JP7181712B2 - Glutathione manufacturing method - Google Patents
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Description
本発明は、グルタチオンの製造方法に関する。 The present invention relates to a method for producing glutathione.
グルタチオン(γ―グルタミル―L―システイニルグリシン)は、L―システイン、L―グルタミン酸、及びグリシンからなるトリペプチドであり、ヒトだけでなく、広く動植物、微生物などに存在し、解毒作用、抗酸化作用など生体にとって重要な化合物となっている。 Glutathione (γ-glutamyl-L-cysteinylglycine) is a tripeptide consisting of L-cysteine, L-glutamic acid, and glycine. It is an important compound for living organisms such as oxidation.
グルタチオンの製造方法として、酵母を用いた発酵により、酵母にグルタチオンを産生させる方法(特許文献1)、L―システイン、L―グルタミン酸、及びグリシンをグルタチオン産生能を有する微生物が産生するγ ― グルタミルシステイン合成酵素やグルタチオン合成酵素を用いて合成する酵素法などが知られている(特許文献2)。 As a method for producing glutathione, a method of producing glutathione in yeast by fermentation using yeast (Patent Document 1), γ-glutamylcysteine produced by a microorganism having the ability to produce glutathione, L-cysteine, L-glutamic acid, and glycine. An enzymatic method for synthesis using synthase or glutathione synthase is known (Patent Document 2).
また、微生物を合成反応の反応系として用い、目的とする有機化合物を微生物が備えている代謝経路を利用して製造する方法ある。この方法をより効率よく有機化合物を合成するために、生きた微生物の代謝経路を改変するのではなく、複数の代謝酵素を予めモジュ―ル化し、これらを任意に組み合わせることによって物質生産に特化した合成経路を人工的に構築する人工代謝システムも知られている(特許文献3)。この人工代謝システムでは、複数の酵素を用いるため、酵素の安定性が重要である。そのため、耐熱性酵素を用いることが行われている。また、複数の酵素を使うため、酵素の精製にコストがかかるといった問題もあるが、耐熱性酵素を使用することで、精製コストを下げることができる。 There is also a method of producing a target organic compound by using a microorganism as a reaction system for a synthetic reaction and utilizing the metabolic pathway of the microorganism. In order to synthesize organic compounds more efficiently with this method, instead of modifying the metabolic pathways of living microorganisms, multiple metabolic enzymes are modularized in advance and combined arbitrarily to specialize in substance production. There is also known an artificial metabolic system that artificially constructs a synthetic pathway that has been developed (Patent Document 3). Since this artificial metabolic system uses multiple enzymes, the stability of the enzymes is important. Therefore, a thermostable enzyme is used. In addition, since a plurality of enzymes are used, there is a problem that purification of the enzyme is costly, but the purification cost can be reduced by using a thermostable enzyme.
耐熱性のγ―グルタミルシステイン合成酵素やグルタチオン合成酵素としては、45℃での反応による活性を有する酵素は知られている(非特許文献1)。また、超好熱性アーキアSulfolobus solfataricusの細胞抽出液より酸化型グルタチオンが検出されたとの報告(非特許文献2)があったが、本発明者らが分析したところ、本菌、その類縁種であるS. achidolacdarius、及び、好熱性細菌Thermus thermophilusの細胞抽出液からは培地成分からの持ち込み量を上回るグルタチオンは検出されなかった。 As thermostable γ-glutamylcysteine synthetase and glutathione synthetase, enzymes having activity by reaction at 45° C. are known (Non-Patent Document 1). In addition, it was reported that oxidized glutathione was detected in the cell extract of the hyperthermophilic archaea Sulfolobus solfataricus (Non-Patent Document 2). Glutathione was not detected in the cell extracts of S. achidolacdarius and the thermophilic bacterium Thermus thermophilus in excess of the amount brought in from the medium components.
人工代謝システムを利用することで、有機合成では、製造が困難であった有機化合物を製造することができる可能性があり、耐熱性を有するγ―グルタミルシステイン合成酵素やグルタチオン合成酵素を用いることで、効率よく、グルタチオンを製造することができる。したがって、本願は、耐熱性を有するγ―グルタミルシステイン合成酵素やグルタチオン合成酵素を見出し、新規なグルタチオンの製造方法を提供することを課題とする。 By using an artificial metabolic system, it may be possible to produce organic compounds that have been difficult to produce in organic synthesis. , can efficiently produce glutathione. Accordingly, an object of the present application is to find a thermostable γ-glutamylcysteine synthase or glutathione synthase and to provide a novel method for producing glutathione.
