DE10139958A1 - Process for the enzymatic reduction of substrates with molecular hydrogen - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur enzymatischen Reduktion von Substraten mit molekularem Wasserstoff. Erfindungsgemäß wird ein Mediator mittels einer Hydrogenase mit Wasserstoff umgesetzt. DOLLAR A Im besonderen kann dieses Verfahren angewandt werden, um chemische Mediatoren oder auch Cofaktoren von Enzymen zu reduzieren. Haupteinsatzpunkt dieses Verfahrens liegt in der Reduktion von NADP·+· zu NADPH bzw. Einsatz des im Patent beschriebenen Enzyms zur Cofaktorregenerierung von NADPH mit molekularem Wasserstoff. Vorteil dieses Verfahrens, gegenüber allen etablierten Verfahren zur Regenerierung von NADPH, liegt in der Verwendung des sehr kostengünstigen molekularen Wasserstoffs zur Generierung bzw. Regenerierung des Cofaktors und damit nicht der Bildung eines noch weiter abzutrennenden Nebenproduktes. In diesem Fall wird Wasser als Nebenprodukt gebildet. Als Katalysator können verschiedene Aufreinigungen und Präparationen des Enzyms Pyrococcus furiosus eingesetzt werden.The invention relates to a method for the enzymatic reduction of substrates with molecular hydrogen. According to the invention, a mediator is reacted with hydrogen using a hydrogenase. DOLLAR A In particular, this process can be used to reduce chemical mediators or cofactors of enzymes. The main application of this process is the reduction of NADP · + · to NADPH or the use of the enzyme described in the patent for the cofactor regeneration of NADPH with molecular hydrogen. The advantage of this process, compared to all established processes for the regeneration of NADPH, lies in the use of the very inexpensive molecular hydrogen for the generation or regeneration of the cofactor and therefore not in the formation of a by-product which can be separated still further. In this case, water is formed as a by-product. Various purifications and preparations of the enzyme Pyrococcus furiosus can be used as the catalyst.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur enzymatischen Reduktion von Substraten mit molekularem Wasserstoff. The invention relates to a method for enzymatic Reduction of substrates with molecular hydrogen.
In neuerer Zeit finden immer mehr Oxidoreduktasen den Eingang in die Produktion von Feinchemikalien und Pharmazeutika. Wenn es sich hierbei um enzymatische, stereoselektive Reduktionen handelt, wird zumeist ein Cofaktor (Wasserstoffdonor) in Form von NADH oder NADPH benötigt. Da diese Cofaktoren auch heutzutage sehr hochpreisig sind, insbesondere NADPH, besteht der Bedarf für ein Verfahren, mit dem es möglich ist, NADPH im speziellen besonders preiswert zu produzieren. Des Weiteren ist vom höchsten Interesse auch ein Verfahren, welches es ermöglicht, NADPH zu regenerieren, wobei das einzelne NADPH-Molekül möglichst viele Zyklen durchlaufen können sollte (hohe total turn-over number). Letzteres ist besonders wichtig, da diese Cofaktoren deutlich zu teuer sind, um sie stöchiometrisch einzusetzen. Die derzeitige Methode der chemischen Reduktion von NADP+ benutzt zwar kostengünstige und kommerziell erhältliche Reagenzien, wie z. B. Natriumdithionit (Peters J. Dehydrogenases - characteristics, design of reaction conditions, and applications. In: Biotechnology, biotransformations I. Kelly Dr, Editor, ed. 8a, Weinheim: Wiley-VCH, 1998. p. 391-473), jedoch sind hier insbesondere die aufwendige Produktaufarbeitung, die Bildung von Nebenprodukten und geringe Ausbeuten die großen Nachteile (Chenault H, Whitesides G. Regeneration of nicotinamide cofactors for use in organic synthesis. Appl Biochem Biotech 1987, 14: 147-197). Die enzymatische Produktion von NADPH ist ebenfalls in verschiedenen Veröffentlichungen bereits beschrieben worden. Zum Einsatz kamen hier die Glucosedehydrogenase aus Gluconobacter suboxidans (Izumi Y, Nath PK, Yamamoto H, Yamada H. NADPH production from NADP+ with a glucose dehydrogenase system involving whole cells and immobilized cells of Gluconobacter suboxydans. Appl Microbiol Biotechnol 1989, 30: 337-342), die Alkoholdehydrogenase aus Thermoanaerobium brockii (Lamed RJ, Keinan E, Zeikus JG. Potential applications of an alcoholaldehyde/ketone oxidoreductase from thermophilic bacteria. Enzyme Microb Technol 1981, 3: 144-148) und die Malatdehydrogenase aus Acromobacter parvulus (Suye S, Yokohama S. NADPH production from NADP+ using malic enzyme of Achromobacter parvulus IFO-13182. Enz Microbial Technol 1985, 7: 418-424). In der wissenschaftlichen Literatur findet sich ebenfalls bereits der Einsatz verschiedener Hydrogenasen: So zum Beispiel die Hydrogenase aus Alkanigines eutrophus (Klibanov A, Puglisi A. The regeneration of coenzymes using immobilized hydrogenase. Biotech Lett 1980, 2: 445-450) und die Hydrogenase aus Methanobacterium thermoautotrophicum (Wong C-H, Daniels L, Orme-Johnson WH, Whitesides GM. Enzyme-catalyzed organic synthesis: NAD(P)H regeneration using dihydrogen and the hydrogenase from Methanobacterium thermoautotrophicum. J Am Chem Soc 1981, 103: 6227-6228). Alle Veröffentlichungen die bisher Hydrogenasen zum Einsatz der Cofaktorregenerierung beschreiben, tun dieses entweder auf die direkte Reduktion von NAD+ bezogen, oder auf die indirekte Reduktion von NADP+ mittels eines weiteren Mediators. Die nach dem Stand der Technik eingesetzten Enzyme sind relativ labil, durchlaufen wenige Zyklen und haben für die Reaktionen eine geringe thermodynamische Triebkraft. More recently, more and more oxidoreductases have found their way into the production of fine chemicals and pharmaceuticals. If these are enzymatic, stereoselective reductions, a cofactor (hydrogen donor) in the form of NADH or NADPH is usually