelicolor A3 (2) (NP_627820), S. avermitilis MA-4680 (NP_825736), Streptomyces sp. NRRL 5331 (CAD24815) C. glutamicium (S15276). S. noursei (FERM P-9797), Streptomyces sp. Strain SP-72 (FERM P-16810) and the like. The aspartokinase described in SEQ ID NO: 1 is an enzyme inherently possessed by Streptomyces albulus subsp. Lysinopolymerus.
これらの野生型アスパルトキナーゼをコードするDNAは、コドン表から塩基配列を決定し、化学合成によって製造することができるが、データベースに記載の各遺伝子配列を利用し、各遺伝子を有する細菌から、ゲノムDNAやcDNAを用いたRT−PCRや、ゲノムライブラリーもしくはcDNAライブラリーのスクリーニングなどの常法を用いてクローニングすることが好ましい。例えば、図1に記載のアスパルトキナーゼの場合、各菌から、カッコ内に記載のデータベース情報を用いてクローニングすることができる。ストレプトマイセス・アルブラス・サブスピーシズ・リジノポリメラス(Streptomyces albulus subsp. lysinopolymerus)が有する配列番号1記載のアスパルトキナーゼの場合は、配列番号2に記載の塩基配列を利用して、クローニングすることができる。 DNA encoding these wild-type aspartokinase can be produced by determining the nucleotide sequence from the codon table and chemically synthesizing, using each gene sequence described in the database, from bacteria having each gene, Cloning is preferably performed using a conventional method such as RT-PCR using genomic DNA or cDNA, or screening of a genomic library or cDNA library. For example, in the case of the aspartokinase described in FIG. 1, cloning can be performed from each bacterium using the database information described in parentheses. In the case of the aspartokinase described in SEQ ID NO: 1 possessed by Streptomyces albulus subsp. Lysinopolymerus, it can be cloned using the base sequence described in SEQ ID NO: 2.
これらアスパルトキナーゼのアミノ酸配列において、68番目のメチオニン残基が他のアミノ酸残基に変異したアミノ酸配列からなる変異型アスパルトキナーゼをコードするDNAは、野生型アスパルトキナーゼをコードするDNAを鋳型として、例えばin vitro mutagenesisを用い、68番目のメチオニン残基に変異を導入することによって作製できる。実施例に記載されているように、68番目のメチオニン残基がバリン残基に変異した変異型アスパルトキナーゼは、L-リジン及びL-スレオニンによるフィードバック阻害活性が低下していたことから、68番目のメチオニン残基が、L-リジン及びL-スレオニンによるフィードバック阻害活性に重要な役割を有することが明らかになった。従って、本発明に用いられる変異型アスパルトキナーゼにおいては、68番目のメチオニン残基にフィードバック阻害活性を低下させるような変異を導入しさえすれば、どんな変異を導入しても構わない。 In the amino acid sequences of these aspartokinases, DNA encoding mutant aspartokinase consisting of an amino acid sequence in which the 68th methionine residue is mutated to another amino acid residue is templated with DNA encoding wild-type aspartokinase. For example, it can be prepared by introducing a mutation into the 68th methionine residue using in vitro mutagenesis. As described in Examples, the mutant aspartokinase in which the 68th methionine residue was mutated to a valine residue had reduced feedback inhibitory activity by L-lysine and L-threonine. The second methionine residue was found to have an important role in feedback inhibitory activity by L-lysine and L-threonine. Therefore, in the mutant aspartokinase used in the present invention, any mutation may be introduced as long as a mutation that reduces the feedback inhibitory activity is introduced into the 68th methionine residue.
さらに、配列番号1のアミノ酸配列において、68番目のメチオニン残基以外に、1もしくは数個のアミノ酸が欠失、置換もしくは付加されていても、アスパルトキナーゼ活性を有し、L-リジン及びL-スレオニンによるフィードバック阻害活性が低下した変異型アスパルトキナーゼであれば、どのような変異体でも構わない。 Furthermore, in the amino acid sequence of SEQ ID NO: 1, even if one or several amino acids other than the 68th methionine residue are deleted, substituted or added, it has aspartokinase activity, and L-lysine and L -Any mutant aspartokinase having reduced feedback inhibitory activity by threonine may be used.
このようにして得られたDNAは、DNAシーケンサーを用いて塩基配列を確認することができる。得られた塩基配列についてはDNASIS(日立ソフトエンジニアリング社製)やGENETIX(ソウフトウエア開発社製)等の塩基配列解析ソフトによる解析を行うことにより、DNA中のアスパルトキナーゼ遺伝子のコード領域を特定することもできる。 The base sequence of the DNA thus obtained can be confirmed using a DNA sequencer. The obtained base sequence is analyzed with base sequence analysis software such as DNASIS (manufactured by Hitachi Software Engineering Co., Ltd.) or GENEX (manufactured by Software Development Co., Ltd.) to identify the coding region of the aspartokinase gene in the DNA. You can also.