本発明者らは、新規の耐熱性を有するγ―グルタミルシステイン合成酵素及びグルタチオン合成酵素を提供し、それら酵素を使用したグルタチオンの製造方法を提供する。
好熱性ラン藻類であるThermosynechococcus elongatusより、グルタチオン合成酵素を同定した。さらに、機能未知の遺伝子より、γ―グルタミルシステイン合成酵素活性を有する遺伝子も同定した。
The present inventors provide novel thermostable γ-glutamylcysteine synthase and glutathione synthase, and provide a method for producing glutathione using these enzymes.
Glutathione synthase was identified from Thermosynechococcus elongatus, a thermophilic cyanobacterium. Furthermore, a gene with γ-glutamylcysteine synthase activity was also identified from genes of unknown function.
本発明は、以下のような発明である。
(1)L―グルタミン酸とL―システインに、配列番号1のアミノ酸配列からなるγ―グルタミルシステイン合成酵素活性を有するポリペプチド、又は配列番号1のアミノ酸配列に対して少なくとも90%以上の配列同一性を有しγ―グルタミルシステイン合成酵素活性を有するポリペプチドを作用させて、γ―グルタミルシステインを生成させる工程を含む、γ―グルタミルシステインの製造方法、
(2)L―グルタミン酸とL―システインに、配列番号1のアミノ酸配列からなるγ―グルタミルシステイン合成酵素活性を有するポリペプチド、又は配列番号1のアミノ酸配列に対して少なくとも90%以上の配列同一性を有しγ―グルタミルシステイン合成酵素活性を有するポリペプチドを作用させて、γ―グルタミルシステインを生成させる工程、次いで、グリシンとγ―グルタミルシステインに、配列番号2又は3のアミノ酸配列からなるグルタチオン合成酵素活性を有するポリペプチド、又は配列番号2又は3のアミノ酸配列に対して少なくとも90%以上の配列同一性を有しグルタチオン合成酵素活性を有するポリペプチドを作用させて、グルタチオンを生成させる工程を含む、グルタチオンの製造方法。
(3)グリシンとγ―グルタミルシステインに、配列番号2又は3のアミノ酸配列からなるグルタチオン合成酵素活性を有するポリペプチド、又は配列番号2又は3のアミノ酸配列に対して少なくとも90%以上の配列同一性を有しグルタチオン合成酵素活性を有するポリペプチドを作用させて、グルタチオンを生成させる工程を含む、グルタチオンの製造方法。
The present invention is the following invention.
(1) A polypeptide having γ-glutamylcysteine synthase activity consisting of the amino acid sequence of SEQ ID NO: 1 in L-glutamic acid and L-cysteine, or having at least 90% sequence identity with the amino acid sequence of SEQ ID NO: 1 A method for producing γ-glutamylcysteine, comprising the step of producing γ-glutamylcysteine by allowing a polypeptide having γ-glutamylcysteine synthase activity to act,
(2) A polypeptide having γ-glutamylcysteine synthase activity consisting of the amino acid sequence of SEQ ID NO: 1 in L-glutamic acid and L-cysteine, or having at least 90% sequence identity with the amino acid sequence of SEQ ID NO: 1 A step of reacting a polypeptide having γ-glutamylcysteine synthase activity to produce γ-glutamylcysteine, then synthesizing glutathione consisting of the amino acid sequence of SEQ ID NO: 2 or 3 with glycine and γ-glutamylcysteine A step of producing glutathione by reacting a polypeptide having enzymatic activity or a polypeptide having at least 90% sequence identity with the amino acid sequence of SEQ ID NO: 2 or 3 and having glutathione synthetase activity , a method for the production of glutathione.
(3) A polypeptide having glutathione synthetase activity consisting of glycine and γ-glutamylcysteine, consisting of the amino acid sequence of SEQ ID NO: 2 or 3, or sequence identity of at least 90% or more to the amino acid sequence of SEQ ID NO: 2 or 3 A method for producing glutathione, comprising the step of producing glutathione by allowing a polypeptide having a glutathione synthetase activity to act.
65℃という高温域に最適温度を持つ耐熱性酵素により、L―グルタミン酸、L―システインからのγ-GC製造ならびにグリシンとγ-GCからのグルタチオン製造、更にはL―グルタミン酸、L―システインおよびグリシンからのグルタチオン製造を、過去の事例(45℃)を遥かに上回る高温で行うことが可能である。 γ-GC production from L-glutamic acid and L-cysteine, glutathione production from glycine and γ-GC, and furthermore L-glutamic acid, L-cysteine and glycine using a thermostable enzyme with an optimum temperature of 65°C. It is possible to perform glutathione production from E. coli at a much higher temperature than has been the case in the past (45°C).
本発明は、L―グルタミン酸とL―システイン、グリシンを基質とし、好熱菌由来のγ―グルタミルシステイン合成酵素、好熱菌由来のグルタチオン合成酵素により、グルタチオン生成させる、グルタチオンの製造方法に関する。 The present invention relates to a method for producing glutathione, wherein L-glutamic acid, L-cysteine and glycine are used as substrates and glutathione is produced by thermophile-derived γ-glutamylcysteine synthase and thermophile-derived glutathione synthase.