required. Since these cofactors are still very expensive today, especially NADPH, there is a need for a process with which it is possible to produce NADPH in particular in a particularly inexpensive manner. Furthermore, a process that enables NADPH to be regenerated is of the greatest interest, whereby the individual NADPH molecule should be able to go through as many cycles as possible (high total turn-over number). The latter is particularly important because these cofactors are far too expensive to use stoichiometrically. The current method of chemical reduction of NADP + uses inexpensive and commercially available reagents, such as. B. sodium dithionite (Peters J. Dehydrogenases - characteristics, design of reaction conditions, and applications. In: Biotechnology, biotransformations I. Kelly Dr, Editor, ed. 8a, Weinheim: Wiley-VCH, 1998. p. 391-473), however, the complex disadvantages here are the elaborate product work-up, the formation of by-products and low yields (Chenault H, Whitesides G. Regeneration of nicotinamide cofactors for use in organic synthesis. Appl Biochem Biotech 1987, 14: 147-197). The enzymatic production of NADPH has also been described in various publications. The glucose dehydrogenase from Gluconobacter suboxidans (Izumi Y, Nath PK, Yamamoto H, Yamada H. NADPH production from NADP + with a glucose dehydrogenase system involving whole cells and immobilized cells of Gluconobacter suboxydans. Appl Microbiol Biotechnol 1989, 30: 337 -342), the alcohol dehydrogenase from Thermoanaerobium brockii (Lamed RJ, Keinan E, Zeikus JG. Potential applications of an alcoholaldehyde / ketone oxidoreductase from thermophilic bacteria. Enzyme Microb Technol 1981, 3: 144-148) and the malate dehydrogenase from Acromobacter parvulus (Suye S, Yokohama S. NADPH production from NADP + using malic enzyme of Achromobacter parvulus IFO-13182. Enz Microbial Technol 1985, 7: 418-424). The use of various hydrogenases is also already to be found in the scientific literature: for example the hydrogenase from Alkanigines eutrophus (Klibanov A, Puglisi A. The regeneration of coenzymes using immobilized hydrogenase. Biotech Lett 1980, 2: 445-450) and the hydrogenase Methanobacterium thermoautotrophicum (Wong CH, Daniels L, Orme-Johnson WH, Whitesides GM. Enzyme-catalyzed organic synthesis: NAD (P) H regeneration using dihydrogen and the hydrogenase from Methanobacterium thermoautotrophicum. J Am Chem Soc 1981, 103: 6227-6228) , All publications that describe hydrogenases to date for the use of cofactor regeneration do this either in relation to the direct reduction of NAD + , or to the indirect reduction of NADP + by means of a further mediator. The enzymes used according to the prior art are relatively unstable, go through a few cycles and have a low thermodynamic driving force for the reactions.
Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein einfaches Verfahren zur direkten Reduktion von Mediatoren, insbesondere von NADP+ ohne die Benutzung eines zusätzlichen, anderen Mediators zu schaffen, welche für die Produktion von NADPH bzw. der hydrierten Form der Mediatoren und die Cofaktorregenerierung von NADPH, sowie die Regenerierung von weiteren Mediatoren eingesetzt werden kann. It is the object of the invention to provide a simple method for the direct reduction of mediators, in particular of NADP +, without the use of an additional, other mediator, which is used for the production of NADPH or the hydrogenated form of the mediators and the cofactor regeneration of NADPH, and the regeneration of other mediators can be used.
Ausgehend vom Oberbegriff des Anspruchs 1 wird die Aufgabe erfindungsgemäß gelöst mit dem im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen. Starting from the preamble of claim 1 Object achieved in accordance with the characterizing Features specified in claim 1.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es nunmehr möglich, Mediatoren, insbesondere NADP+ zu hydrieren und somit zu regenerieren. Das Verfahren ist wegen des preiswerten Wasserstoffes als Agens besonders kostengünstig. Die Abtrennung des Reduktionsmittels bereitet keine Schwierigkeiten, da Wasserstoff gasförmig ist. Die erfindungemäß eingesetzten Enzyme sind weniger labil und durchlaufen mehr Reaktionszyklen. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können quantitative Umsätze erzielt werden. With the method according to the invention it is now possible to hydrogenate and thus regenerate mediators, in particular NADP + . The process is particularly inexpensive because of the inexpensive hydrogen as an agent. The removal of the reducing agent presents no difficulties since hydrogen is gaseous. The enzymes used according to the invention are less labile and go through more reaction cycles. Quantitative conversions can be achieved with the method according to the invention.
Der Prozeß kann vorzugsweise in situ durchgeführt werden. The process can preferably be carried out in situ become.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben. Advantageous developments of the invention are in the Subclaims specified.
Im Folgenden soll die Erfindung erläutert werden. The invention is to be explained below.
Erfindungsgemäß wird ein Mediator mittels einer Hydrogenase mit molekularem Wasserstoff umgesetzt. According to the invention, a mediator is operated using a Hydrogenase reacted with molecular hydrogen.
Vorzugsweise ist die Hydrogenase aus dem hyperthermophilen Stamm des Archaebakteriums Pyrococcus furiosus (DSM 3638). The hydrogenase is preferably from the hyperthermophilic strain of the archaebacterium Pyrococcus furiosus (DSM 3638).
Die Hydrogenasen können in situ eingesetzt werden. The hydrogenases can be used in situ.
