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JP7553238B2 - Enzyme capable of producing galactooligosaccharides and method for producing galactooligosaccharides - Google Patents

Enzyme capable of producing galactooligosaccharides and method for producing galactooligosaccharides Download PDF

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Description

本発明は、ガラクトオリゴ糖を製造可能な酵素に関する。また本発明は、この酵素をコードしているDNA、この酵素の製造方法、およびこの酵素を用いたガラクトオリゴ糖の製造方法等に関する。 The present invention relates to an enzyme capable of producing galactooligosaccharides. The present invention also relates to DNA encoding this enzyme, a method for producing this enzyme, and a method for producing galactooligosaccharides using this enzyme.

ガラクトオリゴ糖は、ヒト腸内細菌フローラに生息するビフィズス菌などの有用細菌の栄養源として重宝される。ガラクトオリゴ糖の製造方法として種々の方法が提案されている(例えば特許文献1~6)。この中で使用されている酵素はラクターゼであり、この中で使用されている微生物はラクターゼ産生微生物である。ラクターゼ(β-ガラクトシダーゼ)は乳糖をβ-ガラクトースとグルコースに加水分解する。ここで、ラクターゼによっては乳糖分子を分解して得られたβ-ガラクトシル基を別の乳糖分子などに転移させる反応(糖転移反応)を起こし得、この反応によってガラクトオリゴ糖を生産し得る。 Galactooligosaccharides are valued as a nutrient source for useful bacteria such as bifidobacteria that inhabit the human intestinal flora. Various methods have been proposed for producing galactooligosaccharides (e.g., Patent Documents 1 to 6). The enzyme used in these methods is lactase, and the microorganisms used in these methods are lactase-producing microorganisms. Lactase (β-galactosidase) hydrolyzes lactose into β-galactose and glucose. Depending on the lactase, a reaction (sugar transfer reaction) can occur in which the β-galactosyl group obtained by decomposing lactose molecules is transferred to another lactose molecule, etc., and galactooligosaccharides can be produced by this reaction.

現在、商業的に実用されているガラクトオリゴ糖製造のためのラクターゼは、主としてバチルス・サーキュランス(Bacillus circulans)由来のラクターゼである。バチルス・サーキュランス由来のラクターゼは、ガラクトオリゴ糖の製造効率が比較的高いという利点がある。しかしながら、このラクターゼは4糖以上のガラクトオリゴ糖を製造し易いというデメリットがある。4糖以上のガラクトオリゴ糖は3糖のガラクトオリゴ糖に比べ、乳糖からの収率が低くなる。 Currently, lactases used commercially for the production of galactooligosaccharides are mainly derived from Bacillus circulans. Lactase derived from Bacillus circulans has the advantage of being relatively efficient at producing galactooligosaccharides. However, this lactase has the disadvantage that it is more likely to produce galactooligosaccharides with 4 or more sugars. Galactooligosaccharides with 4 or more sugars have a lower yield from lactose than galactooligosaccharides with 3 sugars.

また、ガラクトオリゴ糖の製造方法には、ラクターゼ産生微生物を用いる方法とその微生物から精製したラクターゼを使用する方法とが存在する。ラクターゼ産生微生物を用いる製造方法には、精製ラクターゼを用いる場合と比較して、酵素精製の工程を省ける点、副反応生成物であるグルコースなどの単糖を微生物が資化することで除去可能である点などの利点がある。しかしその検討は依然として不十分である。
さらに、ガラクトオリゴ糖産生微生物としてバチルス属が良く知られているが、バチルス属の中には炭疽菌やセレウス菌など病原性を示す種も多く知られており、より安全なガラクトオリゴ糖産生菌が求められている。
In addition, there are two methods for producing galactooligosaccharides: one using lactase-producing microorganisms and the other using lactase purified from the microorganisms. The method using lactase-producing microorganisms has the advantage that the enzyme purification step can be omitted compared to the method using purified lactase, and that the by-product monosaccharides such as glucose can be removed by assimilating them with the microorganisms. However, the study of this method is still insufficient.
Furthermore, the genus Bacillus is well known as a galactooligosaccharide-producing microorganism, but many species of the genus Bacillus, such as Bacillus anthracis and Bacillus cereus, are known to be pathogenic, and safer galactooligosaccharide-producing bacteria are needed.

本発明者らは、このような背景から、バチルス・サーキュランス以外の微生物に由来し、3糖のガラクトオリゴ糖の製造選択性が高く、高効率にガラクトオリゴ糖を製造できる酵素およびそれを用いたガラクトオリゴ糖の製造方法、および安全性が高い酵素または微生物を利用するガラクトオリゴ糖の製造方法を開発してきた(特許文献7)。 In light of this background, the present inventors have developed an enzyme derived from a microorganism other than Bacillus circulans that has high selectivity for the production of trisaccharide galactooligosaccharides and can produce galactooligosaccharides with high efficiency, a method for producing galactooligosaccharides using the enzyme, and a method for producing galactooligosaccharides using a highly safe enzyme or microorganism (Patent Document 7).

特許第2652049号Patent No. 2652049 特許第2739335号Patent No. 2739335 特許第5643756号Patent No. 5643756 特開平5-236981号公報Japanese Patent Application Publication No. 5-236981 特表2011-517553号公報Special Publication No. 2011-517553 特表2013-501504号公報Special table 2013-501504 publication WO2019/194062号公報WO2019/194062 publication

Z. Mozaffar, K. Nakanishi, R. Matsuno and T. Kamikubo, Purification and Properties of β-Galactosidases from Bacillus circulans, Agric. biol. chem., 48, 3053-3061 (1986)Z. Mozaffar, K. Nakanishi, R. Matsuno and T. Kamikubo, Purification and Properties of β-Galactosidases from Bacillus circulans, Agric. biol. chem., 48, 3053-3061 (1986) Sotoya et al., Identification of genes involved in galactooligosaccharide utilization in Bifidobacterium breve strain YIT 4014T., Microbiology, 163, 1420-1428. (2017)Sotoya et al., Identification of genes involved in galactooligosaccharide utilization in Bifidobacterium breve strain YIT 4014T., Microbiology, 163, 1420-1428. (2017) Van Leeuwen, S. S., 1H NMR analysis of the lactose/β-galactosidase-derived galacto-oligosaccharide components of Vivinal(R) GOS up to DP5., Carbohydrates. Res., 400, 59-73. (2014)Van Leeuwen, S. S., 1H NMR analysis of the lactose/β-galactosidase-derived galacto-oligosaccharide components of Vivinal(R) GOS up to DP5., Carbohydrates. Res., 400, 59-73. (2014) T. Moriya, N. Nagahata, R. Odaka, H. Nakamura, J. Yoshikawa, K. Kurashima, T. Saito, Synthesis of an allergy inducing tetrasaccharide "4P-X"., Carbohydrates. Res., 439, 44-49. (2017)T. Moriya, N. Nagahata, R. Odaka, H. Nakamura, J. Yoshikawa, K. Kurashima, T. Saito, Synthesis of an allergy inducing tetrasaccharide "4P-X"., Carbohydrates. Res., 439, 44- 49. (2017)

本発明は、上記のような背景に基づき、3糖のガラクトオリゴ糖の製造選択性が高く、安全かつ高効率にガラクトオリゴ糖を製造できる、より改善された特性を有するガラクトオリゴ糖を製造可能な酵素、およびさらに生産性の向上したガラクトオリゴ糖の製造方法を提供することを目的とする。 Based on the above background, the present invention aims to provide an enzyme capable of producing galactooligosaccharides with improved properties, which has high selectivity for the production of trisaccharide galactooligosaccharides and can produce galactooligosaccharides safely and efficiently, and a method for producing galactooligosaccharides with improved productivity.

そこで、本発明者らは、前記の目的について鋭意研究した結果、ラクターゼの耐熱性および/または糖転移能を向上させることに成功し、本発明を完成するに至った。 As a result of intensive research into the above-mentioned objective, the inventors have succeeded in improving the heat resistance and/or glycosyl transfer ability of lactase, thereby completing the present invention.

すなわち、本発明によれば、
〔1〕 (a)配列番号1に示すアミノ酸配列;
(b)配列番号1に示すアミノ酸配列において1~10個のアミノ酸が置換、欠失、挿入されたアミノ酸配列;または
(c)配列番号1に示すアミノ酸配列に対する相同性が70%以上100%未満のアミノ酸配列
において、
配列番号1に示すアミノ酸配列のN437H、T297A、R77A、Y296F、F414L、F104L、F104E、F104N、F104Q、F104S、F104T、F104V、およびF104Y、ならびにそれらに相当する変異からなる群から選択される1以上の変異を有するアミノ酸配列を有し、ガラクトオリゴ糖生産活性を有する酵素;
〔2〕 配列番号1に示すアミノ酸配列のN437Hまたはそれに相当する変異を有するアミノ酸配列を有する、前記〔1〕記載の酵素;
〔3〕 配列番号1に示すアミノ酸配列のT297A、F414L、F104L、F104E、F104N、F104Q、F104S、F104T、F104V、およびF104Y、ならびにそれらに相当する変異からなる群から選択される1以上の変異を有するアミノ酸配列を有する、前記〔2〕記載の酵素;
〔4〕 配列番号1に示すアミノ酸配列からなる酵素と比較して、改善されたガラクトオリゴ糖生産活性を有する、前記〔1〕~〔3〕のいずれか1項記載の酵素;
〔5〕 前記〔1〕~〔4〕のいずれか1項記載の酵素をコードしているDNA;
〔6〕 前記〔5〕記載のDNAを含む組換えベクター;
〔7〕 前記〔5〕記載のDNAまたは前記〔6〕記載の組換えベクターを有する形質転換体;
〔8〕 前記〔7〕記載の形質転換体を培養する工程と、培養した形質転換体または培養上清からガラクトオリゴ糖生産活性を有する酵素を回収する工程と、を含むガラクトオリゴ糖生産活性を有する酵素の製造方法;
〔9〕 前記〔1〕~〔4〕のいずれか1項記載の酵素を含み、ガラクトオリゴ糖生産活性を有する、酵素含有組成物;
〔10〕 乳糖と、前記〔1〕~〔4〕のいずれか1項記載の酵素、前記〔7〕記載の形質転換体または前記〔9〕記載の酵素含有組成物と、を接触させることを含むガラクトオリゴ糖の製造方法
が提供される。
That is, according to the present invention,
[1] (a) the amino acid sequence shown in SEQ ID NO:1;
(b) an amino acid sequence in which 1 to 10 amino acids have been substituted, deleted or inserted in the amino acid sequence shown in SEQ ID NO:1; or (c) an amino acid sequence having a homology of 70% or more but less than 100% to the amino acid sequence shown in SEQ ID NO:1,
An enzyme having an amino acid sequence having one or more mutations selected from the group consisting of N437H, T297A, R77A, Y296F, F414L, F104L, F104E, F104N, F104Q, F104S, F104T, F104V, and F104Y in the amino acid sequence shown in SEQ ID NO:1, and mutations corresponding thereto, and having galactooligosaccharide-producing activity;
[2] the enzyme according to [1] above, which has an amino acid sequence having N437H in the amino acid sequence shown in SEQ ID NO:1 or a mutation corresponding thereto;
[3] the enzyme according to [2] above, having an amino acid sequence having one or more mutations selected from the group consisting of T297A, F414L, F104L, F104E, F104N, F104Q, F104S, F104T, F104V, and F104Y in the amino acid sequence shown in SEQ ID NO: 1, and mutations corresponding thereto;
[4] the enzyme according to any one of [1] to [3] above, which has improved galactooligosaccharide-producing activity compared to the enzyme consisting of the amino acid sequence shown in SEQ ID NO: 1;
[5] A DNA encoding the enzyme according to any one of [1] to [4] above;
[6] a recombinant vector comprising the DNA according to [5] above;
[7] A transformant having the DNA according to [5] or the recombinant vector according to [6].
[8] A method for producing an enzyme having galactooligosaccharide-producing activity, comprising the steps of culturing the transformant according to [7] above, and recovering the enzyme having galactooligosaccharide-producing activity from the cultured transformant or a culture supernatant;
[9] An enzyme-containing composition comprising the enzyme according to any one of [1] to [4] above and having galactooligosaccharide-producing activity;
[10] There is provided a method for producing galactooligosaccharides, comprising contacting lactose with the enzyme according to any one of [1] to [4] above, the transformant according to [7] above, or the enzyme-containing composition according to [9] above.

本発明によれば、パエニバチルス・パブリ(Paenibacillus pabuli)由来のガラクトオリゴ糖生産活性を有する酵素に基づいて、3糖のガラクトオリゴ糖の製造選択性が高く、高効率にガラクトオリゴ糖を製造することが可能な酵素およびそれをコードするDNA等、この酵素の製造方法、さらには生産性の向上したガラクトオリゴ糖の製造方法等が提供される。 The present invention provides an enzyme that is derived from Paenibacillus pabuli and has galactooligosaccharide-producing activity, and is capable of producing galactooligosaccharides with high efficiency and high selectivity in the production of trisaccharide galactooligosaccharides, as well as DNA encoding the enzyme, a method for producing the enzyme, and a method for producing galactooligosaccharides with improved productivity.

本発明の酵素は、ある態様において、耐熱性が向上しており、より高温で、より高濃度の乳糖を基質とした酵素反応が可能である。乳糖は、温度を上げると溶解度が増すことから、ガラクトオリゴ糖製造反応を行う際の反応温度は高いほど望ましい。さらに、本発明によれば、より高温でオリゴ糖の製造を行うことができるため、雑菌の汚染も防ぐことができる。 In some embodiments, the enzyme of the present invention has improved heat resistance, and is capable of performing an enzymatic reaction at higher temperatures with lactose at higher concentrations as a substrate. Since lactose becomes more soluble as the temperature is increased, it is desirable to have a higher reaction temperature when carrying out a galactooligosaccharide production reaction. Furthermore, according to the present invention, oligosaccharides can be produced at higher temperatures, which can prevent contamination by bacteria.

本発明の酵素は、別の態様において、糖転移能が向上しており、従来と同じ温度条件下であっても、ガラクトオリゴ糖の生産効率を改善することができる。また、改善された転移能および耐熱性を有する本発明の酵素を使用することにより、これまでと同条件での反応であってもさらに生産性の向上したガラクトオリゴ糖の製造を行うことが可能となる。 In another aspect, the enzyme of the present invention has improved glycosyl transfer ability, and can improve the production efficiency of galactooligosaccharides even under the same temperature conditions as before. Furthermore, by using the enzyme of the present invention with improved glycosyl transfer ability and heat resistance, it becomes possible to produce galactooligosaccharides with improved productivity even under the same reaction conditions as before.

したがって、本発明の酵素およびガラクトオリゴ糖の製造方法を使用することにより、ガラクトオリゴ糖製造の生産性が向上する。 Therefore, by using the enzyme and the method for producing galactooligosaccharides of the present invention, the productivity of galactooligosaccharide production is improved.

野生型酵素(WT)および本発明の酵素(変異体N437H)の60℃における残存活性を比較した図である。FIG. 1 is a graph comparing the residual activity at 60° C. between the wild-type enzyme (WT) and the enzyme of the present invention (mutant N437H). 野生型酵素(WT)および本発明の酵素(変異体N437H)の70℃におけるガラクトオリゴ糖生産量を比較した図である。FIG. 1 shows a comparison of the galactooligosaccharide production amounts at 70° C. between the wild-type enzyme (WT) and the enzyme of the present invention (mutant N437H).