本願では、γ―グルタミルシステイン合成酵素をγ―GCL、グルタチオン合成酵素をGSHS、グルタチオンをGSH、酸化型グルタチオンをGSSGと略して記載する場合がある。 In the present application, γ-glutamylcysteine synthetase may be abbreviated as γ-GCL, glutathione synthase as GSHS, glutathione as GSH, and oxidized glutathione as GSSG.
本発明のγ―GCLは、アデノシン三リン酸(ATP)存在下で、L―システインを基質とし、L―グルタミン酸と結合させ、γ―グルタミルシステイン(γ―Glu―Cys)を生成する反応を触媒する活性を有する酵素である。 γ-GCL of the present invention catalyzes a reaction in which L-cysteine is used as a substrate in the presence of adenosine triphosphate (ATP) and is bound to L-glutamic acid to produce γ-glutamylcysteine (γ-Glu-Cys). It is an enzyme that has the activity to
本発明のGSHSは、アデノシン三リン酸(ATP)存在下でγ―グルタミルシステインを基質とし、グリシンと結合させ、γ―グルタミル―L―システイニルグリシン(γ―Glu―Cys―Gly:グルタチオン)を生成する反応を触媒する活性を有する酵素である。 GSHS of the present invention uses γ-glutamylcysteine as a substrate in the presence of adenosine triphosphate (ATP), binds to glycine, and produces γ-glutamyl-L-cysteinylglycine (γ-Glu-Cys-Gly: glutathione). is an enzyme that has the activity to catalyze the reaction that produces
本発明の好熱菌とは、50℃以上、特に60~110℃において、変性することなく、活性を保持できる酵素を発現する菌である。また、本発明でのγ―GCL及びGSHSでは、好熱菌由来のものでも良いが、50℃以上で酵素が変性しなければ、好熱菌由来の酵素でなくても良い。 The thermophilic bacterium of the present invention is a bacterium that expresses an enzyme that can maintain its activity without denaturation at 50°C or higher, particularly at 60 to 110°C. γ-GCL and GSHS in the present invention may be derived from thermophilic bacteria, but may not be derived from thermophilic bacteria as long as the enzymes are not denatured at 50° C. or higher.
本発明のγ―GCLは、配列番号1のアミノ酸配列を有するポリペプチド、及び配列番号1に対して少なくとも90%以上、又は少なくとも95%以上配列同一性を有するアミノ酸配列を有し、γ―GCL活性を有するポリペプチドである。 γ-GCL of the present invention has a polypeptide having the amino acid sequence of SEQ ID NO: 1 and an amino acid sequence having at least 90% or more, or at least 95% or more sequence identity with SEQ ID NO: 1, It is an active polypeptide.
本発明のGSHSは、配列番号2又は3のアミノ酸配列を有するポリペプチド、及び配列番号2又は3に対して少なくとも90%以上、又は少なくとも95%以上配列同一性を有するアミノ酸配列を有し、GSHS活性を有するポリペプチドである。 The GSHS of the present invention has a polypeptide having the amino acid sequence of SEQ ID NO: 2 or 3 and an amino acid sequence having at least 90% or more, or at least 95% or more sequence identity to SEQ ID NO: 2 or 3, It is an active polypeptide.
本発明のγ―GCL及びGSHSは、前段までのアミノ酸配列を有し、さらに、好熱性ラン藻類であるThermosynechococcus elongatusを由来とするものを用いることができる。 The γ-GCL and GSHS of the present invention can use those having the amino acid sequences up to the preceding paragraph and further derived from Thermosynechococcus elongatus, which is a thermophilic cyanobacterium.
