DE69633873T2 - Alkalische cellulase und verfahren zu deren herstellung - Google Patents

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    • C12BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12NMICROORGANISMS OR ENZYMES; COMPOSITIONS THEREOF; PROPAGATING, PRESERVING, OR MAINTAINING MICROORGANISMS; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING; CULTURE MEDIA
    • C12N9/00Enzymes; Proenzymes; Compositions thereof; Processes for preparing, activating, inhibiting, separating or purifying enzymes
    • C12N9/14Hydrolases (3)
    • C12N9/24Hydrolases (3) acting on glycosyl compounds (3.2)
    • C12N9/2402Hydrolases (3) acting on glycosyl compounds (3.2) hydrolysing O- and S- glycosyl compounds (3.2.1)
    • C12N9/2405Glucanases
    • C12N9/2434Glucanases acting on beta-1,4-glucosidic bonds
    • C12N9/2437Cellulases (3.2.1.4; 3.2.1.74; 3.2.1.91; 3.2.1.150)
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C11ANIMAL OR VEGETABLE OILS, FATS, FATTY SUBSTANCES OR WAXES; FATTY ACIDS THEREFROM; DETERGENTS; CANDLES
    • C11DDETERGENT COMPOSITIONS; USE OF SINGLE SUBSTANCES AS DETERGENTS; SOAP OR SOAP-MAKING; RESIN SOAPS; RECOVERY OF GLYCEROL
    • C11D3/00Other compounding ingredients of detergent compositions covered in group C11D1/00
    • C11D3/16Organic compounds
    • C11D3/38Products with no well-defined composition, e.g. natural products
    • C11D3/386Preparations containing enzymes, e.g. protease or amylase
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    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C12BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12YENZYMES
    • C12Y302/00Hydrolases acting on glycosyl compounds, i.e. glycosylases (3.2)
    • C12Y302/01Glycosidases, i.e. enzymes hydrolysing O- and S-glycosyl compounds (3.2.1)
    • C12Y302/01004Cellulase (3.2.1.4), i.e. endo-1,4-beta-glucanase
    • DTEXTILES; PAPER
    • D06TREATMENT OF TEXTILES OR THE LIKE; LAUNDERING; FLEXIBLE MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • D06MTREATMENT, NOT PROVIDED FOR ELSEWHERE IN CLASS D06, OF FIBRES, THREADS, YARNS, FABRICS, FEATHERS OR FIBROUS GOODS MADE FROM SUCH MATERIALS
    • D06M2200/00Functionality of the treatment composition and/or properties imparted to the textile material
    • D06M2200/20Treatment influencing the crease behaviour, the wrinkle resistance, the crease recovery or the ironing ease

Description

  • Hintergrund der Erfindung
  • A. Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung betrifft neue Cellulasezusammensetzungen. Die Erfindung betrifft ferner neue Cellulasezusammensetzungen, vorzugsweise abgeleitet von Bacillus sp.. Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin die Verwendung der neuen Cellulase in Zusammensetzungen, von denen auf dem Gebiet bekannt ist, daß es vorteilhaft ist, wenn ihnen Cellulase zugefügt wird, einschließlich als Additiv in einer Detergenszusammensetzung, bei der Behandlung von cellulosehaltigen Stoffen, bei der Behandlung von Zellstoff und Papier und bei der Behandlung von Stärke für die Herstellung von hoch fruktosehaltigem Maissirup oder Ethanol.
  • B. Stand der Technik
  • sCellulasen sind Enzyme, die zu einer Hydrolyse der β-D-glucosidischen Bindungen bei Cellulosen fähig sind. Cellulolytische Enzyme wurden traditionell in drei Hauptklassen eingeteilt: Endoglucanasen, Exoglucanasen oder Cellobiohydrolasen und R-Glucosidasen (J. Knowles et al. (1987), TIBTECH 5, 255–261), und es ist bekannt, daß sie von einer großen Anzahl von Bakterien, Hefen und Pilzen erzeugt werden.
  • Unter den Anwendungen, die für die Verwendung von cellulolytischen Enzymen entwickelt wurden, sind diejenigen hervorstehend, die eine Degradierung von (Holz)Zellstoffen zu Zuckern für die (Bio)Ethanolproduktion involvieren, Textilbehandlungen, wie das "Stone washing" und "Biopolishing" und Detergenszusammensetzungen. So sind Cellulasen dafür bekannt, daß sie in Detergenszusammensetzungen für die Entfernung von Dreck, d. h. für die Säuberung, geeignet sind. Die britischen Anmeldungen Nr. 2 075 028, 2 095 275 und 2 094 826 illustrieren zum Beispiel eine verbesserte Säuberungsleistung, wenn die Detergenzien Cellulase enthalten. Zusätzlich illustriert die britische Anmeldung Nr. 1 358 599 die Verwendung von Cellulase in Detergenzien zur Reduktion der Härte von baumwollhaltigen Stoffen.