==アスパルトキナーゼの細胞内での発現==
以上のようにして得られた野生型アスパルトキナーゼ及び変異型アスパルトキナーゼをコードする遺伝子を常法により発現ベクターに組み込み、細胞内に導入し、発現させることができる。その際、発現ベクターはプラスミド、ウイルスベクターなど特に限定されず、宿主細胞との関係で適宜選択される。宿主細胞はストレプトマイセス属細菌に限らず、大腸菌やほ乳動物細胞など、とくに限定されない。
== Intracellular expression of aspartokinase ==
The genes encoding wild-type aspartokinase and mutant aspartokinase obtained as described above can be incorporated into expression vectors by a conventional method, introduced into cells and expressed. In this case, the expression vector is not particularly limited, such as a plasmid or a viral vector, and is appropriately selected in relation to the host cell. The host cell is not limited to Streptomyces bacteria, but is not particularly limited to Escherichia coli and mammalian cells.
このようにして作製された形質転換細胞を培養し、この形質転換細胞が生産したL-リジンまたはε-ポリ-L-リジンを、イオン交換樹脂法及び晶析法等の従来からの公知の方法及びその組み合わせにより精製する。 Conventionally known methods such as an ion exchange resin method and a crystallization method are used for culturing the transformed cells thus prepared and then producing L-lysine or ε-poly-L-lysine produced by the transformed cells. And the combination thereof.
<<実施例>>
(1)ε-ポリ-L-リジン生産菌からのアスパルトキナーゼ遺伝子のクローニング
ε-ポリ-L-リジン生産菌であるストレプトマイセス・アルブラス(Streptomyces albulus)IFO14147株をトリプトン10g/L、イーストエキス5g/L、NaCl 5g/Lからなる培地100mlに植菌し、30℃で24時間振盪培養した。この培養液から遠心分離により菌体を回収し、常法に従い染色体DNAを調製した。この染色体DNAを鋳型とし、ストレプトマイセス属由来のアスパルトキナーゼで高く保存されているアミノ酸配列を元に、以下の2種類のプライマーを設計し、タカラバイオ社製PCRキット(TaKaRa LA Taq with GC Buffer)を用い、そのプロトコールに従ってPCR反応溶液を調製した(プライマー濃度は100μM)。反応条件は、ステップ1(94℃、2分)、ステップ2(94℃、1分)、ステップ3(50℃、1分)、ステップ4(72℃、1分)、ステップ5(ステップ2〜4、30サイクル)、ステップ6(72℃、10分)の計6ステップで行った。
<< Example >>
(1) Cloning of Aspartokinase Gene from ε-Poly-L-Lysine-Producing Bacteria Streptomyces albulus IFO14147 strain, an ε-poly-L-lysine-producing bacterium, Tryptone 10 g / L, yeast extract The cells were inoculated into 100 ml of a medium consisting of 5 g / L and NaCl 5 g / L, and cultured with shaking at 30 ° C. for 24 hours. Bacterial cells were collected from this culture broth by centrifugation, and chromosomal DNA was prepared according to a conventional method. Using this chromosomal DNA as a template, based on the amino acid sequence highly conserved in Aspartokinase derived from Streptomyces genus, the following two types of primers were designed, and a Takara Bio PCR Kit (TaKaRa LA Taq with GC Buffer) and a PCR reaction solution was prepared according to the protocol (primer concentration was 100 μM). The reaction conditions are step 1 (94 ° C., 2 minutes), step 2 (94 ° C., 1 minute), step 3 (50 ° C., 1 minute), step 4 (72 ° C., 1 minute), step 5 (steps 2 to 2). (4, 30 cycles) and step 6 (72 ° C., 10 minutes) for a total of 6 steps.