1.本明細書において使用する用語の定義および方法の説明
本発明において、オリゴ糖とは、3糖から10糖の多糖化合物を意味する。
1. Definitions of Terms Used in the Present Description and Explanation of Methods In the present invention, the term "oligosaccharide" refers to a polysaccharide compound having 3 to 10 sugars.

本発明において、ガラクトオリゴ糖(GOSとも表記する)とは、下記一般式で表されるオリゴ糖を主として意味する。
(Gal)n-Gal-Glc
ここで、Galはガラクトース残基、Glcはグルコース残基を表し、nは1~8の整数、特に1~3の整数である。糖間の各結合の結合様式は特に制限されないが、典型的にはβ-1,4-グリコシド結合である。糖間(特にGal-Gal間)の結合様式はβ-1,3-グリコシド結合であってもよい。
In the present invention, galactooligosaccharides (also referred to as GOS) mainly refer to oligosaccharides represented by the following general formula:
(Gal)n-Gal-Glc
Here, Gal represents a galactose residue, Glc represents a glucose residue, and n is an integer from 1 to 8, particularly an integer from 1 to 3. The bond type between sugars is not particularly limited, but is typically a β-1,4-glycosidic bond. The bond type between sugars (particularly between Gal-Gal) may be a β-1,3-glycosidic bond.

ラクターゼとは、乳糖をβ-ガラクトースとグルコースに加水分解できる酵素である。 Lactase is an enzyme that can hydrolyze lactose into β-galactose and glucose.

本発明において酵素のラクターゼ活性は、以下に挙げる2つの方法のいずれかによって定義される。 In the present invention, the lactase activity of an enzyme is defined in one of the following two ways:

乳糖溶液(乳糖濃度10%)に測定対象の酵素を添加し、pH6.5、40℃の条件下におけるグルコース生成量を測定して定量する。1分間に1μmolのグルコースを生成する酵素活性が1LUと定義される。 The enzyme to be measured is added to a lactose solution (lactose concentration 10%), and the amount of glucose produced is measured and quantified under conditions of pH 6.5 and 40°C. The enzyme activity that produces 1 μmol of glucose per minute is defined as 1 LU.

o-ニトロフェニル-β-ガラクトピラノシド(ONPG)溶液(ONPG濃度1.65mM)に測定対象の酵素を添加し、pH6.5、40℃の条件下におけるo-ニトロフェニル生成量を測定して定量する。1分間に1μmolのo-ニトロフェニルを生成する酵素活性が1OUと定義される。 The enzyme to be measured is added to an o-nitrophenyl-β-galactopyranoside (ONPG) solution (ONPG concentration 1.65 mM), and the amount of o-nitrophenyl produced is measured and quantified under conditions of pH 6.5 and 40°C. The enzyme activity that produces 1 μmol of o-nitrophenyl per minute is defined as 1 OU.

この2つの方法の少なくとも一方で活性が測定可能であれば、その酵素はラクターゼであると判断してよい。より具体的には、0.2LU/mL以上または0.5OU/mL以上であれば、ラクターゼと判断してよい。 If the activity can be measured by at least one of these two methods, the enzyme may be determined to be lactase. More specifically, if the activity is 0.2 LU/mL or more or 0.5 OU/mL or more, the enzyme may be determined to be lactase.

乳糖の分解の際、ラクターゼは、β-ガラクトシル基を他の分子に転移させることができる。水に転移させればβ-ガラクトースを生じるが、乳糖(Gal-Glc)に転移させれば3糖(上記式(Gal)n-Gal-Glcのnが1)のガラクトオリゴ糖(Gal-Gal-Glc)を生じる。したがって、酵素がラクターゼ活性を有しても、ガラクトオリゴ糖生産活性(GOS生産活性とも表記する)を必ずしも有するわけではない。酵素のガラクトオリゴ糖生産活性は、以下に説明する方法によって評価される。 When lactose is broken down, lactase can transfer the β-galactosyl group to other molecules. If it is transferred to water, β-galactose is produced, but if it is transferred to lactose (Gal-Glc), a trisaccharide (where n is 1 in the above formula (Gal)n-Gal-Glc) called galactooligosaccharide (Gal-Gal-Glc) is produced. Therefore, even if an enzyme has lactase activity, it does not necessarily have galactooligosaccharide production activity (also referred to as GOS production activity). The galactooligosaccharide production activity of an enzyme is evaluated by the method described below.

乳糖溶液(乳糖濃度60%)に測定対象の酵素を添加し、pH6.5、50℃の条件下において所定時間に亘って静置または振とうする。酵素がガラクトオリゴ糖生産活性を有している場合、この間に乳糖からガラクトオリゴ糖を生産する。所定時間経過後、反応溶液をHPLCによって解析する。 The enzyme to be measured is added to a lactose solution (lactose concentration 60%) and left to stand or shake for a specified time at pH 6.5 and 50°C. If the enzyme has galactooligosaccharide-producing activity, it will produce galactooligosaccharides from lactose during this time. After the specified time has passed, the reaction solution is analyzed by HPLC.

HPLCで使用するカラムはTransgenomic社製CARBOSep CHO-620 6.5φ×300mm等が挙げられる。移動相は水、流速は0.4mL/min、温度は85℃、検出はRIの条件にて分析する。 Columns used in HPLC include Transgenomic's CARBOSep CHO-620 6.5φ×300mm. Analysis is performed under the following conditions: mobile phase is water, flow rate is 0.4mL/min, temperature is 85°C, and detection is by RI.

単糖および2糖ならびにガラクトオリゴ糖(3糖以上、主として3~5糖)のピーク面積の合計値に対して、ガラクトオリゴ糖のHPLCピーク面積の合計値が占める割合が、基準値以上であればガラクトオリゴ糖生産活性ありと判断してよい。当該基準値は通常1%である。当然のことながら、この割合が大きいほどその酵素は高いガラクトオリゴ糖生産活性を有している。高いガラクトオリゴ糖生成活性を有する酵素を取得したい場合には高い基準値を設定してよい。よって、当該基準値を1%、3%、5%、10%、20%、25%、30%、35%、40%と設定してもよい。 If the ratio of the total HPLC peak area of galactooligosaccharides to the total peak area of monosaccharides, disaccharides, and galactooligosaccharides (three or more sugars, mainly three to five sugars) is equal to or greater than a reference value, it may be determined that there is galactooligosaccharide production activity. This reference value is usually 1%. Naturally, the higher this ratio, the higher the galactooligosaccharide production activity of the enzyme. If one wishes to obtain an enzyme with high galactooligosaccharide production activity, a high reference value may be set. Thus, the reference value may be set to 1%, 3%, 5%, 10%, 20%, 25%, 30%, 35%, or 40%.

上記のβ-ガラクトシル基の転移反応が3糖(上記式(Gal)-Gal-Glcのnが1)のガラクトオリゴ糖(Gal-Gal-Glc)に対して起これば、4糖(上記式のnが2)のガラクトオリゴ糖((Gal)-Gal-Glc)が生じる。同様に、4糖(上記式のnが2)のガラクトオリゴ糖に対して起これば、5糖(上記式のnが3)のガラクトオリゴ糖((Gal)-Gal-Glc)が生じる。 When the above-mentioned transfer reaction of the β-galactosyl group occurs on a trisaccharide (Gal-Gal-Glc) (the above formula (Gal) n -Gal-Glc, n is 1), a tetrasaccharide ((Gal) 2 -Gal-Glc) (the above formula, n is 2) galactooligosaccharide is produced. Similarly, when the above-mentioned transfer reaction of the β-galactosyl group occurs on a tetrasaccharide (the above formula, n is 2), a pentasaccharide ((Gal) 3 -Gal-Glc) (the above formula, n is 3) galactooligosaccharide is produced.

本発明において、ガラクトオリゴ糖の収率とは、「ガラクトオリゴ糖の生成量」を「乳糖の消費量」で除した百分率を意味する。すなわち、
収率(%)=ガラクトオリゴ糖の生成量(質量)/乳糖の消費量(質量)×100
である。ガラクトオリゴ糖生成量および乳糖消費量は上記のようにHPLC解析によって求めることができる。
In the present invention, the yield of galactooligosaccharides means the percentage obtained by dividing the "amount of galactooligosaccharides produced" by the "amount of lactose consumed".
Yield (%)=Amount of galactooligosaccharides produced (mass)/Amount of lactose consumed (mass)×100
The amount of galactooligosaccharide produced and the amount of lactose consumed can be determined by HPLC analysis as described above.

3糖のガラクトオリゴ糖を製造する場合、2分子の乳糖から1分子のグルコースおよび1分子の3糖のガラクトオリゴ糖が生じる。この時のガラクトオリゴ糖の理論収率は約74%である。 When producing trisaccharide galactooligosaccharides, two molecules of lactose produce one molecule of glucose and one molecule of trisaccharide galactooligosaccharide. The theoretical yield of galactooligosaccharides in this case is approximately 74%.

4糖のガラクトオリゴ糖を製造する場合、3分子の乳糖から2分子のグルコースおよび1分子の4糖のガラクトオリゴ糖が生じる。この時のガラクトオリゴ糖の理論収率は約65%である。 When producing 4-saccharide galactooligosaccharides, 3 molecules of lactose produce 2 molecules of glucose and 1 molecule of 4-saccharide galactooligosaccharide. The theoretical yield of galactooligosaccharides in this case is about 65%.

したがって、乳糖からガラクトオリゴ糖を製造する場合、3糖のガラクトオリゴ糖のみを製造することが収率の点で最も効率的である。 Therefore, when producing galactooligosaccharides from lactose, it is most efficient in terms of yield to produce only trisaccharide galactooligosaccharides.

3糖ガラクトオリゴ糖の製造選択性(%)とは、ガラクトオリゴ糖の全生成量に対する3糖ガラクトオリゴ糖の生成量の百分率を意味する。この数値が高ければ高いほど3糖ガラクトオリゴ糖を主に生成していることを意味する。ガラクトオリゴ糖の全生成量および3糖ガラクトオリゴ糖の生成量は上記のようにHPLC解析によって求めることができる。3糖ガラクトオリゴ糖の製造選択性は60%以上であることが好ましく、70%以上であることがより好ましく、75%以上であることがさらに好ましく、80%以上であることが特に好ましい。 The production selectivity (%) of trisaccharide galactooligosaccharides means the percentage of trisaccharide galactooligosaccharides produced relative to the total amount of galactooligosaccharides produced. The higher this value, the more trisaccharide galactooligosaccharides are mainly produced. The total amount of galactooligosaccharides produced and the amount of trisaccharide galactooligosaccharides produced can be determined by HPLC analysis as described above. The production selectivity of trisaccharide galactooligosaccharides is preferably 60% or more, more preferably 70% or more, even more preferably 75% or more, and particularly preferably 80% or more.

2.本発明の酵素
本発明によれば、ガラクトオリゴ糖生産活性を有する新規の酵素およびその酵素をコードしているDNAが提供される。本発明の酵素は、後述するベースとなるアミノ酸配列またはそれをコードするDNAに対し、特定の変異を導入することにより設計および/または製造することができる。また、本発明の酵素は、天然に存在する微生物から単離されたものであってもよく、合成によって製造されたものであってもよい。
2. Enzymes of the Invention According to the present invention, a novel enzyme having galactooligosaccharide-producing activity and DNA encoding the enzyme are provided. The enzymes of the present invention can be designed and/or produced by introducing specific mutations into the base amino acid sequence described below or the DNA encoding the same. The enzymes of the present invention may be isolated from naturally occurring microorganisms or may be produced synthetically.

2-1.本発明の酵素の設計の基礎として使用できるアミノ酸配列
本発明の酵素を設計するベースとなるアミノ酸配列は、配列番号1のアミノ酸配列およびそのファミリー酵素のアミノ酸配列である。配列番号1に示すアミノ酸配列からなる酵素は、パエニバチルス・パブリから由来する酵素である(特許文献7)。配列番号1に示すアミノ酸配列からなる酵素の分子量は約51kDaである。この酵素はラクターゼとして機能する酵素であり、乳糖を原料としたガラクトオリゴ糖製造に使用可能であることが分かっている。BgaD-Dに対する相同性は約8%である。なお、BgaD-Dは、バチルス・サーキュランス由来ラクターゼで、現在、商業的に最も利用されているガラクトオリゴ糖製造用ラクターゼであるBgaDを構成する分子量の異なる4種類の酵素(特許文献3)の一つであり、この中で最もガラクトオリゴ糖生産活性が高いことが知られている。後述する本発明のガラクトオリゴ糖製造方法において、ガラクトオリゴ糖製造用ラクターゼとしてBgaD-Dを用いた場合、ガラクトオリゴ糖収率は、約60~70%であり、3糖ガラクトオリゴ糖の製造選択性は最大で約60%である。BgaD-Dを使用してガラクトオリゴ糖を製造した場合、4糖以上のガラクトオリゴ糖も多く製造される。
2-1. Amino acid sequence that can be used as the basis for designing the enzyme of the present invention The amino acid sequence that is the basis for designing the enzyme of the present invention is the amino acid sequence of SEQ ID NO: 1 and the amino acid sequence of its family enzymes. The enzyme consisting of the amino acid sequence shown in SEQ ID NO: 1 is an enzyme derived from Paenibacillus publi (Patent Document 7). The molecular weight of the enzyme consisting of the amino acid sequence shown in SEQ ID NO: 1 is about 51 kDa. This enzyme functions as a lactase, and it has been found that it can be used to produce galactooligosaccharides using lactose as a raw material. It has about 8% homology to BgaD-D. BgaD-D is a lactase derived from Bacillus circulans, and is one of the four enzymes with different molecular weights that constitute BgaD, which is the lactase currently most commercially used for producing galactooligosaccharides (Patent Document 3), and is known to have the highest galactooligosaccharide production activity among them. In the method for producing galactooligosaccharides of the present invention described below, when BgaD-D is used as the lactase for producing galactooligosaccharides, the yield of galactooligosaccharides is about 60 to 70%, and the production selectivity of trisaccharide galactooligosaccharides is about 60% at maximum. When galactooligosaccharides are produced using BgaD-D, a large amount of galactooligosaccharides having tetrasaccharides or more is also produced.

後述する本発明のガラクトオリゴ糖製造方法において、ガラクトオリゴ糖製造用ラクターゼとして配列番号1に示すアミノ酸配列からなる酵素を用いた場合のガラクトオリゴ糖収率は、約60~約70%である。しかし、製造されるガラクトオリゴ糖のうち3糖ガラクトオリゴ糖の製造選択性は約80%以上である。 In the galactooligosaccharide production method of the present invention described below, when an enzyme having the amino acid sequence shown in SEQ ID NO:1 is used as the lactase for producing galactooligosaccharides, the yield of galactooligosaccharides is about 60 to about 70%. However, the production selectivity of trisaccharide galactooligosaccharides among the galactooligosaccharides produced is about 80% or more.