Als Mediator wird erfindungsgemäß eine Substanz bezeichnet, die Hydridionen oder Elektronen auf Substanzen übertragen kann. Diese Verbindungen werden, wenn sie in Organismen natürlich vorkommen, als Cofaktoren bezeichnet. Andere Substanzen, die funktionell mit diesen natürlichen Cofaktoren gleichwirkend sind, werden als Mediatoren bezeichnet. Im Sinne der Erfindung soll der Begriff Mediatoren alle bekannten Mediatoren einschließlich der natürlichen Cofaktoren bedeuten, so daß beide gleichwirkenden Arten von dem Begriff umfaßt sein sollen. According to the invention, a substance is used as a mediator referred to, the hydride ions or electrons Can transfer substances. These connections will, if they occur naturally in organisms as cofactors designated. Other substances that are functional with are equivalent to these natural cofactors referred to as mediators. For the purposes of the invention the term mediators all known mediators including natural cofactors mean that the term covers both equally acting types should.
Beispielhaft können als Mediatoren Flavin mononukleotid (FMN), Phenazin methosulfat (PMS), 2,6 Dichlorphenolindophenol (DCPIP), Janus Grün, Methylenblau, Flavin adenin dinukleotid (FAD) aber insbesondere NADP+ genannt werden. NAD+ ist jedoch von der Erfindung ausgenommen. Examples of mediators that can be mentioned are flavin mononucleotide (FMN), phenazine methosulfate (PMS), 2,6 dichlorophenolindophenol (DCPIP), Janus Grün, methylene blue, flavin adenine dinucleotide (FAD), but in particular NADP + . However, NAD + is excluded from the invention.
Die Mediatoren werden erfindungemäß mittels der Hydrogenase in Anwesenheit von Wasserstoff in ihre reduzierte Form überführt. Die Produkte sind dem Fachmann bekannt. The mediators are inventively by means of Hydrogenase in the presence of hydrogen in your reduced form transferred. The products are the specialist known.
Die Reaktion findet vorzugsweise in wäßrigem Medium statt. The reaction preferably takes place in an aqueous medium instead of.
Die Reaktion kann in einem pH-Bereich von 6-10 durchgeführt werden, findet aber vorzugsweise in einem pH- Bereich von 7 bis 9, vorzugsweise von 7,5 bis 8,5 statt, da die Enzymaktivität und die Stabilität von NADPH hier am größten ist. The reaction can be in a pH range of 6-10 be carried out, but preferably takes place in a pH Range from 7 to 9, preferably from 7.5 to 8.5 instead because of the enzyme activity and stability of NADPH is largest here.
Die Umsetzung kann in einem Temperaturbereich von -10°C bis 150°C, vorzugsweise in einem Bereich von 0°C bis 100°C besonders bevorzugt von 20°C bis 80°C durchgeführt werden. The reaction can take place in a temperature range of -10 ° C to 150 ° C, preferably in a range from 0 ° C to 100 ° C particularly preferably from 20 ° C to 80 ° C be performed.
Der Druckbereich, in dem die Reaktion durchgeführt werden kann liegt vorzugsweise zwischen 0 bis 300 bar, besonders bevorzugt zwischen 0 und 20 bar. In den hohen Druckbereichen > 20 bar ist die Löslichkeit von Wasserstoff höher, so daß in der Lösung mehr Moleküle für die Hydrierung zur Verfügung stehen. In den Druckbereichen unterhalb 20 bar werden Reaktoren benötigt, welche nicht so hohen Drucken standhalten können müssen, so daß der technische Aufwand hier geringer ist. Die Grenzen der angegeben Bereiche sind jedoch fließend. The pressure range in which the reaction is carried out is preferably between 0 to 300 bar, particularly preferably between 0 and 20 bar. In the high Pressure ranges> 20 bar is the solubility of Hydrogen higher, so that more molecules for the solution Hydrogenation are available. In the printing areas Reactors below 20 bar are required, which not have to withstand such high pressures, so that the technical effort is less here. The However, the boundaries of the specified ranges are fluid.
Bei den genannten Drucken kann sich die Gasphase über der Reaktionslösung verschieden zusammensetzen. Es sollte kein Sauerstoff in der Gasphase sein oder jedenfalls so wenig, daß kein explosives Gemisch vorliegt. Der Wasserstoff kann in reiner Form, oder in einem Gemisch eines für den Prozeß inerten Gases beispielsweise mit mindestens einer Komponente aus der Gruppe von N2, CO2, Ar, He und Kr vorliegen. Der Wasserstoffanteil kann dabei zwischen > 0 bis 100% liegen. Bevorzugt wird ein Wasserstoffanteil zwischen 50 und 100%. At the pressures mentioned, the gas phase over the reaction solution can have different compositions. There should be no oxygen in the gas phase or at least so little that there is no explosive mixture. The hydrogen can be present in pure form or in a mixture of a gas which is inert for the process, for example with at least one component from the group consisting of N 2 , CO 2 , Ar, He and Kr. The hydrogen content can be between> 0 to 100%. A hydrogen content of between 50 and 100% is preferred.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist der Reaktionslösung ein weiteres Enzym zugegeben, welches ein Substrat umsetzt. Für diese zweite Umsetzung mit diesem Enzym 2 kann der, durch die Hydrogenase umgesetzte, Mediator als Cofaktor oder allgemeiner als Mediator dienen, der durch die anschließende wiederholte Umsetzung mit der Hydrogenase, wieder regeneriert wird, indem er mit Wasserstoff hydriert wird. In a further development of the invention Reaction solution added another enzyme, which is a Implement substrate. For this second implementation with this Enzyme 2 can be the hydrogenase-converted Mediator as a cofactor or more generally as a mediator serve by the subsequent repeated implementation with the hydrogenase, is regenerated again by is hydrogenated with hydrogen.