ASK-1:5’−CTSGTSGTSCAGAAGTACGGSGG−3’(配列番号7)
ASK-2:5’−GATCTTSSCSAYCTGGTCGTCGTY−3’(配列番号8)
ASK-1: 5′-CTGTSGTGSCAGAAGTACGGGSGG-3 ′ (SEQ ID NO: 7)
ASK-2: 5′-GATCTSTSSCAYCTGGTCCGTCTY-3 ′ (SEQ ID NO: 8)
得られた約1kbの増幅断片から、ECL標識キット(アマシャムバイオサイエンス社)を用いて標識プローブを調製し、本菌株の染色体DNAから作製したコスミドライブラリーに対してスクリーニングを行った。そしてアスパルトキナーゼ遺伝子の全長を含む4.5kbのBamHI断片を得た。この断片の塩基配列を決定し、アスパルトキナーゼ遺伝子のORF(配列番号2)を決定した。 From the obtained amplified fragment of about 1 kb, a labeled probe was prepared using an ECL labeling kit (Amersham Bioscience) and screened against a cosmid library prepared from the chromosomal DNA of this strain. A 4.5 kb BamHI fragment containing the full length of the aspartokinase gene was obtained. The base sequence of this fragment was determined, and the ORF (SEQ ID NO: 2) of the aspartokinase gene was determined.
(2)大腸菌における組換えアスパルトキナーゼの発現
この塩基配列を元に、以下の2種類のプライマーを作製し、タカラバイオ社製PCRキット(TaKaRa LA Taq with GC Buffer)を用い、そのプロトコールに従ってPCR反応溶液を調製した(プライマー濃度は10μM)。また、反応条件は、ステップ1(94℃、2分)、ステップ2(94℃、1分)、ステップ3(65℃、1分)、ステップ4(72℃、1分)、ステップ5(ステップ2〜4、30サイクル)、ステップ6(72℃、10分)の計6ステップで行った。
(2) Expression of recombinant aspartokinase in Escherichia coli Based on this base sequence, the following two types of primers were prepared and PCR was performed according to the protocol using a Takara Bio PCR kit (TaKaRa LA Taq with GC Buffer). A reaction solution was prepared (primer concentration was 10 μM). The reaction conditions are step 1 (94 ° C., 2 minutes), step 2 (94 ° C., 1 minute), step 3 (65 ° C., 1 minute), step 4 (72 ° C., 1 minute), step 5 (step 2 to 4 and 30 cycles) and step 6 (72 ° C., 10 minutes) for a total of 6 steps.
ASK-N4:5’−GGGGGATCCGGCCTTGTCGTGCAGAAGTAC−3’(配列番号9)
ASK-C4:5’−ACCAAGCTTTCATCGCCCGGTGCCGCCGTA−3’(配列番号10)
ASK-N4: 5'-GGGGGATCCGGCCTTGTCTGCAGAAGTAC-3 '(SEQ ID NO: 9)
ASK-C4: 5′-ACCAAGCTTTCATCGCCCCGGTGCCGCCGTA-3 ′ (SEQ ID NO: 10)
この増幅断片を制限酵素BamHIおよびHindIIIで処理した後、制限酵素BamHIおよびHindIIIで処理したpQE30(キアゲン社)に挿入することにより、アスパルトキナーゼのN末端側にヒスチジンタグが付加された融合タンパク質をコードするプラスミドask/pQE30を構築した。作製したプラスミドを大腸菌(M15 pREP4)に導入して、トリプトン10g/L、イーストエキス5g/L、NaCl 5g/Lからなる培地50mLに植菌し、37℃で3時間振盪培養した。培養液を氷中にて冷却した後、最終濃度0.1mMになるようにIPTGを添加し、さらに低温(18℃)にて培養を16時間行った。菌体を回収し、菌体破砕用緩衝液(50mMリン酸カリウム緩衝液pH7.5、300mM塩化ナトリウム、5mMβメルカプトエタノール、10mMイミダゾール)にて懸濁後、超音波破砕した。遠心分離後、可溶性画分をNi−NTA agaroseカラム(キアゲン社)に通し、洗浄緩衝液(50mMリン酸カリウム緩衝液pH7.5、300mM塩化ナトリウム、5mMβメルカプトエタノール、20mMイミダゾール)にてカラムを洗浄した。続いて、溶出用緩衝液(50mMリン酸カリウム緩衝液pH7.5、300mM塩化ナトリウム、5mMβメルカプトエタノール、250mMイミダゾール)をカラムに通し、アスパルトキナーゼを溶出させ、精製アスパルトキナーゼを得た。 This amplified fragment was treated with restriction enzymes BamHI and HindIII, and then inserted into pQE30 (Qiagen) treated with restriction enzymes BamHI and HindIII to obtain a fusion protein with a histidine tag added to the N-terminal side of aspartokinase. The encoding plasmid ask / pQE30 was constructed. The prepared plasmid was introduced into Escherichia coli (M15 pREP4), inoculated into 50 mL of a medium consisting of tryptone 10 g / L, yeast extract 5 g / L, NaCl 5 g / L, and cultured with shaking at 37 ° C. for 3 hours. After cooling the culture in ice, IPTG was added to a final concentration of 0.1 mM, and the culture was further performed at a low temperature (18 ° C.) for 16 hours. The cells were collected, suspended in a buffer for disrupting cells (50 mM potassium phosphate buffer pH 7.5, 300 mM sodium chloride, 5 mM β mercaptoethanol, 10 mM imidazole), and then disrupted ultrasonically. After centrifugation, the soluble fraction is passed through a Ni-NTA agarose column (Qiagen), and the column is washed with a washing buffer (50 mM potassium phosphate buffer pH 7.5, 300 mM sodium chloride, 5 mM β mercaptoethanol, 20 mM imidazole). did. Subsequently, elution buffer (50 mM potassium phosphate buffer pH 7.5, 300 mM sodium chloride, 5 mM β mercaptoethanol, 250 mM imidazole) was passed through the column to elute aspartokinase to obtain purified aspartokinase.
