DE19802748A1 - Synthesis of glycosamino acid derivatives from lactose and serine derivative, used for targeting therapeutic and diagnostic agents - Google Patents
Synthesis of glycosamino acid derivatives from lactose and serine derivative, used for targeting therapeutic and diagnostic agentsInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur enzymatischen Synthese von Glycoamino säurederivaten, insbesondere Galactosylaminosäurederivaten.The invention relates to a process for the enzymatic synthesis of glycoamino acid derivatives, especially galactosylamino acid derivatives.
Glycoaminosäuren als wesentliches Strukturelement von Glycopeptiden besitzen essentielle Bedeutung als terminale Komponenten in Zellrezeptoren zur spezifischen Anbindung von Viren, blutgruppen- und tumorerkennenden Antikörpern, bakteriellen Toxinen sowie einer Vielzahl von Lectinen. Die Oligosaccharidketten von Glycoproteinen beeinflussen weiterhin deren Löslichkeit, Ladungsverteilung, Konformation und tragen zum Schutz vor proteolytischen Enzymen bei. Die Verknüpfung eines Saccharidmoleküls mit einer biologisch aktiven Peptidsequenz, so hofft man, ermöglicht durch spezifische Wechselwirkung des Saccharidrestes mit der Zelloberfläche die selektive Adressierung von Pharmaka sowie deren Schutz vor proteolytischem Abbau. Das Ziel, glycosylierte Aminosäuren als wirksame Komponenten in Diagnostika und Therapeutika einsetzen zu können, stellt die Forderung nach effizienten Synthesen. Da Glycloproteine relativ schwer zugänglich sind, synthetisiert man Partialstrukturen, die Glycopeptide bzw. deren Grundbausteine - die Glycoaminosäuren.Have glycoamino acids as an essential structural element of glycopeptides essential importance as terminal components in cell receptors for specific Connection of viruses, blood group and tumor-recognizing antibodies, bacterial Toxins and a variety of lectins. The oligosaccharide chains from Glycoproteins continue to influence their solubility, charge distribution, Conformation and contribute to protection against proteolytic enzymes. The Linking a saccharide molecule to a biologically active peptide sequence, see above one hopes, made possible by specific interaction of the saccharide residue with the Cell surface the selective addressing of pharmaceuticals and their protection against proteolytic degradation. The goal of making glycosylated amino acids effective The ability to use components in diagnostics and therapeutics Demand for efficient syntheses. Because glycloproteins are relatively difficult to access are, one synthesizes partial structures, the glycopeptides or their Basic building blocks - the glycoamino acids.
Den aufwendigen Vielstufensynthesen der klassisch-chemischen Verfahren, welche optimal angepaßte Schutzgruppenkombinationen aus der Kohlenhydrat- und Peptid chemie erfordern, werden seit geraumer Zeit vielversprechende enzymatische Tech niken an die Seite gestellt. Der entscheidende Vorteil bei der enzymkatalysierten Synthese liegt in der hohen Stereo- und Regiospezifität. Aufwendige Schutzgruppen techniken sind hier nicht notwendig.The complex multi-stage synthesis of the classic chemical processes, which optimally adapted protective group combinations from the carbohydrate and peptide chemistry, have been promising enzymatic tech for some time niken to the side. The decisive advantage in enzyme-catalyzed Synthesis lies in the high stereo and regional specificity. Elaborate protective groups techniques are not necessary here.
In den letzten Jahren wurden Glycosidasen hinsichtlich ihrer Eignung, glycosidische Verknüpfungen zu katalysieren, untersucht. Glycosidasen ermöglichen in natürlichen Systemen die hydrolytische Spaltung von Glycosiden, z. B. die Spaltung von Milch zucker (Lactose) in Glucose und Galactose durch β-Galactosidase, welche durch Darmbakterien (Escherichia coli) gebildet wird. Anstelle von Wasser, welches bei der enzymatischen Hydrolyse als nucleophiler Reaktionspartner fungiert, sind theoretisch auch andere Nucleophile mit geeigneten Hydroxylgruppen denkbar. Nachweislich eignen sich einige Monosaccharide, primäre und sekundäre Alkohole oder auch - wie in natürlich vorkommenden Strukturen - die Hydroxylaminosäuren Serin und Threonin als gut verknüpfbare Nucleophile (Glycosylakzeptor). Eine O-glycosidische Verknüpfung ist prinzipiell dann möglich, wenn der zu verknüpfende Glycosylakzeptor bezüglich seiner sterischen Struktur von dem Enzym akzeptiert werden und eine ausreichend hohe Nucleophilie besitzen, um gegenüber dem Reaktionsteilnehmer Wasser als Konkurrent auftreten zu können.In recent years, glycosidases have become glycosidic in their suitability To catalyze links, examined. Glycosidases allow in natural Systems hydrolytic cleavage of glycosides, e.g. B. the splitting of milk sugar (lactose) in glucose and galactose by β-galactosidase, which by Intestinal bacteria (Escherichia coli) is formed. Instead of water, which in the enzymatic hydrolysis acts as a nucleophilic reaction partner, are theoretical other nucleophiles with suitable hydroxyl groups are also conceivable. Verifiable are some monosaccharides, primary and secondary alcohols or - like in naturally occurring structures - the hydroxylamino acids serine and threonine as easily connectable nucleophiles (glycosyl acceptor). An O-glycosidic Linking is possible in principle if the glycosyl acceptor to be linked with regard to its steric structure are accepted by the enzyme and a have sufficiently high nucleophilicity in relation to the reactant Water to compete.