本発明で使用されるγ―GCL及びGSHSを取得する方法は特に限定されない。例えば、遺伝子工学の手法を用いて得る場合は、目的の酵素をコードする遺伝子を適当なベクターに挿入し、組換えベクターを構築する。当該組換えベクターを酵素生産可能な宿主細胞に形質転換し、酵素を発現製造することができる。本発明では、複数の酵素を用いるため、簡便に形質転換可能な、DH5α、MG1655株等の大腸菌、Pseudomonas属などのグラム陰性菌、Corynebacterium属やBacillus属、Rhodococcus属などのグラム陽性菌が適している。具体的には、γ―GCL及びGSHSはThermosynechococcus elongatus等のゲノムDNAよりPCR増幅した当該遺伝子を、例えば、pET21aに連結し、T7プロモーター制御下で発現させる。Thermosynechococcus elongatus等のゲノムDNAは、国立研究開発法人理化学研究所バイオリソースセンター、国立環境研究所、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(NBRC)、公益財団法人かずさDNA研究所などから入手可能である。また、使用するDNAは、配列番号1~3のアミノ酸配列情報から合成したDNAでも使用可能であり、合成DNAとはアミノ酸配列を大腸菌のコドン使用頻度に合わせて設計したDNA配列である。これらのDNAから、当概遺伝子を前述のように調製した発現ベクターをNovagen社製 BL21 (DE3) pLysS等の大腸菌に形質転換する。または、相同組み換えやトランスポゾンによるDNA断片を挿入してもよい。形質転換方法は、一般的な方法で良い。 The method for obtaining γ-GCL and GSHS used in the present invention is not particularly limited. For example, when it is obtained using genetic engineering techniques, a gene encoding the desired enzyme is inserted into an appropriate vector to construct a recombinant vector. An enzyme can be expressed and produced by transforming the recombinant vector into a host cell capable of enzyme production. In the present invention, since multiple enzymes are used, Escherichia coli such as DH5α and MG1655 strains, Gram-negative bacteria such as Pseudomonas, and Gram-positive bacteria such as Corynebacterium, Bacillus, and Rhodococcus, which can be easily transformed, are suitable. there is Specifically, for γ-GCL and GSHS, the gene amplified by PCR from the genomic DNA of Thermosynechococcus elongatus or the like is ligated to, for example, pET21a and expressed under the control of the T7 promoter. Genomic DNA of Thermosynechococcus elongatus etc. can be obtained from RIKEN BioResource Center, National Institute for Environmental Studies, National Institute of Technology and Evaluation Biotechnology Center (NBRC), Kazusa DNA Research Institute, etc. be. DNA synthesized from the amino acid sequence information of SEQ ID NOS: 1 to 3 can also be used as the DNA to be used, and the synthetic DNA is a DNA sequence whose amino acid sequence is designed to match the codon usage frequency of E. coli. From these DNAs, E. coli, such as BL21 (DE3) pLysS manufactured by Novagen, is transformed with an expression vector containing the gene in question as described above. Alternatively, a DNA fragment may be inserted by homologous recombination or transposon. A general method may be used for the transformation method.
本願発明で必要な酵素は、DH5α、MG1655株等の大腸菌、Pseudomonas属などのグラム陰性菌、Corynebacterium属やBacillus属、Rhodococcus属などのグラム陽性菌などから選択した菌類に、γ―GCL及びGSHSに発現させて得ることができる。γ―GCL及びGSHSを同時に得ても良い。本段落で使用する菌類は、後述のように、宿主由来のタンパク質を容易に除去するため、好熱性菌である必要はない。必要な酵素をすべて同時に発現させても良いが、通常は、発現効率等から、実施例記載のように、複数の大腸菌等に分けて、γ―GCL及びGSHSを得ることもできる。本発明では、好熱菌由来の酵素を大腸菌等で発現させて得るため、大腸菌等の宿主由来のタンパク質を容易に除去することができる。例えば、大腸菌で発現後、高温、60℃~80℃で熱処理をすることで、大腸菌由来のタンパク質は変性するが、目的の酵素は、好熱菌由来の酵素であるため、熱変性しない。このように、熱処理で変性したタンパク質を除去することで、必要な粗酵素液を容易に得ることができる。熱処理は、培養後の菌体を直接熱処理しても良い。又は、菌体抽出液を熱処理しても良い。抽出方法は、特に制限なく選択できる。菌体を超音波破砕等により破砕後、抽出した液を熱処理してもよい。 具体的には、例えば、組換え大腸菌の湿菌体を200mg wet cells/mlとなるように50mM HEPES-NaOH (pH8.0)に懸濁し、懸濁液を超音波破砕処理に供することにより菌体を破砕、無細胞抽出液を得る。無細胞抽出液に対し、70℃、30分間の熱処理を施し、宿主由来タンパク質の変性操作を行う。遠心分離により細胞残さと変性タンパク質を取り取り除くことで、上清を粗酵素液として、グルタチオンの製造に用いることができる。 Enzymes required in the present invention are selected from Escherichia coli such as DH5α and MG1655 strains, Gram-negative bacteria such as the genus Pseudomonas, Gram-positive bacteria such as the genus Corynebacterium, the genus Bacillus, and the genus Rhodococcus, and γ-GCL and GSHS. It can be obtained by expression. γ-GCL and GSHS may be obtained simultaneously. The fungi used in this paragraph need not be thermophilic, as they readily remove host-derived proteins, as described below. Although all necessary enzymes may be expressed simultaneously, γ-GCL and GSHS can be obtained by dividing into a plurality of Escherichia coli or the like from the viewpoint of expression efficiency and the like, as described in the Examples. In the present invention, the thermophile-derived enzyme is obtained by expressing it in Escherichia coli or the like, so proteins derived from the host such as Escherichia coli can be easily removed. For example, the protein derived from E. coli is denatured by heat treatment at a high temperature of 60° C. to 80° C. after expression in E. coli, but the target enzyme is not denatured by heat because it is derived from thermophilic bacteria. Thus, the necessary crude enzyme solution can be easily obtained by removing proteins denatured by heat treatment. The heat treatment may be performed by directly heat-treating the cultured cells. Alternatively, the cell extract may be heat-treated. An extraction method can be selected without particular limitation. After crushing the cells by ultrasonic crushing or the like, the extracted liquid may be heat-treated. Specifically, for example, wet cells of recombinant Escherichia coli are suspended in 50 mM HEPES-NaOH (pH 8.0) so as to have a concentration of 200 mg wet cells/ml, and the suspension is subjected to ultrasonication treatment. The body is crushed to obtain a cell-free extract. The cell-free extract is heat-treated at 70° C. for 30 minutes to denature the host-derived protein. By removing cell debris and denatured protein by centrifugation, the supernatant can be used as a crude enzyme solution for the production of glutathione.