Das Enzym 2 kann beispielsweise eine Alkoholdehydrogenase sein, welche eine Keton zu einem Alkohol umsetzt. In einem derartigen Cyclus wird beispielsweise NADP+ mittels der Hydrogenase zu NADPH umgesetzt, welches als H--Donor für die Reduktion des Ketons zu einem Alkohol dient. Hierbei entsteht wiederum NADP+, welches durch die Hydrogenase erneut regeneriert wird. Als Substrate für die zweite Reduktion können in diesem Beispiel Acetophenon oder Aceton genannt werden. The enzyme 2 can be, for example, an alcohol dehydrogenase, which converts a ketone to an alcohol. In such a cycle, for example, NADP + is converted by means of the hydrogenase to NADPH, which serves as an H - donor for the reduction of the ketone to an alcohol. This in turn produces NADP + , which is regenerated again by the hydrogenase. In this example, acetophenone or acetone can be mentioned as substrates for the second reduction.
Weitere Enzyme E2 sind beispielsweise aus Thermoanaerobium brockii (ADH), (Pyrococcus furiosus (GDH) erhältlich. Grundsätzlich kann der erfindungsgemäße Prozeß der Mediatorregenerierung mit jeder weiteren Enzymreaktion gekoppelt werden, die den regenerierten Mediator benötigt. Other enzymes E2 are, for example Thermoanaerobium brockii (ADH), (Pyrococcus furiosus (GDH) available. Basically, the process of the invention the mediator regeneration with every further one Enzyme reaction coupled to the regenerated mediator needed.
Somit wird die Hydrogenasereaktion mit einer weiteren enzymatischen Reaktion gekoppelt. Typische Beispiele für Reaktionen des Enzyms 2, welche mit der Regenerierung des Mediators gekoppelt werden können, sind in "Wong, C.-H.; Whitesides, G. M.; 1994 Enzymes in synthetic organic chemistry" Baldwin, J. E.; Magnus, P. D.; Tetrahedron organic chemistry series; Oxford; Elsevier Science Ltd.; Vol 12; 370 Seiten" beschrieben. Thus the hydrogenase reaction with another enzymatic reaction coupled. Typical examples for reactions of the enzyme 2, which with the Regeneration of the mediator can be coupled in "Wong, C.-H .; Whitesides, G. M .; 1994 Enzymes in synthetic organic chemistry "Baldwin, J.E .; Magnus, P. D .; Tetrahedron organic chemistry series; Oxford; Elsevier Science Ltd .; Vol 12; 370 pages ".
Das erfindungsgemäße Verfahren kann also sowohl zur Produktion von Mediatoren, als auch zu deren in situ Regenerierung in gekoppelten Systemen eingesetzt werden. Die angekoppelte Enzymreaktion mit dem Enzym 2 wird durch den Wasserstoff nicht gestört, vielmehr stellt der Wasserstoff sogar eine Inertatmosphäre für die Reaktion dar. The method according to the invention can therefore both Production of mediators, as well as their in situ Regeneration used in coupled systems become. The coupled enzyme reaction with enzyme 2 is not disturbed by the hydrogen, but rather the hydrogen even provides an inert atmosphere for the reaction.
Die Prozessführung kann in einem Satzreaktor erfolgen. Weiterhin kann die erfindungsgemäße Reaktion in einem Membranreaktor, wie er beispielhaft im deutschen Patent 44 36 149 beschrieben ist, durchgeführt werden, welcher mit einer Ultrafiltrationsmembran ausgestattet ist, die die Retention der Hydrogenase ermöglicht. Der Membranreaktor kann als repetitiv batch oder als kontinuierlicher Reaktor eingesetzt werden. Die Prozeßführung im kontinuierlich betriebenen Membranreaktor ist besonders bevorzugt. The process can be carried out in a batch reactor. Furthermore, the reaction according to the invention can be carried out in one Membrane reactor, as exemplified in the German patent 44 36 149 is carried out, which is equipped with an ultrafiltration membrane that allows the retention of the hydrogenase. The Membrane reactor can be used as a repetitive batch or as continuous reactor can be used. Litigation in continuously operated membrane reactor is special prefers.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Methode wird die Hydrogenase aus Pyrococcus furiosus wiederholt in einem "repetitiv batch" Verfahren eingesetzt, um NADPH zu produzieren. Hierdurch ergeben sich geringe Katalysatorverbrauchsraten und hohe Produktivitäten. Bei dem in Beispiel 6 dargestellten Experiment wurde eine maximale Raum-Zeit-Ausbeute von 10 gL-1d-1 erreicht. Bei dem in Beispiel 7 angeführten Experiment wird ein Katalysatorverbrauch von weniger als 0,1 mg Protein/gNADPH und eine maximale Raum-Zeitausbeute von 74 g/L-1d-1 erzielt. In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Methode wird die Hydrogenase aus Pyrococcus furiosus zur Cofaktorregenerierung von NADPH bei der asymmetrischen Reduktion von prochiralen Ketone mittels einer Dehydrogenase eingesetzt. Bei dem in Beispiel 6 angeführten Experiment wird eine Zyklenzahl von 100, bei Beispiel 1 von 320 erreicht. In an advantageous embodiment of the method, the hydrogenase from Pyrococcus furiosus is used repeatedly in a "repetitive batch" process to produce NADPH. This results in low catalyst consumption rates and high productivity. In the experiment shown in Example 6, a maximum space-time yield of 10 gL -1 d -1 was achieved. In the experiment shown in Example 7, a catalyst consumption of less than 0.1 mg protein / gNADPH and a maximum space-time yield of 74 g / L -1 d -1 is achieved. In a further advantageous embodiment of the method, the hydrogenase from Pyrococcus furiosus is used for the cofactor regeneration of NADPH in the asymmetrical reduction of prochiral ketones by means of a dehydrogenase. In the experiment listed in Example 6, a cycle number of 100, in Example 1 of 320, is achieved.
Folgende Vorteile ergeben sich aus dem hier
vorgestellten Verfahren:
- - Bei der hier verwendeten Hydrogenase aus Pyrococcus furiosus handelt es sich um ein besonders stabiles Enzym, welches wie durch die repetitiv batch Experimente gezeigt, vielfach wiederverwendet werden kann.