配列番号1に示すアミノ酸配列からなる酵素は、β-1,3-グリコシド結合を形成するように、β-ガラクトシル基(β-ガラクトース残基)を糖(例えば乳糖)に高度に選択的に転移させる。すなわち、配列番号1に示すアミノ酸配列からなる酵素によって製造されるGOSの多くは、β-ガラクトシル基間がβ-1,3-グリコシド結合している3糖GOSである。一般的な腸内細菌の中ではビフィズス菌のみがβ-1,3-グリコシド結合を分解することができる。そのためこのような糖を多く含むGOSを摂取した場合、腸内においてビフィズス菌が優先的にこのGOSを資化し、増殖することができると想定される。なお従来の多くのGOSでは、ガラクトシル基は乳糖にβ-1,4-グリコシド結合またはβ-1,6-グリコシド結合を形成して結合している。 The enzyme consisting of the amino acid sequence shown in SEQ ID NO:1 highly selectively transfers β-galactosyl groups (β-galactose residues) to sugars (e.g., lactose) to form β-1,3-glycosidic bonds. In other words, most GOS produced by the enzyme consisting of the amino acid sequence shown in SEQ ID NO:1 are trisaccharide GOS in which β-galactosyl groups are linked by β-1,3-glycosidic bonds. Among general intestinal bacteria, only bifidobacteria can degrade β-1,3-glycosidic bonds. Therefore, when such sugar-rich GOS is ingested, it is assumed that bifidobacteria will preferentially assimilate and grow in the intestine. In many conventional GOS, galactosyl groups are linked to lactose by forming β-1,4-glycosidic or β-1,6-glycosidic bonds.

このように、配列番号1に示すアミノ酸配列からなる酵素は、高いガラクトオリゴ糖収率を実現しながら、高い酵素化学的性質や高い3糖ガラクトオリゴ糖選択性をも両立している。この酵素の使用によって、収率の悪化を招く4糖以上のガラクトオリゴ糖の発生を従来よりも低減できる。 In this way, the enzyme consisting of the amino acid sequence shown in SEQ ID NO:1 realizes a high galactooligosaccharide yield while also achieving high enzymatic properties and high selectivity for trisaccharide galactooligosaccharides. The use of this enzyme can reduce the generation of galactooligosaccharides with 4 or more sugars, which leads to a decrease in yield, more than ever before.

当然のことながら、配列番号1に示すアミノ酸配列からなる酵素のファミリー酵素も同様の効果を奏するものと推論される。 Naturally, it is inferred that the family of enzymes consisting of the amino acid sequence shown in SEQ ID NO:1 will have the same effect.

なお、当然のことながら、その機能を害しない限り、上記酵素は付加領域を有していてもよい。このような付加領域としては、例えば、タグドメイン等の領域が挙げられる。これらが付加される位置はN末端、C末端の一方または双方のいずれでもよい。 Of course, the enzyme may have an additional region as long as the function is not impaired. Examples of such additional regions include a tag domain. These may be added to either the N-terminus, the C-terminus, or both.

ある酵素E1が別の酵素E2のファミリー(または相同体)であるとは、E1とE2のアミノ酸配列に基づく相同性(または同一性、類似性と表現してもよい)が70%以上、75%以上、80%以上、85%以上、90%以上、91%以上、92%以上、93%以上、94%以上、95%以上、96%以上、97%以上、98%以上または99%以上を有していることを意味する。上限値に特に制限はないが100%未満である。すなわち、少なくとも1以上のアミノ酸残基の置換、欠失、挿入が存在する。アミノ酸配列相同性はBLASTアルゴリズムおよびBLAST2.0アルゴリズムを用いた公知のソフトウェアなどを用いて容易に算出することができる。 When an enzyme E1 is said to be a member of the family (or homologue) of another enzyme E2, it means that the homology (or identity or similarity) based on the amino acid sequences of E1 and E2 is 70% or more, 75% or more, 80% or more, 85% or more, 90% or more, 91% or more, 92% or more, 93% or more, 94% or more, 95% or more, 96% or more, 97% or more, 98% or more, or 99% or more. There is no upper limit, but it is less than 100%. In other words, there is a substitution, deletion, or insertion of at least one amino acid residue. Amino acid sequence homology can be easily calculated using known software using the BLAST algorithm and the BLAST 2.0 algorithm.

ある酵素E1が別の酵素E2のファミリー(または相同体)であるとは、特に、酵素E1のアミノ酸配列が、酵素E2のアミノ酸配列に対して1個以上10個以下のアミノ酸の置換、欠失、挿入によって達成できることを意味する。置換とは、特定部位のアミノ酸が別のアミノ酸へ置き換えられたことを意味する。欠失とは、特定部位のアミノ酸を欠失していることを意味する。挿入とは、存在しなかったアミノ酸がアミノ酸配列に追加されていることを意味する。 An enzyme E1 being a member of the family (or homologue) of another enzyme E2 means, inter alia, that the amino acid sequence of enzyme E1 can be achieved by substitution, deletion or insertion of 1 to 10 amino acids relative to the amino acid sequence of enzyme E2. Substitution means that an amino acid at a specific position has been replaced with another amino acid. Deletion means that an amino acid at a specific position has been deleted. Insertion means that an amino acid that was not present has been added to the amino acid sequence.

これに加えて、ある酵素E1と別の酵素E2とがファミリー(または相同体)であるとは、酵素E1と酵素E2とが同一の機能を発揮できることを意味する。この機能における活性比に特に制限はない。例えば、より活性の高い酵素をE1とし、その活性を100%としたとき、より活性の低い酵素E2の活性は1%以上、5%以上、10%以上、20%以上、30%以上、40%以上、50%以上、60%以上、70%以上、80%以上または90%以上である。 In addition, when an enzyme E1 and another enzyme E2 are said to be in the same family (or homologue), it means that the enzymes E1 and E2 can exert the same function. There is no particular restriction on the activity ratio in this function. For example, when the more active enzyme is E1 and its activity is taken as 100%, the activity of the less active enzyme E2 is 1% or more, 5% or more, 10% or more, 20% or more, 30% or more, 40% or more, 50% or more, 60% or more, 70% or more, 80% or more, or 90% or more.

配列番号1に示すアミノ酸配列からなる酵素のファミリー酵素とは、配列番号1に示すアミノ酸配列に対して70%以上100%未満の相同性を有し、かつ、ガラクトオリゴ糖生産活性を有する酵素を意味する。あるいは、配列番号1に示すアミノ酸配列からなる酵素のファミリー酵素とは、配列番号1に示すアミノ酸配列において1~10個のアミノ酸が置換、欠失、挿入されたアミノ酸配列からなり、かつ、ガラクトオリゴ糖生産活性を有する酵素を意味する。配列番号1に示すアミノ酸配列からなる酵素のファミリー酵素は、配列番号1に示すアミノ酸配列に対する相同性の下限値が、75%以上、80%以上、85%以上、90%以上、91%以上、92%以上、93%以上、94%以上、95%以上、96%以上、97%以上、98%以上または99%以上であってもよい。相同性の下限値がこれらの場合においても、上限値はいずれも100%未満である。 The family enzyme of the enzyme consisting of the amino acid sequence shown in SEQ ID NO: 1 means an enzyme having 70% or more but less than 100% homology to the amino acid sequence shown in SEQ ID NO: 1 and having galactooligosaccharide production activity. Alternatively, the family enzyme of the enzyme consisting of the amino acid sequence shown in SEQ ID NO: 1 means an enzyme consisting of an amino acid sequence in which 1 to 10 amino acids are substituted, deleted, or inserted in the amino acid sequence shown in SEQ ID NO: 1 and having galactooligosaccharide production activity. The family enzyme of the enzyme consisting of the amino acid sequence shown in SEQ ID NO: 1 may have a lower limit of homology to the amino acid sequence shown in SEQ ID NO: 1 of 75% or more, 80% or more, 85% or more, 90% or more, 91% or more, 92% or more, 93% or more, 94% or more, 95% or more, 96% or more, 97% or more, 98% or more, or 99% or more. Even in these cases, the upper limit of homology is less than 100%.

したがって、より具体的には、本発明の酵素を設計するベースとなるアミノ酸配列としては、以下のアミノ酸配列(a)~(c):
(a)配列番号1に示すアミノ酸配列
(b)配列番号1に示すアミノ酸配列において1~10個のアミノ酸が置換、欠失、挿入されたアミノ酸配列を有し、ガラクトオリゴ糖生産活性を有する酵素のアミノ酸配列
(c)配列番号1に示すアミノ酸配列に対する相同性が70%以上100%未満のアミノ酸配列を有し、ガラクトオリゴ糖生産活性を有する酵素のアミノ酸配列
のいずれかを有する、またはアミノ酸配列(a)~(c)のいずれかからなるアミノ酸配列が挙げられる。
More specifically, the amino acid sequences on which the enzyme of the present invention is designed are the following amino acid sequences (a) to (c):
(a) the amino acid sequence shown in SEQ ID NO: 1; (b) the amino acid sequence of an enzyme having galactooligosaccharide-producing activity, which has an amino acid sequence in which 1 to 10 amino acids have been substituted, deleted or inserted in the amino acid sequence shown in SEQ ID NO: 1; (c) an amino acid sequence having an amino acid sequence that is 70% or more but less than 100% identical to the amino acid sequence shown in SEQ ID NO: 1 and has any of the amino acid sequences of an enzyme having galactooligosaccharide-producing activity, or an amino acid sequence consisting of any of the amino acid sequences (a) to (c).

なお、配列番号1に示すアミノ酸配列を有する酵素は、パエニバチルス・パブリから単離されたが、上記のようなファミリー酵素は、土壌等から単離したその生産菌から得ることもでき、あるいは、公的機関に寄託されており、当業者であれば容易に入手可能なパエニバチルス属の他の細菌、例えば、
・Paenibacillus themophilus(例えば、寄託番号DSM 24746)
・Paenibacillus popilliae(例えば、寄託番号DSM 22700)
・Paenibacillus thiaminolyticus(例えば、寄託番号NBRC 15656)
・Paenibacillus pabuli(例えば、寄託番号NBRC 13638)
・Paenibacillus alvei(例えば、寄託番号NBRC 3343)
・Paenibacillus alginolyticus(例えば、寄託番号NBRC 15375)
・Paenibacillus chibensis(例えば、寄託番号NBRC 15958)
・Paenibacillus chitinolyticus(例えば、寄託番号NBRC 15660)
・Paenibacillus chondroitinus(例えば、寄託番号NBRC 15376)
・Paenibacillus glucanolyticus(例えば、寄託番号NBRC 15330)
・Paenibacillus lautus(例えば、寄託番号NBRC 15380)
・Paenibacillus macerans(例えば、寄託番号NBRC 15307)
・Paenibacillus peoriae(例えば、寄託番号NBRC 15541)
・Paenibacillus polymyxa(例えば、寄託番号NBRC 15309および寄託番号JCM 2507)
・Paenibacillus validus(例えば、寄託番号NBRC 15382)
・Paenibacillus apiarius(例えば、寄託番号DSM 5581)
・Paenibacillus jamilae(例えば、寄託番号DSM 13815)
・Paenibacillus kribbensis(例えば、寄託番号JCM 11465)
・Paenibacillus terrae(例えば、寄託番号JCM 11466)
から単離してもよい。これらパエニバチルス属細菌の天然株、突然変異株から単離したファミリー酵素、それらから遺伝子組み換え技術により製造した組換え体のファミリー酵素も、同様に、本発明において使用することが可能である。
The enzyme having the amino acid sequence shown in SEQ ID NO:1 was isolated from Paenibacillus publi. However, the above family enzymes can also be obtained from the producing bacteria isolated from soil or the like, or from other bacteria of the genus Paenibacillus that are deposited in public institutions and are easily available to those skilled in the art, such as
Paenibacillus themophilus (e.g., accession number DSM 24746)
Paenibacillus popilliae (e.g., accession number DSM 22700)
Paenibacillus thiaminolyticus (e.g., accession number NBRC 15656)
Paenibacillus pabuli (e.g., accession number NBRC 13638)
Paenibacillus alvei (e.g., accession number NBRC 3343)
Paenibacillus alginolyticus (e.g., accession number NBRC 15375)
Paenibacillus chibensis (e.g., accession number NBRC 15958)
Paenibacillus chitinolyticus (e.g., accession number NBRC 15660)
Paenibacillus chondroitinus (e.g., accession number NBRC 15376)
Paenibacillus glucanolyticus (e.g., accession number NBRC 15330)
Paenibacillus lautus (e.g., accession number NBRC 15380)
Paenibacillus macerans (e.g., accession number NBRC 15307)
Paenibacillus peoriae (e.g., accession number NBRC 15541)
Paenibacillus polymyxa (e.g., accession number NBRC 15309 and accession number JCM 2507)
Paenibacillus validus (e.g., accession number NBRC 15382)
Paenibacillus apiarius (e.g., accession number DSM 5581)
Paenibacillus jamilae (e.g., accession number DSM 13815)
Paenibacillus kribbensis (e.g., accession number JCM 11465)
Paenibacillus terrae (e.g., accession number JCM 11466)
The family enzymes isolated from natural strains or mutant strains of these Paenibacillus bacteria, and recombinant family enzymes produced from them by genetic recombination techniques, can also be used in the present invention.

2-2.本発明の酵素のアミノ酸配列
本発明の酵素は、上記のとおりのベースとなる酵素のアミノ酸配列において特定の変異を含むアミノ酸配列を有する。特定の変異とは、具体的には、配列番号1のアミノ酸配列における、N437H、T297A、R77A、Y296F、F414L、F104L、F104E、F104N、F104Q、F104S、F104T、F104V、およびF104Y、ならびにそれらに相当する変異のいずれか1以上である。
2-2. Amino acid sequence of the enzyme of the present invention The enzyme of the present invention has an amino acid sequence containing specific mutations in the amino acid sequence of the base enzyme as described above. Specifically, the specific mutations are any one or more of N437H, T297A, R77A, Y296F, F414L, F104L, F104E, F104N, F104Q, F104S, F104T, F104V, and F104Y in the amino acid sequence of SEQ ID NO: 1, and mutations equivalent thereto.

上記のとおり、ベースとなる酵素のアミノ酸配列は、配列番号1に示すアミノ酸配列を有する酵素のファミリー酵素のアミノ酸配列であってもよい。すなわち、配列番号1に示すアミノ酸配列からなる酵素のファミリー酵素とは、配列番号1に示すアミノ酸配列に対して70%以上100%未満の相同性を有し、かつ、ガラクトオリゴ糖生産活性を有する酵素を意味する。配列番号1に示すアミノ酸配列からなる酵素のファミリー酵素は、配列番号1に示すアミノ酸配列に対する相同性の下限値が、75%以上、80%以上、85%以上、90%以上、91%以上、92%以上、93%以上、94%以上、95%以上、96%以上、97%以上、98%以上または99%以上であってもよい。相同性の下限値がこれらの場合においても、上限値はいずれも100%未満である。あるいは、配列番号1に示すアミノ酸配列からなる酵素のファミリー酵素とは、配列番号1に示すアミノ酸配列において1~10個のアミノ酸が置換、欠失、挿入されたアミノ酸配列からなり、かつ、ガラクトオリゴ糖生産活性を有する酵素を意味する。 As described above, the amino acid sequence of the base enzyme may be the amino acid sequence of a family enzyme of an enzyme having the amino acid sequence shown in SEQ ID NO: 1. That is, the family enzyme of an enzyme consisting of the amino acid sequence shown in SEQ ID NO: 1 means an enzyme having 70% or more but less than 100% homology to the amino acid sequence shown in SEQ ID NO: 1 and having galactooligosaccharide production activity. The family enzyme of an enzyme consisting of the amino acid sequence shown in SEQ ID NO: 1 may have a lower limit of homology to the amino acid sequence shown in SEQ ID NO: 1 of 75% or more, 80% or more, 85% or more, 90% or more, 91% or more, 92% or more, 93% or more, 94% or more, 95% or more, 96% or more, 97% or more, 98% or more, or 99% or more. Even in these cases, the upper limit of homology is less than 100%. Alternatively, the family enzyme of an enzyme consisting of the amino acid sequence shown in SEQ ID NO: 1 means an enzyme consisting of an amino acid sequence in which 1 to 10 amino acids are substituted, deleted, or inserted in the amino acid sequence shown in SEQ ID NO: 1 and having galactooligosaccharide production activity.