  • Ein anderes geeignetes Merkmal von Cellulasen bei der Behandlung von Textilien ist ihre Fähigkeit, gebrauchte Stoffe wieder zu verbessern, indem ihre Farben wieder lebhafter gemacht werden. Wiederholtes waschen von baum wollhaltigen Stoffen führt zum Beispiel zu einem Grauschleier, von dem angenommen wird, daß er an zerstörten und unordentlichen Fasern liegt, die manchmal als "Pillingbildung" bezeichnet werden, ausgelöst durch mechanische Wirkungen. Dieser Grauschleier ist insbesondere bei farbigen Stoffen bemerkbar. In der Konsequenz ist die Fähigkeit der Cellulose, die unordentliche Oberschicht der Faser zu entfernen und so. das Gesamterscheinungsbild des Stoffes zu verbessern, von Wert.
  • Trotz Kenntnissen im Stand der Technik in Bezug auf viele Cellulasezusammensetzungen mit einigen oder allen obigen Eigenschaften besteht ein fortgesetzter Bedarf an neuen Cellulasen mit einem variierenden Spektrum von Eigenschaften, die zum Beispiel bei der Behandlung von Textilien, als Bestandteil von Detergenszusammensetzungen, bei der Behandlung von Zellstoff und Papier und bei der Umwandlung von Biomasse nützlich sind. Die Anmelder haben bestimmte Cellulasen entdeckt, die ein solches Komplement an Eigenschaften aufweisen und die für die bekannten Anwendungen von Cellulase nützlich sind.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine neue Cellulase mit günstigen Eigenschaften zur Verwendung in Detergenzien, für die Behandlung von Textilien und Zellstoff und die Papierherstellung bereitzustellen.
  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine neue Cellulase, umfassend eine Aminosäuresequenz gemäß 2A2C (SEQ ID NO: 1) oder ein Derivat davon mit mehr als 80% Sequenzidentität und vorzugsweise mindestens 90% Sequenzidentität. Die neue Cellulase umfaßt eine Aminosäuresequenz gemäß den 2A2C (SEQ ID NO: 1) und ist von Bacillus sp. CBS 669.93 abgeleitet. CBS 669.93 ist beim Centraalbureeau voor Schimmelcultures (CBS), Baam, Niederlande unter der Hinterlegungsnummer CBS 669.93 am 23. Dezember 1993 ("CBS 669.93") hinterlegt worden.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird eine Zusammensetzung bereitgestellt, umfassend DNA, die eine Aminosäuresequenz gemäß den 2A2C (SEQ ID NO: 1) kodiert oder ein Derivat davon mit mehr als 80% Sequenzidentität und vorzugsweise 90% Sequenzidentität.
  • Gemäß noch einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird ein Verfahren zur Transformation eines geeigneten Mikroorganismus mit DNA bereitgestellt, kodierend eine Aminosäuresequenz gemäß der Erfindung.
  • Die Cellulase kann eine Cellulase sein, abgeleitet von Bacillus sp. CBS 669.93, mit einem berechneten Molekulargewicht von ungefähr 63 kD. Die ungefähr 63 kD Cellulase hat einen berechneten isoelektrischen Punkt von ungefähr 5 und ein pH-Optimum auf CMC von ungefähr 6 bei 40°C und 60°C.
  • Kurze Beschreibung der Figuren
  • 1 zeigt die pH-Profilaktivität der Cellulase mit ungefähr 63 kD, abgeleitet von CBS 699.93, bei 40 und 60°C.
  • Die 2A2C zeigen die DNA-Sequenz (SEQ ID NO: 2) und die korrespondierende Aminosäuresequenz (SEQ ID NO: 1) einer Cellulase mit ungefähr 63 kD, abgeleitet von CBS 669.93, wobei die Leader-Peptidsequenz unterstrichen ist, die bei Sekretion abgespalten wird, um das reife Enzym zu ergeben.