この精製アスパルトキナーゼに対し、アスパルトキナーゼ活性をブラックの方法(Methods in Enzymology,Vol. 5,p820-827, Academic Press Inc., New York(1962))により、アスパラギン酸ヒドロキサム酸として測定することにより、得られた遺伝子がアスパルトキナーゼをコードすることを確認した。すなわち、最終液量1mL中に100mMトリス−硫酸緩衝液(pH7.5)、10mM ATP、10mM 硫酸マグネシウム、600mM ヒドロキシルアミン・塩酸塩、600mM 硫酸アンモニウム、50mM L−アスパラギン酸、及び精製アスパルトキナーゼを加え、30℃、15分間反応させた後、10%塩化鉄(II)6水和物−3.3%トリクロロ酢酸−0.7N塩酸液1.5mLを加え、遠心分離で沈殿物を除去した液を、540nmの吸光度を測定して酵素活性を求めた。 Aspartokinase activity of this purified aspartokinase is measured as aspartate hydroxamic acid by the black method (Methods in Enzymology, Vol. 5, p820-827, Academic Press Inc., New York (1962)). Thus, it was confirmed that the obtained gene encoded aspartokinase. That is, 100 mM Tris-sulfate buffer (pH 7.5), 10 mM ATP, 10 mM magnesium sulfate, 600 mM hydroxylamine / hydrochloride, 600 mM ammonium sulfate, 50 mM L-aspartic acid, and purified aspartokinase are added to 1 mL of the final solution. After reacting at 30 ° C. for 15 minutes, 1.5 mL of 10% iron (II) chloride hexahydrate-3.3% trichloroacetic acid-0.7N hydrochloric acid solution was added, and the precipitate was removed by centrifugation. The enzyme activity was determined by measuring the absorbance at 540 nm.
次に、得られたアスパルトキナーゼを用いてフィードバック様式を解析した。上記ブラックの方法によってアスパルトキナーゼ活性を測定する際、L-リジン及び/またはL-スレオニンの様々な量を反応液中に加え、各試料の相対活性を求めてグラフにしたのが図2である。この結果より、アスパルトキナーゼに対するフィードバック阻害は、L-リジンとL-スレオニンによる協奏的なフィードバック阻害であることが明らかになった。 Next, the feedback mode was analyzed using the obtained aspartokinase. When the aspartokinase activity was measured by the above black method, various amounts of L-lysine and / or L-threonine were added to the reaction solution, and the relative activity of each sample was determined and plotted in FIG. is there. These results revealed that feedback inhibition of aspartokinase is a concerted feedback inhibition by L-lysine and L-threonine.
(3)変異型アスパルトキナーゼ遺伝子の作製
上記のようにして取得したε-ポリ-L-リジン生産菌由来のアスパルトキナーゼ遺伝子を含むDNA断片に対し、エラープローンPCRによって、ランダムに変異が導入された増幅断片を得た。エラープローンPCRは上記2種類のプライマー(ASK-N4およびASK-C4)および鋳型DNAとしてプラスミドask/pQE30を用い、表1のようにPCR反応溶液中の各種デオキシリボヌクレオチドの濃度バランスを変化させた4種類のPCR溶液(1〜4)および低濃度のマグネシウムを含むPCR溶液(5)の計5種類のPCR溶液を調製し、PCR反応を行った。反応条件は、ステップ1(94℃、2分)、ステップ2(94℃、1分)、ステップ3(65℃、1分)、ステップ4(72℃、1分)、ステップ5(ステップ2〜4、30サイクル)、ステップ6(72℃、10分)に従った。
(3) Preparation of mutant aspartokinase gene The DNA fragment containing aspartokinase gene derived from ε-poly-L-lysine producing bacteria obtained as described above was randomly introduced by error-prone PCR. An amplified fragment was obtained. Error-prone PCR uses the above two types of primers (ASK-N4 and ASK-C4) and plasmid ask / pQE30 as template DNA, and the concentration balance of various deoxyribonucleotides in the PCR reaction solution is changed as shown in Table 1 4 A total of five types of PCR solutions, that is, a PCR solution (1 to 4) of a kind and a PCR solution (5) containing a low concentration of magnesium, were prepared and subjected to a PCR reaction. The reaction conditions are Step 1 (94 ° C., 2 minutes), Step 2 (94 ° C., 1 minute), Step 3 (65 ° C., 1 minute), Step 4 (72 ° C., 1 minute), Step 5 (Steps 2 to 2). 4, 30 cycles), step 6 (72 ° C., 10 minutes).