本発明によるグルタチオンの製造方法は、L-システインとL-グルタミン酸とを前述のγ―GCLにより、ATP存在下で作用させて、γ―グルタミルシステインを生成する工程、γ―グルタミルシステインとグリシンとを前述のGSHSにより、ATP存在下でグルタチオンを生成する工程を含むものである。 The method for producing glutathione according to the present invention includes a step of reacting L-cysteine and L-glutamic acid with the aforementioned γ-GCL in the presence of ATP to produce γ-glutamylcysteine; It includes the step of producing glutathione in the presence of ATP by the aforementioned GSHS.
γ―GCL及びGSHSによる酵素反応は、適当なpHに調整された溶媒を含む一般的な反応液中で行うことができる。基質の濃度(L―システイン、L―グルタミン酸、グリシンの合計濃度)は、一般的な濃度で反応できる。L―システインとL―グルタミン酸、グリシンの量比は、特に制限がなく選択できる。通常は、L―システイン、L―グルタミン酸、及びグリシンは、等量でよい。溶媒としては、HEPES、TAPS、CHESなどの緩衝液を用いることができる。特に好ましい緩衝液は、TAPSバッファーを使用する。反応のpHは、pH6~10、より好ましくはpH8~9である。γ―GCL反応温度は、60℃~75℃、より好ましくは65℃以上とする。反応時間は、適宜調整できるが、10分~120分とすることができる。 An enzymatic reaction with γ-GCL and GSHS can be carried out in a general reaction solution containing a solvent adjusted to an appropriate pH. The substrate concentration (total concentration of L-cysteine, L-glutamic acid, and glycine) can react at a general concentration. The quantitative ratio of L-cysteine, L-glutamic acid and glycine can be selected without any particular limitation. Generally, equal amounts of L-cysteine, L-glutamic acid, and glycine are sufficient. Buffers such as HEPES, TAPS, and CHES can be used as solvents. A particularly preferred buffer uses TAPS buffer. The pH of the reaction is pH 6-10, more preferably pH 8-9. The γ-GCL reaction temperature is 60° C. to 75° C., preferably 65° C. or higher. The reaction time can be adjusted as appropriate, and can be from 10 minutes to 120 minutes.
本発明のグルタチオンは、γ―GCLにより、γ―グルタミルシステイン(γ―GC)を生成後、GSHSにより、γ―GCとグリシンにより、グルタチオンを生成する反応を別々に行っても良いし、γ―GCの生成とグルタチオンの生成を同時に行っても良い。別々に行う場合は、γ―GCLの反応は、段落番号0024の条件で行う。GSHSの反応も段落0024の条件で行うこともできるが、温度を55~65℃とすることで、より効率的にグルタチオンを生成することができる。 Glutathione of the present invention may be produced by γ-GCL to produce γ-glutamylcysteine (γ-GC), and then by GSHS to produce glutathione by γ-GC and glycine. GC production and glutathione production may be performed simultaneously. When performed separately, the reaction of γ-GCL is performed under the conditions of Paragraph No. 0024. The GSHS reaction can also be performed under the conditions of paragraph 0024, but by setting the temperature to 55 to 65° C., glutathione can be produced more efficiently.
各酵素の濃度は、粗酵素液の調整により異なり、一般的な方法で適宜調整して良い。γ―GCLとGSHSとの濃度比も、適宜調整でき制限はない。 The concentration of each enzyme varies depending on the preparation of the crude enzyme solution, and may be appropriately adjusted by a general method. The concentration ratio of γ-GCL and GSHS can also be adjusted as appropriate and is not limited.