  • Detaillierte Beschreibung der Erfindung
  • Es ist beabsichtigt, daß "Derivat" ein Protein bezeichnet, das von dem nativen Protein durch Addition von einer oder mehreren Aminosäuren entweder zum C- oder N-terminalen Ende des nativen Proteins oder zu beiden, durch Substitution von einer oder mehreren Aminosäuren an einer oder einer Anzahl unterschiedlicher Stellen in der nativen Aminosäuresequenz, durch Deletion von einer oder mehreren Aminosäuren an einem oder beiden Enden des nativen Proteins oder an einer oder mehreren Stellen in der Aminosäuresequenz oder durch Insertion von einer oder mehreren Aminosäuren an einer oder mehreren Stellen in der nativen Aminosäuresequenz abgeleitet ist. Die Präparation eines Enzymderivats wird vorzugsweise durch Modifikation einer DNA-Sequenz erreicht, die das native Protein kodiert, Transformation der DNA-Sequenz in einen geeigneten Wirt und Expression der modifizierten DNA-Sequenz zur Bildung des Derivatenzyms. Das Derivat der Erfindung beinhaltet Peptide, umfassend geänderte Aminosäuresequenzen im Vergleich mit einer Vorläuferenzym-Aminosäuresequenz (z. B. einem Wildtyp oder nativen Enzym der vorliegenden Erfindung), wobei die Peptide eine charakteristische Enzymnatur des Vorläuferenzyms beibehalten, jedoch mit geänderten Eigenschaften in irgendeinem spezifischen Aspekt. Zum Beispiel kann eine geänderte Cellulase ein erhöhtes pH-Optimum oder einen erhöhten Temperaturwiderstand aufweisen, jedoch die charakteristische cellulolytische Aktivität beibehalten. Derivate beinhalten auch chemische Modifikationen von Aminosäureresten innerhalb des Enzymmoleküls.
  • "Wirtszelle" bedeutet eine Zelle, die als Wirt und als Expressionsvehikel für einen rekombinanten DNA-Vektor gemäß der vorliegenden Erfindung wirken kann. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung bedeutet "Wirtszelle" Zellen von Bazillus.
  • "DNA-Konstrukt" oder "DNA-Vektor" bedeutet eine Nukleotidsequenz, die ein oder mehr DNA-Fragmente umfaßt, kodierend irgendeine der neuen Cellulasen oder Cellulasederivate wie oben beschrieben.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Cellulase von dem Centraalbureeau voor Schimmelcultures, Baam, Niederlande durch die Hinterlegungsnummer für Mikroorganismen CBS 669.93 (beschrieben in der Anmeldung PCT/EP94/04312), hinterlegt am 23. Dezember 1993 nach dem Budapester Vertrag, erhältlich. Wie hier verwendet, wird die hinterlegte Art als CBS 669.93 bezeichnet. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist die Cellulase der Erfindung ungefähr 63 kD auf (berechnet auf Basis der Aminosäuresequenz des reifen Proteins), abgeleitet von CBS 669.93 (hier bezeichnet als "Cellulase mit 63 kD"). Die Cellulase mit ungefähr 63 kD hat einen kalkulierten pI für das reife Protein von ungefähr 5 und ein pH-Optimum auf CMC bei 40 und 60°C von ungefähr 6.
  • Das Gen, das die Aminosäuresequenz der Cellulase mit ungefähr 63 kD kodiert, wurde durch Vergleich mit den zugänglichen Sequenzdaten in verschiedenen Bibliotheken analysiert (GenBank, Swiss-Prot, EMBL und PIR) unter Verwendung des CACOS/CAMM-Centers, Universität von Nijmegen, Holland. Eine Recherche der Datenbanken für einen Vergleich der Cellulase, kodiert durch die DNA-Sequenz der vorliegenden Erfindung, mit Cellulasen, kodiert durch veröffentlichte oder bekannte Cellulase-Gensequenzen, ergab, daß die höchste Menge an Aminosäureidentität bei der Cellulase CeIB von Bacillus lautus angetroffen wurde.
  • Die Cellulase mit ungefähr 63 kD hat sich als 58% identisch in der Sequenz und 72% ähnlich in der Sequenz unter Verwendung des TFastA-Programms erwiesen, wie beschrieben von Pearson & Lipman, Proc. Nat. Acad. Sci., Bd. 85, S. 2444–2448 (1988). Das TFastA-Data Searching-Programm ist kommerziell erhältlich in der Sequence Analysis Software Package Version 6.0 (Genetic Computer Group, Univ. Wisconsin Biotechnology Center, Madison, Wisconsin 53705). Die Sequenz von Bacillus lautus wird in Jorgensen et al., Gene, Bd. 93, S. 55–60 (1990) angetroffen. Die vorliegende Erfindung umfaßt eine Cellulase, die eine Aminosäuresequenz gemäß der der 2A2C (SEQ ID NO: 1) aufweist oder ein Derivat davon mit mehr als 80% Sequenzidentität und vorzugsweise mehr als 90% Sequenzidentität.
  • Die vorliegende Erfindung offenbart auch ein Verfahren für die Herstellung der Cellulase. Gemäß einer Ausführungsform kann die Cellulase durch Kultivieren eines geeigneten Organismus, z. B. Bacillus sp. CBS 669.93, unter Bedingungen erzeugt werden, um die Cellulase zu erzeugen.