この場合、上記特定の変異は、配列番号1に示すアミノ酸配列における各変異に相当する変異であればよい。配列番号1に示すアミノ酸配列は、447個のアミノ酸残基からなっており、ファミリー酵素のアミノ酸配列も概ね同様の長さを有するか、ある程度の長さ(数十~数百残基程度)にわたる同一または相動性の高い領域を有すると考えられるため、上記のような当業者に公知の配列比較ソフトウェアを使用することにより、ファミリー酵素のアミノ酸配列における上記各変異に相当するアミノ酸は容易に見つけることができる。 In this case, the specific mutations may be any mutations that correspond to the respective mutations in the amino acid sequence shown in SEQ ID NO: 1. The amino acid sequence shown in SEQ ID NO: 1 consists of 447 amino acid residues, and it is believed that the amino acid sequences of the family enzymes are either roughly the same length or have identical or highly compatible regions that span a certain length (several tens to several hundred residues). Therefore, by using sequence comparison software known to those skilled in the art as described above, it is easy to find amino acids that correspond to the respective mutations in the amino acid sequences of the family enzymes.

したがって、本発明の酵素は、
(a)配列番号1に示すアミノ酸配列;
(b)配列番号1に示すアミノ酸配列において1~10個のアミノ酸が置換、欠失、挿入されたアミノ酸配列;または
(c)配列番号1に示すアミノ酸配列に対する相同性が70%以上100%未満のアミノ酸配列
において、
配列番号1に示すアミノ酸配列のN437H、T297A、R77A、Y296F、F414L、F104L、F104E、F104N、F104Q、F104S、F104T、F104V、およびF104Y、ならびにそれらに相当する変異からなる群から選択される1以上の変異を有するアミノ酸配列を有し、ガラクトオリゴ糖生産活性を有する酵素である。この酵素は、上記のアミノ酸配列を有するものであれば、上記のアミノ酸配列に加えて付加的部分を含むものであってもよく、上記のアミノ酸配列のみからなっていてもよい。
Therefore, the enzyme of the present invention
(a) the amino acid sequence shown in SEQ ID NO:1;
(b) an amino acid sequence in which 1 to 10 amino acids have been substituted, deleted or inserted in the amino acid sequence shown in SEQ ID NO:1; or (c) an amino acid sequence having a homology of 70% or more but less than 100% to the amino acid sequence shown in SEQ ID NO:1,
The enzyme has an amino acid sequence having one or more mutations selected from the group consisting of N437H, T297A, R77A, Y296F, F414L, F104L, F104E, F104N, F104Q, F104S, F104T, F104V, and F104Y of the amino acid sequence shown in SEQ ID NO: 1, and mutations corresponding thereto, and has galactooligosaccharide-producing activity. As long as the enzyme has the above amino acid sequence, it may contain an additional portion in addition to the above amino acid sequence, or it may consist of only the above amino acid sequence.

本発明の酵素は、複数の変異を有していてもよい。この場合、配列番号1に示すアミノ酸配列のN437Hまたはそれに相当する変異を有するか、またはそれに加えて、配列番号1に示すアミノ酸配列のT297A、F414L、F104L、F104E、F104N、F104Q、F104S、F104T、F104V、およびF104Y、ならびにそれらに相当する変異からなる群から選択される1以上の変異を有することが望ましい。ガラクトオリゴ糖生産活性を有する限りにおいて、それら以外の任意の変異を含んでいてもよい。好ましくは、本発明の酵素は、配列番号1に示すアミノ酸配列からなる酵素と比較して、改善されたガラクトオリゴ糖生産活性、特に耐熱性および/または収率を有する。 The enzyme of the present invention may have multiple mutations. In this case, it is desirable to have N437H or an equivalent mutation in the amino acid sequence shown in SEQ ID NO: 1, or in addition to that, one or more mutations selected from the group consisting of T297A, F414L, F104L, F104E, F104N, F104Q, F104S, F104T, F104V, and F104Y in the amino acid sequence shown in SEQ ID NO: 1, and mutations equivalent thereto. As long as it has galactooligosaccharide production activity, it may contain any other mutations. Preferably, the enzyme of the present invention has improved galactooligosaccharide production activity, particularly heat resistance and/or yield, compared to the enzyme consisting of the amino acid sequence shown in SEQ ID NO: 1.

本発明の酵素は、上記(a)~(c)のようなベースとなるアミノ酸配列をコードするDNAに所望の変異を導入することにより、本発明の酵素をコードするDNAを作製し、これを適切な宿主で発現させることにより容易に得ることができる。あるいは、天然に存在する微生物、例えばパエニバチルス属細菌、特にパエニバチルス・パブリのような微生物から単離してもよく、合成によって製造してもよい。 The enzyme of the present invention can be easily obtained by introducing desired mutations into DNA encoding the basic amino acid sequence such as those described above in (a) to (c), thereby preparing DNA encoding the enzyme of the present invention, and expressing this in an appropriate host. Alternatively, the enzyme may be isolated from naturally occurring microorganisms, such as bacteria of the genus Paenibacillus, particularly Paenibacillus publii, or may be produced synthetically.

3.本発明のDNA
本発明は、上記したような酵素をコードするDNAも提供する。上述した酵素をコードしていれば、いかなる塩基配列からなるDNAも本発明の範囲内である。特に、以下に詳しく説明する塩基配列からなるDNAが、そのようなDNAの典型例である。
3. DNA of the present invention
The present invention also provides DNA encoding the enzymes described above. Any DNA consisting of any base sequence is within the scope of the present invention as long as it encodes the enzymes described above. In particular, the DNA consisting of the base sequence described in detail below is a typical example of such a DNA.

本発明の酵素をコードするDNAは、上記(a)~(c)のようなベースとなるアミノ酸配列をコードするDNAから製造することができる。
配列番号2に示す塩基配列からなるDNAは配列番号1に示すアミノ酸配列からなる酵素をコードしている(3’末端の終始コドンを含む)。上述したように、配列番号1に示すアミノ酸配列からなる酵素は良好なガラクトオリゴ糖生産活性を有している。よって、これら塩基配列と相同性の高い塩基配列からなるDNAがコードする酵素は、高確率でガラクトオリゴ糖生産活性を有する酵素である。
The DNA encoding the enzyme of the present invention can be prepared from DNA encoding the basic amino acid sequence such as those described above in (a) to (c).
DNA consisting of the base sequence shown in SEQ ID NO:2 encodes an enzyme consisting of the amino acid sequence shown in SEQ ID NO:1 (including a stop codon at the 3' end). As described above, the enzyme consisting of the amino acid sequence shown in SEQ ID NO:1 has good galactooligosaccharide-producing activity. Therefore, enzymes encoded by DNA consisting of base sequences highly homologous to these base sequences are highly likely to have galactooligosaccharide-producing activity.

また、上記DNAに対して、保存的塩基置換されている塩基配列からなるDNAも本発明に含まれる。塩基配列の保存的塩基置換とは、塩基配列における塩基の置換のうち、コードする酵素のアミノ酸配列が変化しない置換を意味する。すなわち、2以上のDNAが、それぞれの塩基配列は相互に異なるが同一アミノ酸配列の酵素をコードしている関係にあることを意味する。 The present invention also includes DNAs consisting of base sequences with conservative base substitutions in the above DNAs. Conservative base substitutions in a base sequence refer to base substitutions in a base sequence that do not change the amino acid sequence of the enzyme they encode. In other words, this means that two or more DNAs have different base sequences but encode enzymes with the same amino acid sequence.

なお、当然のことながら、自身またはコードしている酵素の機能を害しない限り、上記DNAは、付加領域を有していてもよい。このような付加領域としては、例えば、そのDNA自身の繰り返し構造や、終止コドンやオペレーター配列、タグペプチドに対応する領域等が挙げられる。これらが付加される位置は5’末端、3’末端の一方または双方のいずれでもよい。 Of course, the above DNA may have additional regions as long as the function of the DNA itself or the enzyme it encodes is not impaired. Examples of such additional regions include repeat structures of the DNA itself, regions corresponding to stop codons, operator sequences, and tag peptides. These may be added to either the 5' end, the 3' end, or both.

したがって、本発明のDNAは、本発明の酵素をコードするDNAであり、具体的には、
ガラクトオリゴ糖生産活性を有する酵素をコードするDNAであって、
(1)配列番号2に示す塩基配列;
(2)配列番号2に示す塩基配列に高い相同性を有する塩基配列;
(3)前記(1)~(2)のいずれかの塩基配列に対して保存的塩基置換されている塩基配列;または
(4)前記(1)~(2)のいずれかに前記(1)~(2)の塩基配列、終止コドンやオペレーター配列等を付加した塩基配列
において、配列番号2に示す塩基配列によってコードされるアミノ酸配列におけるN437H、T297A、R77A、Y296F、F414L、F104L、F104E、F104N、F104Q、F104S、F104T、F104V、およびF104Y、ならびにそれらに相当する変異からなる群から選択される1以上の変異を有するアミノ酸配列からなる、またはそれを含むアミノ酸配列をコードする塩基配列を有するDNAが挙げられる。
Therefore, the DNA of the present invention is a DNA encoding the enzyme of the present invention, specifically,
A DNA encoding an enzyme having galactooligosaccharide producing activity,
(1) a base sequence shown in SEQ ID NO:2;
(2) a nucleotide sequence having high homology to the nucleotide sequence shown in SEQ ID NO: 2;
(3) a base sequence having a conservative base substitution with respect to any of the base sequences (1) to (2); or (4) a base sequence in which the base sequence of (1) to (2), a stop codon, an operator sequence, or the like has been added to any of the base sequences (1) to (2), the base sequence being an amino acid sequence having one or more mutations selected from the group consisting of N437H, T297A, R77A, Y296F, F414L, F104L, F104E, F104N, F104Q, F104S, F104T, F104V, and F104Y in the amino acid sequence encoded by the base sequence shown in SEQ ID NO: 2, and mutations corresponding thereto, or a DNA having a base sequence encoding an amino acid sequence including the same.

あるDNAの塩基配列に高い相同性(または同一性、類似性と表現してもよい)を有する塩基配列からなるDNAとは、あるDNAの塩基配列に対する相同性が70%以上、75%以上、80%以上、85%以上、90%以上、91%以上、92%以上、93%以上、94%以上、95%以上、96%以上、97%以上、98%以上または99%以上である塩基配列からなるDNAを意味する。上限値は特に制限はなく100%未満である。DNAの塩基配列相同性はBLASTアルゴリズムおよびBLAST2.0アルゴリズムを用いた公知のソフトウェアなどを用いて容易に算出することができる。 DNA consisting of a base sequence having high homology (or identity or similarity) to the base sequence of a certain DNA means DNA consisting of a base sequence that has a homology of 70% or more, 75% or more, 80% or more, 85% or more, 90% or more, 91% or more, 92% or more, 93% or more, 94% or more, 95% or more, 96% or more, 97% or more, 98% or more, or 99% or more to the base sequence of a certain DNA. There is no upper limit, and it is less than 100%. DNA base sequence homology can be easily calculated using known software using the BLAST algorithm and the BLAST 2.0 algorithm.

これとは別に/これに加えて、あるDNAの塩基配列に高い相同性を有する塩基配列からなるDNAとは、当該あるDNAの塩基配列に相補的な塩基配列からなるDNAに、ストリンジェントな条件下でハイブリダイズする、またはハイブリダイズできるDNAを意味する。 Alternatively/in addition, DNA consisting of a base sequence that has high homology to the base sequence of a certain DNA means DNA that hybridizes or is capable of hybridizing under stringent conditions to DNA consisting of a base sequence complementary to the base sequence of the certain DNA.

ここで、『ストリンジェントな条件』とは、いわゆる特異的なハイブリッドが形成され、非特異的なハイブリッドが形成されない条件を意味する。ハイブリダイゼーションのストリンジェンシーは、主に、温度、イオン強度、および変性剤の条件によって決定される。ストリンジェントな条件としては、例えば、60℃、1×SSC、0.1%SDSに相当する塩濃度および温度で洗浄する条件が挙げられる。60℃、0.1×SSC、0.1%SDSに相当する塩濃度および温度で洗浄する条件、68℃、0.1×SSC、0.1%SDSに相当する塩濃度および温度で洗浄する条件としてもよい。 Here, "stringent conditions" refers to conditions under which so-called specific hybrids are formed and non-specific hybrids are not formed. Hybridization stringency is determined mainly by temperature, ionic strength, and denaturing conditions. Examples of stringent conditions include washing at a salt concentration and temperature equivalent to 60°C, 1xSSC, and 0.1% SDS. Washing conditions may also be at a salt concentration and temperature equivalent to 60°C, 0.1xSSC, and 0.1% SDS, or at a salt concentration and temperature equivalent to 68°C, 0.1xSSC, and 0.1% SDS.

したがってより具体的には、本発明のDNAとして、
ガラクトオリゴ糖生産活性を有する酵素をコードするDNAであって、
(1)配列番号2に示す塩基配列;
(2)配列番号2に示す塩基配列に対する相同性が70%以上100%未満である塩基配列;
(3)配列番号2に示す塩基配列に相補的な塩基配列とストリンジェントな条件下でハイブリダイズする塩基配列;
(4)前記(1)~(3)のいずれかの塩基配列に対して保存的塩基置換されている塩基配列;または
(5)前記(1)~(3)のいずれかに前記(1)~(3)のいずれかの繰り返し構造、終止コドンやオペレーター配列等を付加した塩基配列
において、配列番号2に示す塩基配列によってコードされるアミノ酸配列におけるN437H、T297A、R77A、Y296F、F414L、F104L、F104E、F104N、F104Q、F104S、F104T、F104V、およびF104Y、ならびにそれらに相当する変異からなる群から選択される1以上の変異を有するアミノ酸配列をコードする塩基配列を有するDNAが挙げられる。
More specifically, the DNA of the present invention is
A DNA encoding an enzyme having galactooligosaccharide producing activity,
(1) a base sequence shown in SEQ ID NO:2;
(2) a nucleotide sequence having a homology of 70% or more but less than 100% to the nucleotide sequence shown in SEQ ID NO: 2;
(3) a nucleotide sequence that hybridizes under stringent conditions with a nucleotide sequence complementary to the nucleotide sequence shown in SEQ ID NO:2;
(4) a base sequence having conservative base substitutions with respect to any of the base sequences (1) to (3) above; or (5) a base sequence in which any of the repeat structures, stop codons, operator sequences, or the like of any of the base sequences (1) to (3) above has been added to any of the base sequences (1) to (3) above, the base sequence encoding an amino acid sequence having one or more mutations selected from the group consisting of N437H, T297A, R77A, Y296F, F414L, F104L, F104E, F104N, F104Q, F104S, F104T, F104V, and F104Y in the amino acid sequence encoded by the base sequence shown in SEQ ID NO:2, and mutations corresponding thereto.