- - Der Katalysator kann sowohl in gekoppelten als auch alleinig eingesetzt werden.
- - Da die Hydrogenase aus einem thermophilen Stamm kommt, kann sie wie in den Ansprüchen beschrieben, über einen weiten Temperaturbereich eingesetzt werden.
- - The hydrogenase from Pyrococcus furiosus used here is a particularly stable enzyme which, as shown by the repetitive batch experiments, can be reused many times.
- - The catalyst can be used both in coupled and alone.
- - Since the hydrogenase comes from a thermophilic strain, it can be used over a wide temperature range as described in the claims.
Die erfindungsgemäße Umsetzung der Pyrodinnucleotide unterliegt keiner thermodynamischen Limitierung. Dies ist überraschend und besonders vorteilhaft, da höhere Umsätze als bei mit Cosubstraten gekoppelten Regeneriersystemen erreicht werden. The implementation of the pyrodine nucleotides according to the invention is not subject to any thermodynamic limitation. This is surprising and particularly advantageous because higher Turnover than for those coupled with cosubstrates Regeneration systems can be achieved.
Die Figuren zeigen Versuchsergebnisse: The figures show test results:
Es zeigt: It shows:
Fig. 1 Umsatz-Zeit-Verlauf für die Reaktion Acetophenon → Phenylethanol Beispiele 4 und 5. Fig. 1 sales-time curve for the reaction acetophenone → phenylethanol Examples 4 and 5.
Fig. 2 Repetitive Batch-Versuche für die Reaktion aus Fig. 1 (Beispiel 6). Fig. 2 Repetitive batch experiments for the reaction of Fig. 1 (Example 6).
Fig. 3 Ausbeute von NADPH für Repetitive Batch-Versuche gemäß Beispiel 7. Fig. 3 yield of NADPH for repetitive batch experiments according to Example 7.
Fig. 4 Abhängigkeit der NADPH-Bildung von der Temperatur. Fig. 4 dependence of the NADPH formation on the temperature.
In der hier dargestellten Erfindung wird eine in vitro
Methode beschrieben, welche molekularen Wasserstoff als
reduzierendes Agens für die Darstellung von Pyridin-
Nukleotiden und Farbstoffen mittels einer löslichen
Hydrogenase ermöglicht. Pyrococcus furiosus (DSM 3638)
wurde entsprechend der in der Literatur angegebenen
Vorschrift kultiviert, unter Zusatz von Tafelsalz und
Kartoffelstärke (Hagedoorn, P-L., M. C. P. F. Driessen,
M. van den Bosch, I. Landa, and W. R. Hagen. 1998.
Hyperthermophilic redox chemistry: a re-evaluation. FEBS
Lett. 440: 311-314). Die Zellen wurden durch Autolyse
aufgeschlossen. Hierzu wurden 100 g Biofeuchtmasse in
400 mL 50 mM Tris-HCl pH 8,0 suspendiert, und 10 µg/mL
DNase und RNase zugegeben. Nach 4 h bei Raumtemperatur
wurde das Zellextrakt für 1 h bei 30 000 g
abzentrifugiert. Aus dem so gewonnen Zellüberstand (verdünntes,
zellfreies Extrakt, 5-10 mg Protein/mL) wurden 3
verschiedene Präparationen hergestellt:
- 1. Zellfreies Extrakt wurde mittels Ultrafiltration (Amicon YM 10 Membran) auf 30 mg/mL aufkonzentriert und über Nacht mit 50 mM Tris-HCl pH 8,0 Puffer dialysiert.
- 2. Zu dem zellfreien Extrakt wurde Ammoniumsulfat hinzugesetzt, bis zu 10%iger Sättigung. Die so erhaltene Suspension wird für 15 min. bei 30 000 g und 4°C zentrifugiert und der Überstand mit Ammoniumsulfat bis zu 60% gesättigt. Nach einem weiteren Zentrifugationsschritt, wird das Pellet resuspendiert und gegen 50 mM Tris-HCl-Puffer pH 8 dialysiert. Die Proteinkonzentration beträgt 30 mg/mL.
- 3. Das zellfreie Extrakt wird auf eine Source 15Q- Säule (Pharmacia) aufgetragen und mit 250 mM NaCl eluiert. Die Fraktionen, welche Hydrogenaseaktivität enthalten, werden mittels Ultrafiltration (Amicon YM 30 Membran) bis 30-50 mg Protein/mL aufkonzentriert.
- 1. Cell-free extract was concentrated to 30 mg / mL by means of ultrafiltration (Amicon YM 10 membrane) and dialyzed overnight with 50 mM Tris-HCl pH 8.0 buffer.
- 2. Ammonium sulfate was added to the cell-free extract, up to 10% saturation. The suspension thus obtained is for 15 min. Centrifuged at 30,000 g and 4 ° C and the supernatant saturated with ammonium sulfate up to 60%. After a further centrifugation step, the pellet is resuspended and dialyzed against 50 mM Tris-HCl buffer pH 8. The protein concentration is 30 mg / mL.
- 3. The cell-free extract is applied to a Source 15Q column (Pharmacia) and eluted with 250 mM NaCl. The fractions, which contain hydrogenase activity, are concentrated by ultrafiltration (Amicon YM 30 membrane) to 30-50 mg protein / mL.