各反応で増幅したDNA断片を混合し、制限酵素BamHIおよびHindIIIで処理した後、制限酵素BamHIおよびHindIIIで処理したpQE30に挿入し、変異ライブラリーを構築した。 The DNA fragments amplified in each reaction were mixed, treated with restriction enzymes BamHI and HindIII, and then inserted into pQE30 treated with restriction enzymes BamHI and HindIII to construct a mutation library.
大腸菌XL1-blue MRF’に本ライブラリーを導入し、8mM、16mM、32mMのAECおよびAHVを含むM9最小培地に塗布した。AECおよびAHVは、それぞれL-リジンおよびL-スレオニンの構造アナログであり、多くの微生物の生育を阻害する。実際、S. albulus のアスパルトキナーゼにおいても、L-リジンおよびL-スレオニンの構造アナログとしてAECおよびAHVが作用し、それらの共存下において弱いフィードバック阻害を示すことが試験管内で明らかになった(図2参照)。大腸菌においても同様にこれらアナログは生育阻害を示し、それぞれ8mMのAECおよびAHVを含むM9最小培地上では生育不能である。ところが、アスパルトキナーゼのフィードバック阻害活性の低下したL-リジンまたはL-スレオニンの高生産変異株においては、細胞内のAECまたはAHVのL-リジンまたはL-スレオニンに対する相対濃度が低下し、これら構造アナログを含む培地においても生育可能となることが知られている。従って、変異ライブラリーの中で、フィードバック阻害活性が低下したアスパルトキナーゼの遺伝子が大腸菌に導入されれば、その形質転換体はL-リジンまたはL-スレオニンの高生産菌となり、AECおよびAHVを含むM9最小培地上にて生育可能になると考えられた。このように、AECおよびAHVの存在下における増殖を指標に、フィードバック阻害活性の低下した変異型アスパルトキナーゼを有する細胞を同定することができ、実際、AECおよびAHVを8mMずつ含む培地で生育する多数の形質転換体を得た。これら形質転換体のうち4株(ASK er2、13、16、17)はAECおよびAHVを16mMずつ含む培地上においても生育可能であった(図3)。このことは、とりもなおさず、これら4株がL-リジンまたはL-スレオニンの高生産株であることを示すものである。 The library was introduced into E. coli XL1-blue MRF 'and spread on M9 minimal medium containing 8 mM, 16 mM, 32 mM AEC and AHV. AEC and AHV are structural analogs of L-lysine and L-threonine, respectively, and inhibit the growth of many microorganisms. In fact, it was revealed in vitro that AEC and AHV act as structural analogs of L-lysine and L-threonine in S. albulus aspartokinase and show weak feedback inhibition in the presence of them (see FIG. (See FIG. 2). In E. coli as well, these analogs show growth inhibition and are unable to grow on M9 minimal medium containing 8 mM AEC and AHV, respectively. However, in a high-producing mutant of L-lysine or L-threonine with reduced feedback inhibitory activity of aspartokinase, the relative concentration of intracellular AEC or AHV to L-lysine or L-threonine decreases, and these structures It is known that it can grow even in a medium containing an analog. Therefore, if an aspartokinase gene with reduced feedback inhibitory activity is introduced into Escherichia coli in a mutation library, the transformant becomes a high-producing strain of L-lysine or L-threonine, and AEC and AHV are It was thought that it became possible to grow on the M9 minimal medium containing. Thus, cells having mutant aspartokinase with reduced feedback inhibitory activity can be identified using proliferation in the presence of AEC and AHV as an index, and actually grow in a medium containing 8 mM of AEC and AHV. A number of transformants were obtained. Of these transformants, 4 strains (ASK er2, 13, 16, 17) were able to grow on a medium containing 16 mM of AEC and AHV (FIG. 3). This indicates that these four strains are high-producing strains of L-lysine or L-threonine.
