Dokument: Untersuchungen zur Subtilisin-Produktion mit Bacillus licheniformis und Konstruktion eines alternativen Selektionssystems
Titel: | Untersuchungen zur Subtilisin-Produktion mit Bacillus licheniformis und Konstruktion eines alternativen Selektionssystems | |||||||
URL für Lesezeichen: | https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=2800 | |||||||
URN (NBN): | urn:nbn:de:hbz:061-20040420-000800-2 | |||||||
Kollektion: | Dissertationen | |||||||
Sprache: | Deutsch | |||||||
Dokumententyp: | Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation | |||||||
Medientyp: | Text | |||||||
Autor: | Hintz, Maren [Autor] | |||||||
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Beitragende: | Prof. Dr. Freudl, R. [Gutachter] Prof. Dr. Jaeger, Karl-Erich [Gutachter] | |||||||
Stichwörter: | Bacillus licheniformis, Subtilisin, SecA, Proteinsekretion, RF2, prfB, Proteinbiosynthese, Termination, SelektionssystemBacillus licheniformis, subtilisin, SecA, protein secretion, RF2, prfB, protein biosynthesis, termination, selection system | |||||||
Dewey Dezimal-Klassifikation: | 500 Naturwissenschaften und Mathematik » 570 Biowissenschaften; Biologie | |||||||
Beschreibungen: | Bacillus licheniformis wird von der Waschmittelindustrie zur Gewinnung von Proteasen des Subtilisin-Typs eingesetzt. Die zur Produktion verwendeten Stämme werden zumeist über wiederholte Zyklen von ungerichteter Mutagenese und anschließendem Screening auf hohe Sekretionsleistung erhalten. Die Ursachen für die guten Sekretionseigenschaften sind in der Regel nicht bekannt. In dieser Arbeit sollten im industrierelevanten Stamm B. licheniformis 'E' Sequenzunterschiede zum Wildtyp-Stamm (Wt) B. licheniformis DSM13 identifiziert werden, die zu dessen guten Sekretionseigenschaften beitragen. Anzunehmen ist, dass solche Mutationen Gene der Proteinbiosynthese oder der Proteintranslokation betreffen. Ein möglicher Genort für solche Mutationen ist der secA-Genlocus, der mit dem secA-Gen ein Gen der Proteintranslokation und mit dem prfB-Gen eines der Proteinbiosynthese enthält. Im secA-Genlocus des industrierelevanten Stammes wurden im Vergleich zum Wt-Stamm 41 Punktmutationen gefunden, von denen erstaunlicherweise nur eine im secA-Gen liegt, dagegen aber 40 im viel kleineren prfB-Gen lokalisiert sind. Die Mutation im secA-Gen ist eine stille Mutation und bewirkt daher keine Veränderung im SecA-Protein. Da gezeigt werden konnte, dass der industrierelevante Stamm in der späten stationären Wachstumsphase viermal mehr SecA-Protein aufweist als der Wt-Stamm, bewirken die Mutationen im secA-Genlocus sehr wahrscheinlich eine Stabilisierung der bicistronischen secA-prfB-mRNA. Die daraus resultierende Erhöhung der SecA-Konzentration könnte eine der Ursachen für die guten Sekretionseigenschaften des industrierelevanten Stammes sein. Zwei der im prfB-Gen des industrierelevanten Stammes identifizierten Mutationen hatten die Veränderung je einer Aminosäure im zugehörigen RF2-Protein ('Release'-Faktor 2) zur Folge. Durch Variation der Expression des unveränderten und des mutierten prfB-Gens wurde sowohl der Einfluss der Aminosäurenaustausche als auch der Einfluss einer erhöhten RF2-Menge auf die mit dem Wt- und dem industrierelevanten Stamm erzielte Subtilisin-Ausbeute untersucht. Es zeigte sich, dass sowohl die Natur als auch die Konzentration des RF2-Proteins einen Einfluss auf die Höhe der Subtilisin-Ausbeute hat. Es ist daher sehr wahrscheinlich, dass die identifizierten Mutationen zusammen mit weiteren Mutationen in anderen Komponenten des Proteinbiosynthese-Apparates eine erhöhte Proteinbiosynthese-Kapazität bewirken und somit wesentlich für die mit dem industrierelevanten Stamm erzielten hohen Subtilisin-Ausbeuten verantwortlich sind.
