BR0110987B1 - Transposon for stable insertion of foreign genes into a bacterial genome, plasmid vector, bacterium, and reaction mixture comprising a fermentable medium. - Google Patents
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Description
“TRANSPOSON PARA INSERÇÃO ESTÁVEL DE GENES ALHEIOS DENTRO DE UM GENOMA BACTERIANO, VETOR PLASMÍDEO, BACTÉRIA, E, MISTURA DE REAÇÃO COMPREENDENDO UM MEIO FERMENTÁVEL.” Origem contratual da invenção; O Governo dos Estados Unidos da América do Norte tem direitos em relação à presente invenção em razão do Contrato No. DE-AC36- 99GO10337 entre o Departamento de Energia dos Estados Unidos da América do Norte e o Midwest Research Institute."TRANSPOSON FOR STABLE INSERTION OF ALIEN GENES WITHIN A BACTERIAL GENOME, PLASMID VECTOR, BACTERIA, AND REACTION MIX UNDERSTANDING A FERRELABLE MEANS." Contractual Origin of the Invention; The United States Government has rights with respect to the present invention by virtue of Contract No. DE-AC36-99GO10337 between the United States Department of Energy and the Midwest Research Institute.
Escopo técnico A presente invenção está relacionada à conversão biológica de substratos de celulose em combustíveis e produtos químicos, e em particular a cepas de Zymomonas mobilis recombinantes que fermentam xilose e arabinose, ou ambos, em etanol.Technical scope The present invention relates to the biological conversion of cellulose substrates into fuels and chemicals, and in particular to recombinant Zymomonas mobilis strains fermenting xylose and arabinose, or both, in ethanol.
Estado da técnica A tecnologia de fermentação é útil para a conversão de substratos de celulose de biomassa renováveis em combustíveis e produtos químicos, tais como o etanol. Um substrato típico é composto por 35-45% de celulose, 30-40% de hemicelulose e 15% de lignina. A fração de hidrólise contém polímeros de glicose, e a fração de hemicelulose contém majoritariamente xilose. A arabinose é também um substrato fermentável significativo encontrado em materiais de biomassa, tais como a grama do tipo switchgrass e a fibra de milho. Assim, alcançar uma alta taxa de formação de produto específico e eficiência de conversão na fermentação dos açucares de pentose é vital para a produção comercial de combustíveis e produtos químicos a partir de substratos renováveis. O Z. mobitis é amplamente conhecido por sua capacidade de converter de maneira rápida e eficiente os substratos de glicose em etanol, sob um pH baixo, em uma cultura anaeróbica, e dentro de um meio que contém os compostos inibidores tipicamente associados com um hidrolisado de lignocelulose. Uma desvantagem distinta na utilização do Z. mobilis é, entretanto, que ele não fermenta açúcares de pentose. Para superar esta desvantagem, o estado da técnica direcionou seu foco nas cepas recombinantes de Z mobilis que fermentam uma mistura de glicose, e xilose ou arabinose, ou ambos, utilizando genes exógenos que catalisam o metabolismo de xilose e arabinose. Estas cepas, e os vetores de clonagem, estão baseados numa utilização de plasmídeos de múltiplas cópias apresentando marcadores de resistência antibiótica. A Patente dos Estados Unidos da América do Norte N° 5,514,583 revela uma cepa fermentadora de xilose de Z. mobilis transformado (CP4/pZB4 e pZB5) apresentando genes exógenos, e vetores plasmídeos (pZB4 e pZB5) codificando xilose isomerase, xiluloquinase, iransaldolase e transquetolase, e compreendendo adicionalmente pelo menos um promotor {Pgap e Peno) reconhecido pelo Zymomonas que regula a expressão de pelo menos um dos referidos genes. O microorganismo é capaz de se desenvolver tendo a xilose como única fonte de carbono, e fermentar xilose em etanol com cerca de 88% do rendimento máximo teórico. A Patente reivindica uma cepa integrada.State of the art Fermentation technology is useful for converting renewable biomass cellulose substrates into fuels and chemicals such as ethanol. A typical substrate is 35-45% cellulose, 30-40% hemicellulose and 15% lignin. The hydrolysis fraction contains glucose polymers, and the hemicellulose fraction contains mostly xylose. Arabinose is also a significant fermentable substrate found in biomass materials such as switchgrass grass and corn fiber. Thus, achieving a high specific product formation rate and conversion efficiency in the fermentation of pentose sugars is vital for commercial production of fuels and chemicals from renewable substrates. Z. mobitis is widely known for its ability to rapidly and efficiently convert glucose substrates in ethanol at low pH into an anaerobic culture and within a medium containing the inhibitor compounds typically associated with a hydrolyzate. lignocellulose. A distinct disadvantage of using Z. mobilis is, however, that it does not ferment pentose sugars. To overcome this disadvantage, prior art has focused on recombinant Z mobilis strains that ferment a mixture of glucose, and xylose or arabinose, or both, using exogenous genes that catalyze xylose and arabinose metabolism. These strains, and the cloning vectors, are based on a use of multiple copy plasmids bearing antibiotic resistance markers. United States Patent No. 5,514,583 discloses a transformed Z. mobilis xylose fermentor strain (CP4 / pZB4 and pZB5) featuring exogenous genes, and plasmid vectors (pZB4 and pZB5) encoding xylose isomerase, xylulokinase, iransaldolase and transquetolase, and further comprising at least one Zymomonas recognized promoter (Pgap and Peno) that regulates the expression of at least one of said genes. The microorganism is capable of growing with xylose as the sole carbon source, and fermenting xylose in ethanol at about 88% of the theoretical maximum yield. The patent claims an integrated strain.
As Patentes dos Estados Unidos da América do Norte N° 5,712,133 e 5,726,053 revela, entre outras coisas, transformantes Z mobilis fermentadores de arabinose (39676/pZB 206), contendo genes exógenos que codificam L-arabinose isomerase, L-ribuloquinase e L-ribulose-5-fosfato-4-epimerase, Iransaldolase e transquetolase que conferem uma capacidade para fermentação de arabinose em etanol. Revela-se ainda o vetor plasmídeo (pZB 206) e um processo de utilização dos transformantes para a fermentação de uma glicose e arabinose contendo substrato. A Patente reivindica a integração dos genes exógenos a um genoma hospedeiro. A Patente dos Estados Unidos da América do Norte N° 5,843,760 revela um transformante de Z mobilis fermentador de xilose e arabinose (206C/pZB301) contendo genes exógenos codificando xilose ísomerase, xiluloquinase, L-arabinose isomerase, L-ribuloquinase, L- ribulose-5-fosfato 4-epimerase, transaldolase e transquetoiase, e compreendendo adicionalmente pelo menos um promotor reconhecido pelo Zymomonas que regula a expressão de pelo menos um dos referidos genes, onde o referido microorganismo é capaz de se desenvolver tendo arabinose e/ou xilose, isolado ou em combinação, como a fonte de carbono e fermentar a referida arabinose e xilose em etanol. Revela-se ainda o processo de utilização dos transformantes juntamente com os vetores plasmídeos (pZB301, pZB40l, pZB402, e pZB 403). Esta patente reivindica a integração dos genes exógenos ao genoma hospedeiro.U.S. Patent Nos. 5,712,133 and 5,726,053 disclose, among other things, arabinose fermenting Z mobilis transformants (39676 / pZB 206), containing exogenous genes encoding L-arabinose isomerase, L-ribulokinase and L-ribulose -5-phosphate-4-epimerase, Iransaldolase and transquetolase which confer a capacity for arabinose fermentation in ethanol. Also disclosed is the plasmid vector (pZB 206) and a process of using the transformants for the fermentation of a substrate-containing glucose and arabinose. The patent claims the integration of exogenous genes into a host genome. U.S. Patent No. 5,843,760 discloses an xylose and arabinose fermenter Z mobilis transformant (206C / pZB301) containing exogenous genes encoding xylose isomerase, xylulokinase, L-arabinose isomerase, L-ribulokinase, L-ribulose- 5-phosphate 4-epimerase, transaldolase and transquetoiasis, and further comprising at least one Zymomonas recognized promoter that regulates the expression of at least one of said genes, wherein said microorganism is capable of growing having arabinose and / or xylose, alone. or in combination as the carbon source and fermenting said arabinose and xylose in ethanol. The process of using the transformants along with the plasmid vectors (pZB301, pZB401, pZB402, and pZB 403) is also disclosed. This patent claims the integration of exogenous genes into the host genome.
Embora plasmídeos híbridos possam ser prontamente mantidos em Z. mobilis quando cultivados em mono-cultura sob condições controladas, eles freqüentemente se tornam instáveis quando o organismo hospedeiro é desenvolvido em ausência de pressão de seleção para a manutenção do plasmídeo, ou seja, em presença de antibióticos. Por exemplo, os genes exógenos nas cepas referenciadas acima são capazes de expressão estável por cerca de quarenta gerações. A instabilidade pode ser exacerbada quando o Z mobilis tem que competir com outros organismos em uma cultura misturada, tal como um processo simultâneo de fermentação- sacarificação de celulose. Além disso, marcadores de resistência antibiótica são geralmente percebidos como indesejáveis para aplicação industrial, tal como a produção em larga escala de etanol. Assim, é preferível inserir os genes clonados no genoma do Z. mobilis, onde são mantidos em um número de cópia natural e baixo, e assim não são super-expressados, e onde, pelo menos teoricamente, deveríam ser tão estáveis quanto o DNA genômico.Although hybrid plasmids can be readily maintained in Z. mobilis when cultured in mono-culture under controlled conditions, they often become unstable when the host organism is developed in the absence of selection pressure for plasmid maintenance, ie in the presence of antibiotics. For example, exogenous genes in the strains referenced above are capable of stable expression for about forty generations. Instability can be exacerbated when Z mobilis has to compete with other organisms in a mixed culture, such as a simultaneous cellulose fermentation-saccharification process. In addition, antibiotic resistance markers are generally perceived as undesirable for industrial application, such as large scale ethanol production. Thus, it is preferable to insert the cloned genes into the Z. mobilis genome, where they are kept in a low natural copy number, and thus not overexpressed, and where, at least theoretically, they should be as stable as genomic DNA. .
No Esherichia coli, o método clássico para geração de insertos genômicos de genes alheios envolve a utilização de vetores λ-fagos especializados de clonagem que podem existir estáveis no estado lisogênico. De forma alternativa, é possível inserir genes através de recombinação de homólogos, quando agrupados com as sequências de cromossomos do E. coli, ou através de transposição se os genes puderem ser clonados nos sítios permissivos de um transposon. Embora a transposição tenha sido demonstrada em Z. mobilis, Pappas, K. M., et ai, (1997) Transposon mutagensesis and strain construction in Zymomonas mobilis (Mutagênese de transposon e construção de cepas em Zymomonas mobilis), Journal de Applied Microbiology, Vol. 82, ρ.ρ. 379-388, esta tem sido limitada a transposição múltipla de mini Μμ ou Tn5 de fenótipos com auxotrofia ou resistência antibiótica aleatória para análise genética, e no caso dos derivados TnJ as inserções são descritas como estáveis apenas para 5-15 gerações. Pappas, K. M., et seq. P. 383, ver Figura 1. Além do mais, a inserção em local específico através de recombinação de homólogos no Z. mobilh não foi demonstrada, e nenhum bacteriófago foi ainda isolado a partir do Zymomonas.In Esherichia coli, the classical method for generating alien gene genomic inserts involves the use of specialized cloning λ-phage vectors that may exist stable in the lysogenic state. Alternatively, genes may be inserted by homologous recombination when grouped with E. coli chromosome sequences, or by transposition if genes can be cloned at the permissive sites of a transposon. Although transposition has been demonstrated in Z. mobilis, Pappas, KM, et al., (1997) Transposon mutagensesis and strain construction in Zymomonas mobilis (Transposon mutagenesis and strain construction in Zymomonas mobilis), Journal of Applied Microbiology, Vol. 82 , ρ.ρ. 379-388, this has been limited to mini posiçãoμ or Tn5 multiple transposition of phenotypes with auxotrophy or random antibiotic resistance for genetic analysis, and in the case of TnJ derivatives the inserts are described as stable for only 5-15 generations. Pappas, K.M., et seq. P. 383, see Figure 1. Furthermore, insertion at a specific site by homologous recombination in Z. mobilh has not been demonstrated, and no bacteriophage has yet been isolated from Zymomonas.