Je nach gewünschtem Zielprodukt muß für die Synthese ein aktiviertes Glycosid, z. B.
Cellubiose oder Lactose, als Substrat verwendet werden, das durch seine Spaltung
das zu verknüpfende Saccharid bereitstellt (Glycosyldonor). Bei der enzymatischen
Synthese von Aminosäureglycosiden mit Glycosidasen ist man auf den Einsatz von
Hydroxyaminosäuren beschränkt. Folgendes Reaktionsschema veranschaulicht die
glycosidasekatalysierte Synthese von β-O-verknüpften Glycoaminosäurederivaten:
Depending on the desired target product, an activated glycoside, e.g. As cellubiose or lactose, can be used as the substrate, which provides the saccharide to be linked by its cleavage (glycosyl donor). The enzymatic synthesis of amino acid glycosides with glycosidases is limited to the use of hydroxy amino acids. The following reaction scheme illustrates the glycosidase-catalyzed synthesis of β-O-linked glycoamino acid derivatives:
Y = tert.Butyloxycarbonyl (boc), Allyloxycarbonyl (Aloc), Benzyloxycarbonyl (Z)
X = Methyl-, Ethyl-, -H.Y = tert-butyloxycarbonyl (boc), allyloxycarbonyl (Aloc), benzyloxycarbonyl (Z)
X = methyl, ethyl, -H.
Zahlreiche für diese Synthesen in Frage kommenden Glycosidasen sind kommerziell verfügbar und im Vergleich zu den Glycosyltransferasen - welche in der Natur die Glycosylierung von Peptiden übernehmen - wesentlich preisgünstiger. Many glycosidases that are suitable for these syntheses are commercial available and compared to the glycosyltransferases - which in nature the Take over glycosylation of peptides - much cheaper.
Bis zum gegenwärtigen Zeitpunkt konnten zahlreiche Glycoaminosäurederivate wie Y-(Galβ1)Ser-OX, Y-(Galβ1)Thr-OX, Y-(NAcGalβ1)Ser-OX oder Y-(Gluβ1)Ser-OX (Y,X-Amino- bzw. Carboxylschutzgruppen) auf chemo-enzymatischem Wege hergestellt, isoliert und charakterisiert werden (Cantacuzène, D. Attal, S. Bay, S. Bioorganic & Medical Chemistiy Letters, Vol. 1, No. 4 pp 197-200, 1991, Nielsson, K- G., Scigelova, M. Biotechnology Letters, Vol. 16, No./(July 1994), pp 671-676).To date, numerous glycoamino acid derivatives such as Y- (Galβ1) Ser-OX, Y- (Galβ1) Thr-OX, Y- (NAcGalβ1) Ser-OX or Y- (Gluβ1) Ser-OX (Y, X-amino or carboxyl protecting groups) by chemo-enzymatic means be prepared, isolated and characterized (Cantacuzène, D. Attal, S. Bay, S. Bioorganic & Medical Chemistry Letters, Vol. 1, No. 4 pp 197-200, 1991, Nielsson, K- G., Scigelova, M. Biotechnology Letters, Vol. 16, No./(July 1994), pp 671-676).