別の表現をすれば、本発明のDNAとして、
ガラクトオリゴ糖生産活性を有する酵素をコードするDNAであって、
(A)配列番号2に示す塩基配列;または
(B)配列番号2に示す塩基配列に対する相同性が70%以上100%未満である塩基配列;
(C)配列番号2に示す塩基配列に相補的な塩基配列とストリンジェントな条件下でハイブリダイズする塩基配列;または
(D)(A)~(C)のいずれかの塩基配列に対して保存的塩基置換されている塩基配列
のいずれかを含む、またはこれらのいずれかからなるDNAにおいて、そのコードするアミノ酸配列が、配列番号2に示す塩基配列によってコードされるアミノ酸配列におけるN437H、T297A、R77A、Y296F、F414L、F104L、F104E、F104N、F104Q、F104S、F104T、F104V、およびF104Y、ならびにそれらに相当する変異からなる群から選択される1以上の変異を有するアミノ酸配列である、DNAが挙げられる。
In other words, the DNA of the present invention is
A DNA encoding an enzyme having galactooligosaccharide producing activity,
(A) a base sequence shown in SEQ ID NO: 2; or (B) a base sequence having a homology of 70% or more but less than 100% to the base sequence shown in SEQ ID NO: 2;
(C) a base sequence that hybridizes under stringent conditions with a base sequence complementary to the base sequence shown in SEQ ID NO: 2; or (D) a DNA comprising or consisting of any of the base sequences having conservative base substitutions with respect to any of the base sequences of (A) to (C), the encoded amino acid sequence of which is an amino acid sequence having one or more mutations selected from the group consisting of N437H, T297A, R77A, Y296F, F414L, F104L, F104E, F104N, F104Q, F104S, F104T, F104V, and F104Y in the amino acid sequence encoded by the base sequence shown in SEQ ID NO: 2, and mutations equivalent thereto.

本発明のDNAのベースとなるDNAは、合成することもできるが、例えば、パエニバチルス属の細菌(特にパエニバチルス・パブリ)からゲノムDNAを回収した後、これを鋳型とするPCRによって得ることもできる。 The DNA that serves as the base for the DNA of the present invention can be synthesized, but it can also be obtained, for example, by recovering genomic DNA from bacteria of the genus Paenibacillus (particularly Paenibacillus publi) and then performing PCR using this as a template.

配列番号1に示すアミノ酸配列からなる酵素やその相同体をコードしている構造遺伝子を増幅するためのプライマーのペアは、適宜設計し、合成することができる。 A primer pair for amplifying a structural gene encoding an enzyme consisting of the amino acid sequence shown in SEQ ID NO:1 or its homologue can be appropriately designed and synthesized.

こうして、配列番号1に示すアミノ酸配列からなる酵素やその相同体をコードしている構造遺伝子(例えば配列番号2に示す塩基配列からなるDNA)を取得することができる。 In this way, a structural gene (e.g., DNA consisting of the base sequence shown in SEQ ID NO:2) encoding an enzyme consisting of the amino acid sequence shown in SEQ ID NO:1 or its homologue can be obtained.

本発明のDNAは、このようにして取得したベースとなる酵素のアミノ酸配列をコードするDNAに、当業者に公知の方法で特定の変異を導入することにより製造することができる。特定のアミノ酸配列をコードするDNAに所望の変異を導入する方法は、当業者に公知であり、本発明の酵素のアミノ酸配列をコードするDNAを得るためにいずれの方法を用いてもよい。また、本発明のDNAは、それ自体を合成により製造してもよく、天然の微生物から単離および増幅してもよい。 The DNA of the present invention can be produced by introducing specific mutations into the DNA encoding the amino acid sequence of the base enzyme obtained in this manner, using a method known to those skilled in the art. Methods for introducing desired mutations into DNA encoding a specific amino acid sequence are known to those skilled in the art, and any method may be used to obtain DNA encoding the amino acid sequence of the enzyme of the present invention. The DNA of the present invention may itself be produced by synthesis, or may be isolated and amplified from a natural microorganism.

4.本発明のベクター
本発明によれば、本発明のDNAを含む組換えベクターが提供される。この組換えベクターによって形質転換体の作製および酵素の大量発現が可能となる。
4. Vector of the Present Invention According to the present invention, there is provided a recombinant vector containing the DNA of the present invention. This recombinant vector enables the production of transformants and the mass expression of the enzyme.

ベクターとしては、特に制限はなく、通常使用されるものが使用できる。例えば、プラスミド、バクテリオファージ、コスミド、ファージミドなどが挙げられる。 There are no particular limitations on the vector, and any commonly used vector can be used. Examples include plasmids, bacteriophages, cosmids, and phagemids.

プラスミドとしては、例えば、pK4、pRK401、pRF31、pBR322、pBR325、pUC118、pUC119、pUC18、pBIC、pUB110、pTP5、YEp13、YEp24、YCp50などが挙げられる。 Examples of plasmids include pK4, pRK401, pRF31, pBR322, pBR325, pUC118, pUC119, pUC18, pBIC, pUB110, pTP5, YEp13, YEp24, and YCp50.

ファージとしては、λファージ(λgt10、λgt11、λZAP等)が挙げられる。さらに、レトロウイルスまたはワクシニアウイルスなどの動物ウイルス、バキュロウイルスなどの昆虫ウイルスベクターを用いることもできる。 Examples of phages include λ phages (λgt10, λgt11, λZAP, etc.). In addition, animal viruses such as retroviruses or vaccinia viruses, and insect virus vectors such as baculoviruses can also be used.

ベクターには、プロモーター、エンハンサーなどのシスエレメント、スプライシングシグナル、ポリA付加シグナル、選択マーカー、リボソーム結合配列(SD配列)、開始コドン、終止コドンなどを連結することができる。また、製造する酵素の精製を容易にするためのタグ配列を連結することもできる。タグとしては、Hisタグ、GSTタグ、MBPタグなどの公知のタグを利用できる。またベクターはセレクションのための抗生物質耐性遺伝子などを含んでもよい。 Cis elements such as promoters and enhancers, splicing signals, polyA addition signals, selection markers, ribosome binding sequences (SD sequences), start codons, stop codons, etc. can be linked to the vector. A tag sequence can also be linked to facilitate purification of the enzyme produced. Known tags such as His tags, GST tags, and MBP tags can be used as tags. The vector may also contain an antibiotic resistance gene for selection.

ベクターにDNAを挿入する手法としては、特に制限はなく、通常使用されるものが使用できる。通常は以下の手法によって行われる。一般に、精製されたDNAを適切な制限酵素で切断し、ベクターDNAの制限酵素部位またはマルチクローニングサイトに挿入してベクターに連結することができる。 There are no particular limitations on the method for inserting DNA into a vector, and any commonly used method can be used. This is usually done by the following method. In general, purified DNA can be cleaved with an appropriate restriction enzyme and inserted into the restriction enzyme site or multicloning site of the vector DNA to link it to the vector.

5.形質転換体
本発明によれば、本発明のDNAおよび/または組換えベクターを含む(または導入させた)形質転換体が提供される。
5. Transformants According to the present invention, there is provided a transformant which contains (or has been introduced into) the DNA and/or recombinant vector of the present invention.

形質転換体の宿主となる生物には、特に制限はなく、通常使用されるものが使用できる。原核生物、古細菌、真核生物のいずれも使用可能であり、例えば、真正細菌(大腸菌等)、酵母、植物細胞、動物細胞(COS細胞、CHO細胞等)、昆虫細胞が挙げられる。 There are no particular limitations on the host organism for the transformant, and any commonly used organism can be used. Any prokaryote, archaea, or eukaryote can be used, including, for example, eubacteria (such as Escherichia coli), yeast, plant cells, animal cells (such as COS cells and CHO cells), and insect cells.

宿主としては、特に、Bacillus属(例えばBacillus subtilis)、Paenibacillus属、Brevibacillus属(例えばBrevibacillus chosinensis)、Escherichia属(例えばEscherichia coli)、Corynebacterium属、Saccharomyces属、Shizosaccharomyces属、Kluyveromyces属、Pichia属、Aspergillus属、Penicillium属、Trichoderma属の微生物が挙げられる。また、乳酸菌や酢酸菌といった食経験のある微生物が挙げられる。 Hosts include, in particular, microorganisms of the genera Bacillus (e.g., Bacillus subtilis), Paenibacillus, Brevibacillus (e.g., Brevibacillus chosinensis), Escherichia (e.g., Escherichia coli), Corynebacterium, Saccharomyces, Shizosaccharomyces, Kluyveromyces, Pichia, Aspergillus, Penicillium, and Trichoderma. Also include microorganisms that are commonly consumed as food, such as lactic acid bacteria and acetic acid bacteria.

DNAおよび/または組換えベクターをこれら宿主に導入する手法に特に制限はない。例えばエレクトロポレーション法、スフェロプラスト法、酢酸リチウム法、リン酸カルシウム法、リポフェクション法等が挙げられる。相同組換え等を利用して宿主のゲノム中に挿入または付加してもよい。 There are no particular limitations on the method for introducing DNA and/or recombinant vectors into these hosts. Examples include electroporation, spheroplast, lithium acetate, calcium phosphate, and lipofection. They may also be inserted or added into the genome of the host using homologous recombination, etc.

なお、DNAや組換えベクターが宿主に導入されたか否かの確認には、任意の手法を使用可能である。例えば、PCR法、サザンハイブリダイゼーション法、ノーザンハイブリダイゼーション法等により行うことができる。 In addition, any method can be used to confirm whether or not the DNA or recombinant vector has been introduced into the host. For example, PCR, Southern hybridization, Northern hybridization, etc. can be used.

6.酵素の製造方法
本発明の形質転換体を利用して、従来公知の方法によって本発明の酵素やそれを含む組成物を調製することができる。例えば、以下に説明する方法によって調製することができる。
6. Method for Producing the Enzyme The enzyme of the present invention or a composition containing the enzyme can be prepared by a conventionally known method using the transformant of the present invention. For example, the enzyme can be prepared by the method described below.

本発明の酵素をコードする対象遺伝子を導入した前記形質転換体を液体培地で大量培養する。大量培養後、所定の誘導剤を形質転換体に投与して対象遺伝子の発現を誘導してもよい。例えば、ベクターがLacオペロンを使用している場合にはIPTGを投与して対象遺伝子の発現を誘導することができる。 The transformant into which the target gene encoding the enzyme of the present invention has been introduced is mass-cultured in a liquid medium. After mass-culture, a specific inducer may be administered to the transformant to induce expression of the target gene. For example, when the vector uses the Lac operon, IPTG can be administered to induce expression of the target gene.

大量発現後、培養上清、もしくは細胞を超音波や細胞壁溶解酵素などによって破砕することで得られる破砕液を回収する。この上清や破砕液には本発明の酵素が大量に含まれている。この上清や破砕液を酵素含有組成物としてそのまま使用してもよいし、この液体組成物について精製処理を施して精製酵素として回収してもよい。 After large-scale expression, the culture supernatant or the disrupted liquid obtained by disrupting the cells with ultrasound or a cell wall-dissolving enzyme is collected. The supernatant or disrupted liquid contains a large amount of the enzyme of the present invention. The supernatant or disrupted liquid may be used as an enzyme-containing composition as is, or the liquid composition may be purified and collected as a purified enzyme.

この精製処理は、例えば塩析や膜分離、カラムクロマトグラフィーによって実行できる。これら操作は一種もしくは複数を組み合わせることもできる。カラムクロマトグラフィーの種類に制限はないが、これら酵素に特異的に作用する抗体などを含むカラムを使用してもよいし、予め酵素に付加させたHisタグなどのタグドメインと相互作用可能なカラムを使用してもよい。 This purification process can be carried out, for example, by salting out, membrane separation, or column chromatography. These procedures can be performed alone or in combination. There are no limitations on the type of column chromatography, but a column containing an antibody that specifically acts on these enzymes may be used, or a column that can interact with a tag domain, such as a His tag, that has been previously attached to the enzyme may be used.

このような方法によって、本発明の酵素を大量に調製することが可能である。これら酵素はガラクトオリゴ糖の製造に用いることができる。 By using such a method, it is possible to prepare the enzymes of the present invention in large quantities. These enzymes can be used to produce galactooligosaccharides.

7.ガラクトオリゴ糖の製造方法
本発明の酵素はガラクトオリゴ糖生産活性を有しているため、これを用いて乳糖からガラクトオリゴ糖を製造することができる。したがって、本発明によれば、ガラクトオリゴ糖の製造方法が提供される。ガラクトオリゴ糖製造の手法や条件は制限されない。1例を挙げて以下に説明するが、本発明はこれに制限されない。
7. Method for Producing Galactooligosaccharides Since the enzyme of the present invention has galactooligosaccharide-producing activity, it can be used to produce galactooligosaccharides from lactose. Therefore, the present invention provides a method for producing galactooligosaccharides. The method and conditions for producing galactooligosaccharides are not limited. An example will be described below, but the present invention is not limited thereto.

本発明のガラクトオリゴ糖の製造方法は、乳糖と、本発明の酵素、形質転換体または酵素含有組成物とを接触させる工程を含む。この接触によってガラクトオリゴ糖が生産される。任意に、製造されたガラクトオリゴ糖を単離および/または精製する工程等の付加的工程を含んでもよい。 The method for producing galactooligosaccharides of the present invention includes a step of contacting lactose with the enzyme, transformant, or enzyme-containing composition of the present invention. This contact produces galactooligosaccharides. Optionally, the method may include additional steps such as isolating and/or purifying the produced galactooligosaccharides.

本発明のガラクトオリゴ糖製造方法において、乳糖と接触させる酵素は、本発明の酵素を含むものであればよく、その酵素を産生する微生物から精製した状態(精製酵素)であってもよい。あるいは、形質転換体自体と乳糖とを接触させてもよいし、形質転換体の破砕物や抽出物などの、本発明の酵素以外に他の成分も含む混合物または粗精製物等(酵素含有組成物)と乳糖とを接触させてもよい。酵素含有組成物は固形でも液状でもよい。形質転換体が酵素を菌体外に分泌する場合には菌体を除去した培地も酵素含有組成物として使用することができる。副反応を予防する点では、精製酵素を乳糖に接触させることが好ましい。 In the method for producing galactooligosaccharides of the present invention, the enzyme to be contacted with lactose may be any enzyme containing the enzyme of the present invention, and may be in a purified state (purified enzyme) from a microorganism that produces the enzyme. Alternatively, the transformant itself may be contacted with lactose, or lactose may be contacted with a mixture or crude product (enzyme-containing composition) containing other components in addition to the enzyme of the present invention, such as a crushed product or extract of the transformant. The enzyme-containing composition may be solid or liquid. When the transformant secretes the enzyme outside the cells, the medium from which the cells have been removed can also be used as the enzyme-containing composition. In terms of preventing side reactions, it is preferable to contact the purified enzyme with lactose.

精製酵素とは、所定の精製処理を経ることで得られる酵素溶液または酵素固形物を意味する。主にその酵素以外の酵素を実質的に含まないか、もしくは他の酵素が低減されていることを意味する。 Purified enzyme means an enzyme solution or enzyme solid obtained through a specific purification process. It means that it contains essentially no enzymes other than the enzyme in question, or the amount of other enzymes is reduced.