その他、反応に必要なものは、ATP、塩化マグネシウム等であり、一般な条件で使用することができる。 In addition, ATP, magnesium chloride and the like are required for the reaction and can be used under general conditions.
以下に本発明をより詳細に説明するが、本発明は、以下の方法に限定されない。 Although the present invention will be described in more detail below, the present invention is not limited to the following methods.
(粗酵素液の調整)
組換え大腸菌の湿菌体を200 mg wet cells/mlとなるように50 mM HEPES-NaOH (pH8.0)に懸濁した。懸濁液を超音波破砕処理に供することにより菌体を破砕、無細胞抽出液を得た。無細胞抽出液に対し、60℃、30分間の熱処理を施し、宿主由来タンパク質の変性操作を行った。遠心分離により細胞残さと変性タンパク質を取り除いた上清を粗酵素液として活性測定に用いた。
・使用酵素遺伝子、菌株、培養
Thermosynechococcus elongatus由来のγ-glutamylcystein ligase(γ-GCL)及びglutathione synthetase(GSHS)は配列番号1及び2に対応する合成DNAをpET21aに連結し、T7プロモーター制御下で発現させた。この遺伝子発現ベクターは全てNovagen社製 Rosetta 2 (DE3) pLysSに導入した。Rosetta2 (DE3) pLysSでは100 mg/lのアンピシリンと34 mg/lのクロラムフェニコールをLuria-Bertani培地に添加し、37℃で好気的に培養した。対数増殖後期に培養液に0.2 mM IPTGの添加し、目的酵素遺伝子の誘導を行った。
(Adjustment of crude enzyme solution)
Wet cells of the recombinant E. coli were suspended in 50 mM HEPES-NaOH (pH 8.0) at 200 mg wet cells/ml. By subjecting the suspension to ultrasonication, the cells were crushed to obtain a cell-free extract. The cell-free extract was heat-treated at 60° C. for 30 minutes to denature the host-derived protein. The supernatant obtained by removing cell debris and denatured protein by centrifugation was used as a crude enzyme solution for activity measurement.
・Used enzyme gene, strain, culture
Thermosynechococcus elongatus-derived γ-glutamylcystein ligase (γ-GCL) and glutathione synthetase (GSHS) were expressed under the control of the T7 promoter by ligating synthetic DNAs corresponding to SEQ ID NOs: 1 and 2 to pET21a. All of these gene expression vectors were introduced into Novagen's Rosetta 2 (DE3) pLysS. For Rosetta2 (DE3) pLysS, 100 mg/l ampicillin and 34 mg/l chloramphenicol were added to Luria-Bertani medium and cultured aerobically at 37°C. At the late logarithmic growth stage, 0.2 mM IPTG was added to the culture to induce the target enzyme gene.
γ―GC,グルタチオンの濃度は、Steeleらの報告(Steele et al., 2012, Analytical Biochemistry)に準じた手法で測定した。具体的には以下の通りである。 The concentrations of γ-GC and glutathione were measured according to the method reported by Steele et al. (Steele et al., 2012, Analytical Biochemistry). Specifically, it is as follows.
・誘導体化
酵素反応後のサンプルならびにスタンダード(L‐システイン、γ-GC、GSH各100 μMの混合液)各160 μlに1 mM TCEP(Tris(2-carboxyethyl)phosphine hydrochloride)を加え、35℃で5分間加温した。続いて200μlのBorate buffer(0.1 M Borate buffer(pH9.3)with 1 mM EDTA)と60μlのABD-F(1 mg/ml 4-Fluoro-7-aminosulfonylbenzofurazan in Borate buffer)を添加し、35℃で10分間加温した。100μlの2M HClを加えて反応を停止させた後、遠心分離し、取得した遠心上清をグルタチオンの測定に用いた。
・Add 1 mM TCEP (Tris(2-carboxyethyl)phosphine hydrochloride) to each 160 μl of sample and standard (mixture of 100 μM each of L-cysteine, γ-GC, and GSH) after derivatization enzyme reaction, and heat at 35°C. Warmed for 5 minutes. Subsequently, 200 μl of Borate buffer (0.1 M Borate buffer (pH 9.3) with 1 mM EDTA) and 60 μl of ABD-F (1 mg/ml 4-Fluoro-7-aminosulfonylbenzofurazan in Borate buffer) were added. C. for 10 minutes. After adding 100 μl of 2 M HCl to stop the reaction, the mixture was centrifuged, and the centrifugal supernatant obtained was used for the measurement of glutathione.
