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Gene cloning and functional analysis of triple alkane monooxygenases from Geobacillus thermoleovorans B23
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| Title: | Gene cloning and functional analysis of triple alkane monooxygenases from Geobacillus thermoleovorans B23 |
| Other Titles: | Geobacillus thermoleovorans B23の三連型アルカン酸素添加酵素に関する遺伝子クローニングと機能解析 |
| Authors: | Boonmak, Chanita Browse this author |
| Issue Date: | 25-Mar-2014 |
| Publisher: | Hokkaido University |
| Abstract: | An extremely thermophilic bacterium, Geobacillus thermoleovorans B23 which was isolated from a deep subterranean oil reservoir at Niigata, Japan, is capable of degrading broad range alkanes (C11-C32) at 70℃ by terminal oxidation pathway, followed by β-oxidation pathway. Whole genome sequence analysis revealed that B23 did not have alkB-type alkane monooxygenases genes like most alkane degrading bacteria but it carried three gene homologs namely ladAαB23, ladAβB23 and ladBB23 on its chromosome in a unique region, namely “ladAB gene island”. The amino acid sequences deduced from these three gene homologs were significantly similar to FMN- dependent alkane monooxygenase, LadA, encoded in a plasmid of Geobacillus thermodetrificans NG 80-2 with 50%, 33% and 21% identity, respectively. I also found a gene encoding FMN reductase in the upstream of ladAB gene island, which provides reduced flavin for the monooxygenase enzyme to activate oxygen molecule in alkane oxidation reaction.In order to confirm that the three gene products are active alkane monooxygenases, heterologous expression of ladAαB23, ladAβB23 and ladBB23 have been performed in Pseudomonas fluorescens KOB2Δ1. The strain KOB2Δ1 is a mutant of alkane degrading P. fluorescens CHA0 with alkB1 deletion which no longer grows in medium containing C12 - C16 of n-alkanes as sole carbon sources. It was found that all these gene homologs functioned in P. fluorescens KOB2Δ1 and partially restored alkane degradation activity. Alkane degradation test at 35℃ for 8 days revealed that all the recombinants harboring either ladAαB23, ladAβB23 or ladAγB23 degraded more C12-C23 alkanes than vector only. Alkane degradation activity of the three recombinant strains was ladAαB23< ladAβB23 < ladBB23. It was also found that the ladAB gene structure is widely shared in Geobacillus strains. Here, I report that a group of G. thermoleovorans utilizes multiple LadA-type alkane monooxygenases for degradation of wide range alkanes. | | 即効性のある環境保全対策のひとつとして、有害な化学汚染物質の浄化技術開発は不可欠である。ここで生物作用を利用するいわゆる生物環境修復技術は省エネかつ環境への負荷が少ない技術として注目されている。原油は油田採掘から輸送の過程において大規模な漏出事故が起こりやすく、これまでも多くの環境汚染を引き起こしてきた。この漏出原油汚染浄化に有効な生物がアルカン分解微生物群であり、その生理生態を理解することは生物環境修復技術開発の重要な科学基盤となる。1895年にわが国の植物学者三好 学によって、ブドウ果実表皮のパラフィンを分解するカビが発見されて以来、さまざまな環境からアルカン分解微生物が見つかっている。 Geobacillus thermoleovorans B23 は、新潟県の深度地下油田から発見した高度好熱性アルカン分解細菌である。本細菌のユニークな特徴は70℃という高温において炭素数11から32程度までの広範囲にわたる鎖長のアルカンを分解できることである。本論文は、B23株の新規アルカン分解機構を解明することを目的として実施した研究についてまとめたものである。まず第一章において本研究の背景とその意義について論述した後、B23株のほぼ全長ゲノム（3.35Mb）の塩基配列を決定した。その結果、3,349個のタンパク質コード遺伝子を見出した。これらを同属のアルカン非分解細菌ゲノム配列と詳細に比較することによって、B23株に特徴的な11.8Kb領域内にフラビン依存性 LadA 型のアルカン分解遺伝子（アルカン酵素添加酵素遺伝子）が３つ連続（三連）して存在する（IadAαb23, ladAβB23, ladAγB23）ことを見出した。また、その酵素活性発現に不可欠なフラビンモノヌクレオチド還元酵素遺伝子も同じ領域内に見出すことに成功した。さらに、Geobacillus属 細菌群におけるアルカン分解遺伝子群の多様性を系統解析した結果、鉄依存性 AlkB 型遺伝子とフラビン依存性 LadA 型遺伝子の分布は種を問わないことを発見した。 次に、第二章ではこれらの遺伝子の機能を確認するために、それぞれの遺伝子を発現ベクターにクローニング後、アルカン分解活性を有さない常温性細菌 Pseudomonas fluorescens KOB2Δ1 に移入した。KOB2Δ1は70℃で生育できないため、通常生育温度の30℃と最高生育温度である35℃において各遺伝子の発現ならびに活性を比較評価した。その結果、ladAαB23, ladAβB23, ladAγB23 遺伝子が基質となるアルカンの鎖長ごとに役割を分担している訳ではないことがあ示唆された。ただし、これは反応温度が、35℃であるが原因かも知れない。さらに興味深いことに、これら３種類の遺伝子のなかでは、既知の ladA と進化系統的に遠縁の ladAγB23が最も高い活性を有していることが判明した。第三章ではB23株と同属である高度好熱性アルカン非分解菌 Geobacillus kaustophilus MK93における異種遺伝子発現の試みについて記述した。第四章では、本研究成果を総括すると共に今後の展望について述べた。本論文では、これまでプラスミド遺伝子としてしか報告のなかったフラビン依存性 LadA 型のアルカン酸素添加酵素遺伝子が機能を持った状態で一つの細胞のゲノム内に三連で存在することを初めて明らかにし、当該遺伝子の進化過程の推定に重要な知見をもたらした。また、高度好熱性 Geobacillus属 細菌群において従来型の鉄依存性 AlkB 型遺伝子と同程度に広く分布することも実証した。 以上の成果は、深度地下 1,000～2,000mに棲息する極限環境微生物のアルカン分解遺伝子群の分布多様性と進化過程ならびにその機能を明らかにしただけではなく、長鎖アルカンを多く含む難分解性化学物質である漏出原油に対する生物環境修復技術基盤の開発にも貢献するものである。 |
| Conffering University: | 北海道大学 |
| Degree Report Number: | 甲第11349号 |
| Degree Level: | 博士 |
| Degree Discipline: | 環境科学 |
| Examination Committee Members: | (主査) 教授 森川 正章, 教授 福井 学, 助教 小島 久弥, 特任助教 三輪 京子 |
| Degree Affiliation: | 環境科学院（生物圏科学専攻） |
| Type: | theses (doctoral) |
| URI: | http://hdl.handle.net/2115/55476 |
| Appears in Collections: | 学位論文 (Theses) > 博士 （環境科学）
課程博士 (Doctorate by way of Advanced Course) > 環境科学院(Graduate School of Environmental Science)
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