乳糖を含有する溶液に酵素等を混合するか、または酵素等を含む溶液に乳糖を混合することでガラクトオリゴ糖を製造するための反応系(溶媒、乳糖、および本発明の酵素、形質転換体または酵素含有組成物を含む混合物)が形成される。溶媒は任意であるが、通常は水または水を主成分とする水性溶媒である。 A reaction system (a mixture containing a solvent, lactose, and the enzyme, transformant, or enzyme-containing composition of the present invention) for producing galactooligosaccharides is formed by mixing an enzyme or the like with a solution containing lactose, or by mixing lactose with a solution containing an enzyme or the like. The solvent is arbitrary, but is usually water or an aqueous solvent mainly composed of water.

本発明において、原料とする乳糖の状態は特に制限はない。任意の溶媒に溶解させた乳糖溶液でも良い。また凝乳した上清であるホエーならびにその濃縮物や脱脂粉乳などの乳糖を含んだ混合物を乳糖原料として使用してもよい。 In the present invention, there is no particular restriction on the state of the lactose used as a raw material. It may be a lactose solution dissolved in any solvent. In addition, whey, which is the supernatant of curdled milk, and mixtures containing lactose such as its concentrate and skim milk powder may be used as the lactose raw material.

反応系の乳糖の含有率は、特に制限はなく任意に設定し得る。反応系全量基準で例えば1~80質量%、2~70質量%、4~60質量%、5~60質量%または30~60質量%としてもよい。乳糖の消費に伴い、適宜乳糖を補充してもよい。 The lactose content of the reaction system is not particularly limited and can be set as desired. It may be, for example, 1-80% by mass, 2-70% by mass, 4-60% by mass, 5-60% by mass, or 30-60% by mass based on the total amount of the reaction system. Lactose may be appropriately replenished as lactose is consumed.

ある実施態様においては、さらに乳糖の含有率を4~50質量%、4~40質量%、4~30質量%、4~20質量%、4~10質量%としてもよい。このような比較的低基質濃度の領域においては、本発明の酵素が好ましく使用される。これらは基質である乳糖との親和性が高く、Km値に優れており、低基質濃度においても十分な活性を有するからである。 In some embodiments, the lactose content may be 4 to 50% by mass, 4 to 40% by mass, 4 to 30% by mass, 4 to 20% by mass, or 4 to 10% by mass. In such regions of relatively low substrate concentrations, the enzymes of the present invention are preferably used. These have high affinity for the substrate lactose, excellent Km values, and sufficient activity even at low substrate concentrations.

別の実施態様では、乳糖の含有率を5~60質量%、10~60質量%、20~60質量%、30~60質量%、40~60質量%としてもよい。このような比較的高基質濃度の領域においても、本発明の酵素が好ましく使用される。これらは良好なガラクトオリゴ糖生産活性と3糖ガラクトオリゴ糖選択活性を両立しており、ガラクトース等の生成物阻害が少なく、短時間に大量の3糖ガラクトオリゴ糖を製造することができる。 In another embodiment, the lactose content may be 5-60% by mass, 10-60% by mass, 20-60% by mass, 30-60% by mass, or 40-60% by mass. The enzymes of the present invention are preferably used even in such regions of relatively high substrate concentrations. These enzymes have both good galactooligosaccharide production activity and trisaccharide galactooligosaccharide selection activity, are less inhibited by products such as galactose, and can produce large amounts of trisaccharide galactooligosaccharides in a short period of time.

反応系の本発明の酵素の含有量は、特に制限はなく任意に設定し得る。反応系において例えば0.1~10LU/mLまたは0.1~10OU/mLとしてもよい。 The content of the enzyme of the present invention in the reaction system is not particularly limited and can be set arbitrarily. For example, the content in the reaction system may be 0.1 to 10 LU/mL or 0.1 to 10 OU/mL.

ガラクトオリゴ糖生産活性は反応系によって異なる。本発明の酵素の含有量は次のように決定すればよい。
第一工程として、特定の反応系(乳糖の含有率、本発明の酵素の含有量、反応pH、反応温度、反応時間等)において、本発明の酵素の含有量に対するガラクトオリゴ糖生産量を確認する。
第二工程として、先の反応系に含まれる、本発明の酵素のラクターゼ活性(LU/mLまたはOU/mLの少なくとも一方)を測定する。
第三工程として、第二工程で測定したラクターゼ活性を指標にして、反応系に含まれる本発明の酵素量を調整する(本発明の酵素の含有量を増加または低減する)。
第四工程として、反応系に含まれる本発明の酵素の含有量を調整した値になるよう含ませる。
なお、上記の第一工程と第二工程は逆に行っても良い。
The galactooligosaccharide-producing activity varies depending on the reaction system. The content of the enzyme of the present invention may be determined as follows.
In the first step, the amount of galactooligosaccharides produced relative to the content of the enzyme of the present invention in a specific reaction system (lactose content, content of the enzyme of the present invention, reaction pH, reaction temperature, reaction time, etc.) is confirmed.
In the second step, the lactase activity (at least one of LU/mL and OU/mL) of the enzyme of the present invention contained in the above reaction system is measured.
In the third step, the amount of the enzyme of the present invention contained in the reaction system is adjusted (the content of the enzyme of the present invention is increased or decreased) using the lactase activity measured in the second step as an indicator.
In the fourth step, the enzyme of the present invention is added to the reaction system so that the content of the enzyme is adjusted to a desired value.
The above first and second steps may be performed in reverse order.

反応系のpHは、特に制限はなく任意に設定し得る。例えば3~9、5~8、6~8、6~7.5、6~7、4~8または5~7としてもよい。当然のことながら、pHは一定でもよいし変動してもよい。 The pH of the reaction system is not particularly limited and can be set arbitrarily. For example, it may be 3 to 9, 5 to 8, 6 to 8, 6 to 7.5, 6 to 7, 4 to 8, or 5 to 7. Naturally, the pH may be constant or may vary.

反応系の温度は、特に制限はなく任意に設定し得る。例えば20~75℃、20~60℃、30~50℃、30~75℃、40~75℃、50~70℃または60~70℃としてもよい。当然のことながら、温度は一定でもよいし変動してもよい。反応系に含まれる乳糖が溶解する温度を選択することが好ましい。本発明の耐熱性に優れた酵素は、60~70℃で特に有利に反応させることができる。 The temperature of the reaction system is not particularly limited and can be set arbitrarily. For example, it may be 20 to 75°C, 20 to 60°C, 30 to 50°C, 30 to 75°C, 40 to 75°C, 50 to 70°C, or 60 to 70°C. Naturally, the temperature may be constant or variable. It is preferable to select a temperature at which the lactose contained in the reaction system dissolves. The enzyme with excellent heat resistance of the present invention can be reacted particularly advantageously at 60 to 70°C.

反応時間は、特に制限はなく任意に設定し得る。例えば、1~100時間、1~50時間、5~30時間、12~60時間、12~24時間、または24~48時間としてもよい。 The reaction time is not particularly limited and can be set as desired. For example, it may be 1 to 100 hours, 1 to 50 hours, 5 to 30 hours, 12 to 60 hours, 12 to 24 hours, or 24 to 48 hours.

これら一連のガラクトオリゴ糖の製造方法は、回分式でも連続式のいずれでもよい。回分式では、反応器に所定量の酵素、形質転換体または酵素含有組成物と原料乳糖とを投入し、所定時間ガラクトオリゴ糖を生成させた後、ガラクトオリゴ糖を含む混合物を反応器から回収する。連続式では、反応器に酵素、形質転換体または酵素含有組成物、および/または原料乳糖を連続的または断続的に投入する。そしてガラクトオリゴ糖を生成させつつ、ガラクトオリゴ糖を含む混合物を反応器から回収する。 These series of methods for producing galactooligosaccharides may be either batch or continuous. In the batch method, a predetermined amount of enzyme, transformant or enzyme-containing composition and raw lactose are added to a reactor, and galactooligosaccharides are produced for a predetermined period of time, after which a mixture containing galactooligosaccharides is recovered from the reactor. In the continuous method, the enzyme, transformant or enzyme-containing composition, and/or raw lactose are continuously or intermittently added to a reactor. Then, while galactooligosaccharides are produced, a mixture containing galactooligosaccharides is recovered from the reactor.

上述した工程の終了時点では、反応系には単糖、二糖、ガラクトオリゴ糖が混在する。そのままガラクトオリゴ糖溶液として使用しても良いし、これからガラクトオリゴ糖を精製しても良い。ガラクトオリゴ糖を精製する手法は、特に制限はなく、任意のものを採用し得る。例えば、活性炭や金属イオンを配位した陽イオン交換樹脂、ゲル濾過用樹脂を使用するカラムクロマトグラフィーによってそれぞれの画分に分離することができる。 At the end of the above-mentioned steps, the reaction system contains a mixture of monosaccharides, disaccharides, and galactooligosaccharides. The galactooligosaccharides may be used as is as a solution, or may be purified from the solution. There are no particular limitations on the method for purifying the galactooligosaccharides, and any method may be used. For example, the galactooligosaccharides can be separated into their respective fractions by column chromatography using activated carbon, a cation exchange resin coordinated with a metal ion, or a gel filtration resin.

カラムクロマトグラフィーにおけるカラムのサイズ、溶媒の種類、溶媒の流量などの条件も任意に調整し得るものである。 In column chromatography, conditions such as column size, solvent type, and solvent flow rate can also be adjusted as desired.

本発明の形質転換体を乳糖に接触させてガラクトオリゴ糖を製造する場合も基本的には上記と同様であるが、形質転換体を用いる典型的な実施形態では、
本発明の形質転換体を培養する任意の工程(培養工程)、
本発明の形質転換体と原料乳糖とを接触させ、
原料乳糖からガラクトオリゴ糖を製造させ、ガラクトオリゴ糖混合物を得る工程(接触工程)、
前記ガラクトオリゴ糖混合物からガラクトオリゴ糖を分離および/または精製する任意の工程(ガラクトオリゴ糖精製工程)、
といった工程が実行される。
The production of galactooligosaccharides by contacting the transformant of the present invention with lactose is basically the same as described above. In a typical embodiment using the transformant,
an optional step of culturing the transformant of the present invention (culturing step);
Contacting the transformant of the present invention with raw lactose,
A step of producing galactooligosaccharides from raw lactose to obtain a galactooligosaccharide mixture (contact step);
an optional step of separating and/or purifying galactooligosaccharides from the galactooligosaccharide mixture (galactooligosaccharide purification step);
Such a process is carried out.

通常、本発明の形質転換体は乳糖に接触させるより前に培養を行う。本発明の形質転換体の培養条件に何ら制限はなく任意である。例えば、嫌気的または好気的条件下において液体培地中で約30℃、約3日間培養してもよい。液体培地の種類に何ら制限はなく任意のものが使用可能である。例えば、LB培地、ソイビーンカゼインダイジェスト(SCD)培地やブレインハートインヒュージョン(BHI)培地などが挙げられる。 Usually, the transformant of the present invention is cultured before contacting it with lactose. There is no limitation on the culture conditions of the transformant of the present invention, and it can be any. For example, it can be cultured in a liquid medium at about 30°C for about 3 days under anaerobic or aerobic conditions. There is no limitation on the type of liquid medium, and any type can be used. Examples include LB medium, soybean casein digest (SCD) medium, and brain heart infusion (BHI) medium.

培養により得られた本発明の形質転換体は、生死を問わず、培養物あるいはその処理物も有利に用いることができる。培養物を濃縮してもよい。遠心分離により液体培地と菌体を分離し、生理食塩水、蒸留水等で洗浄して湿菌体を得ることができる。その他、培養物の処理物としては、超音波処理物、溶菌酵素処理物、界面活性剤処理物、機械的磨砕処理物等が挙げられる。これらを適切な溶媒に懸濁させて、本発明の形質転換体の菌体成分および/または酵素を含む流体(これらも形質転換体または酵素含有組成物である)とすることができる。 The transformant of the present invention obtained by culturing can be advantageously used as a culture or a processed product thereof, regardless of whether it is live or dead. The culture may be concentrated. The liquid medium and the cells can be separated by centrifugation, and wet cells can be obtained by washing with physiological saline, distilled water, etc. Other processed products of the culture include products treated with ultrasonic waves, lytic enzymes, surfactants, mechanical grinding, etc. These can be suspended in an appropriate solvent to obtain a fluid containing the cell components and/or enzymes of the transformant of the present invention (these are also transformants or enzyme-containing compositions).

反応系の本発明の形質転換体の含有量は、特に制限はなく適宜設定し得る。例えば湿菌体で10~200g/L、30~150g/L、50~100g/Lとしてもよい。破砕物、抽出物、培地などの酵素含有混合物を使用して酵素を含有させる場合、その含有量は、元の菌株が上記範囲になるような量に調整すればよい。 The content of the transformant of the present invention in the reaction system is not particularly limited and can be set appropriately. For example, it may be 10 to 200 g/L, 30 to 150 g/L, or 50 to 100 g/L in wet cells. When enzymes are added using enzyme-containing mixtures such as disrupted material, extracts, and culture media, the content may be adjusted so that the original strain falls within the above range.

反応系の乳糖の含有量に対する本発明の形質転換体の含有量の比率(kg/kg)は、特に制限はなく適宜設定し得る。例えば、乳糖量に対して湿菌体で1/30~1/1、1/20~1/2、1/10~1/5としてもよい。破砕物、抽出物、培地などの酵素含有混合物を使用して酵素を含有させる場合、その含有量は、元の菌株が上記範囲になるような量に調整すればよい。 The ratio (kg/kg) of the content of the transformant of the present invention to the lactose content of the reaction system is not particularly limited and can be set appropriately. For example, the ratio of wet cells to the amount of lactose may be 1/30 to 1/1, 1/20 to 1/2, or 1/10 to 1/5. When enzymes are added using enzyme-containing mixtures such as disrupted materials, extracts, and culture media, the content may be adjusted so that the original strain falls within the above range.

ガラクトオリゴ糖の製造を効率的に行うため、反応系は無機塩類などを含有してもよい。無機塩類などの含有量は例えば反応系全量基準で0.00001~10質量%、0.0001~1質量%である。無機塩類を含むような溶媒として、LB培地などの液体培地を使用してもよい。 In order to efficiently produce galactooligosaccharides, the reaction system may contain inorganic salts, etc. The content of inorganic salts, etc. is, for example, 0.00001 to 10% by mass, or 0.0001 to 1% by mass, based on the total amount of the reaction system. A liquid medium such as LB medium may be used as a solvent that contains inorganic salts.

ガラクトオリゴ糖混合物は、そのまま菌体含有ガラクトオリゴ糖溶液として使用しても良いし、菌体を除去してガラクトオリゴ糖溶液として使用しても良いし、あるいは、これからガラクトオリゴ糖を精製しても良い。菌体含有ガラクトオリゴ糖溶液から菌体を除去する方法は任意である。例えば遠心分離、フィルタリング、加熱などによる滅菌処理などが挙げられる。ガラクトオリゴ糖を精製する手法は特に制限はなく任意のものを採用し得る。活性炭や金属イオンを配位した陽イオン交換樹脂、ゲル濾過用樹脂を使用するカラムクロマトグラフィーによってそれぞれの画分に分離することができる。 The galactooligosaccharide mixture may be used as it is as a galactooligosaccharide solution containing bacteria, or may be used as a galactooligosaccharide solution after removing the bacteria, or the galactooligosaccharides may be purified from it. Any method may be used to remove the bacteria from the galactooligosaccharide solution containing bacteria. Examples include sterilization treatment by centrifugation, filtering, heating, etc. There are no particular limitations on the method for purifying the galactooligosaccharides, and any method may be used. The galactooligosaccharides can be separated into each fraction by column chromatography using activated carbon, a cation exchange resin coordinated with a metal ion, or a gel filtration resin.