Bei der industriellen Subtilisin-Gewinnung erfolgt die Expression des Subtilisin-Gens von einem Plasmid, welches zur anfänglichen Selektion eine Antibiotikaresistenzkassette enthält. Die eigentliche Fermentation wird jedoch ohne Antibiotika im Medium durchgeführt, so dass ein Teil der Zellen das Plasmid während der Kultivierung verliert. In dieser Arbeit wurde ein alternatives Selektionssystem konstruiert, bei dem das essentielle secA-Gen als Selektionsmarker fungiert. Das Selektionssystem ist funktionell und im Schüttelkolben-Maßstab wurden Subtilisin-Ausbeuten in mindestens der gleichen Größenordnung erzielt wie mit dem Ausgangsstamm ohne Selektionsdruck durch Antibiotika. Die vollständige Stabilität des konstruierten Subtilisin-SecA-Plasmids lässt erwarten, dass insbesondere unter den fermentativen Bedingungen der industriellen Subtilisin-Gewinnung eine signifikante Ausbeutesteigerung erzielt werden kann. Bacillus licheniformis is used by the detergent industry for the production of proteases of the subtilisin type. Producer strains are obtained by multiple cycles of undirected mutagenesis followed by screening for high enzyme yield in the supernatant. The genetic reason for the good secretion property is not known. In the present work, differences between the DNA sequences of the industrial strain B. licheniformis ?E? and the wild-type (wt) strain B. licheniformis DSM13 that contribute to the good secretion properties of the industrial strain are to be identified. It is likely that such mutations are localized in the genes of the protein biosynthesis or the protein translocation. One possible gene locus for such mutations is the secA gene locus, which harbors one gene of the protein translocation (secA) and also one gene of the protein biosynthesis (prfB). In comparison to the wt strain, the secA gene locus of the industrial strain shows 41 point mutations. Only one of these mutations is localized within the secA gene whereas the remaining 40 mutations are found in the much shorter prfB gene. The point mutation within the secA gene is silent and has therefore no influence on the amino acid sequence of the SecA protein. Because in the late stationary growth phase the industrial strain has 4 times more SecA protein than the wt strain, it is assumed that the mutations lead to a stabilization of the bicistronic secA-prfB-mRNA. The resulting increase of the SecA concentration could be one reason for the good secretion property of the industrial strain. Two of the mutations localized within the prfB gene each lead to an amino acid change in the corresponding RF2 (release factor 2) protein. By varying the expression strength of the unchanged and the mutated prfB gene it was possible to investigate the influence of the amino acid changes as well as the influence of a higher amount of RF2 on the subtilisin yield obtained with the wt or the industrial strain. Because both the nature and the concentration of the RF2 protein have an influence on the subtilisin yield, it is very likely that the identified mutations within the secA gene locus together with additional mutations in other components of the protein biosynthesis machinery lead to an increased capacity for protein biosynthesis. It is assumed that this is one reason for the high subtilisin yields that are obtained with the industrial strain.
For the industrial production of subtilisin, the subtilisin gene is expressed from a high copy plasmid, which harbors an antibiotic resistance cassette for the initial selection. In contrast, the real fermentation is carried out without adding antibiotics, therefore some of the cells from the culture will lose their plasmid. In the present work, an alternative selection system was constructed with the secA gene as a selection marker. The constructed subtilisin-SecA-plasmid was stable in the secA deletion strain throughout the entire cultivation period. In shaking flask experiments this strain secrets amounts of subtilisin into the supernatant at least similar to those obtained with the original strain without selection pressure by antibiotics. The perfect stability of the subtilisin-SecA-plasmid indicates that especially under the fermentative conditions of industrial subtilisin production a significant increase in yield can be reached. | |||||||
Lizenz: | Urheberrechtsschutz | |||||||
Fachbereich / Einrichtung: | Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät » WE Biologie | |||||||
Dokument erstellt am: | 20.04.2004 | |||||||
Dateien geändert am: | 12.02.2007 | |||||||
Promotionsantrag am: | 09.12.2003 | |||||||
Datum der Promotion: | 09.12.2003 |