・高速液体クロマトグラフィー(HPLC)測定条件
溶離液:超純水で0.1Mに希釈した酢酸を水酸化ナトリウムでpH 4.0に調整し、メタノールと86:14の容積比で混合した溶液
流速:0.8 ml/min
カラム:COSMOSIL Packed Column 5C18-AR-II 4.6ID x 250 mm
カラム温度:35℃
測定波長:UV 390 nm (励起波長:390 nm、蛍光波長:510 nm)
・High-performance liquid chromatography (HPLC) measurement conditions Eluent: A solution of acetic acid diluted to 0.1 M with ultrapure water, adjusted to pH 4.0 with sodium hydroxide, and mixed with methanol at a volume ratio of 86:14. : 0.8ml/min
Column: COSMOSIL Packed Column 5C18-AR-II 4.6ID x 250mm
Column temperature: 35°C
Measurement wavelength: UV 390 nm (excitation wavelength: 390 nm, fluorescence wavelength: 510 nm)
(γ-GCLの酵素活性評価)
・最適温度検討
表1の組成で酵素液を調製し、それを用いて、ATPを除く表2の組成で反応液を作製した。40、 45、 50、 55、 60、 65、 70、 75℃の各温度で2分間保温した後に、ATPを加えることで反応を開始させた。10分間反応させた後、等量のメタノールを加えて反応を停止させ、生成されたγ-GCをHPLCにて定量した。生成されたγ-GCの量を基に比活性を算出した結果を図1に示す。この結果より、γ-GCLの最適温度は65℃であることが明らかとなった。
(Enzyme activity evaluation of γ-GCL)
- Examination of Optimal Temperature An enzyme solution was prepared with the composition shown in Table 1, and used to prepare a reaction solution with the composition shown in Table 2 excluding ATP. After incubating for 2 minutes at each temperature of 40, 45, 50, 55, 60, 65, 70 and 75°C, the reaction was initiated by adding ATP. After reacting for 10 minutes, an equal amount of methanol was added to stop the reaction, and the γ-GC produced was quantified by HPLC. FIG. 1 shows the result of calculating the specific activity based on the amount of γ-GC produced. From this result, it became clear that the optimum temperature for γ-GCL is 65°C.
・最適pH検討
表1の組成で酵素液を調製し、それを用いて、ATPを除く表3の組成で反応液を作製した。図1より、γ-GCLの最適温度が65℃であったため、65℃で2分間保温した後、ATPを加えることで反応を開始させた。10分間反応させた後、等量のメタノールを加えて反応を停止させ、生成されたγ-GCをHPLCにて定量した。生成されたγ-GCの量を基に比活性を算出した結果を図2に示す。この結果より、γ-GCLの最適pHは9.0であり、特にTAPSをバッファーに用いると活性が高いことが明らかとなった。
Examination of optimal pH An enzyme solution was prepared with the composition shown in Table 1, and used to prepare a reaction solution with the composition shown in Table 3, excluding ATP. As shown in FIG. 1, the optimum temperature for γ-GCL was 65° C., so after incubating at 65° C. for 2 minutes, ATP was added to initiate the reaction. After reacting for 10 minutes, an equal volume of methanol was added to stop the reaction, and the γ-GC produced was quantified by HPLC. FIG. 2 shows the result of calculating the specific activity based on the amount of γ-GC produced. This result revealed that the optimum pH of γ-GCL was 9.0, and that the activity was particularly high when TAPS was used as a buffer.
(γ-GCの生成)
表1の組成で酵素液を調製し、それらを用いて、ATPを除く表4の組成で反応液を作製した。65℃で2分間保温した後、ATPを加えることで反応を開始させた。1、3、5、10、20、30分後にサンプルを取得し、それぞれに等量のメタノールを加えて反応を停止させ、生成したγ-GCをHPLCにて定量した。その結果、反応開始30分後には1.2 1mMのγ-GCを確認できた。生成したγ-GCと残存L‐システインの量を図3に示す。
(Generation of γ-GC)
Enzyme solutions were prepared with the compositions shown in Table 1, and reaction solutions were prepared with the compositions shown in Table 4, excluding ATP. After incubating at 65° C. for 2 minutes, the reaction was initiated by adding ATP. After 1, 3, 5, 10, 20 and 30 minutes, samples were taken, and an equal amount of methanol was added to each to stop the reaction, and the γ-GC produced was quantified by HPLC. As a result, 1.21 mM γ-GC could be confirmed 30 minutes after the start of the reaction. The amounts of γ-GC produced and residual L-cysteine are shown in FIG.
