DE1792773A1 - Rohrfoermiger traeger mit enzym und verfahren zur herstellung - Google Patents
Rohrfoermiger traeger mit enzym und verfahren zur herstellungInfo
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Description
j a
23. Oktober 1974 Gze/Ra.
National Research Development Corp., London / England
Rohrförmiger Träger mit Enzym und Verfahren zur Herstellung
Die vorliegende Anmeldung stellt eine Ausscheidungsanmeldung aus der Patentanmeldung P 17 92 026.2-41 dar.
Die vorliegende Erfindung betrifft Formkörper aus einem unlöslichen,
durchlässigen und undurchlässigen, rohrförmigen Träger mit einem Enzym.
Wasserunlösliche Enzymderivate, wobei das Enzym an ein wasserunlösliches
Polymer absorbiert oder darin mechanisch eingeschlossen ist, sind bekannt. So werden in der deutschen Auslegeschrift
1 227 855 Enzymkörper beschrieben, die durch Einverleiben von Enzym oder enzymhaltigen Mikroorganismen in gelöstes
semipermeables Material, wie Polyamid, Polyvinylazetat, Cellulosenitrat, Celluloseazetat, Äthylcellulose, Kautschukchlorid
oder Lipoid und anschließende Formung unter Trocknung erhalten wurden. Da das Enzym innerhalb des semipermeablen
Materials eingeschlossen ist, muß das umzusetzende Substrat dieses Material oder darin enthaltende Lücken durchdringen,
bevor die enzymatische Reaktion erfolgen kann; dies bedingt relativ lange Umsetzungszeiten.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, enzymhaltige Formkörper
bereitzustellen, mit welchen enzymatische Reaktionen beschleunigt und über einen langen Zeitraum durchgeführt werden
können.
Die erfindungsgemäße Lösung besteht darin, daß bei Forakörpern
aus einem unlöslichen, durchlässigen oder undurchlässigen, rohrförmigen Träger mit einem Enzym, das Enzym über einen überbrückenden
Rest an den Träger gebunden ist. Das erfindungsgemäß
über einen überbrückenden Rest an den unlöslichen rohrförmigen Träger gebundene Enzym steht bei Umsetzungen in direktem Eontakt
mit der vorbeiströmenden, substrathaltigen Lösung, wodurch
der erhaltene Umsatz pro Zeiteinheit erreicht wird. Der unlösliche, rohrförmige Formkörper ist formbeständig, und das
über einen überbrückenden Rest damit verknüpfte Enzym wird auch bei längerem Gebrauch nicht abgelöst oder in seiner Aktivität beeinträchtigt.
Geeignete Trägermaterialien für die erfindungsgemäßen Formkörper
dürfen sich in dem für die enzymatisehe Reaktion vorgesehenen
Medium, beispielsweise Wasser, nicht lösen. Außerdem muß brauchbares Trägermaterial, gegebenenfalls nach einer
Vorbehandlung mit dem überbrückenden Rest chemisch reagieren, so daß der überbrückende Rest mittels einer chemischen Bindung
an den Träger gebunden wird. Natürliche oder synthetische Polymere sind brauchbare Trägermaterialien, wobei erfindungsgemäß
hydrophile Polymere mit freien Hydroxylgruppen bevorzugt werden; geeignete Materialien sind beispielsweise Zellulose,
modifizierte Zellulose, Stärke, Wolle, Nylon und synthetische Polyester. Der rohrförmige Träger aus solchen Materialien
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kann aus durchlässigem filzartigen Gewebe oder einer undurchlässigen
Schicht bestehen und durch Pressen oder Extrudieren in zylindrische Form gebracht worden sein. Bei undurchlässigen
Trägern kann das Enzym auf der Innenseite oder der Außenseite des Rohres vorgesehen sein. Bei durchlässigen Trägern
können die Poren im Trägermaterial Durchmesser zwischen iO~5
—2
bis 10 cm aufweisen, was zu einer solchen Durchlässigkeit
bis 10 cm aufweisen, was zu einer solchen Durchlässigkeit
ο führt, daß durch eine Wandfläche von 1 cm pro Minute 0,Oi
f.
bis 10 cnr umzusetzende, substrathaltige Lösung hindurchströmt.
In der Praxis hat sich eine solche Durchlässigkeit als besonders wirksam erwiesen, da die umzusetzenden
Substratmoleküle ohne sterische Hinderung durch solche Poren hindurchtreten
können.
Erfindungsgemäß ist das Enz>m über einen Überblickenden Rest
an den unlöslichen, rohrförmigen Träger gebunden. Geeignete Enzyme werden aus Pflanzen, Tieren oder mikrobiologischen
Geweben isoliert und bestehen aus gereinigten oder rohen Enzymen, Enzymgemischen oder Enzymsystemen. Brauchbare Enzyme
sind beispielsweise proteolytische Enzyme wie Trypsin, Chymotrypsin oder Papain; Hydrolasen wie ß-Galactosidase,
Ribonuclease, Alkali-Phosphatase, Amyloglucosidase oder
Dextranase; Dehydrogenasen wie Milchsäure-Dehydrogenase;
Einasen wie Creatin-Phosphokinase oder Pyruvat-Kinase;
Oxidasen wie Glucose-Oxidase; und Amidasen wie Amidase und Penicillin-Amidase.