  • Vorzugsweise beinhalten solche Bedingungen die, die allgemein für die Kultivierung von Bazillus vorgeschlagen werden, um die Cellulaseproduktion zu maximieren, und beinhalten die Verwendung eines von Cellulose abgeleiteten Substrats als Energiequelle in Kombination mit notwendigen Salzen, Ionen und anderen wohlbekannten Bestandteilen. Im allgemeinen kann das für die Kultivierung der Zellen verwendete Medium ein konventionelles Medium sein, das für die Anzüchtung von Bakterien geeignet ist. Die Zellen können unter aeroben Bedingungen in einem Nährmedium, das assimilierbaren Kohlenstoff und Stickstoff enthält, zusammen mit anderen essentiellen Nährstoffen kultiviert werden. Geeignete Kohlenstoffquellen sind Kohlenhydrate, wie z. B. Saccharose, Glucose und Stärke, oder Kohlenhydrat-haltige Materialien, wie z. B. Getreidekörner, Malz, Reis und Sorghum. Die Kohlenhydratkonzentration, die in dem Medium enthalten ist, kann in einem breiten Bereich variieren, z. B. bis zu 25% und nach unten bis 1–5%, jedoch werden in der Regel 8–10% geeignet sein, wobei die Prozentzahlen als Äquivalente von Glucose berechnet sind. Die Stickstoffquelle in dem Nährmedium kann von anorganischer und/oder organischer Natur sein. Geeignete anorganische Stickstoffquellen sind Nitrate und Ammoniumsalze. Unter den organischen Stickstoffquellen, die üblicherweise in Fermentationsverfahren verwendet werden, die die Kultivierung von Bakterien involvieren, befinden sich Sojamehl, Baumwollsaatmehl, Erdnußmehl, Kasein, Mais, Maisquellflüssigkeit, Hefeextrakt, Harnstoff und Albumin. Zusätzlich sollte das Nährmedium auch Standardspurensubstanzen enthalten.
  • Die Cellulase kann aus dem Medium durch konventionelle Verfahren gewonnen werden, einschließlich der Abtrennung der Zellen aus dem Medium durch Zentrifugation oder Filtration, falls notwendig nach Aufbrechen der Zellen, Präzipitation der proteinartigen Bestandteile des Überstands oder Filtrats durch ein Salz, z. B. Ammoniumsulfat, gefolgt von einer Reinigung durch eine Vielzahl chromatographischer Verfahren, z. B. Ionenaustauschchromatographie, Affinitätschromatographie oder ähnliche auf dem Gebiet anerkannte Verfahren. Für die Herstellung der alkalischen Cellulase gemäß der Erfindung wird es bevorzugt, unter alkalischen Bedingungen unter Verwendung von Medien zu kultivieren, die eine auf Cellulose basierende Energiequelle enthalten.
  • Vorzugsweise wird die Cellulase gemäß der vorliegenden Erfindung unter Verwendung von gentechnischen Verfahren erzeugt, durch Transformation einer geeigneten Wirtszelle mit einem Gen, kodierend die Cellulase, und Expression unter Bedingungen, die für das Wirtszellwachstum und die Cellulase expression geeignet sind. In einem ersten Schritt kann die chromosomale DNA von einem Donorbakterienstamm durch das Verfahren von Saito und Miura (Saito & Miura, Biochim. Biophys. Acta., Bd. 72, S. 619 (1963)) erhalten werden oder durch ein ähnliches Verfahren. Eine Restriktionsenzymspaltung der so erhaltenen chromosomalen DNA ergibt DNA-Fragmente, die das alkalische Cellulasegen enthalten. Zu diesem Zweck kann jedes Restriktionsenzym verwendet werden, unter der Voraussetzung, daß es die Region des Gens nicht spaltet. Alternativ kann ein Restriktionsenzym verwendet werden, das das Gen spaltet, unter Verwendung von jedoch einer reduzierten Enzymkonzentration oder Inkubationszeit, um nur einen teilweisen Verdau zu ermöglichen. Eine bevorzugte Restriktionsendonuklease ist Sau3A. Aus der sich ergebenden Verdaumischung können geeignete Fragmente (4–10 kb) isoliert und zur Transformation einer geeigneten Wirtszelle mit einem DNA-Konstrukt, z. B. mit einem DNA-Konstrukt, einschließlich dem DNA-Fragment mit ungefähr 9 kb, kodierend die Cellulase mit 63 kD gemäß der Erfindung, in Kombination mit einer geeigneten Vektorsequenz verwendet werden.