Os transposons Tn5 e Tn 10 são bem conhecidos e vem sendo amplamente utilizados para a mutagênese e inserção de DNA clonado numa ampla variedade de bactérias gram-negativas. Em Herrero, M„ et ai., (1990) Transposon vectors containing non- resistance antibiotic selection markers for cloning and stable cromossomic insertion of foreign genes ín gram-negative bacterium (Vetores de transposon não contendo marcadores de seleção por resistência antibiótica para clonagem e inserção cromossômica estável de genes alheios em bactérias gram-negativas), J. Bacteriol. 172:6557-6567, a procedimento é revelado para a clonagem e inserção estável de genes alheios no cromossomo de eubactérias gram-negativas através da combinação de dois conjuntos de plasmídeos, (i) as características de transposição de Tn/0 e Tn5, (ii) a resistência a determinados compostos, e (iii) a incidência de propriedades suicidas do plasmídeo pGP704 baseado em R6K. As construções resultantes contém sítios Notl ou SfiI exclusivos internos tanto ao TnJO quanto ao Tn5 repetidores invertidos. Estes sítios são usados para a clonagem de fragmentos de DNA com a ajuda de dois plasmídeos de clonagem especializados adicionais, pUCISNot e pUC18Sfi. As novas construções derivadas são mantidas apenas nas cepas do hospedeiro doador que produzem a proteína π especificada por R6K, que é uma proteína de replicação essencial para R6K e plasmídeos derivados do mesmo. Os plasmídeos do doador contendo transposons híbridos são transformados em uma cepa especializada de E. coíi lisogênica λρή, tal como E. coii. 8ιη10(λρ;>), com um RP4 integrado cromossomicamente que assegura funções de transferência conjugal de ampla faixa de hospedeiro. A distribuição dos plasmídeos do doador para bactérias selecionadas do hospedeiro é consumada através de acasalamento com a cepa alvo. A transposição do transposon híbrido a partir do plasmídeo suicida distribuído para um replicon no alvo é mediada através da transposase cognata codificada no plasmídeo em um sítio externo ao transposon. Como a função transposase não é mantida na célula alvo, tais células são imunes a tentativas de transposição adicional. Inserções múltiplas na mesma cepa ficam portanto apenas limitadas pela disponibilidade de marcadores de seleção diferentes.Tn5 and Tn 10 transposons are well known and have been widely used for mutagenesis and insertion of cloned DNA into a wide variety of gram-negative bacteria. In Herrero, M. et al., (1990) Transposon vectors containing non-resistance antibiotic selection markers for cloning and stable chromosomic insertion of foreign genes in gram-negative bacterium (Transposon vectors not containing antibiotic resistance selection markers for cloning and stable chromosomal insertion of foreign genes into gram-negative bacteria), J. Bacteriol. 172: 6557-6567, the procedure is disclosed for the stable cloning and insertion of extraneous genes into the gram-negative eubacterial chromosome by combining two sets of plasmids, (i) the transposition characteristics of Tn / 0 and Tn5, ( ii) resistance to certain compounds; and (iii) the incidence of suicidal properties of the R6K-based plasmid pGP704. The resulting constructs contain unique Notl or SfiI sites internal to both TnJO and Tn5 inverted repeaters. These sites are used for cloning DNA fragments with the help of two additional specialized cloning plasmids, pUCISNot and pUC18Sfi. The novel derived constructs are maintained only in donor host strains that produce the R6K-specified π protein, which is an essential replication protein for R6K and plasmids derived therefrom. Donor plasmids containing hybrid transposons are transformed into a specialized strain of E. coli lysogenic λρή, such as E. coii. 8ιη10 (λρ;>), with a chromosomally integrated RP4 that ensures broad-band marital transfer functions. The distribution of donor plasmids to selected host bacteria is accomplished by mating with the target strain. Transposition of the hybrid transposon from the distributed suicide plasmid to a target replicon is mediated through the cognate transposase encoded in the plasmid at a site external to the transposon. Since transposase function is not maintained in the target cell, such cells are immune to further transposition attempts. Multiple insertions in the same strain are therefore only limited by the availability of different selection markers.
Revela-se adicionalmente em Herrero, M. et cil., 1990, Mini-Tn5 Transposon Derivatives for Insertion Mutagenesis Promotor Probing, and Genomic Insertion of Cloned DNA in Gram-Negative Bubacteria (Derivados do transposon Mini-Tn5 para sondagem de promotor de mutagênese por inserção, e inserção genômica de DNA clonado em eubactérias Gram- Negativas), Journal de Bacteriol. Vol 172, No. 11, p. 6568-6572, a construção de uma coleção de minitransposons derivados de Tn5, tal como Tn5Tc, que permite a introdução de fragmentos alheios de DNA no cromossomo de uma série de bactérias gram-negativas. Os minitransposons consistem de genes especificando a resistência à quenamicina, e tetraciclina como marcadores de seleção e um sítio de clonagem exclusivo Notl flanqueado por sequências de Tn5 repetidoras de terminal de par de base 19. Os transposons estão localizados num plasmídeo de distribuição suicida baseado em R6K que proporciona o gene tnp transposase ISJOu em eis porém externo ao elemento móvel e cuja transferência conjugal para recebedores é mediada através de funções de mobilização RP4 no doador. Portanto, as inserções produzidas por estes elementos são geralmente mais estáveis devido à ausência de transposições, eliminações e inversões secundárias mediadas por transposase.Further disclosed in Herrero, M. et cil., 1990, Mini-Tn5 Transposon Derivatives for Insertion Mutagenesis Promoter Probing, and Genomic Insertion of Cloned DNA in Gram-Negative Bubacteria (Transposon Mini-Tn5 Derivatives for Mutagenesis Promoter Probing) by insertion, and genomic insertion of cloned DNA into Gram-negative eubacteria), Journal de Bacteriol. Vol 172, No. 11, p. 6568-6572, the construction of a collection of Tn5-derived minitransposons, such as Tn5Tc, that allows the introduction of extraneous DNA fragments into the chromosome of a series of gram-negative bacteria. Minitransposons consist of genes specifying quenamycin resistance, and tetracycline as selection markers and a unique Notl cloning site flanked by base pair 19 repeater Tn5 sequences. The transposons are located on a R6K-based suicide distribution plasmid which provides the ISJOu tnp transposase gene in eis but external to the mobile element and whose marital transfer to recipients is mediated through donor RP4 mobilization functions. Therefore, the insertions produced by these elements are generally more stable due to the absence of transposase-mediated transpositions, deletions and secondary inversions.
Ver também, Berg et al., (1989) Transposable elements and o genetic engineering of bactéria (Elementos transponíveis e a engenharia genética das bactérias), p.p. 879-926, em D.E. Berg, Mobile DNA, American Society for Microbiology, Washington, DC. Diversos estáveis de inserção podem ser obtidos desta maneira com elementos derivados, por exemplo também do Tnlõ. Way, J.C. et al., (1984) New Tn/0 derivatives for transposon mutagenesis and for construetion of lacZ operon fusions by transposition (Novos derivados de Tn/0 para mutagênese de transposon e para a construção de fusões de operon lacZ por meio de transposição). Gene 32: 369-379. A estrutura do mini-Tn5Tc, Herrero, et seq., p. 6569, é revelada para uso para a mutagênese de inserção ou como um vetor de transposon para a clonagem dos fragmentos de DNA flanqueados por sítios Notl (prontamente isolados através da clonagem de fragmentos de DNA primeiramente nos derivados de pUC18 denominados pUC18Not e pUC18Not). O elemento Mini-Tn5Tc é construído, in vitro, utilizando técnicas padronizadas de recombinação de DNA.See also, Berg et al., (1989) Transposable elements and the genetic engineering of bacteria (Transposable elements and the genetic engineering of bacteria), pp. 879-926, in D.E. Berg, Mobile DNA, American Society for Microbiology, Washington, DC. Several insertion stable can be obtained in this way with derived elements, for example also from Tnl6. Way, JC et al., (1984) New Tn / 0 derivatives for transposon mutagenesis and for construction of lacZ operon fusions by transposition (New Tn / 0 derivatives for transposon mutagenesis and for construction of lacZ operon fusions transposition). Gene 32: 369-379. The structure of the mini-Tn5Tc, Herrero, et seq., P. 6569, is disclosed for use for insertion mutagenesis or as a transposon vector for cloning DNA fragments flanked by Notl sites (readily isolated by cloning DNA fragments primarily into pUC18 derivatives called pUC18Not and pUC18Not). The Mini-Tn5Tc element is constructed in vitro using standard DNA recombination techniques.
Maniatis, T., et al„ (1989) Molecular cloning: a laboratory manual (Clonagem molecular: um manual de laboratório), Cold Spring Harbor Laboratory, Cold Spring Harbor-, N.Y. O fator determinante para a resistência à (Tc) é obtido como um fragmento de £a?RI a partir de plasmídeos portando estes como um interposon. Fellay, R., et ai (1987) Interposon mutagensesis of soil and water bactéria: a family of DNA fragments designed for in vitro insertion mutagenesis of Gram- negative bactéria (Mutagênese interposon de bactérias do solo e da água: uma família de fragmentos de DNA projetados para mutagênese por inserção in vitro de bactérias Gram- negativas), Gene 52: 147-154. Este fragmento é subseqüentemente clonado no único sítio EcoRl de pUCISSfi, extirpado como um fragmento de Sfd, e inserido entre os terminais de par de base Tn5 19 no pUT de maneira que a unidade móvel esteja presente em todos os casos como uma parte Xbal-EcoRl (parcial) parte do plasmídeo de distribuição. O elemento resultante é o mini-Tn57c.Maniatis, T., et al (1989) Molecular cloning: a laboratory manual, Cold Spring Harbor Laboratory, Cold Spring Harbor-, NY The determining factor for (Tc) resistance is obtained. as a fragment of R a RI from plasmids carrying these as an interposon. Fellay, R., et al (1987) Interposon mutagensesis of soil and water bacteria: a family of DNA fragments designed for in vitro insertion mutagenesis of Gram-negative bacteria (Interposon mutagenesis of soil and water bacteria: a family of fragments of DNA designed for in vitro insertion mutagenesis of Gram-negative bacteria), Gene 52: 147-154. This fragment is subsequently cloned into the single pUCISSfi EcoR1 site, excised as an Sfd fragment, and inserted between the Tn5 19 base pair terminals in the pUT so that the mobile unit is present in all cases as an Xbal-EcoRl moiety. (partial) part of the distribution plasmid. The resulting element is the mini Tn57c.
Os sistemas de distribuição do vetor transposon baseado em TnlO estão descritos em Herrero, M., et seq. 172:6557-6567. O λ-fago, um derivado do XRP167, carrega um inserto de 5,1-kb contendo o elemento mini-Tn/OKm e o gene de transposase de IS/(¾ está localizado no lado de fora dos repetidores invertidos do elemento móvel e à jusante do promotor pTdc. Para obter um plasmídeo de distribuição de transposon com uma regulação de sua transposição independente do hospedeiro, o fragmento de inserto EcoRl é ligado a pBOR8, um derivado de pGP704 contendo o gene lacE proveniente do plasmídeo pMJR1560. Este plasmídeo é incapaz de se replicar nas cepas de hospedeiro desprovidas do produto da proteína do π especificada por RóK do gene pir. O pGP704 contém a origem de transferência conjugal (seqiiência oriT) do plasmídeo RP4 e pode portanto ser transferido para uma bactéria grarn- negativa quando disposta em trans com funções de mobilização (Mob). O fragmento Mlu.1 interno aos repetidores invertidos contendo o produto de proteína π original especificado do gene original de resistência à quenamicina do mini-Tn/0 é substituído por um fragmento contendo um cassete S/íI-Ptt, adequadamente modificado através da adição do sítio Notl e de adaptadores Mtul, que produziram o pLODPtt. Esta construção apresenta sítios de clonagem exclusivos Sftl, Notl, e Xbal entre os repetidores invertidos mini-Tn/0. O marcador de resistência Ptt (Ptt1) de pLOFPtt é trocado por resistência à quenamicina para produzir o plasmídeo pLOFKm.Tn10-based transposon vector delivery systems are described in Herrero, M., et seq. 172: 6557-6567. The λ-phage, a derivative of XRP167, carries a 5.1-kb insert containing the mini-Tn / OKm element and the IS / (¾ transposase gene) is located outside the inverted repeaters of the mobile element and downstream of the pTdc promoter To obtain a transposon delivery plasmid with host-independent transposition regulation, the EcoR1 insert fragment is ligated to pBOR8, a derivative of pGP704 containing the lacE gene from plasmid pMJR1560. unable to replicate in host strains devoid of the pir gene RKK-specified π protein product pGP704 contains the marital transfer origin (oriT sequence) of plasmid RP4 and can therefore be transferred to a gregaregative bacterium when disposed. in trans with mobilization functions (Mob) The Mlu.1 fragment internal to inverted repeaters containing the specified original π protein product of the original resistance gene kanamycin mini-Tn / 0 is replaced with a fragment containing an S / II-Ptt cassette, appropriately modified by the addition of the NotI site and Mtul adapters, which produced the pLODPtt. This construct features unique cloning sites Sftl, Notl, and Xbal among mini-Tn / 0 inverted repeaters. PLOFPtt resistance marker Ptt (Ptt1) is exchanged for quenamycin resistance to produce plasmid pLOFKm.
Em vista do que foi exposto acima, existe urna necessidade de construção de cepas de Z. mobilis recombinantes estáveis que sejam capazes de fermentar xilose e arabinose, oif ambos em etanol através da geração de insertos genômicos estáveis que codifiquem as enzimas qpe são necessárias para o catabolismo de xilose e arabinose. As cepas deveríam ser isentas de resistência antibiótica e estáveis durante mais do que 40 gerações em um meio não-seletivo. É também desejável que as cepas demonstrem uma elevada taxa específica de formação de produto próxima do rendimento máximo teórico de produto.In view of the foregoing, there is a need for the construction of stable recombinant Z. mobilis strains capable of fermenting xylose and arabinose, both of which in ethanol through the generation of stable genomic inserts encoding enzymes which are necessary for the development of the enzyme. xylose and arabinose catabolism. The strains should be free of antibiotic resistance and stable for more than 40 generations in a non-selective medium. It is also desirable that the strains demonstrate a high specific rate of product formation close to the theoretical maximum product yield.
Apresentação da Invenção Constitui um objeto da presente invenção prover elementos transponíveis e vetores plasmídeos úteis para a integração estável de estruturas de gene alheias, codificando enzimas selecionadas do grupo composto por xilAxilB, tal/tkt, e araBAD e pelo menos um gene regulador para a indução das estruturas de gene, em um genoma do Z. mobilis.Disclosure of the Invention It is an object of the present invention to provide transposable elements and plasmid vectors useful for stable integration of foreign gene structures, encoding enzymes selected from the group consisting of xylAxylB, tal / tkt, and araBAD and at least one regulatory gene for induction. of gene structures in a genome of Z. mobilis.