次に、これら形質転換体からプラスミドを調製し、変異部位の同定を行ったところ、4株全てにおいて全く同じ変異パターン(I19V, M68V, T309A)であることが判明した。そこで、上記と同様に精製した変異型アスパルトキナーゼASK er2を用い、フィードバック阻害活性について解析した。その結果、ASK er2は、L-リジンおよびL-スレオニンが100mMの存在下においても約80%の活性を維持しており、フィードバック阻害活性が低下していることが明らかになった(図4)。そこで、プラスミドask/pQE30を鋳型とし、QuickCange XL Site-Directed Mutagenesis Kit(ストラタジーン社)および以下のプライマーを用い、in vitro mutagetesisによって、部位特異的変異酵素を各種作製し、フィードバック阻害活性について同様に解析したところ、M68V変異が導入された全ての変異型アスパルトキナーゼ(以下、M68V変異型アスパルトキナーゼと称する)、すなわち図4におけるASK(M68V)(配列番号3)、ASK(I19V,M68V)(配列番号4)、ASK(M68V,T309A)(配列番号5)、及びASK(I19V,M68V,T309A)(配列番号6)は、フィードバック阻害活性の低下が検出された(図4)。また、M68V変異型アスパルトキナーゼは野生型アスパルトキナーゼと比較し、2倍以上の比活性向上が観察された(表2)。即ち、アスパルトキナーゼにM68V変異を導入すると、フィードバック阻害活性を低下させることができ、アスパルトキナーゼ活性を向上させることが可能となる。 Next, when plasmids were prepared from these transformants and the mutation sites were identified, it was found that all four strains had the same mutation pattern (I19V, M68V, T309A). Thus, the feedback inhibitory activity was analyzed using the mutant aspartokinase ASK er2 purified as described above. As a result, it was revealed that ASK er2 maintains about 80% of the activity of L-lysine and L-threonine even in the presence of 100 mM, and the feedback inhibitory activity is reduced (FIG. 4). . Thus, using the plasmid ask / pQE30 as a template, using the QuickCange XL Site-Directed Mutagenesis Kit (Stratagene) and the following primers, various site-specific mutagenesis were prepared by in vitro mutagetesis, and the feedback inhibitory activity was similarly determined. As a result of analysis, all mutant aspartokinases into which the M68V mutation was introduced (hereinafter referred to as M68V mutant aspartokinase), ie, ASK (M68V) (SEQ ID NO: 3) and ASK (I19V, M68V) in FIG. (SEQ ID NO: 4), ASK (M68V, T309A) (SEQ ID NO: 5), and ASK (I19V, M68V, T309A) (SEQ ID NO: 6) were detected to have reduced feedback inhibitory activity (FIG. 4). In addition, the specific activity of M68V mutant aspartokinase was observed to be more than doubled compared to wild-type aspartokinase (Table 2). That is, when the M68V mutation is introduced into aspartokinase, the feedback inhibitory activity can be reduced and the aspartokinase activity can be improved.
ASKt309a-sense; 5’−CCACCGGTCTGGCGGACATCTCCTTCA−3’ (配列番号11)
ASKt309a-anti; 5’−TGAAGGAGATGTCCGCCAGACCGGTGG−3(配列番号12)’
ASKm68v-sense; 5’−GCGAGTTCGACGTGCTGCTGACCGC−3’ (配列番号13)
ASKm68v-anti; 5’−GCGGTCAGCAGCACGTCGAACTCGC−3’ (配列番号14)
ASKi19v-sense; 5’−TGCCGAGGGCGTCAAGCGCGTTGCC−3’ (配列番号15)
ASKi19v-anti; 5’−GGCAACGCGCTTGACGCCCTCGGCA−3’ (配列番号16)
ASKt309a-sense; 5'-CCACCGGTCTGGCGGGACATCTCCTTCA-3 '(SEQ ID NO: 11)
ASKt309a-anti; 5'-TGAAGGAGAGTCCCGCCAGACCGGGTGG-3 (SEQ ID NO: 12) '
ASKm68v-sense; 5′-GCGAGTTCGACGTGCTGCTGACCGC-3 ′ (SEQ ID NO: 13)
ASKm68v-anti; 5′-GCGGTCAGCAGCACCGTCGAACTCGC-3 ′ (SEQ ID NO: 14)
ASKi19v-sense; 5′-TGCCGAGGGGCGCACACGCGTGCC-3 ′ (SEQ ID NO: 15)
ASKi19v-anti; 5'-GGCAACCGCGCTTGACGCCCCTCGCA-3 '(SEQ ID NO: 16)
(4)ε-ポリ-L-リジン生産菌における変異型アスパルトキナーゼ遺伝子の発現