  • Das die Cellulase der vorliegenden Erfindung kodierende Gen kann unter Verwendung von λ-Phagen(Expressions)-Vektoren und E. coli Wirtszellen kloniert werden. (Alternativ kann ein PCR-Klonieren unter Verwendung von Konsensusprimern verwendet werden, die auf konservierten Domänen entworfen wurden.) Die Anmelder haben festgestellt, daß die Transformation des die Cellulase der vorliegenden Erfindung kodierenden Gens und die Expression in E. coli zu einem aktiven Protein führt. Nach einem ersten Klonierungsschritt in E. coli kann ein Cellulasegen gemäß der vorliegenden Erfindung in einen bevorzugteren industriellen Expressionswirt transferiert werden, wie z. B. Bazillus- oder Streptomyces-Arten, einen filamentösen Pilz, wie z. B. Aspergillus oder Trichoderma, oder eine Hefe, wie z. B. Saccharomyces. Hohe Expressionsniveaus und hohe Sekretion, die in diesen Wirtsorganismen erhältlich sind, ermöglichen die Akkumulation der Cellulase in dem Fermentationsmedium, aus dem sie dann gewonnen werden kann.
  • Die Expressionswirtszelle kann eine Bazillusart umfassen, z. B. Bacillus licheniformis oder Bacillus subtilis. Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird der Transformationswirt für Proteasegene deletiert, um sicherzustellen, daß die endgültige Cellulase keiner Proteolyse in der Fermentationsbrühe oder Konzentraten davon unterzogen wird. Ein bevorzugtes allgemeines Transformations- und Expressionsprotokoll für Protease-deletierte Bazillusstämme wird von Ferrari et al., US-Patent 5,264,366, das hier durch Bezugnahme inkorporiert ist, bereitgestellt. Außerdem wird die Fermentation des transformierten Bazilluswirts vorzugsweise bei einem pH von ungefähr 6,9 durchgeführt. Die Transformation und Expression in Aspergillus wird zum Beispiel in Berka et al., US-Patent 5,364,770, hier durch Inbezugnahme inkorporiert, beschrieben. Ein bevorzugter Promotor in dem Fall, in dem die Transformationswirtszelle Bazillus ist, ist der aprE-Promotor.
  • Die vorliegende Cellulase mit ungefähr 63 kD, abgeleitet von CBS 669.93, hat sich als nützlich in Puffersystemen erwiesen, die Glycin, Ammoniumacetat, Borax und/oder Tris umfassen. von dieser Cellulase wurde auch gezeigt, daß sie auf CMC durch die Gegenwart von Magnesium aktiviert und durch die Gegenwart von Calcium inhibiert wird. Ein Anteil von Magnesium zu Calcium von ungefähr 250 ppm : 750 ppm hat sich als für die Aktivität günstig erwiesen.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung können die oben beschriebenen Cellulasezusammensetzungen in Detergenszusammensetzungen gemäß auf dem Gebiet anerkannten Verfahren zur Verwendung von Cellulasen in Detergenzien verwendet werden. Die ausgezeichnete Aktivität der gegenwärtigen Cellulase bei alkalischem pH sollte dazu führen, daß die gegenwärtige Cellulase insbesondere für Detergenzien mit hohem pH geeignet ist.
  • Die Erfindung wird in größerem Detail in den folgenden Beispielen erklärt, die für illustrative Zwecke bereitgestellt werden und die Erfindung nicht begrenzen sollen.
  • Beispiel 1
  • Screening und Isolieren von Cellulase aus alkalischen Erd- und Wasserproben
  • Zwei Verfahren werden für die Isolierung von Cellulase erzeugenden Mikroorganismen aus alkalischen Erd- und Wasserproben verwendet. Bei einem Verfahren werden die Erd- und Wasserproben in 0,85%iger Salzlösung suspendiert und direkt in einem Carboxymethylcellulose(CMC)-Agardiffusionsassay für den Nachweis von Cellulase erzeugenden Kolonien verwendet. Bei einem zweiten Verfahren wurden die Erd- und Wasserproben für cellulasehaltige Stämme durch Inkubation in einem cellulosehaltigen flüssigen Minimalmedium oder GAM-Medium für 1 bis 3 Tage bei 40°C angereichert. Kulturen, die ein Bakterienwachstum zeigten, wurden im Hinblick auf ihre Cellulaseaktivität unter Verwendung des CMC-Agardiffusionsassays für den Nachweis von Cellulase erzeugenden Kolonien analysiert. Der CMC-Agardiffusionsassay und das Anreicherungsverfahren verwendete eine Minimalmediumpräparation bei einem pH von ungefähr 9,7, umfassend 1% KNO3, 0,1% Hefeextrakt (Difco), 0,1% KH2PO4, 0,02% MgSO4·7H2O, 1% Na2CO3, 4% NaCl und 0,25% CMC (Sigma C-4888). Für die Verfestigung wurden 1,5% Agar zugefügt.