Constitui ainda um objeto adicional da presente invenção prover cepas de Z. mobilis significativamente diferentes capazes de expressão estável das estruturas de gene em um meio de não-seleção.It is a further object of the present invention to provide significantly different Z. mobilis strains capable of stable expression of gene structures in a non-selection medium.
Constitui ainda um outro objeto da presente invenção prover cepas de Z. mobilis significativamente diferentes, apresentando expressão estável das estruturas de gene, porém que sejam caracterizadas por uma alta taxa de formação de produto específico e eficiência de conversão, quando usadas corno bio-catalisadores em urna mistura de reação de hidrosalisado de celulose.It is yet another object of the present invention to provide significantly different Z. mobilis strains showing stable expression of gene structures, but which are characterized by a high rate of specific product formation and conversion efficiency when used as bio-catalysts in a reaction mixture of cellulose hydrosalysate.
Para superar os problemas associados com o estado da técnica relacionado e de acordo com a finalidade da presente invenção, conforme incorporada e amplamente descrita no presente documento, a presente invenção inclui brevemente: um transposon para inserção estável de genes alheios dentro de um genoma bacteriano, incluindo: pelo menos um operon apresentando estruturas de gene codificando enzimas selecionadas do grupo composto por xilAxilB, araBAD e tal/tkt, e pelo menos um promotor para a expressão das estruturas de gene na bactéria, um par de seqiiências de inserção invertidas, os operons contidos dentro das sequências de inserção, e um gene de transposase localizado no lado de fora das seqiiências de inserção; um vetor lançador plasmídeo para transformação de genes alheios dentro de um genoma bacteriano, incluindo: pelo menos um operon apresentando estruturas de gene codificando enzimas selecionadas do grupo composto por xiíAxilB, araBAD e tal/tkt, pelo menos um promotor para expressão das estruturas de gene na bactéria, e pelo menos dois fragmentos de DNA apresentando homologia com um gene no genoma da bactéria a ser transformada. O transposon e o vetor lançador são úteis na construção de cepas de Zymomonas mobilis significativamente diferentes, de acordo com a presente invenção, que são úteis na conversão dos açúcares de pentose derivados de celulose em combustíveis e produtos químicos, utilizando tecnologia de fermentação tradicional, porque são estáveis para a expressão em um meio de não-seleção.In order to overcome the problems associated with the related state of the art and according to the purpose of the present invention, as incorporated and broadly described herein, the present invention briefly includes: a transposon for stable insertion of foreign genes within a bacterial genome, including: at least one operon displaying enzyme encoding gene structures selected from the group consisting of xylAxilB, araBAD and tal / tkt, and at least one promoter for the expression of gene structures in the bacterium, a pair of inverted insertion sequences, the operons contained within the insertion sequences, and a transposase gene located outside the insertion sequences; a plasmid launcher vector for transforming foreign genes within a bacterial genome, including: at least one operon displaying gene structures encoding enzymes selected from the group consisting of xiAxylB, araBAD and tal / tkt, at least one promoter for expression of gene structures in the bacterium, and at least two DNA fragments showing homology to a gene in the genome of the bacterium to be transformed. The transposon and the launcher vector are useful in constructing significantly different Zymomonas mobilis strains according to the present invention which are useful in converting cellulose-derived pentose sugars into fuels and chemicals using traditional fermentation technology because are stable for expression in a non-selection medium.
Vantagens adicionais da presente invenção serão definidas em parte na descrição que se segue e em parte ficarão óbvias a partir daquela descrição ou poderão ser deduzidas a partir da prática da presente invenção. As vantagens da presente invenção podem ser realizadas e obtidas através do método particularmente indicado nas reivindicações apensas.Additional advantages of the present invention will be defined in part in the following description and in part will be obvious from that description or may be deduced from the practice of the present invention. The advantages of the present invention may be realized and obtained by the method particularly indicated in the appended claims.
Breve Descrição das Figuras As figuras anexas, que estão incorporadas e que constituem uma parte integrante da presente especificação, ilustram pelo menos uma incorporação da presente invenção e, juntamente com a referida descrição, explicam os princípios da presente invenção. A Figura 1 é um mapa de plasmídeo de Mini-Tn5 Tc em pGP704 contendo o operon de assimilação de xilose de acordo com a presente invenção. A Figura 2 é uma série de mapas de plasmídeo ilustrando as construções da série mini-Tn5, de acordo com a presente invenção. A Figura 3 é uma ilustração da série de construções resultando no mapa de plasmídeo de pVCtaltktSfi. A Figura 4 apresenta os resultados da Análise Southern de transconjugados de taUtkt-xilAxilB Z. mobilis com a sonda Tal, C é o mini Tn5 tal/tkt-xilAxHB do plasmídeo de controle. λΗ é o marcador de tamanho do DNA. A Figura 5 apresenta os resultados da Análise Southern de transconjugados de tal/tkt-xilAxilB Z. mobilis com sonda Tnp. C é o mini-TnJ tcã/tkt-xilAxilB do plasmídeo de controle. λΗ é o marcador de tamanho do DNA. A Figura 6 é um gráfico das atividades enzimáticas para diversos isolados da cepa de Z. mobilis estável fermentadora de xilose de acordo com a presente invenção. A Figura 7 ilustra os gráficos dos perfis de fermentação para quatro dos isolados (nos. 21, 22 e 5) da Figura 6 e deus desempenhos em relação à cepas portadoras de plasmídeo 39673/pZB4 e BCl/pZB4L. A Figura 8 é uma representação gráfica que ilustra a estabilidade das cepas de Z mobilis estáveis fermentadoras de xilose C25 e D95 de acordo com a presente invenção. O gráfico ilustra a estabilidade das cepas fermentadoras de xilose portadoras de plasmídeo e integradas ao genoma, utilizando o rendimento do processo de etanol e os parâmetros de utilização de xilose corno indicadores. As cepas C25 e D95 da presente invenção permaneceram estáveis por mais do que 90 gerações. O meio de fermentação compreendeu RM com 1% de glicose e 5% de xilose e a temperatura era constante de 30°C. A Figura 9 ilustra a concentração de biomassa em densidade ótica (ODSoo), a utilização de xilose em função do tempo, a produção de etanol em função do tempo, e o rendimento do processo comparado à utilização percentual de xilose para a fermentação em lotes das cepas fermentadoras de xilose integradas ao genoma, C25 e D95, em um meio RM contendo 4,5% de glicose, e 4,5% de xilose sob um pH de 5,0 e sob um pH de 5,5 numa temperatura de 30° C, de acordo com a presente invenção.Brief Description of the Figures The accompanying figures, which are incorporated and form an integral part of the present specification, illustrate at least one embodiment of the present invention and together with said description explain the principles of the present invention. Figure 1 is a plasmid map of Mini-Tn5 Tc in pGP704 containing the xylose assimilation operon according to the present invention. Figure 2 is a series of plasmid maps illustrating the mini-Tn5 series constructs according to the present invention. Figure 3 is an illustration of the series of constructs resulting in the pVCtaltktSfi plasmid map. Figure 4 shows the results of the Southern Analysis of taUtkt-xylAxilB Z. mobilis transconjugates with the Tal probe, C is the mini Tn5 tal / tkt-xylAxHB of the control plasmid. λΗ is the DNA size marker. Figure 5 shows the results of Southern Analysis of tal / tkt-xylAxylB Z. mobilis transconjugates with Tnp probe. C is the tcJ / tkt-xylAxilB mini-TnJ of the control plasmid. λΗ is the DNA size marker. Figure 6 is a graph of the enzymatic activities for various isolates of the stable xylose fermenting Z. mobilis strain according to the present invention. Figure 7 illustrates the graphs of fermentation profiles for four of the isolates (Nos. 21, 22 and 5) of Figure 6 and their performance relative to plasmid carrying strains 39673 / pZB4 and BCl / pZB4L. Figure 8 is a graphical representation illustrating the stability of stable xylose fermenting Z25 mobilis strains C25 and D95 according to the present invention. The graph illustrates the stability of plasmid-bearing and genome-integrated xylose fermentor strains using the ethanol process yield and xylose utilization parameters as indicators. The C25 and D95 strains of the present invention have remained stable for more than 90 generations. The fermentation medium comprised 1% glucose and 5% xylose RM and the temperature was constant at 30 ° C. Figure 9 illustrates the optical density biomass concentration (ODSoo), the xylose utilization as a function of time, the ethanol production as a function of time, and the process yield compared to the xylose percentage utilization for batch fermentation of genome-integrated xylose fermentor strains C25 and D95 in RM medium containing 4.5% glucose and 4.5% xylose under pH 5.0 and pH 5.5 at 30 ° C ° C according to the present invention.
A Figura 10 é um mapa do plasmídeo integrativo pZB 1862-ldhL-ara. O amBAD é inserido no sítio Notl do klhL interrompendo o lãh. A construção está baseada no plasmídeo replicante pZB 1862 do Z. mobilis. A Figura 1! é o mapa de plasmídeo de Tn/OG. IS 10r é o gene de transposase. IR é a seqiiência do transposon de repetição invertida. O ArciBAD foi inserido entre os dois repetidores invertidos nos sítios NotI. A Figura 12 ilustra a análise Southern das cepas de Z. mobilis fermentadoras de xilose/arabinose integradas ao genoma a partir da recombinação de homólogos utilizando sondas DIG-ara e DIG-ldh. AX1, 13, 23, 101, 104, e 107 são integrantes de araBAD. C25 é o controle de hospedeiro. pZB 1 %62-ldhL-ara é uma forma isolada do controle de plasmídeo DH5a. λ/Η é um marcador de peso molecular: 23, 9,4, 6,6 4,3, 2,3 e 2,0 kb. A Figura 13 representa a análise Southern das cepas de Z. mobilis fermentadoras de xilose/arabinose integradas ao genoma a partir da integração do transposon utilizando sondas DIG-tnp e DIG-ara. G5,6,l 1,15,17,14 e 19 são integrantes do araBAD. C25 é o controle de hospedeiro. Tn/OG é o controle de plasmídeo. λΗ é um marcador de peso molecular: 23,9,4,6,6,4,3,2,3 e 2,0 kb. A Figura 13 (a) é a digestão tnp Pstl e a Figura 13 (b) é a sonda para digestão Pstl. A Figura 14 representa gráficos de barra das atividades enzimáticas da transquetolase, transaldolase, xilose isomerase e xiluloquinase das cepas dos integrados genômicos. 206C/pZB301 é um controle de plasmídeo. 206C é um controle de hospedeiro. C25 é o integrante fermentador de xilose. G8 é o integrante fermentador de xilose/arabinose da transposição Tn/0. AX1 e AX101 são os integrantes de fermentação de xilose/arabinose provenientes da recombinação de homólogos. A Figura 15 representa resultados em gráficos de barras das atividades enzimáticas de L-arabinose isomerase, L-ribuloquinase e L-ribulose-5-fosfato-4 epimerase de cepas integradas genômicas. 206C/pZB30! é um controle de plasmídeo. 206C é um controle de hospedeiro. C25 é o integrante fermentador de xilose. G8 é a forma integrante fermentadora de xilose/arabinose da transposição Tn/0. AXI e AXI01 são os integrantes de fermentação de xilose/arabinose provenientes da recombinação de homólogos. A Figura 16 representa o resultado em gráfico de barras dos rendimentos do processamento de etanol das cepas integradas genômicas de Zymomonas fermentadoras de xilose e arabinose em RMGXA (1:2:2%) numa temperatura T=30° C, sem controle de pH. estas cepas eram culturas de formas inoculadas em várias gerações em meios não-seletivos. A Figura 17 representa o resultado em gráficos de barras da utilização de xilose e arabinose das cepas integradas genômicas de Zymomonas fermentadoras de xilose e arabinose em RM contendo 1% de glicose, 2% de xilose e 2% de arabinose numa temperatura de 30°C com controle de pH. estas cepas eram culturas de formas inoculadas em várias gerações em meios não-seletivos. A Figura 18 é uma representação em gráfico de linhas do desempenho de fermentação das cepas integradas genômicas de Zymomonas fermentadoras de xilose e arabinose em RM contendo 4% de glicose, 4% de xilose e 2% de arabinose sob um pH de 5,5 e temperatura de 30°C.Figure 10 is a map of integrative plasmid pZB 1862-ldhL-ara. AmBAD is inserted into the klL Notl site, interrupting the wool. The construct is based on the Z. mobilis replicating plasmid pZB 1862. Figure 1! is the Tn / OG plasmid map. IS 10r is the transposase gene. IR is the sequence of the inverted repeating transposon. ArciBAD was inserted between the two inverted repeaters at NotI sites. Figure 12 illustrates Southern analysis of genome-integrated xylose / arabinose fermenting Z. mobilis strains from homologous recombination using DIG-ara and DIG-1dh probes. AX1, 13, 23, 101, 104, and 107 are members of araBAD. C25 is the host control. 1% pZB 62-ldhL-ara is an isolated form of DH5a plasmid control. λ / Η is a molecular weight marker: 23, 9.4, 6.6 4.3, 2.3 and 2.0 kb. Figure 13 represents the Southern analysis of genome-integrated xylose / arabinose fermenting Z. mobilis strains from transposon integration using DIG-tnp and DIG-ara probes. G5,6, 1,15,17,14 and 19 are members of araBAD. C25 is the host control. Tn / OG is the plasmid control. λΗ is a molecular weight marker: 23,9,4,6,6,4,3,2,3 and 2,0 kb. Figure 13 (a) is the Pstl tnp digestion and Figure 13 (b) is the Pstl digestion probe. Figure 14 represents bar graphs of the enzymatic activities of transquetolase, transaldolase, xylose isomerase and xylulokinase of genomic integrated strains. 206C / pZB301 is a plasmid control. 206C is a host control. C25 is the integral xylose fermenter. G8 is the xylose / arabinose fermenting member of the Tn / 0 transposition. AX1 and AX101 are the members of xylose / arabinose fermentation from homologous recombination. Figure 15 represents bar graph results of the enzymatic activities of L-arabinose isomerase, L-ribulokinase and L-ribulose-5-phosphate-4 epimerase from genomic integrated strains. 206C / pZB30! It is a plasmid control. 206C is a host control. C25 is the integral xylose fermenter. G8 is the integrating xylose / arabinose fermenting form of the Tn / 0 transposition. AXI and AXI01 are the members of xylose / arabinose fermentation from homologous recombination. Figure 16 represents the bar graph result of ethanol processing yields of genomic integrated strains of xylose and arabinose fermenting Zymomonas in RMGXA (1: 2: 2%) at a temperature T = 30 ° C, without pH control. These strains were cultures of forms inoculated over generations in non-selective media. Figure 17 represents the bar graph result of the use of xylose and arabinose from genomic integrated strains of xylose and arabinose fermenter Zymomonas in RM containing 1% glucose, 2% xylose and 2% arabinose at a temperature of 30 ° C. with pH control. These strains were cultures of forms inoculated over generations in non-selective media. Figure 18 is a graphical representation of the fermentation performance of the genomic integrated strains of xylose and arabinose fermenter Zymomonas in RM containing 4% glucose, 4% xylose and 2% arabinose at a pH of 5.5 and temperature of 30 ° C.