本研究で得られたM68V変異型アスパルトキナーゼをコードする遺伝子をε-ポリ-L-リジン生産菌で発現させるため、この遺伝子を接合用プラスミドpLAE003に挿入した。
まず、野生型アスパルトキナーゼ遺伝子を含む1.9kbのApaI断片を、プラスミドpGEM 11Zf(+)のApaIサイトに挿入し、プラスミドask/pGEM 11Zを構築した。また、1.9kbのApaI断片に存在する0.2kbのClaI断片をM68V変異が導入された0.2kbのClaI断片と置換し、プラスミドask(M68V)/pGEM 11Zを構築した。次に、これらのプラスミドをBamHIおよびHindIIIで消化し、野生型アスパルトキナーゼ遺伝子またはM68V変異型アスパルトキナーゼ遺伝子を有する1.9kb断片をそれぞれ取得し、BamHIおよびHindIIIで消化したpLAE003に挿入した。このように構築したプラスミド、ask/pLAE003またはask(M68V)/pLAE003を濱野らの方法(Journal of Bioscience and Bioenginering vol. 99, No. 6, 636-641(2005))に従い大腸菌と接合させることによって、S. albulus CR1に導入した(図5)。500mL坂口フラスコにε-ポリ-L-リジン生産培地(培地1L当たり、グリセロール 50g、イーストエキス 5g、硫酸アンモニウム 10g、リン酸水素二ナトリウム 1.58g、リン酸二水素カリウム 1.36g、硫酸マグネシウム・七水和物 0.5g、硫酸亜鉛・七水和物 0.04g、硫酸鉄・七水和物 0.03gを含有)を50mL入れ、得られた導入株を30℃で6日間振盪培養し、ε-ポリ-L-リジン生産量を測定した結果、ベクターのみまたは野生型アスパルトキナーゼ遺伝子を導入した株と比較し、約10%のε-ポリ-L-リジン生産性の向上が認められた(図5)。
なお、培養液中に蓄積したε-ポリ-L-リジンは、メチルオレンジを用いたItzhakiの方法(Analitical Biochemistry vol. 50, 569-574(1972))によって定量した。すなわち、培養液上清0.1mLに0.1Mリン酸バッファー(pH6.9)1.9mLを加えた液に1mMメチルオレンジ水溶液2mLを混合し、30℃で30分放置後、生じたε-ポリ-L-リジンとメチルオレンジの複合体を遠心分離によって除去し、その上清の465nmにおける吸光度を測定した。一方、ε-ポリ-L-リジンの標準品を用いて作製した検量線から、ε-ポリ-L-リジン量を算出した。
(4) Expression of mutant aspartokinase gene in ε-poly-L-lysine-producing bacteria The gene encoding M68V mutant aspartokinase obtained in this study is expressed in ε-poly-L-lysine-producing bacteria Therefore, this gene was inserted into the conjugation plasmid pLAE003.
First, a 1.9 kb ApaI fragment containing the wild type aspartokinase gene was inserted into the ApaI site of plasmid pGEM 11Zf (+) to construct plasmid ask / pGEM 11Z. In addition, the 0.2 kb ClaI fragment present in the 1.9 kb ApaI fragment was replaced with the 0.2 kb ClaI fragment into which the M68V mutation was introduced to construct plasmid ask (M68V) / pGEM 11Z. Next, these plasmids were digested with BamHI and HindIII, and 1.9 kb fragments having a wild type aspartokinase gene or M68V mutant aspartokinase gene were obtained, respectively, and inserted into pLAE003 digested with BamHI and HindIII. By conjugating the thus constructed plasmid, ask / pLAE003 or ask (M68V) / pLAE003, with Escherichia coli according to the method of Kanno et al. (Journal of Bioscience and Bioenginering vol. 99, No. 6, 636-641 (2005)) And introduced into S. albulus CR1 (FIG. 5). In a 500 mL Sakaguchi flask, ε-poly-L-lysine production medium (50 g of glycerol, 5 g of yeast extract, 10 g of ammonium sulfate, 1.58 g of disodium hydrogen phosphate, 1.36 g of potassium dihydrogen phosphate, 7.36 g of magnesium sulfate 50 g of hydrate 0.5 g, zinc sulfate heptahydrate 0.04 g, iron sulfate heptahydrate 0.03 g) was added, and the resulting introduced strain was cultured with shaking at 30 ° C. for 6 days. As a result of measuring the amount of ε-poly-L-lysine production, about 10% improvement in ε-poly-L-lysine productivity was observed as compared with the vector alone or the strain into which the wild type aspartokinase gene was introduced. (FIG. 5).