  • Eines von zwei Verfahren wurde für den CMC-Agardiffusionsassay verwendet, abhängig davon, ob Kolonien oder flüssige Fraktionen getestet wurden. Für die Überprüfung von Kolonien wurden Zellsuspensionen in 0,85%iger Salzlösung auf CMC-haltigem Minimalmedium ausplattiert. Nach einer Inkubation bei 40°C für 1 bis 3 Tage wurden die Platten replikaplattiert und die Ursprungsplatte wurde mit 0,1% Kongo Rot für 15 Minuten geflutet. Die Platten wurden in 1 M NaCl 30 Minuten entfärbt. Die Stämme, die eine klare Zone um die Kolonie zeigten, wurden als potentielle Cellulase erzeugende Mikroorganismen isoliert. Flüssige Fraktionen wurden durch Pipettieren von 40 μl Aliquots von Enzymlösung oder Fermentationsbrühe in Vertiefungen überprüft, die aus einer Schicht von 5 mm Minimalmedium in einer Petrischale ausgestanzt worden waren. Nach einer Inkubation bei 40°C für 16 Stunden wurde die Cellulaseaktivität durch Kongo Rot/NaCl-Behandlung nachgewiesen. Der Durchmesser der klaren Zone ist ein Maß für die CMCase-Aktivität.
  • Stämme, die klare Zonen unter Verwendung von einem der beiden Screeningverfahren zeigten, wurden zum Anwachsen und Isolieren von Cellulase selektiert. Die Kolonien wurden in 25 ml GAM-Medium in 100 ml Schüttelkolben in einem Incubator Shaker (New Brunswick Scientific, Edison, NJ, USA) bei 250 Upm bei 40°C für 72 Stunden fermentiert. Die CMCase-Aktivität wurde in einer Kulturbrühe bei pH 9 und 40°C zur Sicherstellung der Gegenwart von Cellulase in der Fermentationsbrühe bestimmt. Das für die Enzymproduktion verwendete komplexe Medium (GAM) bestand aus Pepton (Difco) 0,5%, Hefeextrakt (Difco) 0,5%, Glucose H2O 1%, KH2PO4 0,1%, MgSO4·7H2O 0,02%, Na2CO3 1%, NaCl 4%. Der pH wurde mit 4 M NaCl auf 9,5 eingestellt, woraufhin 1% CMC zugefügt wurde.
  • Unter Verwendung des oben beschriebenen Verfahrens wurde ein Cellulase produzierender Mikroorganismus isoliert, der weiter als bewegliches, langes, dünnes stäbchenförmiges Bakterium charakterisiert wurde, das in langen Ketten auftrat und ein fadenähnliches Erscheinungsbild hatte oder alternativ in Paaren von Zellen in einer "V"-Form. Die subterminalen Sporen waren ellipsoid mit einer deutlichen Anschwellung des Sporangiums. Kolonien auf GAM-Agar erschienen als cremefarbig, kreisförmig, flach, glatt und mit einer glänzenden Oberfläche mit einem leicht unregelmäßigen Rand. Basierend auf der 16S rRNA-Sequenzanalyse wurde der Mikroorganismus als Art der Gattung Bazillus klassifiziert. Der Organismus wird hier als CBS 669.93 bezeichnet und ist beim Centraalbureeau voor Schimmelcultures, Baam, Niederlande unter dieser Hinterlegungsnummer hinterlegt.
  • Beispiel 2
  • Isolierung von DNA, Transformation und Expression von Cellulase
  • Der alkaliphile Bazillusstamm CBS 669.93 wurde als Donorstamm für die Expressionsklonierung in E. coli gewählt. Chromosomale DNA wurde gemäß dem von Saito & Miura beschriebenen Verfahren isoliert (Biochim. Biophys. Acta., Bd. 72, S. 619–629 (1963)).
  • Die isolierte chromosomale DNA wurde teilweise durch das Restriktionsenzym Sau3A unter Verwendung seriell verdünnter Enzymlösungen verdaut, und zwar für 1 Stunde bei 37°C unter Verwendung von React-Puffern (Gibco BRL Life Technologies, Gaithersburg, Md., USA) unter den von dem Lieferanten empfohlenen Bedingungen. Die verdaute DNA wurde durch Agarosegelelektrophorese fraktioniert und geeignete Fraktionen (4–10 kb) wurden aus dem Gel unter Verwendung von QIAquick Gel Extraktion Kit gemäß dem von dem Lieferanten beschriebenen Protokoll isoliert (QIAGEN Inc., Chatsworth, Ca., USA).
  • Die Sau3A-Fragmente der chromosomalen DNA wurden zur Konstruktion von genomischen Genbibliotheken in einem BamHI verdauten CIAP-behandelten ZAP Express Vektor verwendet, gemäß dem von dem Lieferanten zur Verfügung gestellten Protokoll (Stratagene Cloning Systems, La Jolla, Ca., USA). pBK-CMV-Phagmide, die die klonierten DNA-Inserts enthielten, wurden aus dem ZAP Express® Vektor ausgeschnitten und in den E. coli Stamm XLOLR transformiert.