Descrição detalhada das Figuras Exceto quando especificamente definido de outra maneira, todos os termos técnicos ou científicos aqui utilizados apresentam o mesmo significado usualmente entendido por um indivíduo com conhecimento mediano da técnica à qual pertence a presente invenção. Embora quaisquer métodos e materiais similares ou equivalentes àqueles aqui descritos possam ser usados na prática ou teste da presente invenção, os métodos e materiais preferenciais serão agora descritos. Todas as Patentes dos Estados Unidos da América do Norte são aqui incorporadas por referência tal como integralmente definidas no presente documento.Detailed Description of the Figures Except as specifically defined otherwise, all technical or scientific terms used herein have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which the present invention belongs. While any methods and materials similar or equivalent to those described herein may be used in the practice or testing of the present invention, preferred methods and materials will now be described. All United States Patents are incorporated herein by reference as fully defined herein.
Faremos agora referência em detalhe às incorporações atualmente preferenciais da presente invenção, exemplos da qual estão ilustrados nas Figuras anexas. Para os exemplos descritos abaixo, “cepas portando plasmídeo” se refere ou relaciona àquelas cepas e vetores descritos nas Patentes dos Estados Unidos da América do Norte identificadas na Descrição do Estado da Técnica. O “genoma do Z. mobilis, ου Z. mobiiis genômico” significa os genes que, em tolo, especificam todas as características expressas e potencialmente expressáveis associadas a um dado Z. mobilis. C25 se refere à Designação do Depósito de Pedido de Patente PTA-1799 do Zymomonas mobilis', AX se refere à Designação do Depósito de Pedido de Patente do Zymomonas mobilis PTA-1797; G8 se refere à Designação do Depósito de Pedido de Patente PTA-1796 do Zymomonas mobilis, mim-TnS-tal/tkt-xilAxilB se refere à Designação do Depósito de Pedido de Patente PTA-1798 Escherichia coli: DH5· (pZb 1862~/c//iL-ara); e C25 se refere à Designação do Depósito de Pedido de Patente PTA-1799 do Zymomonas mobilis. Todos os itens acima se encontram depositados no American Type Culture Collection, 10801 University Blvd., Manassas, VA 201 10-2209, recebidos em 02 de Maio de 2000, de acordo com o Tratado de Budapest sobre o Reconhecimento Internacional do Depósito de Microorganismos para Efeitos de Procedimento de Patente e foram devidamente aceitos.We will now refer in detail to the presently preferred embodiments of the present invention, examples of which are illustrated in the accompanying Figures. For the examples described below, "plasmid-bearing strains" refers to or relates to those strains and vectors described in United States Patents identified in the State of the Art Description. The “genome of Z. mobilis, ου Z. mobiiis genomic” means genes that foolishly specify all the expressed and potentially expressive characteristics associated with a given Z. mobilis. C25 refers to Zymomonas mobilis' Patent Application PTA-1799 Designation, AX refers to Zymomonas mobilis PTA-1797 Patent Application Designation; G8 refers to Zymomonas mobilis PTA-1796 Patent Application Designation, mim-TnS-tal / tkt-xylAxilB refers to PTA-1798 Escherichia coli Patent Application Designation: DH5 · (pZb 1862 ~ / (// iL-ara); and C25 refers to Zymomonas mobilis Patent Application PTA-1799 Designation. All of the above are deposited with the American Type Culture Collection, 10801 University Blvd., Manassas, VA 201 10-2209, received on May 2, 2000, in accordance with the Budapest Treaty on the International Recognition of the Deposit of Microorganisms for Patent Procedure Effects and have been duly accepted.
Exemplos Cepas, Plasmídeos, e Meios.Examples Strains, Plasmids, and Media.
As cepas bacterianas do E. coli CC118Xipir), CC118λ(/?ί>) (mini-tn5Tc), SM lOXipir), e os plasmídeos pUC19, pLOF/Km, pUC18sfi, pUT/Tc contendo minitransposons Tn5, Tn 10 e pUC18Not foram obtidas a partir de Dr. K. Timmis, GBF - Gesellschaft Fur Biotechnololgische Forschung mbH, Mascheroder weg 1 D - 38124 Braunschweig, Federal Republic de Germany. O E. coli DH5a foi utilizado como um hospedeiro para a construção dos plasmídeos. A SMIOLpir do E. coli foi utilizado como cepa doadora em experiências de acasalamento. As cepas de Z. mobilis ATCC 39676 e seu derivado, 206C (Patente dos Estados Unidos da América do Norte N° 5,843,760) foram usadas como receptoras de acordo com a presente invenção, plasmídeos baseados em Tn/0 foram construídos e mantidos em E. coli CC1 18.The bacterial strains of E. coli CC118Xipir), CC118λ (/? Ί>) (mini-tn5Tc), SM10Xipir), and plasmids pUC19, pLOF / Km, pUC18sfi, pUT / Tc containing Tn5, Tn 10 and pUC18Not minitransposons were obtained from Dr. K. Timmis, GBF - Gesellschaft Fur Biotechnololgische Forschung mbH, Mascheroder weg 1 D - 38124 Braunschweig, Federal Republic of Germany. E. coli DH5a was used as a host for plasmid construction. E. coli SMIOLpir was used as a donor strain in mating experiments. Strains of Z. mobilis ATCC 39676 and its derivative, 206C (United States Patent No. 5,843,760) were used as recipients according to the present invention. Tn / 0-based plasmids were constructed and maintained in E. coli CC1 18.
Cepas de E. coli foram cultivadas em meio LB numa temperatura de 37° C. Cepas de Z. mobilis foram mantidas de maneira anaeróbica em RM (extrato de levedura a 10 g/L, KH2PO4 a 2g/L) suplementadas com glicose, D-xilose ou L-arabinose a 20g/L, exceto onde especificado de maneira diferente desta. Todas as cepas contendo plasmídeos foram desenvolvidas em presença de tetraciclina (Tc) ((10pg/ml em Z. mobilis líquido, e E. coli; 20 pg/ml em agar para Z. mobilis; e 15 pg/ml em agar, ou ampicilina (Ap), 100 pg/ml para E. coli)). Para a regeneração e seleção de transformantes ou transconjugados de Z. mobilis foram usadas placas de acasalamento ((extrato de levedura a 10 g/L, triptona a 5 g/L, (NH4)2S04 a 2,5 g/L, K2HPO4 a 0,2 g/L e açúcar a 50 g/L)) suplementadas com tetraciclina ou ácido nalidíxico (20 pg/ml). Todas as placas de agar foram feitas com agar a 15 g/L. Técnicas de DNA recombinante. O isolamento de DNA plasmídeo, a digestão de endonuclease por restrição, ligação e transformação, a eleíroforese de agarose e outras técnicas de DNA recombinante foram levadas a cabo de acordo com os protocolos publicados, Sambrook et ai, (1989) Molecular cloning: a laboratory manual (Clonagem molecular: um manual de laboratório), Cold Spring Harbor laboratory press, Cold Spring Harbor, NY, ou as instruções do fabricante do respectivo reagente, que foram especificadas, e são bem conhecidas do estado da técnica. O DNA genômico de Z. mobilis foi extraído utilizando três mililitros de células de um dia para o outro resuspensas em 250 ml de amortecedor EDTA 50 mM Tris-50 mM. As células foram tratadas com lisozima numa temperatura de 37°C durante 30 min e 100 ml de solução de SDS e RNAase a 5% (concentração final igual a 20 ng/ml) foram então adicionadas e a mistura foi incubada durante 30 min adicionais. Foi efetuada uma extração fenol/clorofórmio duas vezes, para remover as proteínas. O DNA genômico foi recuperado através de precipitação de etanol.E. coli strains were cultured in LB medium at a temperature of 37 ° C. Z. mobilis strains were anaerobically maintained on MRI (10 g / L yeast extract, 2g / L KH2PO4) supplemented with glucose, D -xylose or L-arabinose at 20g / L, except where otherwise specified. All strains containing plasmids were developed in the presence of tetracycline (Tc) ((10pg / ml in liquid Z. mobilis, and E. coli; 20 pg / ml in agar for Z. mobilis; and 15 pg / ml in agar, or ampicillin (Ap), 100 pg / ml for E. coli)). For regeneration and selection of Z. mobilis transformants or transconjugates, mating plates were used ((10 g / L yeast extract, 5 g / L tryptone, 2.5 g / L (NH4) 2SO4, K2HPO4 to 0.2 g / l and sugar at 50 g / l)) supplemented with tetracycline or nalidixic acid (20 pg / ml). All agar plates were made with 15 g / L agar. Recombinant DNA techniques. Isolation of plasmid DNA, restriction endonuclease digestion, ligation and transformation, agarose electrophoresis and other recombinant DNA techniques were performed according to published protocols, Sambrook et al. (1989) Molecular cloning: a laboratory manual (Molecular Cloning: A Laboratory Manual), Cold Spring Harbor laboratory press, Cold Spring Harbor, NY, or the reagent manufacturer's instructions, which have been specified, and are well known in the art. Z. mobilis genomic DNA was extracted using three milliliters of cells overnight resuspended in 250 ml of 50 mM Tris-50 mM EDTA buffer. Cells were treated with lysozyme at 37 ° C for 30 min and 100 ml of 5% SDS and RNAase solution (final concentration equal to 20 ng / ml) were then added and the mixture was incubated for an additional 30 min. A phenol / chloroform extraction was performed twice to remove the proteins. Genomic DNA was recovered by ethanol precipitation.
Conjugação e transformação.Conjugation and transformation.
Os plasmídeos foram transferidos a partir das cepas doadoras de E. coli SMlOZpir ou SI7-1 em cepas Z. mobilis através de conjugação com uma técnica de acasalamento de filtro (Conway et al., 1987). Os DNAs plasmídeos foram transformados em células de Z. mobilis ou E. coli através de eletroporação (Zhang et al., 1995)).Plasmids were transferred from E. coli SM1OZpir or SI7-1 donor strains into Z. mobilis strains by conjugation with a filter mating technique (Conway et al., 1987). Plasmid DNAs were transformed into Z. mobilis or E. coli cells by electroporation (Zhang et al., 1995)).
Análise Southern Blot, O DNA foi transferido para uma membrana de nylon utilizando um blotter de pressão Stratagene Posi Blot. As sondas de DNA Tc, xilB, Tnp, e Tal foram rotuladas com digoxigenina-UTP por meio de reações de polimerase em cadeia (Polimerase Chain Reations ou PCR). Foram usados os seguintes inicializadores para o rotulamento do DNA: XilB 5’-TATGGGTTCAGCGGCATGAG-3’ N° DE ID DA SEQ. 3. 5’-ATGGGCATGAGATCCATAGCC-3’ N° DE ID DA SEQ. 4. Τηρ 5 ’ -TCCT A AC AT GGT AACGTTC-3 ’ N° DE ID DA SEQ. 5. 5’-CCAACCTTACCAGAGGGC-3’ N° DE ID DA SEQ. 6.Southern Blot Analysis, DNA was transferred to a nylon membrane using a Stratagene Posi Blot pressure blotter. Tc, xilB, Tnp, and Tal DNA probes were labeled with digoxigenin-UTP by polymerase chain reactions (PCR). The following primers were used for DNA labeling: XilB 5'-TATGGGTTCAGCGGCATGAG-3 'SEQ ID NO. 3. 5'-ATGGGCATGAGATCCATAGCC-3 'SEQ ID NO. 4. Τηρ 5 '-TCCT A AC AT GGT AACGTTC-3' SEQ ID NO. 5. 5'-CCAACCTTACCAGAGGGC-3 'SEQ ID NO. 6
Tal: 5 ’ -CGTCT A A A AG ATTTT A AG A A AGGTTTCG AT ATG ACGG AG A A ATTGACC-3’ N° DE ID DA SEQ. 7.Such: 5 '-CGTCT A A AG ATTTT A AG A AGGTTTCG AT ATG ACGG AG A A ATTGACC-3' SEQ ID NO. 7
5 ’-CATTTTGACTCC AGATCTAG ATTACAGCAGATCGCCG ATC ATTTTTTCC-3’ SEQ ID NO. 8. A prehibridação e hibridação foram efetuadas de acordo com protocolos estabelecidos descritos no kit de hibridação Boehringer Mannheim.5 '-CATTTTGACTCC AGATCTAG ATTACAGCAGATCGCCG ATC ATTTTTTCC-3' SEQ ID NO. 8. Prehybridization and hybridization were performed according to established protocols described in the Boehringer Mannheim Hybridization Kit.