(GSHSの酵素活性評価)
・最適温度検討
表5の組成で酵素液を調製し、それを用いて、ATPを除く表6の組成で反応液を作製した。40、 45、 50、 55、 60、 65、 70、 75℃の各温度で2分間保温した後に、ATPを加えることで反応を開始させた。10分間反応させた後、等量のメタノールを加えて反応を停止させ、生成されたグルタチオンをHPLCにて定量した。生成されたグルタチオンの量を基に比活性を算出した結果を図4に示す。この結果より、GSHSの最適温度は55℃であるが、55~65℃まではほぼ同等の活性を示すことが明らかとなった。
(Enzyme activity evaluation of GSHS)
· Examination of optimal temperature An enzyme solution was prepared with the composition shown in Table 5, and used to prepare a reaction solution with the composition shown in Table 6, excluding ATP. After incubating for 2 minutes at each temperature of 40, 45, 50, 55, 60, 65, 70 and 75°C, the reaction was initiated by adding ATP. After reacting for 10 minutes, an equal amount of methanol was added to stop the reaction, and the produced glutathione was quantified by HPLC. FIG. 4 shows the result of calculating the specific activity based on the amount of glutathione produced. From this result, it was clarified that although the optimum temperature of GSHS is 55°C, almost the same activity is exhibited up to 55 to 65°C.
・最適pH検討
表5の組成で酵素液を調製し、それを用いて、ATPを除く表7の組成で反応液を作製した。図4より、GSHSの活性は最適温度の55℃から65℃までほぼ同等であったため、65℃で2分間保温した後、ATPを加えることで反応を開始させた。10分間反応させた後、等量のメタノールを加えて反応を停止させ、生成されたグルタチオンをHPLCにて定量した。生成されたグルタチオンの量を基に比活性を算出した結果を図5に示す。この結果より、GSHSの最適pHは9.0であり、特にTAPSをバッファーに用いると活性が高いことが明らかとなった。
Examination of optimal pH An enzyme solution was prepared with the composition shown in Table 5, and used to prepare a reaction solution with the composition shown in Table 7, excluding ATP. As shown in FIG. 4, since the activity of GSHS was almost the same from the optimum temperature of 55° C. to 65° C., the reaction was initiated by adding ATP after incubating at 65° C. for 2 minutes. After reacting for 10 minutes, an equal amount of methanol was added to stop the reaction, and the produced glutathione was quantified by HPLC. FIG. 5 shows the results of calculating the specific activity based on the amount of glutathione produced. From this result, it was clarified that the optimum pH of GSHS is 9.0, and the activity is particularly high when TAPS is used as a buffer.
(グルタチオン(GSH)の生成)
表1、表5の組成で酵素液を調製し、それらを用いて、ATPを除く表8の組成で反応液を作製した。65℃で2分間保温した後、ATPを加えることで反応を開始させた。1、3、5、10、20、30分後にサンプルを取得し、それぞれに等量のメタノールを加えて反応を停止させ、生成したグルタチオンをHPLCにて定量した。その結果、反応開始30分後には0.54 mMのグルタチオンを確認できた。生成したグルタチオンとγ-GC、残存L‐システインの量を図6に示す。これによると、反応開始10分後にγ-GCの濃度が最大となり、それ以降低下していた。これは、γ-GCLによるγ-GCの生産速度が、反応開始10分まではGSHSによるγ-GCの消費速度を上回った結果と考えられる。実際に、グルタチオンの生産量は一律に増加しており、GSHSによるグルタチオン生産が律速段階であったことが示唆される。
(Generation of glutathione (GSH))
Enzyme solutions were prepared with the compositions shown in Tables 1 and 5, and used to prepare reaction solutions with the compositions shown in Table 8 excluding ATP. After incubating at 65° C. for 2 minutes, the reaction was initiated by adding ATP. After 1, 3, 5, 10, 20 and 30 minutes, samples were taken, an equal amount of methanol was added to each to stop the reaction, and the produced glutathione was quantified by HPLC. As a result, 0.54 mM glutathione was confirmed 30 minutes after the start of the reaction. FIG. 6 shows the amount of glutathione produced, γ-GC, and residual L-cysteine. According to this, the concentration of γ-GC reached a maximum 10 minutes after the start of the reaction and decreased thereafter. This is probably because the production rate of γ-GC by γ-GCL exceeded the consumption rate of γ-GC by GSHS until 10 minutes after the start of the reaction. In fact, the amount of glutathione produced uniformly increased, suggesting that glutathione production by GSHS was the rate-limiting step.
以上から、本発明において、65℃という高温域に最適温度を持つ耐熱性酵素により、L‐グルタミン酸、L‐システインからのγ-GC製造ならびにグリシンとγ-GCからのグルタチオン製造、更にはL‐グルタミン酸、L‐システインおよびグリシンからのグルタチオン製造を、過去の事例(45℃)を遥かに上回る高温で行うことが可能である。 Based on the above, in the present invention, a thermostable enzyme having an optimum temperature in the high temperature range of 65° C. is used to produce γ-GC from L-glutamic acid and L-cysteine, to produce glutathione from glycine and γ-GC, and further to produce L- Glutathione production from glutamic acid, L-cysteine and glycine can be carried out at much higher temperatures than in the past (45° C.).
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