Nachteilig bei diesem Syntheseverfahren sind vor allem die geringen Produktaus beuten. Bei der Verwendung von käuflichen Glycosidasen und deren natürlichen Substraten als Glycosyldonoren erreicht man bei kinetisch kontrollierten Reaktionen selten mehr als 15%, bei gleichgewichtskontrollierten Reaktionen weniger als 10%, Ausbeute. Ursache dafür ist vor allem die parallel zur glycosidischen Verknüpfung ab laufende Sekundärhydrolyse des Zielproduktes, da das gebildete Glycoamino säurederivat ebenfalls ein gutes Substrat für das Enzym darstellt. Steigerungen der Ausbeuten werden durch Verwendung einiger nichtnatürlicher Substrate als Glycosyldonoren erreicht (Holla, E. W., Schudock, M., Weber A., Zulauf, M., J. Carbohydrate Chemistry, 11(5), 659-663, 1992). Hier treten im Verlauf der Synthese vorübergehend (kinetisch kontrollierte Reaktionen) Ausbeuten von bis zu 40% auf. Allerdings sind diese synthetischen Substrate relativ teuer und hinsichtlich der Toxizität ihrer Spaltprodukte nicht unbedenklich.The main disadvantage of this synthetic process is the low product content loot. When using commercially available glycosidases and their natural Substrates as glycosyl donors can be achieved in kinetically controlled reactions rarely more than 15%, in equilibrium controlled reactions less than 10%, Yield. The main reason for this is the parallel to the glycosidic linkage from ongoing secondary hydrolysis of the target product, since the glycoamino formed acid derivative is also a good substrate for the enzyme. Increases in Yields are obtained by using some unnatural substrates as Glycosyl donors reached (Holla, E. W., Schudock, M., Weber A., Zulauf, M., J. Carbohydrate Chemistry, 11 (5), 659-663, 1992). Here occur in the course of Synthesis temporarily (kinetically controlled reactions) yields of up to 40% on. However, these synthetic substrates are relatively expensive and expensive the toxicity of their fission products is not harmless.
Ziel der Erfindung ist ein neues Verfahren für die Herstellung von O-glycosidischen Verknüpfungen von Hydroxyaminosäurederivaten - insbesondere von Serin-Derivaten- mit D-Galactose durch β-Galactosidasen unterschiedlicher Herkunft. Es soll versucht werden, die Synthesen der gewünschten Zielverbindungen, insbesondere durch Modellierung eines geeigneten Reaktionsmilieus, zu optimieren, um dadurch einen bequemen und ökonomisch vertretbaren Zugang zu dieser Substanzklasse zu ermög lichen. The aim of the invention is a new process for the production of O-glycosidic Linkages of hydroxyamino acid derivatives - especially of serine derivatives with D-galactose by β-galactosidases of different origins. It should try be, the syntheses of the desired target compounds, in particular by Modeling of a suitable reaction environment to optimize a to allow convenient and economically viable access to this class of substance lichen.
Erfindungsgemäß wird das Verfahren zur enzymatischen Synthese von Glycoamino
säurederivaten, insbesondere Galactosylaminosäurederivaten der Form
Y-(Galβ1)Ser-OX [N-Y-3-O-β-D-galactopyranosyl-L-serin-X-ester]
According to the invention, the process for the enzymatic synthesis of glycoamino acid derivatives, in particular galactosylamino acid derivatives of the form Y- (Galβ1) Ser-OX [NY-3-O-β-D-galactopyranosyl-L-serine-X-ester]
worin
Y = Aloc (Allyloxycarbonyl-), Boc (tert-Butoxycarbonyl-) oder Z (Benzyloxycarbonyl-)
und
X = Methyl-, Ethyl- oder -H bedeuten,
mit Lactose als Galactosyldonor und Serin-Derivaten des Typs Y-Ser-OX als
Galactosylakzeptoren in Gegenwart von β-Galactosidasen unterschiedlicher Herkunft
so durchgeführt, daß die Reaktion in einem wäßrig-organischem Reaktionsmedium mit
50 bis 95 Gew.-% Wasser und 50 bis 5 Gew.-% organischem Lösungsmittel erfolgt.wherein
Y = Aloc (allyloxycarbonyl-), Boc (tert-butoxycarbonyl-) or Z (benzyloxycarbonyl-) and
X = methyl, ethyl or -H,
with lactose as galactosyl donor and serine derivatives of the type Y-Ser-OX as galactosyl acceptors in the presence of β-galactosidases of different origins so that the reaction in an aqueous-organic reaction medium with 50 to 95 wt .-% water and 50 to 5 % By weight of organic solvent.