EXEMPLO I O exemplo a seguir ilustra a construção de Mini-Tn5Tc contendo genes codificando as enzimas de assimilação de xilose e a transferência conjugal desta construção em Z. mobilis 206C e ATCC 39676. O Mini-TnJTc contendo gènes codificando as enzimas de assimilação de xilose foi construído através de inserção de um operon Pgap-xilAxitB no sítio exclusivo Notl do Mini-Tn5Tc contido nó plasmídeo pGP704. Ver a Figura 1. Os operons Pgap- xilAxilB foram tomados do plasmídeo pZB4 ou pZB5, ver Patentes dos Estados Unidos da América do Norte N° 5,712,133 e 5,726,053. Os plasmídeos resultantes, designados Mini-Tn5Tc xilA/xilB(X4) e Mini-Tn5Tc xilAxilB (X5), foram transformados na cepa doadora E. coli SM 10Xpir através de eletroporação e acasalados cõm cepas de Z. mobilis ATCC 39676 ou 206C. O Z. mobilis 206C está revelado na Patente dos Estados Unidos da América do Norte N° 5,843,760 que é aqui incorporada a título de referência. Nove transconjugados de Zyntomonas Tcr foram obtidos a partir de ambos os doadores 8Μ!0λρό' contendo Mini-Tn5Tcxí7Ar//ZJ (X4) e Mini-Tn5 Tc xilAxilB (X5) através de seleção em meios media contendo Tc e ácido nalidíxico. Ver a Figura 2(b). O DNA genômico e o DNA plasmídeo dos nove transconjugados Z.EXAMPLE 10 The following example illustrates the construction of Mini-Tn5Tc containing genes encoding xylose assimilation enzymes and the marital transfer of this construct into Z. mobilis 206C and ATCC 39676. The Mini-TnJTc containing genes encoding xylose assimilation enzymes was constructed by inserting a Pgap-xilAxitB operon into the unique Notl site of the Mini-Tn5Tc contained in plasmid pGP704. See Figure 1. Pgap-xAXylB operons were taken from plasmid pZB4 or pZB5, see United States Patents No. 5,712,133 and 5,726,053. The resulting plasmids, designated Mini-Tn5Tc xylA / xilB (X4) and Mini-Tn5Tc xylAxilB (X5), were transformed into the donor E. coli SM 10Xpir strain by electroporation and mated as Z. mobilis ATCC 39676 or 206C strains. Z. mobilis 206C is disclosed in United States Patent No. 5,843,760 which is incorporated herein by reference. Nine Zyntomonas Tcr transconjugates were obtained from both 8Μ! 0λρό 'donors containing Mini-Tn5Tcxi7Ar // ZJ (X4) and Mini-Tn5 Tc xylAxylB (X5) by selection on media containing Tc and nalidixic acid. See Figure 2 (b). The genomic DNA and plasmid DNA of the nine Z transconjugates.
mobilis Tc‘ foram então submetidos a análises Southern blot. O DNA genômico e o DNA plasmídeo dos nove transconjugados foram digeridos com Sphl, que secciona no transposon híbrido e no operon de xilose, e os blots foram então hibridados para uma sonda Tc, uma sonda XilB ou uma sonda de transposase Τηρ. A partir do auto-radiográfico determinou-se que: (1) o operon de xilose Pgap-xilAxilB havia sido inserido no genoma do Zymomonas, juntamente com o gene Tc1; (2) apenas uma única inserção havia ocorrido para cada um dos transconjugados; (3) as inserções estavam cada uma em um locaí distinto no genoma; (4) o gene Tc1 e ο XilB não estavam presentes na fração do plasmídeo; e (5) o gene tnp de transpósase não estava presente nos transconjugados. A análise enzimática dos transconjugados de Zymomonas Tc1 Pgap- xilAxiíB foi efetuada com o objetivo de confirmar a expressão de xilose isomerase (XI) e xiluloquinase (XK) nós transconjugados de Zymomonas Tc1 Pgap-xilAxilB. Esta análise revelou que os níveis enzimáticos de xilose isomerase para todos os transconjugados era de cerca de metade daquele de seus plasmídeos equivalentes. De forma similar, cerca de metade da atividade de xiluloquinase das cepas portando plasmídeo foi observada nos integrantes. Tanto as atividades de XI quanto de XK, expressas a partir de uma única cópia dos genes, no genoma do Zymomonas, foram consideravelmente mais elevadas do que se esperava, quando comparadas àquelas das 10 cópias por célula detectadas nas cepas portando plasmídeo. EXEMPLO II (C2S) Este exemplo ilustra que para aumentar a estabilidade genética do Z.Tc ‘mobilis were then subjected to Southern blot analysis. The genomic DNA and plasmid DNA from the nine transconjugates were digested with Sphl, which sectioned on the hybrid transposon and xylose operon, and the blots were then hybridized to a Tc probe, an XilB probe or a Τηρ transposase probe. From the autoradiograph, it was determined that: (1) the Pgap-xylAxilB xylose operon had been inserted into the Zymomonas genome, along with the Tc1 gene; (2) only a single insertion had occurred for each transconjugate; (3) the inserts were each at a distinct locus in the genome; (4) the gene Tc1 and ο XilB were not present in the plasmid fraction; and (5) the transposase tnp gene was not present in the transconjugates. Enzymatic analysis of Zymomonas Tc1 Pgap-xylAxIIB transconjugates was performed to confirm the expression of xylose isomerase (XI) and xylulokinase (XK) Zymomonas Tc1 Pgap-xylAxilB transconjugate nodes. This analysis revealed that xylose isomerase enzyme levels for all transconjugates were about half that of their equivalent plasmids. Similarly, about half of the xylulokinase activity of plasmid-bearing strains was observed in the members. Both XI and XK activities, expressed from a single copy of the genes in the Zymomonas genome, were considerably higher than expected when compared to those of the 10 copies per cell detected in plasmid-bearing strains. EXAMPLE II (C2S) This example illustrates that to increase the genetic stability of Z.
Mobilis recombinante, na ausência de seleção antibiótica, os genes de assimilação de xilose xilA e xilB, codificando xilose isomerase e xiluloquinase, e genes de rota de fosfato pentose, talB e tktA, codificando transaldolase e transquetoláse, foram introduzidos no genoma do Z mobilis, utilizando mini-Tn5. Dois operons contendo Pgap-xilA/xilB e Peno-talB/tktA foram reunidos em mini-Tn.5 e o plasmídeo resultante foi conjugado em um Z. mobilis. Com o auxílio do transpósase localizado no lado de fora do cassete mini-Tnó, cópias individuais do Pgap-xilAxilB e Peno-talB/tktA foram inseridas no genoma do Z mobilis, conforme ilustrado pela hibridação Southern. A análise enzimática de xilose isomerase, xiluloquinase, transaldolase e transaldolase indicou que todos os genes foram expressos de maneira coordenada e que as cepas integradas produziram cerca de 30- 70% das atividades enzimáticas das cepas portando plasmídeo. Estes níveis enzimáticos foram suficientes para o organismo se desenvolver e fermentar xilose em etanol.Recombinant Mobilis, in the absence of antibiotic selection, the xylose and xylB assimilation genes encoding xylose isomerase and xylulokinase, and pentose, talB and tktA phosphate pathway genes encoding transaldolase and transquetolase were introduced into the Z mobilis genome. using mini Tn5. Two operons containing Pgap-xylA / xilB and Peno-talB / tktA were pooled into mini-Tn.5 and the resulting plasmid was conjugated to one Z. mobilis. With the aid of transposase located outside the mini-Tnó cassette, individual copies of Pgap-xylAxilB and Peno-talB / tktA were inserted into the Z mobilis genome, as illustrated by Southern hybridization. Enzymatic analysis of xylose isomerase, xylulokinase, transaldolase and transaldolase indicated that all genes were expressed in a coordinated manner and that the integrated strains produced about 30-70% of the enzymatic activities of the plasmid-bearing strains. These enzyme levels were sufficient for the body to develop and ferment xylose in ethanol.
Para facilitar o processo de clonagem, o fragmento Zíg/ΓΙ contendo o operon Peno-talB/tktA foi inserido no sítio BamHI de um plasmídeo auxiliar recentemente construído, pUSCfiMCS conforme ilustrado na Figura 3, O plasmídeo auxiliar, pUSCfiMCS, foi construído através da inserção de um fragmento EcoB. l-Hind III contendo os sítios de multiclonagem do pUCI9 em pUCSfi. YUCtalíkt foi então construído a partir do pUCpfiMCS e do pUCtaltktSfi, conforme mostrado na Figura.To facilitate the cloning process, the Zig / ΓΙ fragment containing the Peno-talB / tktA operon was inserted into the BamHI site of a newly constructed helper plasmid pUSCfiMCS as shown in Figure 3. The helper plasmid pUSCfiMCS was constructed by insertion. of an EcoB fragment. 1-Hind III containing pUCI9 multicloning sites in pUCSi. YUCtalíkt was then constructed from pUCpfiMCS and pUCtaltktSfi, as shown in Figure.
Fazendo agora referência à Figura 2, o Peno-taiB/tktA foi então extirpado, a partir de pUCtaltktSfi, como um fragmento Sfil e foi utilizado para clonar no mini-tn5-Tc- xilAxUB. Conforme mostrado na Figura, o gene Tcr é flanqueado por sítios Sfil no cassete Tn5-Tc- xilAxilB. O mini-tnS-Tc-xíMxí/fí foi parcialmente e completamente digerido com Sfi I e ligado ao fragmento Peno-talB/tktASfi, conforme ilustrado na Figura 2(c). a digestão parcial produziu um plasmídeo contendo o gene Tcr, designado míni-tn5- Tc tal/tkt-xilAxilB ((Figura 2(c)), enquanto a digestão completa produziu um plasmídeo, de acordo com a presente invenção, sem o gene Tcr, designado min\Tf\5-tal/tkt-xilAxilB. Ver Figura 2(d).Referring now to Figure 2, Peno-taiB / tktA was then excised from pUCtaltktSfi as an Sfil fragment and was used to clone into mini-tn5-Tc-xylAxUB. As shown in the Figure, the Tcr gene is flanked by Sfil sites in the Tn5-Tc-xylAxylB cassette. The mini-tnS-Tc-xMmax / f was partially and completely digested with Sfi I and ligated to the Peno-talB / tktASfi fragment as shown in Figure 2 (c). partial digestion produced a plasmid containing the Tcr gene, designated mini-tn5-Tc tal / tkt-xylAxylB ((Figure 2 (c)), while complete digestion produced a plasmid according to the present invention without the Tcr gene , designated min \ Tf \ 5-tal / tkt-xylAxyl B. See Figure 2 (d).
Ambos os plasmídeos foram transformados na cepa do doador E. coli, SI7-1 e acasalados com Z. mobilis 206C. Os transconjugados resultantes foram selecionados em meios de acasalamento contendo glicose, Tc e ácido nalidíxico para mm\Pn5-tal/tkt-xilAxilB-Tc.Both plasmids were transformed into donor E. coli strain, SI7-1 and mated with Z. mobilis 206C. The resulting transconjugates were selected on mating media containing glucose, Tc and nalidixic acid for mm 2 Pn5-tal / tkt-xylAxylB-Tc.
Para mini-tn5-tal/tkt-xilAxilB, os transconjugados foram selecionados diretamente em meios de acasalamento, contendo xilose e ácido nalidíxico. Um número de transconjugados Tcr (desenvolvidos com glicose) foram obtidos para mini-tn5 tal/tkt-xilAxilB-Tc. Diversos transconjugados desenvolvidos com xilose foram obtidos para mm\-tn5-tal/tkt-xilAxilB.For mini-tn5-tal / tkt-xylAxilB, the transconjugates were selected directly in mating media containing xylose and nalidixic acid. A number of Tcr (glucose-developed) transconjugates were obtained for mini-tn5 tal / tkt-xylAxylB-Tc. Several xylose-developed transconjugates were obtained for mm \ -tn5-tal / tkt-xylAxylB.
Culturas preliminares em lote foram testadas de forma estatística, numa temperatura de 30° C sem controle de pH em garrafas com 80 ml de RM contendo 2% de xilose para sua dinâmica de fermentação. As colônias, tomadas de RM+2% de placas de xilose foram cultivadas em um meio RM com 2% de xilose de um dia para o outro numa temperatura de 20° C até que a cultura tivesse alcançado a fase de desenvolvimento estacionária (densidade ótica6oo = 0,1 a 500 nm), foram usados como inoculo, A Xilose e o etanol foram analisados utilizando um HPLCPreliminary batch cultures were statistically tested at a temperature of 30 ° C without pH control in 80 ml RM bottles containing 2% xylose for their fermentation dynamics. Colonies taken from RM + 2% xylose plaques were grown in a 2% xylose RM medium overnight at a temperature of 20 ° C until the culture had reached the stationary development phase (optical density600). = 0.1 at 500 nm) were used as inoculum. Xylose and ethanol were analyzed using an HPLC.