In der löslichen zellfreien Fraktion des hypothermophilen Archae-Bakteriums Pyrococcus furiosus liegen zwei verschiedene Hydrogenasen vor (Ma, K., Weiss, R. and Adams, M. W. W. Characterization of hydrogenase II from the hyperthermophilc archaeon Pyrococcus furiosus and assessment of its role in sulfur reduction. J. Bacteriol., 2000, 1864-1871). Die Hydrogenase 1 (90% der Gesamtaktivität) eluiert bei 0,25 M NaCl von der Ionenaustauschchromatographiesäule und die Hydrogenase 2 bei 0,4 M NaCl (10% der Gesamtaktivität). Die Fraktionierung erfolgte unter einer Argonatmosphäre und die Fraktionen werden bei -80°C gelagert. Die Hydrogenaseaktivität (H2 -Bildung) wird bei 40°C gemessen (Silva P. J.; Van den Ban E. C. D.; Wassink H.; Haaker H.; De Castro B.; Robb F. T.; Hagen W. R. Enzymes of hydrogen metabolism in Pyrococcus furiosus. Eur J. Biochem, 2000. 267, 6541-6551). Wenn eine der zuvor beschriebenen Enzympräparationen für die Darstellung oder die Kofaktorregenerierung von NADPH benutzt werden soll, muss zuvor eine noch anwesende Phosphataseaktivität, welche die Dephosphorilierung von NADP+ zu NAD+ katalysiert, entfernt werden. Für die drei zuvor beschriebenen Enzympräparationen sind in Tabelle 1 die entsprechenden Aktivitäten an Hydrogenase und Phosphatase angegeben. Hierbei wurde die Geschwindigkeit der Dephosphorilierung von NADP+ unter folgenden Bedingungen bestimmt: 50 mM EPPS pH 8,0, 0,5 mM NADPH, Proteinprobe, 40°C, Gesamtvolumen 1,5 ml. Es konnte keine Phophodiesteraseaktivität detektiert werden. Two soluble hydrogenases are present in the soluble cell-free fraction of the hypothermophilic archae bacterium Pyrococcus furiosus (Ma, K., Weiss, R. and Adams, MWW Characterization of hydrogenase II from the hyperthermophilc archaeon Pyrococcus furiosus and assessment of its role in sulfur reduction. J. Bacteriol., 2000, 1864-1871). The hydrogenase 1 (90% of the total activity) elutes from the ion exchange chromatography column at 0.25 M NaCl and the hydrogenase 2 at 0.4 M NaCl (10% of the total activity). The fractionation was carried out under an argon atmosphere and the fractions are stored at -80 ° C. The hydrogenase activity (H 2 formation) is measured at 40 ° C (Silva PJ; Van den Ban ECD; Wassink H .; Haaker H .; De Castro B .; Robb FT; Hagen WR Enzymes of hydrogen metabolism in Pyrococcus furiosus. Eur J. Biochem, 2000. 267, 6541-6551). If one of the enzyme preparations described above is to be used for the preparation or the cofactor regeneration of NADPH, a phosphatase activity which is still present and which catalyzes the dephosphorilation of NADP + to NAD + must first be removed. The corresponding activities in hydrogenase and phosphatase are given in Table 1 for the three enzyme preparations described above. The rate of dephosphorilation of NADP + was determined under the following conditions: 50 mM EPPS pH 8.0, 0.5 mM NADPH, protein sample, 40 ° C., total volume 1.5 ml. No phophodiesterase activity could be detected.
Alle Aktivitäten wurden bei 40°C bestimmt.
All activities were determined at 40 ° C.
Eine hohe Stabilität der Hydrogenase ist nur gegeben, wenn anaerobe Bedingungen vorliegen. Die Reduktion von NADP+ wird nur in Gegenwart von Wasserstoff durchgeführt. Entsprechende Vorkehrungen zum Ausschluss von störenden Komponenten wurden getroffen. The hydrogenase is only highly stable if anaerobic conditions are present. The reduction of NADP + is only carried out in the presence of hydrogen. Appropriate precautions have been taken to exclude disruptive components.
Die Reaktionsstabilität wurde mittels eines fed-batch Experimentes getestet. 1,6 Units Hydrogenase werden in 3 ml 200 mM EPPS, pH 8,0 bei 80°C für 5 Minuten inkubiert. Nach der Zugabe von 8 mM (24 µmol) wurde die Lösung bei 40°C unter Wasserstoffatmosphäre für 24 h inkubiert. Nach jeder NADP+-Zugabe wurde quantitativer Umsatz bezüglich des frischen Substrats nach einer Stunde erzielt. Allerdings wurde hierbei festgestellt, dass das produzierte NADPH instabiler als das zudosierte NADP+ ist. Der Zerfall von NADPH ist nicht enzymkatalysiert. Die Halbwertszeit von NADPH in den verschiedenen Experimenten war durchschnittlich 20 h. Ähnliche Halbwertszeiten für NADPH bei 41°C sind in der Literatur beschrieben. Eine HPLC-Analyse nach Reaktionszeit von 2 und 48 h zeigte keine Zerfallsprodukte, die durch Phosphatase oder durch Phospordiesteraseaktivität hervorgerufen sein könnten. The reaction stability was tested using a fed-batch experiment. 1.6 units of hydrogenase are incubated in 3 ml of 200 mM EPPS, pH 8.0 at 80 ° C. for 5 minutes. After the addition of 8 mM (24 μmol), the solution was incubated at 40 ° C. under a hydrogen atmosphere for 24 h. After each addition of NADP + , quantitative conversion with respect to the fresh substrate was achieved after one hour. However, it was found that the NADPH produced is more unstable than the added NADP + . The decay of NADPH is not enzyme-catalyzed. The half-life of NADPH in the different experiments was on average 20 h. Similar half-lives for NADPH at 41 ° C are described in the literature. An HPLC analysis after a reaction time of 2 and 48 h showed no decay products which could be caused by phosphatase or by phosphodiesterase activity.