Erfindungsgemäß sind derartige Enzyme über einen überbrückenden
Rest an einen unlöslichen, rohrförmigen Träger gebunden, wobei der überbrückende Rest die chemische Bindung zwischen
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Träger und Enzym vermittelt. Sowohl die Bindung zwischen überbrückendem Rest und Träger wie die Bindung zwischen
Enzym und überbrückendem Rest müssen auch in Gegenwart der substrathaltigen Lösung beständig sein, damit auch bei
längerem Gebrauch der erfindungsgemäßen Formkörper das Enzym nicht von dem Träger abgelöst wird. Ein beispielhafter überbrückender
Rest wird dadurch erzeugt, daß an einem unlöslichen Polymer wie Cellulose Carboxymethylgruppen gebildet,
diese verestert und mit Hydrazin-salpetriger Säure umgesetzt werden, um Azidogruppen zu bilden. Bei der anschließenden
Umsetzung zwischen Azidogruppen-haltigem Träger und Enzym
wird das Enzym chemisch an den Träger gebunden, wobei die Azidogruppen als überbrückender Rest wirken. Ein anderer,
besonders bevorzugter, überbrückender Rest besteht aus Triazinylverbindungen
der allgemeinen Formel
Träger
wobei X einen reaktiven Rest, etwa ein Halogenatom, und Y ein
Halogenatom, einen nukleophilen Substltuenten wie insbesondere
die Aminogruppe, einen aliphatischen Rest oder einen aromatischen Rest bedeuten.
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Die vorliegende Erfindung ist auch auf ein Verfahren zur Herstellung
des erfindungsgemäßen Formkörpers gerichtet. Das erfindungsgemäße
Verfahren zur Herstellung von Formkörpern, bestehend aus einem unlöslichen, durchlässigen oder undurchlässigen,
rohrförmigen Träger mit einem Enzym, ist dadurch gekennzeichnet, daß das Enzym mittels eines überbrückenden Restes an den Formkörper
gebunden wird, und anschließend der Formkörper gewonnen wird. Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Verfahrens wird ein, freie Hydroxylgruppen enthaltender Träger zunächst mit einer Triazinylverbindung umgesetzt, und
daraufhin das hierbei erhaltene Produkt, das Reste der allgemeinen Formel
Träger
enthält, wobei X einen reaktiven Rest und Y ein Halogenatom oder einen nukleophilen Substituenten bedeuten, mit dem Enzym
umgesetzt. Die Umsetzung von überbrückende Reste enthaltendem Träger mit dem Enzym wird unter solch milden Bedingungen durchgeführt,
welche wohl eine chemische Bindung des Enzyms an den Träger gewährleisten, unter denen jedoch so wenig chemische
Reaktionen wie möglich am Enzym selbst auftreten. Da die Einwir-
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kung von Wärme die Aktivität von Enzymsystemen stark vermindern
oder ganz aufheben kann, erfolgt die Trocknung der erfindungsgemäß
hergestellten Formkörper zweckmäßig nach dem Gefriertrocknungsverfahren.
Die folgenden Beispiele dienen zur Erläuterung der Erfindung.
Ein 65 cm langes Nylonrohr (Durchmesser 1,0 mm) wurde mit
trockenem pulverförmigem Ammoniumchlorid gefüllt und i Stunde
lang auf 500C erwärmt. Anschließend wurde das Rohr gespült,
indem 5 ml Boratpufferlösung (pH 8,5) hindurchgepumpt wurden.
Anschließend wurde das Rohr mit einer Lösung aus 5 % Glutardialdehyd
in Boratpuffer (pH 8,5) gefüllt und 30 Minuten bei 1°C gehalten. Nach der Entfernung der Glutardialdehydlösung
wurde das Rohr mit einer Löchung von Chymotrypsin (10 mg/ml) in Boratpuffer (pH 8,5) gefüllt und über Nacht bei k°C gehalten.
Anschließend wurde überschüssiges Enzym entfernt, indem das Rohr mit Boratpufferlösung (pH 8,5) gespült wurde.
Die proteolytische Aktivität des an die Innenseite des Nylonrohrs gebundenen Chymotrypsin wurde mit der Casein-Bestimmung
nach Hammersten (Methods in Enzymatic Analysis, Academic Press
1963, Seite 800) geprüft. Die durch das Nylonrohr hindurchgeströmte Lösung wurde mit dem 2,5-fachen Volumenanteil an
5 feiger Trichloressigsäure versetzt und das Gemisch nach 30 Minuten filtriert. Bei einer Durchflußgeschwindigkeit
von 1 ml/Std. lag die Extinktion des Filtrats bei 280 nm
um 0,22 über der Extinktion einer Casein-Vergleichslösung,
welche nicht durch das Nylonrohr geleitet worden war, sondern
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direkt mit Trichloressigsäure behandelt worden war. Die höhere
Extinktion entspricht einem Umsatz, der etwa 5 ug freiem
Chymotrypsin äquivalent ist.