Hewlett-Packard 1090L equipado com um HP 1047 Um detector de índice refrativo e uma coluna de análise de ácido orgânico Biorad HPX-87H funcionando numa temperatura de 65° C, com uma taxa de fluxo de fase móvel de ácido sulfúrico a 0,01 N de 0,6 ml/min. O rendimento de etanol foi calculado utilizando o peso de açúcar fermentado ou o açúcar total disponível no meio. O rendimento máximo teórico foi baseado oem0,51 g etanol/ g xilose.Hewlett-Packard 1090L equipped with an HP 1047 A refractive index detector and Biorad HPX-87H organic acid analysis column operating at a temperature of 65 ° C with a 0.01 N sulfuric acid mobile phase flow rate 0.6 ml / min. The ethanol yield was calculated using either the weight of fermented sugar or the total sugar available in the medium. The theoretical maximum yield was based on 0.51 g ethanol / g xylose.
A análise Southern blot de amostras de DNA genômico e DNA plasmídeo dos transconjugados Z. mobília foi efetuada com o objetivo de investigar se a transposição do cassete de mini-tn5 tal/tkt-xilAxilB havia ocorrido ou não. Os DNAs genômico e plasmídeo preparados a partir dos quatro transconjugados de míni-tn5 tal/tkt-xilAxilB foram digeridos com Sphl, que corta duas vezes dentro do cassete produzindo um fragmento com homologia de sonda Tal. Os blots foram então hibridizados para a sonda Tal ou para a sonda Tnp. O auto-radiográfico na Figura 4 ilustra que uma banda exclusiva maior do que 4kb (o tamanho do Veno-talB/tktA), que é adjacente ao DNA do Z. mobilis, foi detectado em todas as preparações de DNA genômico quando hibridizado com a sonda Tal. Três das amostras (nos. 22, 23 e 24 possivelmente irmãs) também apresentaram uma banda na fração do plasmídeo, sugerindo que a integração ocorreu no plasmídeo nativo. Fica claro que a integração ocorreu no genoma do Z.Southern blot analysis of genomic DNA and plasmid DNA samples of the Z. furniture transconjugates was performed to investigate whether or not transposition of the mini-tn5 tal / tkt-xylAxilB cassette had occurred. Genomic and plasmid DNAs prepared from the four min-tn5 tal / tkt-xylAxyl B transconjugates were digested with SphI, which cuts twice inside the cassette producing a fragment with Tal probe homology. The blots were then hybridized to either the Tal probe or the Tnp probe. The autoradiograph in Figure 4 illustrates that an exclusive band greater than 4kb (the size of Veno-talB / tktA), which is adjacent to Z. mobilis DNA, was detected in all genomic DNA preparations when hybridized to the. Tal probe. Three of the samples (nos. 22, 23 and 24 possibly sisters) also had a band in the plasmid fraction, suggesting that integration occurred in the native plasmid. It is clear that integration occurred in the Z genome.
mobilis para a amostra no. 21, e apenas uma cópia foi inserida. A hibridação de amostras de DNA genômico e plasmídeo destes transconjugados com uma sonda Tnp (Figura 5) revelaram uma ausência de homologia entre o DNA da amostra e a sonda Tnp. Estes resultados sugeriram que a assimilação de xilose e os genes de rota de fosfato pentose, juntamente com o gene Tc', foram transpostos para o genoma do Z. mobilis, e que apenas uma única inserção ocorreu em cada um dos transconjugados, e as inserções se deram em locais distintos do genoma.mobilis for sample no. 21, and only one copy was inserted. Hybridization of genomic and plasmid DNA samples from these transconjugates with a Tnp probe (Figure 5) revealed an absence of homology between the sample DNA and the Tnp probe. These results suggested that xylose assimilation and the pentose phosphate pathway genes, together with the Tc 'gene, were transposed into the Z. mobilis genome, and that only a single insertion occurred in each of the transconjugates, and the insertions. they occurred in different places of the genome.
As atividades de xilose isomerase, xiluloquinase, transaldolase e transquetolase foram medidas tal como anteriormente descrito em (Zhang et ah, 1995), para os transconjugados de Z mobilis. Tal como definido acima, foi observado que a expressão de uma única cópia Pgap-xilAxilB no genoma foi de cerca de metade da dos enzimáticos XI e XK produzidos para as cepas portadoras de plasmídeo. Entretanto, quando a análise enzimática foi feita para confirmar se a transaldolase (TAL) e transquetolase (TKT) haviam sido expressas nos transconjugados Zymomonas tal/tkt-xilAxilB-Tc e tal/tkt-xilAxilB, conforme ilustrado na Figura 6, revelou-se que os níveis enzimáticos de TAL,-para todos os transconjugados (nos. 4, 5, 17, 18, 21, 23 e 24), foi de cerca de 50-70% daquela de seus plasmídeos equivalentes. Cerca de 30-70% das atividades TKT das cepas portando piasmídeo foram observadas nos integrantes. Embora os integrantes do piasmídeo apresentem atividades TAL e TKT Kgeiramente elevadas, tanto a atividade TAL quanto a TKT, expressas a partir de uma única cópia dos genes no genoma do Zymomonas, foram consideravelmente mais elevadas do que se esperava quando comparadas àquelas das 10 cópias por célula encontradas numa cepa portadora de piasmídeo.The activities of xylose isomerase, xylulokinase, transaldolase and transquetolase were measured as previously described (Zhang et ah, 1995) for Z mobilis transconjugates. As defined above, it was observed that the expression of a single Pgap-xylAxilB copy in the genome was about half that of the enzymes XI and XK produced for the plasmid-bearing strains. However, when enzymatic analysis was performed to confirm whether transaldolase (TAL) and transquetolase (TKT) had been expressed in the Zymomonas tal / tkt-xylAxilB-Tc and tal / tkt-xylAxilB transconjugates, as shown in Figure 6, that the enzyme levels of TAL for all transconjugates (nos. 4, 5, 17, 18, 21, 23 and 24) was about 50-70% of that of their equivalent plasmids. About 30-70% of TKT activities of strains bearing piasmid were observed in the members. Although the members of the piasmid exhibit significantly elevated TAL and TKT activities, both TAL and TKT activity, expressed from a single copy of the genes in the Zymomonas genome, were considerably higher than expected when compared to those of 10 copies per found in a piasmid carrier strain.
Todos os quatro integrantes do tal/tkt-xilAxilB Zymomonas (nos. 21,22, 5 e 1 I) foram capazes de se desenvolver em xilose. Estudos preliminares de fermentação para estes integrantes foram então efetuados utilizando um substrato de 2% de xilose, numa temperatura de 30° C. os perfis de fermentação, para estes integrantes, são apresentados na Figura 7. Na referida Figura, as .taxas de desenvolvimento élitilização de açúcar do integrante no. 21 do Z. mobtlis foram mais lentas do que aquelas da cepa portadora de piasmídeo 39676/pZB4. Entretanto, a maior parte dos integrantes do Z. mobilis (nos. 22, 5 e 1 1 Leram comparáveis às cepas portando piasmídeo.All four members of tal / tkt-xylAxilB Zymomonas (nos. 21,22, 5 and 1 I) were able to develop into xylose. Preliminary fermentation studies for these members were then performed using a 2% xylose substrate at a temperature of 30 ° C. The fermentation profiles for these members are shown in Figure 7. In this Figure, the development rates. sugar elitilization of member no. 21 of Z. mobtlis were slower than those of the piasmid carrier strain 39676 / pZB4. However, most members of Z. mobilis (nos. 22, 5 and 1 1 have read comparable to strains carrying piasmid.
Todos os integrantes produziram etanol a partir de xilose, com 92% do máximo rendimento teórico de produto. A estabilidade destas cepas integradas genômiças e de três cepas portadoras de piasmídeo foi medida em um meio não-seletivo. Todas as cepas foram cultivadas em um meio RMG, e transferidas de forma serial diariamente por cerca de 10 gerações. A cada 40 gerações, as células foram usadas para inocular um frasco de meio RM contendo 1% de glicose e 5% de xilose com o objetivo de medir sua capacidade para fermentar xilose em etanol. Os rendimentos do processamento de etanol e taxas de utilização de xilose foram usados como referência de estabilidade. Duas das cepas integradas genômiças demonstraram estabilidade por xmais do que 90 (C25 e D95) gerações, ao passo cm que as cepas portando plasmídeos (206/pZB4, 206/pZB4L e BC 1 pZB4L) foram estáveis por cerca de 40 gerações. Ver Figura 8. O desempenho de fermentação das cepas C25 e D95 foram analisados em um meio RM contendo concentrações diferentes de glicose e xilose totais (1% de glicose e 5% de xilose; 3% de glicose e 3% de xilose; e 4,5% de glicose e 4,5% de xilose) sob condições de pH controlado. Conforme mostrado na Figura, a cepa C25 demonstrou uma utilização de xilose e rendimentos muito melhores do processamento de etanol tanto com pH de 5 quanto com pH de 5,5 num RM contendo 4,5% de glicose e 4,5% de xilose do que D95. Consequentemente, nos exemplos subsequentes os três genes assimiladores de arabinose (araBAD) foram integrados ao genoma C25. EXEMPLO III (AX) O exemplo a seguir demonstra a introdução das enzimas de assimilação de arabinose no genoma do C25 através da recombínação de homólogos via Idh e a transposição utilizando mini-transposon TnlO. O plasmídeo pZB 1862-ldhL-ara, descrito abaixo, foi utilizado para transformar Z mobilis ou E. coli através de eletroporação. Os transformantes foram selecionados em placas de acasalamento suplementadas com glicose e tetraciclina. Confirmou-se adicionalmente que as colônias de Tc1 eram Ara+Xii+ através do desenvolvimento em RM suplementado com xilose ou arabinose (RMS e RMA). O plasmídeo Tn/OG, também descrito abaixo, foi transferido de um doador E. coli 3Μ10λ/?;> para o Z. mobilis C25 através de conjugação com uma técnica de acasalamento de filtro (Conway et al„ 1987). Os transconjugados resultantes foram selecionados em placas de acasalamento contendo arabinose. A. Construção de pZB1862-IdhL-ara e integração em C25 utilizando recombínação de homólogos.All members produced ethanol from xylose, with 92% of the maximum theoretical product yield. The stability of these genomic integrated strains and three strains carrying piasmid was measured in a non-selective medium. All strains were grown in RMG medium, and serially transferred daily for about 10 generations. Every 40 generations, cells were used to inoculate a RM medium vial containing 1% glucose and 5% xylose to measure their ability to ferment xylose in ethanol. Ethanol processing yields and xylose utilization rates were used as a stability reference. Two of the genomic integrated strains demonstrated stability for more than 90 (C25 and D95) generations, whereas strains carrying plasmids (206 / pZB4, 206 / pZB4L and BC 1 pZB4L) were stable for about 40 generations. See Figure 8. The fermentation performance of C25 and D95 strains were analyzed in an RM medium containing different concentrations of total glucose and xylose (1% glucose and 5% xylose; 3% glucose and 3% xylose; and 4 , 5% glucose and 4.5% xylose) under pH controlled conditions. As shown in the Figure, strain C25 demonstrated much better xylose utilization and ethanol processing yields at both pH 5 and pH 5.5 in an RM containing 4.5% glucose and 4.5% xylose. that D95. Consequently, in the following examples the three arabinose assimilating genes (araBAD) were integrated into the C25 genome. EXAMPLE III (AX) The following example demonstrates the introduction of arabinose assimilation enzymes into the C25 genome by homologous recombination via Idh and transposition using Tn10 mini-transposon. Plasmid pZB 1862-ldhL-ara, described below, was used to transform Z mobilis or E. coli by electroporation. Transformants were selected on mating plates supplemented with glucose and tetracycline. The Tc1 colonies were further confirmed to be Ara + Xii + by development on MRI supplemented with xylose or arabinose (RMS and RMA). Plasmid Tn / OG, also described below, was transferred from an E. coli 3Μ10λ donor to Z. mobilis C25 by conjugation to a filter mating technique (Conway et al., 1987). The resulting transconjugates were selected on mating plates containing arabinose. A. Construction of pZB1862-IdhL-ara and C25 integration using homologous recombination.
Tentativas anteriores de integração de araBAD no genoma do Zymomonas, utilizando um fragmento de !-kb Idh como a região homóloga, não obtiveram êxito.Earlier attempts to integrate araBAD into the Zymomonas genome using an! -Kb Idh fragment as the homologous region were unsuccessful.
Com o objetivo de aumentar a freqüência de recombínação, utilizou-se uma região de homologia maior. Um fragmento de DNA com 2,5-kb, que inclui Idh e a região de flanco foi amplificada utilizando Pfu PCR e DNA do ATCC 39676 do Z. mobilis, vide Patente dos Estados Unidos da América do Norte N° 5,726,053, como molde. Os inicializadores foram designados com base na sequência de DNA do CP4 do Z. mobilis, publicado em Yamano I„ (1993) Journal de Bacteriology (Diário de Bacteriologia), Vol. 175, 3926-3933. Embora um fragmento de 2,5-kb fosse esperado do PCR, de acordo com a sequência publicada, obteve-se .um fragmento de 3,4-kb. Depois da digestão de um fragmento de 3,4-kb com BamHl, foram obtidos dois fragmentos (de 2,5 e 0,9 kb). Ambos os fragmentos foram testados através de PCR, utilizando inicializadores projetados para ,se anelar apenas com o Idh. O fragmento de 2,5-kb produziu um produto PCR do tamanho correto, ao passo em que o fragmento de 0,9-kb não o fez, indicando que o primeiro continha a sequência klh.In order to increase the recombination frequency, a larger homology region was used. A 2.5-kb DNA fragment including Idh and the flank region was amplified using Pfu PCR and Z. mobilis ATCC 39676 DNA, see U.S. Patent No. 5,726,053 as a template. Primers were designated based on the Z. mobilis CP4 DNA sequence, published in Yamano I (1993) Journal of Bacteriology, Vol. 175, 3926-3933. Although a 2.5-kb fragment was expected from PCR, according to the published sequence, a 3,4-kb fragment was obtained. After digestion of a 3,4-kb fragment with BamHl, two fragments (2.5 and 0.9 kb) were obtained. Both fragments were tested by PCR using primers designed to ring only with Idh. The 2.5-kb fragment produced a PCR product of the correct size, whereas the 0.9-kb fragment did not, indicating that the first one contained the klh sequence.