Die Standardoxidations- und Reduktionspotentiale von H+-H2 und einer NADP+-NADPH bei pH 8 unterscheiden sich um 133 mV. Unter der Annahme, dass keine Inhibierung der Hydrogenase durch eines ihrer Edukte oder Produkte vorliegt, muß das Enzym befähigt sein, die Pyrodinnukleotidcofaktoren komplett zu reduzieren. Eine Potentialdifferenz von 133 mV bei pH 8.0 und einer Wasserstoff-Atmosphäre verschiebt das Gleichgewicht von NADPH/NADP+ zu 24 000/1 (Clark, W. M. usw.). Dieses heißt, das es keine thermodynamische Limitierung für die Reduktion von Pyrodinnukleotiden durch H2 gibt. Dieses wurde nachgewiesen, in dem der folgende Testansatz durchgeführt wurde: 3,9 Units Hydrogenase wurden unter Wasserstoffatmosphäre in einem Volumen von 3 mL 1 M EPPS-Puffer, pH 8.0, 110 mM NADP+ inkubiert. Nach 240 Minuten war quantitativer Umsatz erreicht. The standard oxidation and reduction potentials of H + -H 2 and an NADP + -NADPH at pH 8 differ by 133 mV. Assuming that there is no inhibition of the hydrogenase by one of its starting materials or products, the enzyme must be capable of completely reducing the pyrodine nucleotide cofactors. A potential difference of 133 mV at pH 8.0 and a hydrogen atmosphere shifts the equilibrium of NADPH / NADP + to 24 000/1 (Clark, WM, etc.). This means that there is no thermodynamic limitation for the reduction of pyrodine nucleotides by H 2 . This was demonstrated by carrying out the following test approach: 3.9 units of hydrogenase were incubated under a hydrogen atmosphere in a volume of 3 ml of 1 M EPPS buffer, pH 8.0, 110 mM NADP + . Quantitative conversion was achieved after 240 minutes.
Die reduktive Aminierung von zwei Ketogluterat zu
Glutamat wird durch die Glutamatdehydrogenase (GDH)
katalysiert, welche NADPH abhängig ist. Zur Regenerierung
wurde hier die Hydrogenase aus Pyrococcus furiosus
eingesetzt. Die Reaktionslösung bestand aus 50 mM
Tris/HCL-Puffer, pH 7,5, 50 mM NH4CL, 0,2 Units GDH und
0,06 Units Hydrogenase aus einem zellfreien Extrakt.
Aufgereinigte Glutamatdehydrogenase von Pyrococcus
furiosus wurde als Testsystem der reduktiven
Kofaktorregenerierung benutzt. Wie der Tabelle 2 zu entnehmen
ist, konnte bei 50 C innerhalb von 16 h genügend NADPH
regeneriert werden, um zu 100% Umsatz von 2-
Ketogluterat zu Glutamat zu gelangen, welches unter den
zuvor genannten Reaktionsbedingungen einer Zyklenzahl
(TTN) von 100 entspricht.
Tabelle 2
Umsetzung von 50 mM 2-Ketoglutarat zu
Glutamat durch P. furiosus GDH mit NADPH Regenerierung
durch Hydrogenase in einem zellfreien Extrakt aus P.
furiosus
The reductive amination of two ketogluterates to glutamate is catalyzed by glutamate dehydrogenase (GDH), which is dependent on NADPH. The hydrogenase from Pyrococcus furiosus was used for regeneration. The reaction solution consisted of 50 mM Tris / HCL buffer, pH 7.5, 50 mM NH 4 CL, 0.2 units GDH and 0.06 units hydrogenase from a cell-free extract. Purified Pyrococcus furiosus glutamate dehydrogenase was used as a test system for reductive cofactor regeneration. As can be seen in Table 2, sufficient NADPH could be regenerated at 50 C within 16 h to achieve 100% conversion of 2-ketogluterate to glutamate, which corresponds to a cycle number (TTN) of 100 under the aforementioned reaction conditions. Table 2 Conversion of 50 mM 2-ketoglutarate to glutamate by P. furiosus GDH with NADPH regeneration by hydrogenase in a cell-free extract from P. furiosus
Eine Lösung von 10 mM Acetophenon in 50 mM wäßrigem Kaliumphosphatpuffer (pH 8) mit 0,5 mM oxidiertem Kofaktor NADP+ und eine NADP+-abhängige Alkoholdehydrogenase (ADHM) wird mit Durchströmen der Lösung mit wassergesättigtem Helium entgast. Zu dieser Lösung werden 20 µL einer aktivierten Enzympräparation (5 Minuten bei 80°C unter Wasserstoffatmosphäre) aus Pyrococcus furiosus gegeben, so daß die Proteinkonzentration 0.1 mg/mL entspricht. Die Zugabe erfolgt durch ein gasdichtes Septum mittels einer geeigneten Spritze. Die Lösung wird bei 40°C gehalten. Die inerte Argonatmosphäre wird durch Wasserstoff ersetzt. Von der gerührten Reaktionslösung werden Proben genommen und ohne weitere Aufarbeitung per Gaschromatographie (GC) hinsichtlich Umsatz und Enantiomerenüberschuß bzw. -verhältnis analysiert. A solution of 10 mM acetophenone in 50 mM aqueous potassium phosphate buffer (pH 8) with 0.5 mM oxidized cofactor NADP + and a NADP + -dependent alcohol dehydrogenase (ADHM) is degassed by flowing the solution with water-saturated helium. 20 μL of an activated enzyme preparation (5 minutes at 80 ° C. under a hydrogen atmosphere) from Pyrococcus furiosus are added to this solution, so that the protein concentration corresponds to 0.1 mg / mL. It is added through a gas-tight septum using a suitable syringe. The solution is kept at 40 ° C. The inert argon atmosphere is replaced by hydrogen. Samples are taken from the stirred reaction solution and analyzed without further processing by gas chromatography (GC) with regard to conversion and enantiomeric excess or ratio.
Es wurde quantitativer Umsatz nach 3 Stunden bei einem Enantiomerenüberschuß größer als 99.5% erreicht. There was quantitative turnover after 3 hours at one Enantiomeric excess greater than 99.5% reached.