  • Rekombinante Klone wurden durch Agardiffusion gescreent, wie beschrieben von Wood et al., Meth. Enzym., Bd. 160, S. 59–74 (1988). Stämme, die klare Zonen um die Kolonie zeigten, wurden isoliert. Die CMCase-Aktivität der isolierten Rekombinanten wurde nach Fermentation für 48 Stunden in einem 4*YEP-Medium bestimmt, bestehend aus Hefeextrakt (Difco) 4%, Pepton (Difco) 8%, Lactose 0,2%, Ampicillin 100 μg/ml. Das rekombinante Protein wurde gereinigt (Beispiel 3) und die N-terminale Aminosäuresequenz wurde als folgende bestimmt:
    Asn-Glu-Asp-Val-Lys-Thr-Leu-Asp-Ile-Gln (SEQ ID NO: 3).
  • Plasmid-DNA des Cellulase erzeugenden Rekombinanten wurde unter Verwendung einer QIAprep Plasmid Kits isoliert, gemäß dem von dem Lieferanten (QIAGEN Inc.) beschriebenen Protokoll. Das Plasmid enthielt ein Insert mit ungefähr 9 kb chromosomaler DNA. Die Nukleotidsequenz eines Fragments von 2777 bp wurde unter Verwendung eines Satzes degenerierter Oligonukleotide bestimmt, abgeleitet von der N-terminalen Aminosäuresequenz als Primer, um das Gen auf dem 9 kb Insert zu lokalisieren. Das 2777 bp Fragment enthielt einen offenen Leserahmen von 1746 bp, von dem ein Protein mit 574 Aminosäuren abgeleitet werden konnte. Die Nukleotidsequenz des Gens (SEQ ID NO: 2), die für die Cellulase kodiert, und die abgeleitete Aminosäuresequenz (SEQ ID NO: 1) der isolierten einzelnen Cellulase sind in den 2A2C dargestellt.
  • Beispiel 3
  • Reinigung von Cellulase
  • sDie Cellulase erzeugenden Klone gemäß Beispiel 2 wurden auf einem komplexen Medium (4*YEP), bestehend aus Hefeextrakt (Difco) 4%, Pepton (Difco) 8%, Lactose 0,2%, 100 μg/ml Ampicillin, angezüchtet. Die Fermentationsbrühe wurde von der Kulturflüssigkeit durch Zentrifugation (8.000 Upm) abgetrennt. Die Cellulase in dem Überstand wurde mit Ammoniumsulfat (65%ige Sättigung) ausgefällt. Das Präzipitat wurde in 25 mM Phosphatpuffer, pH 7, + 5 mM EDTA gelöst, bis eine Leitfähigkeit von 7 mS/cm erreicht wurde. Diese Lösung wurde auf eine Q-Sepharose FF (Durchmesser 5 cm, Länge 10 cm) Anionenaustauschsäule aufgebracht, woraufhin die Säule mit 25 mM Phosphatpuffer, pH 7, + 5 mM EDTA gewaschen wurde, bis eine Absorption von 0,2 AU erreicht wurde. Ein Gradient von 0 bis 0,5 M NaCl in 25 mM Phosphat, pH 7, wurde an die Säule in 80 Minuten angelegt, gefolgt von einem Gradienten von 0,5 bis 1 M NaCl in 10 Minuten. Die Elution fand in dem ersten Gradienten statt. Nach der Elution wurde die Säule gereinigt (upflow) mit 1 M NaOH und wiederum mit 25 mM Phosphat, pH 7, + 5 mM EDTA äquilibriert. Abhängig von dem Elutionsprofil hatte die erhaltene Cellulase eine Reinheit von bis zu ungefähr 80%.
  • Beispiel 4
  • Eigenschaften der erfindungsgemäßen Cellulase
  • Um das pH/Temperaturprofil der Cellulase mit ungefähr 63 kD gemäß der vorliegenden Erfindung zu bestimmen, wurde die Aktivität der Cellulase auf CMC bei verschiedenen pH- und Temperaturwerten gemessen. Eine Lösung umfassend die Cellulase mit ungefähr 63 kD wurde in einem Puffer, verdünnt mit 10 mM Phosphatpuffer (ph 7), kombiniert. (Der pH wurde unter Verwendung des Puffers, umfassend eine Mischung von 100 ml 1 M Phosphorsäure, 100 ml Zitronensäure und 600 ml destilliertem Wasser mit einem pH, eingestellt auf 4, 5, 6, 7, 8, 9 oder 10, unter Verwendung von 4 M NaOH kontrolliert, woraufhin die Mischung auf 1 1 durch destilliertes Wasser aufgefüllt wurde.) Die Enzymlösung wurde bis zu 0,05 U/ml verdünnt, gemessen bei pH 7 und 40°C. Jedes Puffersystem wurde getestet, um den tatsächlichen pH sicherzustellen, nach einem Vermischen mit 0,5 ml Puffer, 0,5 ml Substrat (1% CMC) und 0,1 ml 10 mM Phosphatpuffer. Der tatsächliche pH für die pH 4, 5, 6, 7, 8, 9 und 10 Lösungen betrug 4,2, 5,2, 6,2, 7, 8, 8,7 bzw. 9,9.