Portanto, o fragmento de 2,5-kb BamRl (denominado ldhL) foi clonado e usado como a região homóloga para a integração de genes no C25. O fragmento ldhL e as sondas ídh, ara e Tnps rotuladas com digoxigenina (DIG) foram amplificadas através de PCR utilizando Pfu (Stratagene, La Jolla, CA) ou Taq DNA polimerase (Qiagen, Valencia, CA). O DIG-UTP foi adquirido da Boehringer Mannheim, Indianapolis, IN. A sonda I foi utilizada como sonda para IS/Or, o gene de transposase de Tn 10. Os produtos PCR para ldhL, tdh, ara, e tnp foram respectivamente 2,5, 1, 1,4 e 0,8 kb,.Therefore, the 2.5-kb BamR1 fragment (called ldhL) was cloned and used as the homologous region for gene integration in C25. The ldhL fragment and digoxigenin-labeled (DIG) -idh, ara and Tnps probes were amplified by PCR using Pfu (Stratagene, La Jolla, CA) or Taq DNA polymerase (Qiagen, Valencia, CA). DIG-UTP was purchased from Boehringer Mannheim, Indianapolis, IN. Probe I was used as a probe for IS / Or, the Tn 10 transposase gene. The PCR products for ldhL, tdh, ara, and tnp were 2.5, 1, 1.4, and 0.8 kb, respectively.
Utilizaram-se as seguintes sequências inicializadoras: ldhL: 5 ’ -TCGCGGATCÇTCT ATCCCTTTATTTTTCT ATCCCC ATC ACCTCGG-3’ N° DE ID DA SEQ. 9. 5’ -TCGCGGATÇÇGCGGCTG AC AT AC ATCTTGCG AAT ATAGGG-3 ’ N° DE ID DA SEQ. 10. DIG-ldh: 5’-TCGCGGATCCGTCTATGCGCGTCGCAATATTCAGTTCC-3’ N° DE ID DA SEQ. 11. 5 ’ -TCGCGG ATCCGTCGCTTGTCT ATT A A AC A AGCGC AT CCGGC- 3 ’ N° DE ID DA SEQ. 12. DIG-ara: 5’-CTAACATGTTGACTCCTTCTCTAGACTTAGCG-3’ N° DE ID DA SEQ. 13. 5’-GTTGAAACCGCTGGGCACCACGC-3’ N° DE ID DA SEQ. 14. DIG-tnp:5’-CGCACT AC AC GGTCGTTCT GTT AC-3 ’ N° DE ID DA SEQ. 15. 5’-GGTTGCAGCCACGAGTAAGTCTTC-3’ N° DE ID DA SEQ. 16.The following primer sequences were used: 1dhL: 5'-TCGCGGATCÇTCT ATCCCTTTATTTTCT ATCCCC ATC ACCTCGG-3 'SEQ ID NO. 9. 5'-TCGCGGATÇGCGGCTG AC AT AC ATCTTGCG AAT ATAGGG-3 'SEQ ID NO. 10. DIG-1dh: 5'-TCGCGGATCCGTCTATGCGCGTCGCAATATTCAGTTCC-3 'SEQ ID NO. 11. 5'-TCGCGG ATCCGTCGCTTGTCT ATT A TO AC AGCGC AT CCGGC-3 'SEQ ID NO. 12. DIG-ara: 5'-CTAACATGTTGACTCCTTCTCTAGACTTAGCG-3 'SEQ ID NO. 13. 5'-GTTGAAACCGCTGGGCACCACGC-3 'SEQ ID NO. 14. DIG-tnp: 5'-CGCACT AC AC GGTCGTTCT GTT AC-3 'SEQ ID NO. 15. 5'-GGTTGCAGCCACGAGTAAGTCTTC-3 'SEQ ID NO. 16
Para fins de clonagem, um sítio Not I foi introduzido em ldhL através de inserção de um oligonucleotídeo 5’-CATGCGCGGCCGCC-3’ no sítio Ncol, que está localizado no meio do gene Idh. O novo sítio Not\ tinha aproximadamente 1,4 e 1,1 kb a partir de qualquer uma das extremidades do ldhL. Um fragmento BamHI de ldhL (2,5 kb) contendo o sítio Notl foi ligado ao pZBI862 num sítio Bell. Finalmente, um Pgap-araBAD de 4,4-kb, isolado a partir de pZB206 (Patentes dos Estados Unidos da América do Norte N° 5,712,133 e 5,726,053), foi clonado no sítio Notl, de IclhL, para formar o plasmídeo integrador, pZB 1862-ldhL-ara. Ver Figura 10. O operon Pgap-araBAD, contendo os três genes assimiladores de arabinose, foi integrado no sítio idh no genoma C25 através de recombinação de homólogos. Para integrar os genes amBAD no genoma de C25, pZB 1862-ldhL-ara foi construído em E. coli DH5a. O plasmídeo pZB 1862-ldhL-ara foi transferido para C25 através de eletroporação. Os transformantes resistentes a Tc foram selecionados e testados quanto ao desenvolvimento em arabinose. Durante a propagação dos transformantes, o Pgap-ara-BAD podería ser integrado ao genoma do C25 através de substituição de ldhL com o cassete \á\\U-ciraBAD-ldhL’ (do plasmídeo) através de recombinação de homólogos.For cloning purposes, a Not I site was introduced into ldhL by insertion of a 5'-CATGCGCGGCCGCC-3 'oligonucleotide at the NcoI site, which is located in the middle of the Idh gene. The new Not \ site was approximately 1.4 and 1.1 kb from either end of the HDL. A 1dHL (2.5 kb) BamHI fragment containing the Notl site was ligated to pZBI862 at a Bell site. Finally, a 4,4-kb Pgap-araBAD isolated from pZB206 (U.S. Patent Nos. 5,712,133 and 5,726,053) was cloned into the IclhL Notl site to form the integrating plasmid, pZB 1862-ldhL-ara. See Figure 10. The Pgap-araBAD operon containing the three arabinose assimilating genes was integrated into the idh site in the C25 genome by homologous recombination. To integrate the amBAD genes into the C25 genome, pZB 1862-ldhL-ara was constructed in E. coli DH5a. Plasmid pZB 1862-ldhL-ara was transferred to C25 by electroporation. Tc resistant transformants were selected and tested for arabinose development. During propagation of transformants, Pgap-ara-BAD could be integrated into the C25 genome by replacing ldhL with the \ u \ ciraBAD-ldhL (plasmid) cassette by homologous recombination.
Para enriquecer e isolar os integrantes, efetuou-se a cura do plasmídeo para os transformantes. O plasmídeo pZB 1862-ldhL-ara irá se replicar em Z. mobilis. Entretanto, o Z. mobilis tende a perder plasmídeos alheios sob condições de desenvolvimento abaixo das ótimas (por exemplo numa temperatura de 37° C). Utilizando esta característica, a cura do pZB 1862-ldhL- ara foi consumada através de subcultura de transformantes C25 numa temperatura de 37° C na ausência de Tc para diversas transferências. Culturas de cada uma das transferências foram monitoradas constantemente quanto à perda do plasmídeo. Quando da terceira transferência, 100% das células se tornaram Tcs, indicando uma perda do plasmídeo. Culturas da 3a, 4 a, 5 " e 6 " transferências foram inoculadas em RM contendo arabinose (RMA), numa temperatura de 30° C, para enriquecer o desenvolvimento de integrantes potenciais do Pgap-araBAD. As células enriquecidas foram transferidas para placas RMG e tomadas em réplica em placas RMA, RMX, e RMGTc. Diversos integrantes (AX) com o fenótipo de Xil+Ara+Tcs foram submetidas para análise adicional, conforme descrito abaixo. Estes integrantes foram capazes de utilizar xilose ou arabinose como sendo a única fonte de carbono. B. Construção de Tn/0G e Conjugação em C25, O Mini-Tnó foi utilizado para construir C25 com operons Peno-tcd/tkt e Pgap-xilAB. Embora o gene de transposase não exista em C25, o míní-Tn/0 foi utilizado para a integração subseqtiente de Pgap-araBAD para evitar qualquer possível incompatibilidade entre os mesmos transposons. O plasmídeo Tn/OG (Figura i 1) foi construído com base no plasmídeo de distribuição baseado em Tn 10, pLOFKm. O gene Km" foi substituído por um fragmento Notl de Pgap-araBAD, isolado a partir de pZB206. O Tn 10G foi construído e mantido em E. coli Cl 18. O plasmídeo foi então transferido para o doador de acasalamento, E. coli SMKW./u> para conjugação com Z. mobilis. Como o Tn/riG é um plasmídeo suicida em Z. mobilis, apenas transconjugados com integração araBAD foram capazes de se desenvolver em placas de acasalamento, suplementadas com arabinose. O doador E. coli SMlOZ/ur foi inibido, nas placas, através da presença de ácido naíidíxico. Os transconjugados apareceram nas placas de acasalamento/placas ara em 7 dias. As colônias foram tomadas em réplica em RMA e RMX para confirmar seus fenótipos. Oitenta e seis por cento das colônias tomadas eram Xil+Ara+. Vinte colônias das placas de tomada foram transferidas de forma cruzada para placas diferentes (de placas de xilose para placas de arabinose ou vice versa). Sessenta porcento destas colônias permaneceram Xil+Ara+.To enrich and isolate the members, the plasmid was cured for the transformants. Plasmid pZB 1862-ldhL-ara will replicate in Z. mobilis. However, Z. mobilis tends to lose foreign plasmids under suboptimal development conditions (for example at a temperature of 37 ° C). Using this feature, the cure of pZB 1862-ldhL-ara was accomplished by subculturing C25 transformants at a temperature of 37 ° C in the absence of Tc for various transfers. Cultures from each transfer were constantly monitored for plasmid loss. By the third transfer, 100% of the cells became Tcs, indicating a plasmid loss. 3rd, 4th, 5th, and 6th-transfer cultures were inoculated into MRI containing arabinose (RMA) at a temperature of 30 ° C to enrich the development of potential Pgap-araBAD integrants. The enriched cells were transferred to RMG plates and replicated on RMA, RMX, and RMGTc plates. Several members (AX) with the Xil + Ara + Tcs phenotype were submitted for further analysis as described below. These members were able to use xylose or arabinose as the sole carbon source. B. Tn / 0G Construction and C25 Conjugation, The Mini-Tnó was used to construct C25 with Peno-tcd / tkt and Pgap-xilAB operons. Although the transposase gene does not exist in C25, the minimum Tn / 0 was used for subsequent integration of Pgap-araBAD to avoid any possible incompatibility between the same transposons. The Tn / OG plasmid (Figure 11) was constructed based on the Tn 10 based distribution plasmid, pLOFKm. The Km "gene was replaced by a Pgap-araBAD Notl fragment isolated from pZB206. Tn 10G was constructed and maintained in E. coli Cl 18. The plasmid was then transferred to the mating donor, E. coli SMKW. Since Tn / riG is a suicide plasmid in Z. mobilis, only araBAD-integrating transconjugates were able to grow on mating plates supplemented with arabinose Donor E. coli SMlOZ / ur was inhibited in the plates by the presence of naidic acid Transconjugates appeared in the mating / ara plates within 7 days The colonies were replicated on RMA and RMX to confirm their phenotypes Eighty-six percent of colonies taken were Xil + Ara + Twenty colonies of the taking plates were cross-transferred to different plates (from xylose plates to arabinose plates or vice versa) Sixty percent of these colonies remained Xil + Ara +.
Vinte colônias foram analisadas·em uma hibridação Southern preliminar (dados não apresentados).Twenty colonies were analyzed on preliminary Southern hybridization (data not shown).
Utilizando a sonda Tnp, cerca de 50% das cepas continham o gene de transposase no genoma. Oito integrantes foram então submetidos a uma análise mais detalhada através de hibridação Southern. A integração de P gap-araBAD em Idh do C25 foi confirmada através de hibridação Southern, para o DNA dos integrantes pZB 1862-ldhL-ara utilizando as sondas rotuladas com DIG ara e Idh. Ver Figura 12(a) e (b). existe apenas um sítio Pstl no pZB 1862-ldhL-ara e ele está localizado em Pgap-araBAD. Portanto esperava-se uma banda de hibridação (12,9 kb) do plasmídeo digerido com Pstl, utilizando a sonda ara. Com o Pgap-arciBAD integrado ao genoma, eram esperadas duas bandas geradas pelo sítio Pstl em Pgap-araBAD e os sítios Pstl adjuntos no genoma localizado no lado de fora do Pgap-araBAD. Os resultados da Figura 13(a) mostraram claramente que duas bandas formam a preparação total de DNA hibridizada com a sonda ara e demonstraram a integração de Pgap-araBAD. A ausência de bandas de hibridação do DNA plasmídeo de integrantes indicou que a integração ocorreu no genoma, ao invés de ocorrer nos plasmídeos nativos. Para demonstrar que o Idh foi interrompido pela integração Pgap-araBAD, o mesmo DNA foi transferido e hibridizado com a sonda Idh. Conforme esperado, os padrões de hibridação dos integrantes foram exatamente os mesmos em ambos os blots, exceto para o C25, conforme ilustrado na Figura 12(b). O DNA total da cepa do hospedeiro, C25, usado para a integração do Pgap-araBAD, que apresenta um Idh intacto, demonstrou apenas uma banda. Os resultados confirmaram que o ciraBAD se havia integrado ao Idh do C25.Using the Tnp probe, about 50% of the strains contained the transposase gene in the genome. Eight members were then subjected to further analysis by Southern hybridization. The integration of P gap-araBAD in C25 Idh was confirmed by Southern hybridization to the DNA of pZB 1862-ldhL-ara integrants using the DIG ara and Idh labeled probes. See Figure 12 (a) and (b). there is only one Pstl site on pZB 1862-ldhL-ara and it is located in Pgap-araBAD. Therefore a hybridization band (12.9 kb) of the Pst1 digested plasmid was expected using the ara probe. With Pgap-arciBAD integrated into the genome, two bands generated by the Pstl site in Pgap-araBAD and the adjunct Pstl sites in the genome outside Pgap-araBAD were expected. The results from Figure 13 (a) clearly showed that two bands form the total DNA preparation hybridized with the ara probe and demonstrated Pgap-araBAD integration. The absence of member plasmid DNA hybridization bands indicated that integration occurred in the genome rather than in native plasmids. To demonstrate that Idh was disrupted by Pgap-araBAD integration, the same DNA was transferred and hybridized to the Idh probe. As expected, the hybridization patterns of the members were exactly the same in both blots except for C25, as shown in Figure 12 (b). The total DNA of the host strain, C25, used for Pgap-araBAD integration, which has an intact Idh, demonstrated only one band. The results confirmed that ciraBAD had integrated with the C25 Idh.