The ε-poly-L-lysine accumulated in the culture broth was quantified by the Itzhaki method (Analitical Biochemistry vol. 50, 569-574 (1972)) using methyl orange. That is, 2 mL of a 1 mM methyl orange aqueous solution was mixed with a solution obtained by adding 1.9 mL of 0.1 M phosphate buffer (pH 6.9) to 0.1 mL of the culture supernatant and left at 30 ° C. for 30 minutes. The complex of poly-L-lysine and methyl orange was removed by centrifugation, and the absorbance of the supernatant was measured at 465 nm. On the other hand, the amount of ε-poly-L-lysine was calculated from a calibration curve prepared using a standard product of ε-poly-L-lysine.
Claims (11)
(a)配列番号1に記載のアミノ酸配列からなるタンパク質。
(b)配列番号1のアミノ酸配列において、1もしくは数個のアミノ酸が欠失、置換もしくは付加されたアミノ酸配列からなり、アスパルトキナーゼ活性を有するタンパク質。 The following protein (a) or (b).
(A) A protein comprising the amino acid sequence set forth in SEQ ID NO: 1.
(B) A protein having an aspartokinase activity, comprising an amino acid sequence in which one or several amino acids are deleted, substituted or added in the amino acid sequence of SEQ ID NO: 1.
(a)配列番号1記載のアミノ酸配列において、68番目のメチオニン残基が他のアミノ酸残基に変異したアミノ酸配列からなるタンパク質。
(b)(a)に記載のタンパク質が有するアミノ酸配列において、68番目のメチオニン残基以外のアミノ酸残基において、1もしくは数個のアミノ酸が欠失、置換もしくは付加されたアミノ酸配列からなり、L-リジン及びL-スレオニンによるフィードバック阻害活性が低下した、アスパルトキナーゼ活性を有するタンパク質。 The following protein (a) or (b).
(A) A protein comprising an amino acid sequence in which the 68th methionine residue is mutated to another amino acid residue in the amino acid sequence described in SEQ ID NO: 1.
(B) the amino acid sequence of the protein according to (a), comprising an amino acid sequence in which one or several amino acids are deleted, substituted or added in amino acid residues other than the 68th methionine residue; -A protein having aspartokinase activity in which feedback inhibitory activity by lysine and L-threonine is reduced.
(a)ストレプトマイセス属細菌またはコリネ属細菌における、配列番号1記載のアミノ酸配列を有するタンパク質のホモログが有するアミノ酸配列において、68番目のメチオニン残基が他のアミノ酸残基に変異したアミノ酸配列からなるタンパク質。
(b)(a)に記載のタンパク質が有するアミノ酸配列において、1もしくは数個のアミノ酸が欠失、置換もしくは付加されたアミノ酸配列からなり、L-リジン及びL-スレオニンによるフィードバック阻害活性が低下した、アスパルトキナーゼ活性を有するタンパク質。 The following protein (a) or (b).
(A) From the amino acid sequence of the homologue of the protein having the amino acid sequence of SEQ ID NO: 1 in Streptomyces or Corynebacterium, the amino acid sequence in which the 68th methionine residue is mutated to another amino acid residue Protein.
(B) The amino acid sequence of the protein described in (a) consists of an amino acid sequence in which one or several amino acids are deleted, substituted, or added, and the feedback inhibitory activity by L-lysine and L-threonine is reduced. A protein having aspartokinase activity.
(a)配列番号1記載のアミノ酸配列における68番目のメチオニン残基が他のアミノ酸残基に変異したアミノ酸配列からなる、アスパルトキナーゼ活性を有するタンパク質。
(b)(a)に記載のタンパク質が有するアミノ酸配列において、1もしくは数個のアミノ酸が欠失、置換もしくは付加されたアミノ酸配列からなり、L-リジン及びL-スレオニンによるフィードバック阻害活性が低下した、アスパルトキナーゼ活性を有するタンパク質。 The following protein (a) or (b).
(A) A protein having aspartokinase activity, comprising an amino acid sequence in which the 68th methionine residue in the amino acid sequence described in SEQ ID NO: 1 is mutated to another amino acid residue.
(B) The amino acid sequence of the protein described in (a) consists of an amino acid sequence in which one or several amino acids are deleted, substituted, or added, and the feedback inhibitory activity by L-lysine and L-threonine is reduced. A protein having aspartokinase activity.
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