GC: Agilent 6890GC mit einer Kapillarsäule Chirasil-Dex (Chrompack-Varian, Deutschland) Umsatz-Zeit-Kurve zeigt die Fig. 1 (Kreise). GC: Agilent 6890GC with a Chirasil-Dex capillary column (Chrompack-Varian, Germany) Fig. 1 (circles) shows the turnover-time curve.
Die Zyklenzahl (TTN) bezüglich NADP+ entspricht 20. The number of cycles (TTN) with respect to NADP + corresponds to 20.
Konzentrationen wie in Beispiel 4, die Kofaktorkonzentration wurde auf 0,1 mM erniedrigt. Concentrations as in Example 4, the Cofactor concentration was decreased to 0.1 mM.
Die Umsatz-Zeitkurven sind für beide Kofaktorkonzentrationen in der Fig. 1 gezeigt (Dreiecke). The turnover-time curves for both cofactor concentrations are shown in FIG. 1 (triangles).
Es wurde quantitativer Umsatz nach 3.5 Stunden bei einem Enantiomerenüberschuß größer als 99.5% erreicht. Die Zyklenzahl (TTN) bezüglich NADP+ entspricht 100. Quantitative conversion was achieved after 3.5 hours with an enantiomeric excess greater than 99.5%. The number of cycles (TTN) with respect to NADP + corresponds to 100.
In einer modifizierten Ultrafiltrationszelle (Amicon, Deutschland), die mit einer Ultrafiltrationsmembran (YM10, Amicon) ausgestattet ist, werden die oben beschriebenen Lösungen unter Argonatmosphäre eingefüllt. Der Auslauf der Zelle wird periodisch geöffnet und das Permeat der Ultrafiltrationszelle mittels GC auf Umsatz und Ausbeute analysiert. Der Auslauf wurde mit negativem Ergebnis auf Proteingehalt überprüft. Nachdem mehr als 95% des Umsatzes erreicht wurden, wurde der Zelleninhalt bis auf ein minimales Restvolumen filtriert, und wieder mit der gleichen Lösung befüllt. Bei der Befüllung wurde nur Alkoholdehydrogenase (ADHM) zu den Zeitpunkten nachdosiert, die in der Fig. 2 kenntlich gemacht wurden. In a modified ultrafiltration cell (Amicon, Germany), which is equipped with an ultrafiltration membrane (YM10, Amicon), the solutions described above are filled in under an argon atmosphere. The cell outlet is opened periodically and the permeate of the ultrafiltration cell is analyzed by GC for conversion and yield. The outlet was checked for protein content with a negative result. After more than 95% of the conversion had been reached, the cell contents were filtered to a minimal residual volume and again filled with the same solution. During the filling, only alcohol dehydrogenase (ADHM) was replenished at the times that were identified in FIG. 2.
Beginnend mit dem sechsten Zyklus wurde das Substrat von Acetophenon auf (S)-2-Hydroxy-1-phenhyl-propanon gewechselt. Als Produkt wurde 1,2-Dihydroxyphenylpropanon mit hohem Enantiomerenüberschuß erhalten. Starting with the sixth cycle, the substrate from acetophenone to (S) -2-hydroxy-1-phenyl-propanone changed. As a product Obtained 1,2-dihydroxyphenylpropanone with high enantiomeric excess.
Der Zyklus wurde achtmal wiederholt. Die Ergebnisse der ersten sechs Zyklen sind in Fig. 2 gezeigt. The cycle was repeated eight times. The results of the first six cycles are shown in FIG. 2.
In einer modifizierten Ultrafiltrationszelle (Amicon, Deutschland), die mit einer Ultrafiltrationsmembran (YM10, Amicon) ausgestattet ist, werden 3 ml 200 mM EPPS, pH 8,0, 12 mM NADP+ unter Argonatmosphäre eingefüllt. Der Auslauf der Zelle wird periodisch geöffnet und das Permeat der Ultrafiltrationszelle mittels Capillarelectrophorese auf Umsatz und Ausbeute analysiert. Der Auslauf wurde mit negativem Ergebnis auf Proteingehalt überprüft. Nachdem mehr als 95% des Umsatzes erreicht wurden (bzgl. NADP+), wurde der Zelleninhalt bis auf ein minimales Restvolumen (ca. 0.2 mL) filtriert, und wieder mit der gleichen Lösung befüllt. Dabei wurden verschiedene Wasserstoffdrücke beaufschlagt. In a modified ultrafiltration cell (Amicon, Germany), which is equipped with an ultrafiltration membrane (YM10, Amicon), 3 ml of 200 mM EPPS, pH 8.0, 12 mM NADP + are introduced under an argon atmosphere. The cell outlet is opened periodically and the permeate of the ultrafiltration cell is analyzed for conversion and yield by means of capillary electrophoresis. The outlet was checked for protein content with a negative result. After more than 95% of the conversion was achieved (with respect to NADP + ), the cell contents were filtered down to a minimal residual volume (approx. 0.2 mL) and filled again with the same solution. Various hydrogen pressures were applied.
Der Zyklus wurde achtmal wiederholt. Dabei wurde ab dem 7. Zyklus der Druck auf 7.5 bar Wasserstoff erhöht. Es wurde keine Hydrogenasepräparation zudosiert. Das Permeat wurde mittels Kapillarelektrophrese untersucht. (Beckmann PACE MDQ, Kapillare: fused silica, 24°C, U = 20 kV, c(Total) = 100 mM, 50\% Kaliumphosphat (50 mM Kaliumphosphat + 50 mM Borat), pH = 6) The cycle was repeated eight times. It was from 7th cycle the pressure increased to 7.5 bar hydrogen. It no hydrogenase preparation was added. The Permeate was examined using capillary electrophresis. (Beckmann PACE MDQ, capillary: fused silica, 24 ° C, U = 20 kV, c (total) = 100 mM, 50% potassium phosphate (50 mM Potassium phosphate + 50 mM borate), pH = 6)
Die Ergebnisse sind in Fig. 3 dargestellt. The results are shown in FIG. 3.
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