As Figuras 13(a) e (b) ilustram os resultados da hibridação Southern utilizando sondas Tnp e ara rotuladas com DIG, respectivamente, para os oito transposon integrantes Pgap-araBAD gerados pela transposição de Τη/(λ O DNA foi digerido com uma enzima de restrição PstI. O PstI corta Tn/OG em dois fragmentos (7,7 e 5,9 kb) e apenas o fragmento com 5,9-kb porta o gene de transposase (IS/Or). Ambos os fragmentos foram hibridizados com uma sonda ara. De acordo com os blots, apenas G8, G11, G15 e GH17 eram ara- positivos e tap-negativos. Diferentes padrões de banda indicaram que Pgap-araBAD foi integrado em diferentes locais no genoma. Embora não se esperasse que o gene de transposase permanecesse no genoma dos integrantes, quatro cepas (G5, G6, G14 e G19), de oito, continham o gene de transposase. Além disso, G14, e G19 continham o gene de transposase no plasmfdeo. Com uma sonda ara, esperavam-se duas bandas dos integrantes. Entretanto, apenas bandas simples foram observadas. Para solucionar esta ambigüidade, efetuou-se um PCR, para os integrantes, utilizando inicializadores ara e confirmou-se que todos os oito integrantes continham Pgap-araBAD no genoma (dados não exibidos).Figures 13 (a) and (b) illustrate Southern hybridization results using DIG-labeled Tnp and ara probes, respectively, for the eight integrating Pgap-araBAD transposons generated by the posiçãoη / (λ transposition. DNA was digested with an enzyme PstI restriction The PstI cuts Tn / OG into two fragments (7.7 and 5.9 kb) and only the 5.9-kb fragment carries the transposase gene (IS / Or). According to the blots, only G8, G11, G15, and GH17 were both positive and tap-negative, and different band patterns indicated that Pgap-araBAD was integrated at different sites in the genome. transposase gene remained in the integrant genome, four strains (G5, G6, G14 and G19) of eight contained the transposase gene, and G14 and G19 contained the plasmid transposase gene. two bands of the members were expected, but only simple bands were observed. To address this ambiguity, a PCR was performed for the members using ara initializers and it was confirmed that all eight members contained Pgap-araBAD in the genome (data not shown).
Foram ensaiadas a Xilose isomerase (XI), xiluloquinase (XK), L- arabinose isomerase (L-AI), L-ribuloquinase (L-RK), L-ribulose-5-P-4-epimerase (L-Repi), transquetolase(TKT) e transaldolase (TAL), utilizando extratos isentos de células dos integrantes do 2. mobilis e cepas de controle, de acordo com Zhang, et ai, 1995; e Deanda et ai, 1996, com ligeiras modificações. Extratos isentos de células foram preparados através da coleta de culturas na fase de log tardio (30°C, ODÜOo aproximadamente 1,2), lavando-se uma vez com amortecedor de sonicação (10 mM Tris-HCl, com pH de 7,6 MgCL 10 mM) e sonicaçâo. Os detritos de célula foram removidos através de centrifugação (14,000 rpm, por 45 min numa temperatura de 4°C). No ensaio L-AI, os volumes de amostras cronometradas tiveram suas escalas reduzidas pela metade (50μΙ), 70% H2SO4 (1,5 ml) e 0,12% carbazol (50μΙ). Todos os tubos foram mantidos em um banho de água a 25°C, tanto antes quanto depois da adição de H2SO4 a 70%, até a leitura da absorvência. As amostras foram tomadas a 0, 5, 10 e 20 min durante a reação.Xylose isomerase (XI), xylulokinase (XK), L-arabinose isomerase (L-AI), L-ribulokinase (L-RK), L-ribulose-5-P-4-epimerase (L-Repi), transquetolase (TKT) and transaldolase (TAL) using cell-free extracts of the 2. mobilis members and control strains, according to Zhang, et al, 1995; and Deanda et al, 1996, with slight modifications. Cell-free extracts were prepared by harvesting late log cultures (30 ° C, approximately 1.2 OD), once washing with sonication buffer (10 mM Tris-HCl, pH 7.6 10 mM MgCL) and sonication. Cell debris was removed by centrifugation (14,000 rpm for 45 min at 4 ° C). In the L-AI assay, the timed sample volumes were reduced by half (50μΙ), 70% H2SO4 (1.5 mL) and 0.12% carbazole (50μΙ). All tubes were maintained in a 25 ° C water bath both before and after the addition of 70% H2SO4 until absorbance reading. Samples were taken at 0, 5, 10 and 20 min during the reaction.
Embora os integrantes, tanto da recombinação de homólogos quanto da integração de transposon, tenham sido capazes de se desenvolver em D-xilose e L-arabinose, 0 nível de expressão dos genes integrados foi determinado através da medição da atividade enzimática. Isolados C25/AXI, C25/AX10I, e C25/G8 foram escolhidos para os ensaios enzimáticos porque eram os integrantes mais estáveis, conforme determinado nos estudos de estabilidade descritos abaixo. Os resultados dos ensaios enzimáticos estão resumidos nas Figuras 14 e 15. para todos os ensaios (com a exceção do de xiluloquinase), os integrantes apresentaram atividades positivas se comparadas com as dos controles (C25 e/ou 206C). Acredita-se no presente momento que a baixa atividade do XK para os integrantes pode ser devida a um erro experimental, à natureza do ensaio ou mesmo ambos. Na maior parte dos ensaios, (excluindo o da L- ribuloquinase e da xilose isomerase), os integrantes apresentaram atividades mais baixas do que a da cepa portadora de plasmídeo (206C/pZB301). Isto está presumivelmente relacionado ao número de cópia dos genes.Although the integrants of both homologous recombination and transposon integration were able to develop into D-xylose and L-arabinose, the expression level of the integrated genes was determined by measuring enzymatic activity. C25 / AXI, C25 / AX10I, and C25 / G8 isolates were chosen for the enzyme assays because they were the most stable integrants as determined in the stability studies described below. The results of the enzymatic assays are summarized in Figures 14 and 15. For all assays (except for xylulokinase), the members had positive activities compared to controls (C25 and / or 206C). It is believed at the present time that the low activity of XK for members may be due to an experimental error, the nature of the assay or even both. In most assays (excluding L-ribulokinase and xylose isomerase), the members had lower activities than the plasmid carrier strain (206C / pZB301). This is presumably related to the copy number of the genes.
Para estudos de estabilidade, as culturas foram inoculadas em tubos de ensaio contendo RMG, incubadas de um dia para o outro numa temperatura de 30°C, e transferidas diariamente para tubos RMG. O inóculo foi controlado para permitir a transferência a cada 10 gerações. A cada 40 gerações, as células foram usadas para inocular frascos, contendo uma mistura de açúcares, para testar as capacidades de fermentação nos açúcares sem controle de pH numa temperatura de 30°C, Estudos de fermentação em lotes foram efetuados numa temperatura de 30°C com controle de pH em quemostatos Bio-StatQ, uma marca registrada de B, Braun, Allentown, PA., utilizando 500 ml como 0 volume de trabalho. O pH foi automaticamente controlado com KOH 2N. a concentração inicial de açúcar e o pH variaram entre os lotes, dependendo das condições de cultivo. Todos os açúcares usados eram do padrão de reagente. As amostras foram tomadas periodicamente através de fermentação, e analisadas quanto aos açúcares, etanol e sub- produtos com HPLC, conforme descrito anteriormente (Zhang 1995). A densidade ótica, a 600 nm (OD600), foi medida com o objetivo de monitorar o desenvolvimento das células. O rendimento de etanol foi baseado na quantidade de açúcar total disponível.For stability studies, cultures were inoculated into RMG-containing test tubes, incubated overnight at 30 ° C, and transferred daily to RMG tubes. The inoculum was controlled to allow transfer every 10 generations. Every 40 generations, cells were used to inoculate flasks containing a sugar mixture to test fermentation capacities on uncontrolled sugars at a temperature of 30 ° C. Batch fermentation studies were performed at a temperature of 30 ° C. C with pH control on Bio-StatQ chemostats, a registered trademark of B, Braun, Allentown, PA., Using 500 ml as the workload. The pH was automatically controlled with 2N KOH. initial sugar concentration and pH varied between lots depending on the growing conditions. All sugars used were of the reagent standard. Samples were taken periodically by fermentation, and analyzed for sugars, ethanol, and HPLC by-products as previously described (Zhang 1995). Optical density at 600 nm (OD600) was measured to monitor cell development. Ethanol yield was based on the amount of total sugar available.
Diversas cepas de Z. mobtlis fermentadoras de xilose e arabinose integradas ao genoma desenvolvidas tanto através de recombinação de homólogos quanto transposição foram estudadas quanto à sua estabilidade em um meio não-seletivo (RMG). Estas cepas foram cultivadas em um meio RMG e transferidas serialmente, diariamente, após cerca de 10 gerações. Depois de cada 40 gerações, as células foram usadas para inocular um frasco contendo 1 % de glicose e 2% de xilose e 2% de arabinose para exame de sua capacidade de fermentar xilose e arabinose em etanol. Os rendimentos do processamento de etanol, e as taxas de utilização de xilose e arabinose, foram usadas como a característica de estabilidade. Dois dos isolados permaneceram estáveis durante 160 gerações. Ver Figuras 16 e 17. três cepas integradas e cepas portadoras de plasmídeos foram testadas adicionalmente quanto ao desempenho de fermentação, em uma média contendo uma mistura de 4% de glicose, 4% de xilose, e 2% de arabinose sob um pH de 5,5 e temperatura de 30°C. Conforme mostrado na Figura 18, todas as três cepas utilizaram glicose, xilose e arabinose em 72 horas, ao passo em que as cepas portando plasmídeo ainda apresentavam 6 g/L de arabinose residual. Entretanto, as cepas integradas produziram mais xilitol (4 g/1) do que a cepa portadora de plasmídeo (1 g/L). as duas cepas de recombinação de homólogos AX1 e AX101 não produziram lactato porque o gene de dehidrogenase lactada foi- desativado através dà integração do gene. O rendimento dos processos (cerca de 83% do teórico) das cepas integradas foi muito similar ao da cepa portadora de plasmídeo. Além do mais, as cepas integradas se desenvolveram até densidades de célula maiores, o que é provavelmente devido à carga metabólica inferior associada à apresentação de apenas uma única cópia dos sete genes.Several strains of genome-integrated xylose and arabinose fermenter Z. mobtlis developed through both homologous recombination and transposition were studied for their stability in a non-selective medium (RMG). These strains were grown in a RMG medium and serially transferred daily after about 10 generations. After every 40 generations, cells were used to inoculate a flask containing 1% glucose and 2% xylose and 2% arabinose to examine their ability to ferment xylose and arabinose in ethanol. Ethanol processing yields and xylose and arabinose utilization rates were used as the stability characteristic. Two of the isolates remained stable for 160 generations. See Figures 16 and 17. Three integrated strains and plasmid-bearing strains were further tested for fermentation performance, on an average containing a mixture of 4% glucose, 4% xylose, and 2% arabinose at a pH of 5. , 5 and temperature of 30 ° C. As shown in Figure 18, all three strains used glucose, xylose and arabinose within 72 hours, while the plasmid-bearing strains still had 6 g / L residual arabinose. However, the integrated strains produced more xylitol (4 g / l) than the plasmid carrier strain (1 g / l). the two homologous recombination strains AX1 and AX101 did not produce lactate because the lactated dehydrogenase gene was deactivated by gene integration. The process yield (about 83% of theory) of the integrated strains was very similar to that of the plasmid carrier strain. Moreover, the integrated strains developed to higher cell densities, which is probably due to the lower metabolic load associated with the presentation of only a single copy of the seven genes.
Embora a presente invenção tenha sido descrita em conexão com as incorporações ilustradas, será apreciado e compreendido o fato de que modificações podem ser efetuadas sem abandonar o verdadeiro espírito e escopo da presente invenção.While the present invention has been described in connection with the illustrated embodiments, it will be appreciated and understood that modifications may be made without departing from the true spirit and scope of the present invention.
LISTAGEM DE SEQUÊNCIASEQUENCE LIST
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