Eine zylindrische Papierhülse aus durchlässigem Filterpapier Whatman Nr. i wurde 5 Minuten lang in 1 η Natriumhydroxid-Lösung
eingeweicht, anschließend das überschüssige Hydroxid entfernt, und die Hülse dann in ein Dioxanbad eingetaucht und 5 Minuten
lang darin bewegt. Daraufhin wurde die Hülse in ein Bad, das eine konzentrierte Lösung von Cyanurchlorid in Dioxan (25 g
auf 100 ml) enthielt, eingetaucht, nach 5 Sekunden Wasser und
nach weiteren 5 Sekunden Essigsäure zugeeeczt. Die Papierhülse
wurde aus diesem Gemisch herausgenommen und anschließend einige Minuten lang in reinem Dioxin bewegt, dem anschließend gleiche
Volumina Wasser und Essigsäure zugesetzt wurden. Nach 5 Minuten wurde die Hülse aus diesem Lösungsmittelgemisch herausgenommen,
solange mit einem Gemisch aus Aceton und Wasser gewaschen, bis der Cyanurchlorid-Geruch verschwunden war, und anschließend
in einem Exsiccator getrocknet.
Eine Lösung von 7f65 mg Penicillin-Amidase in 9 ml 0,01 molarer
Phosphatpuffer-Lösung (pH 7,2) wurde in ein rohrförmiges Glasgefäß
eingebracht und die trockene Papierhülse vollständig in diese Lösung eingetaucht und 10 Minuten lang bei 20-25°C darin
gehalten. Anschließend wurde die überschüssige enzymhaltige Lösung abgegossen, eine in Lösung von N-(3-Aminopropyl)-diäthanolamin
in 0,9 η Salzsäure zugesetzt, und die Hülse mehrere Tage lang bei Baumtemperatur in dieser Lösung gehalten. Anschließend
wurde die Hülse sorgfältig mit i η Natriumchlorid-
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ßAD ORIGINAL
Lösung in Phosphatpuffer gewaschen. Die Bestimmung der Menge
an gebundenem Enzym und dessen Aktivität ergab, daß an die
durchlässige Hülse etwa k mg Enzym gebunden waren, und daß das gebundene Enzym etwa 30 % seiner ursprünglichen Aktivität
aufwies.
Die erfindungsgemäßen Formkörper können bei einer Vielzahl von
enzym-katalysierten Reaktionen eingesetzt werden, insbesondere
bei solchen Reaktionen, bei denen bislang lösliche Enzyme verwendet wurden. Geeignete Anwendungsgebiete sind etwa die
Herstellung von Penicillin, das Klären von Bier, die Herstellung von Glucose unter Verwendung von Amyloglucosldase, die
Herstellung optisch aktiver Aminosäuren, die unter Transaminierung erfolgende Bildung von L-Alanin, die enzymatische
Hydrolyse von Kohlehydraten und Proteinen, die alkoholische Fermentierung, die stufenweis erfolgende enzymatische Analyse
von Proteinen, beispielsweise von RNS und DNS oder die Verwendung in biochemischen Brennstoffzellen. In all diesen Fällen
lassen sich mit den erfindungsgemäßen Formkörpern die jeweiligen
enzymatischen Reaktionen beschleunigt durchführen, wobei die Aktivität des Enzyms über einen langen Zeitraum erhalten
bleibt.
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Claims (1)
- _ 9 —
Patentansprüche1. Formkörper aus einem unlöslichen, durchlässigen oder undurchlässigen, rohrförmigen Träger mit einem Enzym, dadurch gekennzeichnet, daß das Enzym über einen überbrückenden Rest an den Träger gebunden ist.2. Formkörper aus unlöslichem, durchlässigem, rohrförmigem Träger mit Enzym nach Anspruch 1, dadurch gekernzeichnet,daß der Formkörper Poren mit Durchmessern von 10~5 bisο
iO cm aufweist.3. Formkörper nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine solche Durchlässigkeit, daß eine Flüssigkeit mit einer Geschwindigkeit von 0,01 bis 10 cm /Min. durch eine Flächeο
von 1 cm hindurchströmen kann.k. Verfahren zur Herstellung eines Formkörpers, bestehend aus einem unlöslichen, durchlässigen oder undurchlässigen, rohrförmigen Träger mit einem Enzym, dadurch gekennzeichnet, daß man das Enzym mittels eines überbrückenden Restes an den Formkörper bindet und den Formkörper gewinnt.5. Verfahren nach Anspruch ^t, dadurch gekennzeichnet, daß man einen, freie Hydroxylgruppen enthaltenden Träger zunächst mit einer Triazinverbindung umsetzt und danach das hierbei erhaltene Produkt, das Reste der allgemeinen Formel509840/0854- ίο -Trägerenthält, wobei X einen reaktiven Rest und Y ein Halogenatom oder einen nukleophilen Suhstituenten bedeuten, mit dem Enzym umsetzt.509840/0854
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