  • Die Ergebnisse sind in 1 dargestellt und zeigen die ausgezeichnete alkalische Aktivität der Cellulase. Die Neigung der Kalibrierungskurve hängt von dem pH der Enzymsubstratmischung ab, und aus dem Grund wurden zwei Glucosestandards bei jedem pH genommen (500 mg Glucose.H2)/100 ml, 10- und 25-fach verdünnt.
  • Die Cellulaseaktivität kann unter Verwendung eines modifizierten PAHBAH-Verfahrens überprüft werden (Lever M. Anal. Biochem. 1972, 47, 273–279 und Lever M. Anal. Biochem. 1977, 81, 21–27) und zwar wie folgt: Die pH/Temperaturprofile können unter Verwendung einer fixierten Enzymkonzentration bestimmt werden, die in den linearen Bereich des Dosisreaktionsprofils, gemessen bei pH 7 und 40°C, paßt. Diese Enzymkonzentration kann für die Messung der Aktivitäten unter allen anderen bestimmten Bedingungen verwendet werden. Ein Teströhrchen wird mit 250 μl 2,5% CMC in 50 mM Glycinpuffer, pH 9 (CMC mit niedriger Viskosität wird von Sigma gekauft) und 250 μl Aliquots der 63 kD Cellulase, verdünnt in dem geeigneten Puffer, gefüllt. Das Teströhrchen wird für 30 Minuten bei 40°C in einem Wasserbad inkubiert, woraufhin 1,5 ml einer täglich frisch hergestellten PAHBAH-Lösung (1% PAHBAH in 100 ml 0,5 M NaOH mit 100 ml Wismutlösung (enthaltend 48,5 g Wismutnitrat, 28,2 g Kaliumnatriumtartrat und 12,0 g NaOH in 100 ml)) zu gefügt wurden. Die Mischung wird dann für 10 Minuten auf 70°C erwärmt, woraufhin sie für 2 Minuten auf Eis gekühlt wird. Die Absorption wird bei 410 nm gemessen. Um die Hintergrundabsorption der Enzymproben zu eliminieren, wird ein Kontrollexperiment wie folgt durchgeführt: ein Röhrchen mit Substrat wird unter denselben Bedingungen wie das Teströhrchen inkubiert. Nach der Inkubation werden 1,5 ml PAHBAH und die Enzympräparation zugefügt (und zwar in dieser Reihenfolge). Eine Einheit (U) wird als die Menge des Enzyms definiert, die 1 μmol Glucose aus einem CMC-Äquivalent, bestimmt als reduzierende Zucker pro Minute pro Gramm Produkt, erzeugt.

Claims (8)

  1. Isolierte Cellulase, umfassend eine Aminosäuresequenz gemäß SEQ ID NO: 1 oder ein Derivat davon mit einer Sequenzidentität von mehr als 80% zu SEQ ID NO: 1.
  2. Cellulase gemäß Anspruch 1, wobei die Cellulase eine Sequenzidentität von mindestens 90% zu SEQ ID NO: 1 aufweist.
  3. Zusammensetzung, umfassend DNA, die eine Aminosäuresequenz gemäß Anspruch 1 oder 2 kodiert.
  4. Expressionsvektor, umfassend die DNA gemäß Anspruch 3.
  5. Verfahren zur Expression einer Cellulase, umfassend: (a) Transformation eines geeigneten Mikroorganismus mit DNA, kodierend eine Aminosäuresequenz gemäß Anspruch 1 oder 2; (b) Herstellung einer Fermentationsbrühe, enthaltend den geeigneten Mikroorganismus unter geeigneten Bedingungen für die Expression der DNA; (c) Erhalt der Fermentationsbrühe für eine Zeit und unter Bedingungen, um die Expression einer gewünschten Menge der Cellulase zu ermöglichen; und (d) Sammeln der Fermentationsbrühe, die die Cellulase enthält.
  6. Detergenszusammensetzung, umfassend die Cellulase gemäß Ansprüchen 1 oder 2.
  7. Verfahren zur Behandlung von Textilien, umfassend das Kontaktieren der Textilien mit der Cellulase gemäß Ansprüchen 1 oder 2.
  8. Verfahren zur Behandlung von auf Cellulose basierendem Zellstoff, umfassend das Kontaktieren des auf Cellulose basierenden Zellstoffs mit der Cellulase gemäß Ansprüchen 1 oder 2.
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