以下に実施例を挙げて本発明を具体的に説明するが、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 specifically explained below with reference to examples, but the present invention is not limited to these examples.

1.大腸菌を用いた変異体酵素の製造
1-1.発現用プラスミドの構築
ベクターは、市販のベクターpET28a(Novagen, カタログ番号69864-3CN)を鋳型としたPCRにて増幅した。このとき、増幅用プライマーにはBamH IおよびHind III認識配列を付加した。
1. Production of mutant enzymes using E. coli
1-1. Construction of expression plasmid The vector was amplified by PCR using the commercially available vector pET28a (Novagen, catalog number 69864-3CN) as a template. At this time, BamH I and Hind III recognition sequences were added to the amplification primers.

同様に、配列番号2に示す塩基配列を有するラクターゼ遺伝子(以下、野生型ともいう)は、ゲノムを鋳型としてPCRにて増幅した。この増幅用プライマーにもBamH IおよびHind III認識配列を付加した。使用したプライマーペアを以下に示す。 Similarly, the lactase gene having the base sequence shown in SEQ ID NO:2 (hereinafter also referred to as wild type) was amplified by PCR using the genome as a template. BamH I and Hind III recognition sequences were also added to the amplification primers. The primer pair used is shown below.

(ベクター増幅用)
5’-TCGACAAGCTTGCGGCCGCACTC-3’(配列番号3)
5’-GCTGCGGATCCTATATCTCCTTCTTAAAG-3’(配列番号4)
(配列番号2に示すラクターゼ遺伝子増幅用)
5’-AAAAAGGATCCATGACCATTTTTCAATTTC-3’(配列番号5)
5’-TTTTTAAGCTTTTAACGGATTTCCAGCC-3’(配列番号6)
(for vector amplification)
5'-TCGACAAGCTTGCGGCCGCACTC-3' (SEQ ID NO: 3)
5'-GCTGCGGATCCTATATTCTCCTTCTTAAAG-3' (SEQ ID NO: 4)
(For amplifying the lactase gene shown in SEQ ID NO:2)
5'-AAAAAGGATCCATGACCATTTTTCAATTTC-3' (SEQ ID NO:5)
5'-TTTTTAAGCTTTTAACGGATTTCCAGCC-3' (SEQ ID NO: 6)

PCRは、「PrimeSTAR(商標) GXL DNA Polymerase」(タカラバイオ, 製品コードR050A)を使用して、以下の50μLの系で行った。3ng/μL テンプレートDNA 3.0μL、各2.5mM dNTP Mixture 4.0μL、5× Prime STAR GXL Buffer 10μL、5pmol/μL各プライマー 2.5μL、1.25U/μL Prime STAR GXL Polymerase 1.0μLおよび超純水 27μLを混合した。PCRは、それぞれ(98℃、10秒;55℃、15秒;68℃、1分/kb)のサイクルを30回繰り返した。
得られたPCR産物を、それぞれBamH IおよびHind IIIで制限酵素処理し、ベクターに配列番号2に示すラクターゼ遺伝子を挿入することにより発現用プラスミドを構築した。
PCR was performed using "PrimeSTAR™ GXL DNA Polymerase" (Takara Bio, product code R050A) in the following 50 μL system. 3 ng/μL template DNA 3.0 μL, 2.5 mM dNTP Mixture 4.0 μL, 5× Prime STAR GXL Buffer 10 μL, 5 pmol/μL primers 2.5 μL, 1.25 U/μL Prime STAR GXL Polymerase 1.0 μL, and ultrapure water 27 μL were mixed. PCR was performed by repeating 30 cycles of (98°C, 10 seconds; 55°C, 15 seconds; 68°C, 1 minute/kb).
The resulting PCR products were treated with restriction enzymes BamH I and Hind III, and the lactase gene shown in SEQ ID NO:2 was inserted into the vector to construct an expression plasmid.

1-2 部位特異的変異の導入
配列番号1のアミノ酸配列を有する酵素に導入する変異の候補を選定した。全部で約50以上の変異を選定した。
1-2 Introduction of site-specific mutations Candidates for mutations to be introduced into the enzyme having the amino acid sequence of SEQ ID NO: 1 were selected. A total of about 50 or more mutations were selected.

部位特異的変異の導入には、「PrimeSTAR(商標) Mutagenesis Basal Kit」(タカラバイオ, 製品コードR046A)を用いた。用いたプライマーの主なものを以下に示した。 To introduce site-specific mutations, the PrimeSTAR™ Mutagenesis Basal Kit (Takara Bio, product code R046A) was used. The main primers used are shown below.

(N437H変異導入用)
5’-ACCAGCACGTAATCAAAAACAATTGG-3’(配列番号7)
5’-ATTACGTGCTGGTACCAGTAGTAGCT-3’(配列番号8)
(T297A変異導入用)
5’-TATTACGCCATGGGCATCAATCGGTAT -3’(配列番号9)
5’-GCCCATGGCGTAATAATTAATGCCCAG -3’(配列番号10)
(F414L変異導入用)
5’-ATGCGTTTGGGGCTCATCCATGTGGAT -3’(配列番号11)
5’-GAGCCCCAAACGCATGCGATACCCTTC -3’(配列番号12)
(F104L変異導入用)
5’-CATCGGCTCGTCGATAAATTGCTTGAA -3’(配列番号13)
5’-ATCGACGAGCCGATGGTAGAAGTCCAG -3’(配列番号14)
(F104E変異導入用)
5’-CATCGGGAAGTCGATAAATTGCTTGAA -3’ (配列番号15)
5’-ATCGACTTCCCGATGGTAGAAGTCCAG -3’ (配列番号16)
(F104N変異導入用)
5’-CATCGGAACGTCGATAAATTGCTTGAA -3’ (配列番号17)
5’-ATCGACGTTCCGATGGTAGAAGTCCAG -3’ (配列番号18)
(F104Q変異導入用)
5’-CATCGGCAAGTCGATAAATTGCTTGAA -3’ (配列番号19)
5’-ATCGACTTGCCGATGGTAGAAGTCCAG -3’ (配列番号20)
(F104S変異導入用)
5’-CATCGGAGTGTCGATAAATTGCTTGAA -3’ (配列番号21)
5’-ATCGACACTCCGATGGTAGAAGTCCAG -3’ (配列番号22)
(F104T変異導入用)
5’-CATCGGACAGTCGATAAATTGCTTGAA -3’ (配列番号23)
5’-ATCGACTGTCCGATGGTAGAAGTCCAG -3’ (配列番号24)
(F104V変異導入用)
5’-CATCGGGTTGTCGATAAATTGCTTGAA -3’ (配列番号25)
5’-ATCGACAACCCGATGGTAGAAGTCCAG -3’ (配列番号26)
(F104Y変異導入用)
5’-CATCGGTACGTCGATAAATTGCTTGAA -3’ (配列番号27)
5’-ATCGACGTACCGATGGTAGAAGTCCAG -3’ (配列番号28)
(R77A変異導入用)
5’-ACGTATGCATTCTCCATCGCATGGCCG -3’ (配列番号29)
5’-GGAGAATGCATACGTATTGATGCCCAG -3’ (配列番号30)
(Y296F変異導入用)
5’-AATTATTTCACCATGGGCATCAATCGG -3’ (配列番号31)
5’-CATGGTGAAATAATTAATGCCCAGCAG -3’ (配列番号32)
(For introducing N437H mutation)
5'-ACCAGCACGTAATCAAAAACAATTGG-3' (SEQ ID NO:7)
5'-ATTACGTGCTGGTACCAGTAGTAGCT-3' (SEQ ID NO: 8)
(For introducing T297A mutation)
5'-TATTACGCCATGGGCATCAATCGGTAT-3' (SEQ ID NO: 9)
5'-GCCCATGGCGTAATAATTAATGCCCAG-3' (SEQ ID NO: 10)
(For introducing F414L mutation)
5'-ATGCGTTTGGGGCTCATCCATGTGGAT-3' (SEQ ID NO:11)
5'-GAGCCCCAAACGCATGCGATACCCTTC-3' (SEQ ID NO: 12)
(For introducing F104L mutation)
5'-CATCGGCTCGTCGATAAATTGCTTGAA-3' (SEQ ID NO: 13)
5'-ATCGACGAGCCGATGGTAGAAGTCCAG-3' (SEQ ID NO: 14)
(For introducing F104E mutation)
5'-CATCGGGAAGTCGATAAATTGCTTGAA-3' (SEQ ID NO: 15)
5'-ATCGACTTCCCGATGGTAGAAGTCCAG-3' (SEQ ID NO: 16)
(For introducing F104N mutation)
5'-CATCGGAACGTCGATAAATTGCTTGAA-3' (SEQ ID NO: 17)
5'-ATCGACGTTCCGATGGTAGAAGTCCAG-3' (SEQ ID NO: 18)
(For introducing F104Q mutation)
5'-CATCGGCAAGTCGATAAATTGCTTGAA-3' (SEQ ID NO: 19)
5'-ATCGACTTGCCGATGGTAGAAGTCCAG-3' (SEQ ID NO: 20)
(For introducing F104S mutation)
5'-CATCGGAGTGTCGATAAATTGCTTGAA-3' (SEQ ID NO:21)
5'-ATCGACACTCCGATGGTAGAAGTCCAG-3' (SEQ ID NO:22)
(For introducing F104T mutation)
5'-CATCGGACAGTCGATAAATTGCTTGAA-3' (SEQ ID NO:23)
5'-ATCGACTGTCCGATGGTAGAAGTCCAG-3' (SEQ ID NO:24)
(For introducing F104V mutation)
5'-CATCGGGTTGTCGATAAATTGCTTGAA-3' (SEQ ID NO:25)
5'-ATCGACAACCCGATGGTAGAAGTCCAG-3' (SEQ ID NO:26)
(For introducing F104Y mutation)
5'-CATCGGTACGTCGATAAATTGCTTGAA-3' (SEQ ID NO:27)
5'-ATCGACGTACCGATGGTAGAAGTCCAG-3' (SEQ ID NO:28)
(For introducing R77A mutation)
5'-ACGTATGCATTCTCCATCGCATGGCCG-3' (SEQ ID NO:29)
5'-GGAGAATGCATACGTATTGATGCCCAG-3' (SEQ ID NO: 30)
(For introducing Y296F mutation)
5'-AATTATTTCACCATGGGCATCAATCGG-3' (SEQ ID NO:31)
5'-CATGGTGAAATAATTAATGCCCAGCAG-3' (SEQ ID NO: 32)

PCRを以下の25μLの系で行った。100pg/μL pET28a-nonhisBGL8 1.5μL、PrimeStar max Premix(2×) 12.5μL、5μM各プライマー 1.0μLおよび超純水9.0μLを混合した。PCRは、(98℃、10秒;59℃、15秒;72℃、45秒)のサイクルを35回繰り返した。 PCR was performed in the following 25 μL system: 1.5 μL of 100 pg/μL pET28a-nonhisBGL8, 12.5 μL of PrimeStar max Premix (2x), 1.0 μL of 5 μM each primer, and 9.0 μL of ultrapure water were mixed. PCR was performed by repeating the cycle of (98°C, 10 seconds; 59°C, 15 seconds; 72°C, 45 seconds) 35 times.

PCR産物10μLを用いて大腸菌DH5αを形質転換し、Kmを含むLB寒天培地(LB Km)上で30℃、2日間培養した。得られた各形質転換体からプラスミドを抽出し、「MagExtractor(商標)-Plasmid-」(東洋紡,code No. NPK-301)により精製した。なお、二重変異体についてはこれらの作業を反復して行った。 10 μL of the PCR product was used to transform E. coli DH5α, which was then cultured at 30°C for 2 days on LB agar medium containing Km (LB Km). Plasmids were extracted from each of the resulting transformants and purified using "MagExtractor™-Plasmid-" (Toyobo, code No. NPK-301). These procedures were repeated for the double mutants.

1-3 大腸菌を用いた組換え酵素の生産と無細胞抽出液の調製
宿主には、UV照射によって大腸菌由来のβ-ガラクトシダーゼを欠損させた大腸菌(E.coli)BL21(DE3) lac-1株を使用した。上記で変異を導入した変異体および野生型酵素のプラスミドをBL21(DE3)lac-1株に形質転換し、LB Km寒天培地に塗布して30℃で一晩培養した。得られた各形質転換体を3mLのLB Km培地に植菌して37℃にて16時間培養した。培養液500μLを100mLの同培地に接種し、37℃にて振盪培養した。OD660=0.5に達した時点で終濃度0.1mMとなるようにIPTGを添加し、組換えタンパク質の生産を誘導した。誘導培養を30℃にて24時間行った。
1-3 Production of recombinant enzyme using E. coli and preparation of cell-free extract The host used was E. coli BL21(DE3)lac-1 strain, in which E. coli-derived β-galactosidase was deleted by UV irradiation. The above-mentioned mutant and wild-type enzyme plasmids were transformed into the BL21(DE3)lac-1 strain, spread on LB Km agar medium and cultured at 30°C overnight. Each of the obtained transformants was inoculated into 3mL of LB Km medium and cultured at 37°C for 16 hours. 500μL of the culture solution was inoculated into 100mL of the same medium and cultured with shaking at 37°C. When OD660 reached 0.5, IPTG was added to a final concentration of 0.1mM to induce the production of the recombinant protein. The induction culture was carried out at 30°C for 24 hours.

各培養液を遠心分離(8,000rpm、10分、4℃)し、回収した菌体を-80℃にて保存した。凍結したペレットを1/10量の100mM リン酸ナトリウム緩衝液(pH6.5)に懸濁し、ソニケーション(UCD-200T、Bioruptor;power High、30分)により菌体を破砕した。遠心分離(13,000rpm、5分、4℃)して得られた上清を無細胞抽出液(粗酵素液)とした。 Each culture solution was centrifuged (8,000 rpm, 10 min, 4°C), and the collected cells were stored at -80°C. The frozen pellet was suspended in 1/10 volume of 100 mM sodium phosphate buffer (pH 6.5), and the cells were disrupted by sonication (UCD-200T, Bioruptor; power High, 30 min). The supernatant obtained by centrifugation (13,000 rpm, 5 min, 4°C) was used as a cell-free extract (crude enzyme solution).

2.変異体酵素の温度安定性(耐熱性)試験
2-1 60℃でのラクターゼ活性の比較
野生型酵素および各粗酵素液の60℃でのONPG分解活性を測定した。各粗酵素液を500~600 OU/mLとなるように100mM リン酸ナトリウム緩衝液(pH6.5)で希釈した。o-ニトロフェニル-β-ガラクトピラノシド(ONPG)溶液(ONPG濃度1.65mM)に上記のようにして調製した測定対象の粗酵素液を添加し、pH6.5、60℃にて0、10、30、60分間保持後、ONPG分解活性(o-ニトロフェニル生成量)を測定し、各酵素の残存活性を比較した。結果を図1に示す。
2. Temperature stability (thermostability) test of mutant enzymes
2-1 Comparison of lactase activity at 60°C The ONPG decomposition activity at 60°C of the wild-type enzyme and each crude enzyme solution was measured. Each crude enzyme solution was diluted with 100 mM sodium phosphate buffer (pH 6.5) to 500-600 OU/mL. The crude enzyme solution to be measured prepared as described above was added to an o-nitrophenyl-β-galactopyranoside (ONPG) solution (ONPG concentration 1.65 mM), and the mixture was kept at pH 6.5 and 60°C for 0, 10, 30, and 60 minutes, after which the ONPG decomposition activity (o-nitrophenyl production amount) was measured and the remaining activity of each enzyme was compared. The results are shown in Figure 1.

立体構造から熱安定性に寄与すると想定された変異体N437Hを、大腸菌BL21(DE3)lac-1株を宿主として発現し、60℃における残存活性を野生型酵素と比較した。その結果、N437Hにおいて顕著な耐熱性向上が認められた。 The mutant N437H, which was assumed to contribute to thermal stability based on its three-dimensional structure, was expressed in Escherichia coli BL21(DE3)lac-1 strain as a host, and the residual activity at 60°C was compared with that of the wild-type enzyme. As a result, a significant improvement in heat resistance was observed in N437H.

2-2 変異体酵素N437Hの各温度におけるGOS生産試験
野生型酵素およびN437Hの粗酵素液の乳糖分解活性を測定した。これを5、10、30、50、100LU/mLとなるように100mMリン酸ナトリウム緩衝液(pH6.5)で希釈した。100mMリン酸ナトリウム緩衝液(pH6.5)に溶解した66%乳糖溶液900μLに各粗酵素液を100μL添加し、反応液1mLを調製した。これを1.5mLチューブで行った。50、55、60、65、70、75、80℃にて24時間保持後、20%スルホサリチル酸の添加により反応を停止した。反応液を水で100倍希釈し、5μLを糖分析に供した。
2-2 GOS production test of mutant enzyme N437H at each temperature The lactose decomposition activity of the crude enzyme solution of wild-type enzyme and N437H was measured. This was diluted with 100 mM sodium phosphate buffer (pH 6.5) to 5, 10, 30, 50, and 100 LU/mL. 100 μL of each crude enzyme solution was added to 900 μL of 66% lactose solution dissolved in 100 mM sodium phosphate buffer (pH 6.5) to prepare 1 mL of reaction solution. This was carried out in a 1.5 mL tube. After keeping at 50, 55, 60, 65, 70, 75, and 80 ° C for 24 hours, the reaction was stopped by adding 20% sulfosalicylic acid. The reaction solution was diluted 100 times with water, and 5 μL was subjected to sugar analysis.

各サンプルについてHPLCを行い、製造されたGOSの量を解析した。HPLCで使用したカラムはTransgenomic社製CARBOSep CHO-620 6.5φ×300mmであった。移動相は水、流速は0.4mL/min、温度は85℃、検出はRIの条件にて分析した。単糖および2糖ならびにGOS(3糖以上、主として3~5糖)のピーク面積の合計値に対して、GOSのHPLCピーク面積の合計値が占める割合を算出した。 HPLC was performed on each sample to analyze the amount of GOS produced. The column used in the HPLC was a Transgenomic CARBOSep CHO-620 6.5φ×300 mm. The mobile phase was water, the flow rate was 0.4 mL/min, the temperature was 85°C, and detection was by RI. The percentage of the total HPLC peak area of GOS to the total peak areas of monosaccharides, disaccharides, and GOS (three or more sugars, mainly three to five sugars) was calculated.

70℃での評価における結果を図2に示す。図2中、「G3」「G4」「G5」は、それぞれ3糖、4糖、5糖を表す。数値は、GOS(5糖、4糖、3糖)、2糖(未反応乳糖や転移2糖)、単糖(グルコース、ガラクトース)の合計HPLC面積に対する、GOSのHPLC面積の百分率である。 The results of the evaluation at 70°C are shown in Figure 2. In Figure 2, "G3," "G4," and "G5" represent trisaccharides, tetrasaccharides, and pentasaccharides, respectively. The values represent the percentage of the HPLC area of GOS relative to the total HPLC area of GOS (pentasaccharides, tetrasaccharides, and trisaccharides), disaccharides (unreacted lactose and disaccharide transfers), and monosaccharides (glucose and galactose).

N437Hは70℃まで安定であり、野生型酵素と比べると約10℃耐熱性が向上していた。N437Hは複合体の形成に関与するloop441~447とloop47~50の近傍に位置することから、Hisへの置換によってサブユニット同士の結合がより強固となり、安定化に寄与したと考えられた。 N437H was stable up to 70°C, and its heat resistance was improved by approximately 10°C compared to the wild-type enzyme. Since N437H is located near loops 441-447 and 47-50, which are involved in the formation of the complex, it was thought that the substitution with His strengthened the bonds between the subunits, contributing to stabilization.

3.各変異体酵素の耐熱性および糖転移能の評価
野生型酵素および各変異体の粗酵素液の乳糖分解活性を測定した。これを10、15、30および50LU/mLとなるように100mMリン酸ナトリウム緩衝液(pH6.5)で希釈した。100mMリン酸ナトリウム緩衝液(pH6.5)に溶解した11%、33%および66%乳糖溶液900μLに各粗酵素液を100μL添加し、反応液1mLを調製した。これを1.5mLチューブで行った。30、55および65℃にて24時間保持後、20%スルホサリチル酸の添加により反応を停止した。反応液を水で100倍希釈し、5μLを上記のとおりのHPLCによる糖分析に供した。
結果を表1に示す。
3. Evaluation of heat resistance and glycosyltransferase activity of each mutant enzyme The crude enzyme solution of the wild type enzyme and each mutant was measured for lactose decomposition activity. This was diluted with 100 mM sodium phosphate buffer (pH 6.5) to 10, 15, 30 and 50 LU/mL. 100 μL of each crude enzyme solution was added to 900 μL of 11%, 33% and 66% lactose solution dissolved in 100 mM sodium phosphate buffer (pH 6.5) to prepare 1 mL of reaction solution. This was carried out in a 1.5 mL tube. After keeping at 30, 55 and 65 °C for 24 hours, the reaction was stopped by adding 20% sulfosalicylic acid. The reaction solution was diluted 100 times with water, and 5 μL was subjected to sugar analysis by HPLC as described above.
The results are shown in Table 1.

Figure 0007553238000001
Figure 0007553238000001

表1に示すように、N437Hの変異は、耐熱性の向上に寄与する一方で、GOS生産能に影響しないことが確認された。 As shown in Table 1, it was confirmed that the N437H mutation contributes to improved heat resistance but does not affect GOS production ability.

T297Aについては、60%乳糖を基質として3LU/mL(終濃度)、55℃にて24時間GOS生成反応を実施した結果、3糖以上のGOS生成量は44%となり、野生型酵素の41%を上回ることがわかった。
なお、T297についてアミノ酸の最適化を実施したが、試したアミノ酸のうちではアラニン置換体のみ転移能向上が認められた。T297は活性ポケットの表面に位置することから、スレオニンからアラニンへの置換によって活性ポケットが広がり、生成物が物理的な阻害を受けにくくなったことでGOS生成量が増加したと考えられた。
For T297A, a GOS production reaction was carried out using 60% lactose as a substrate at 3 LU/mL (final concentration) at 55°C for 24 hours. As a result, the amount of GOS produced with three or more sugars was 44%, which was higher than the 41% produced by the wild-type enzyme.
In addition, amino acids were optimized for T297, but only the alanine substitution was found to improve metastatic ability. Since T297 is located on the surface of the active pocket, it is believed that the substitution of threonine with alanine widened the active pocket, making the product less susceptible to physical inhibition, which led to an increase in the amount of GOS produced.

R77AおよびY296Fにおいては、30℃、10%または30%乳糖を基質とした際に転移能の向上が認められた(1または5LU/mL添加)。一方、反応温度が55℃以上の試験区では、両酵素で野生型酵素より低いGOS生成量および収率を示した(データ示さず)。
これらのことから、R77AおよびY296Fは、従来と同様の条件またはそれより低温および低基質濃度の条件においてGOS生産性の向上に寄与すると考えられた。なお、R77およびY296はファミリー酵素間で高度に保存されており、活性に重要なアミノ酸残基だと推測される。すなわち、今回の場合、加水分解活性が特異的に低下したことで転移活性が優勢となり、GOS生成量の増加が認められたと考えられた。また、反応温度が55℃以上の試験区では野生型酵素より低いGOS生成量および収率を示したことから、変異体では安定性が低下し、一部酵素が失活したと考えられた。
In R77A and Y296F, improved transfer activity was observed when 10% or 30% lactose was used as a substrate at 30°C (1 or 5 LU/mL added). On the other hand, in the test groups where the reaction temperature was 55°C or higher, both enzymes showed lower GOS production and yield than the wild-type enzyme (data not shown).
From these findings, it was believed that R77A and Y296F contribute to the improvement of GOS productivity under the same conditions as conventional conditions or under conditions of lower temperature and lower substrate concentration. R77 and Y296 are highly conserved among family enzymes, and are presumed to be important amino acid residues for activity. In other words, in this case, it was believed that the transfer activity became dominant due to a specific decrease in hydrolysis activity, and the increase in GOS production was observed. In addition, since the GOS production and yield were lower than those of the wild-type enzyme in the test group where the reaction temperature was 55°C or higher, it was believed that the stability of the mutant was decreased and some of the enzyme was inactivated.

T297Aと耐熱性変異N437Hを組み合わせた二重変異体について、60%乳糖、5LU/mL、65℃、24時間の条件でGOS生成反応を行ったところ、GOS生成量は大きく向上し、最大46%に達した。すなわち、本二重変異体は耐熱性と糖転移能の両面で機能性が向上した。 When a GOS production reaction was carried out for the double mutant combining T297A and the heat-resistant mutation N437H under conditions of 60% lactose, 5 LU/mL, 65°C, and 24 hours, the amount of GOS produced was greatly improved, reaching a maximum of 46%. In other words, the functionality of this double mutant was improved in terms of both heat resistance and glycosyltransferase activity.

60%乳糖、55℃、24時間の条件でGOS生成反応を行った結果、F414Lでは3LU/mL添加時にGOS生成量46%、F104Lでは5LU/mL添加時に42%を示し、共に野生型酵素を上回ることがわかった。
さらに、両変異点についてアミノ酸の最適化を実施したところ、F104Lでは、E、N、Q、S、T、VおよびY置換体でも同様に転移能が向上した。F414Lについては、試したアミノ酸のうちではロイシン置換体のみ転移能向上が認められた。また、F414Lでは野生型酵素と比べて安定性が低下していたが、耐熱性変異N437Hと組み合わせることで、野生型酵素と同様の55℃におけるGOS生成反応が可能であることが分かった。F414は、ファミリー酵素間で高度に保存されており、活性に重要なアミノ酸残基だと推測される。すなわち、今回の場合、R77AやY296Fと同様、加水分解活性が特異的に低下したことで転移活性が優勢となり、GOS生成量の増加が認められたと考えられた。
When a GOS production reaction was carried out under conditions of 60% lactose at 55°C for 24 hours, the amount of GOS produced was 46% when 3 LU/mL was added for F414L, and 42% when 5 LU/mL was added for F104L, both of which exceeded those of the wild-type enzyme.
Furthermore, when amino acid optimization was performed for both mutation points, the transfer ability was improved in F104L with E, N, Q, S, T, V and Y substitutions. For F414L, only the leucine substitution was found to improve the transfer ability among the amino acids tested. In addition, F414L had a lower stability than the wild-type enzyme, but it was found that by combining it with the heat-resistant mutation N437H, it was possible to perform a GOS production reaction at 55°C similar to the wild-type enzyme. F414 is highly conserved among family enzymes and is presumed to be an amino acid residue important for activity. That is, in this case, as with R77A and Y296F, it was thought that the transfer activity became dominant due to a specific decrease in hydrolysis activity, and the increase in the amount of GOS produced was observed.

Claims (9)

(a)配列番号1に示すアミノ酸配列;
(b)配列番号1に示すアミノ酸配列において1~10個のアミノ酸が置換、欠失、挿入されたアミノ酸配列;または
(c)配列番号1に示すアミノ酸配列に対する同一性90%以上のアミノ酸配列
において、
配列番号1に示すアミノ酸配列のN437H、T297A、R77A、Y296F、F414L、F104L、F104E、F104N、F104Q、F104S、F104T、F104V、およびF104Yからなる群から選択される1以上の変異を有するアミノ酸配列を有し、配列番号1に示すアミノ酸配列からなる酵素と比較して、改善されたガラクトオリゴ糖生産活性を有する酵素。
(a) the amino acid sequence shown in SEQ ID NO:1;
(b) an amino acid sequence in which 1 to 10 amino acids have been substituted, deleted or inserted in the amino acid sequence shown in SEQ ID NO:1; or (c) an amino acid sequence having an identity of 90 % or more to the amino acid sequence shown in SEQ ID NO:1,
An enzyme having an amino acid sequence having one or more mutations selected from the group consisting of N437H, T297A, R77A, Y296F, F414L, F104L, F104E, F104N, F104Q, F104S, F104T, F104V, and F104Y in the amino acid sequence shown in SEQ ID NO:1, and having improved galactooligosaccharide-producing activity compared to an enzyme consisting of the amino acid sequence shown in SEQ ID NO:1 .
配列番号1に示すアミノ酸配列のN437Hを有するアミノ酸配列を有する、請求項1記載の酵素。 The enzyme according to claim 1, having an amino acid sequence containing N437 H of the amino acid sequence shown in SEQ ID NO:1. 配列番号1に示すアミノ酸配列のT297A、F414L、F104L、F104E、F104N、F104Q、F104S、F104T、F104V、およびF104Yからなる群から選択される1以上の変異を有するアミノ酸配列を有する、請求項2記載の酵素。 The enzyme according to claim 2, having an amino acid sequence having one or more mutations selected from the group consisting of T297A, F414L, F104L, F104E, F104N, F104Q, F104S, F104T, F104V, and F104Y in the amino acid sequence shown in SEQ ID NO:1. 請求項1~のいずれか1項記載の酵素をコードしているDNA。 A DNA encoding the enzyme according to any one of claims 1 to 3 . 請求項記載のDNAを含む組換えベクター。 A recombinant vector comprising the DNA of claim 4 . 請求項記載のDNAまたは請求項記載の組換えベクターを有する形質転換体。 A transformant comprising the DNA according to claim 4 or the recombinant vector according to claim 5 . 請求項記載の形質転換体を培養する工程と、培養した形質転換体または培養上清からガラクトオリゴ糖生産活性を有する酵素を回収する工程と、を含むガラクトオリゴ糖生産活性を有する酵素の製造方法。 A method for producing an enzyme having galactooligosaccharide-producing activity, comprising the steps of: culturing the transformant described in claim 6 ; and recovering the enzyme having galactooligosaccharide-producing activity from the cultured transformant or the culture supernatant. 請求項1~のいずれか1項記載の酵素を含み、ガラクトオリゴ糖生産活性を有する、酵素含有組成物。 An enzyme-containing composition comprising the enzyme according to any one of claims 1 to 3 and having galactooligosaccharide producing activity. 乳糖と、請求項1~のいずれか1項記載の酵素、請求項記載の形質転換体または請求項記載の酵素含有組成物と、を接触させることを含むガラクトオリゴ糖の製造方法。
A method for producing galactooligosaccharides, comprising contacting lactose with the enzyme according to any one of claims 1 to 3 , the transformant according to claim 6, or the enzyme-containing composition according to claim 8 .
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