Ausgangspunkt war die Tatsache, daß die Sekundärhydrolyse der gewünschten Ziel produkte erst ab einer Wasseraktivität (Reines Wasser = Wasseraktivität 1; durch Zu sätze anderer Lösungsmittel verringert sie sich, vergleichbar mit dem Wasserdampf druck) im Reaktionssystem von < 1 wirksam zurückgedrängt werden kann. Die Verrin gerung der Wasseraktivität auf einen Wert < 1 ist prinzipiell durch die Verwendung von organischen Lösungsmitteln an Stelle von Wasser möglich (Halling, P. J., Bell, G., Janssen, A., "Water activity . . . in polar organic solvents: interconversion of water concentrations and activites"). Organische Lösungsmittel beeinflussen jedoch die Stabilität und Aktivität von Enzymen häufig ungünstig, indem sie durch eine Strukturdestabilisierung Einfluß auf die katalytisch wirksame Konformation nehmen und/oder den Gehalt an gebundenem Wasser auf der Enzymoberfläche - eine weitere Voraussetzung für die enzymatische Aktivität - verringern. Eine für bestimmte Anwendungen günstige Alternative ist die Verwendung apolarer Lösungsmittel entweder allein oder als Cosolventien (Kuhl, P. Jakubke, H.-D., Die Pharmazie, Heft 6, Juni 1990, SS 393-400). Bei der enzymatischen Synthese von Glycoaminosäure derivaten mit Glycosidasen in Reaktionsmedien mit einem hohen Anteil an (insbesondere polaren) organischen Lösungsmitteln nimmt die Enzymaktivität teilweise drastisch ab.The starting point was the fact that secondary hydrolysis was the desired goal products only from a water activity (pure water = water activity 1; by add other solvents, it is reduced, comparable to water vapor pressure) in the reaction system of <1 can be effectively suppressed. The Verrin reduction of water activity to a value <1 is principally through the use of organic solvents instead of water possible (Halling, P.J., Bell, G., Janssen, A., "Water activity... In polar organic solvents: interconversion of water concentrations and activites "). However, organic solvents influence the Stability and activity of enzymes are often unfavorable by going through a Structural destabilization influence the catalytically active conformation and / or the bound water content on the enzyme surface - another Prerequisite for the enzymatic activity - reduce. One for certain A cheap alternative is the use of apolar solvents either alone or as cosolvents (Kuhl, P. Jakubke, H.-D., Die Pharmazie, Issue 6, June 1990, SS 393-400). In the enzymatic synthesis of glycoamino acid Derivatives with glycosidases in reaction media with a high proportion of (Especially polar) organic solvents decrease enzyme activity sometimes drastically.
Es konnte nun gezeigt werden, daß dieser nachteilige Effekt durch den erfindungsge mäßen Zusatz bestimmter organischer Lösungsmittel zu hochkonzentrierten Reak tionsmischungen - herstellbar durch entsprechende Aufkonzentration der eingesetzten Edukte - deutlich geringer ausgeprägt ist. Organische Lösungsmittel anteile von bis zu 20 Gew.-% im Reaktionssystem bewirken nur einen relativ geringen Enzymaktivitätsverlust. Ursache dafür ist möglicherweise eine Stabilisierung des Enzyms durch die hohe Substratkonzentration, welche den toxischen Einfluß der Lösungsmittel größtenteils kompensiert (p. V. Sundaram, S. Shubhada, Int. Symposium, Stability and Stabilization of Enzymes, 1993 Elsevier Science Publishers).It has now been shown that this disadvantageous effect by the inventive by adding certain organic solvents to a highly concentrated reak tion mixtures - producible by appropriate concentration of the educts used - is significantly less pronounced. Organic solvents proportions of up to 20% by weight in the reaction system result in only a relatively small amount Loss of enzyme activity. This may be due to a stabilization of the Enzyme due to the high substrate concentration, which the toxic influence of Solvent largely compensated (p. V. Sundaram, S. Shubhada, Int. Symposium, Stability and Stabilization of Enzymes, 1993 Elsevier Science Publishers).
Bei den Synthesen werden vorzugsweise käufliche β-Galactosidasen aus Escherichia coli und Aspergillus oryzae verwendet.In the syntheses, commercial β-galactosidases from Escherichia are preferably used coli and Aspergillus oryzae used.
Neben der Herkunft des Enzyms und der Art bzw. Zusammensetzung des angewandten Reaktionsmediums besitzt die Wahl der Amino- und Carboxylschutz gruppe am Serin/Threoninderivat entscheidende Bedeutung für den Erfolg der Synthese. Entscheidend ist die Affinität des Aglycons - welche stark von der Geometrie, Ladungsverteilung und Solvatation des betreffenden Moleküls bestimmt wird - zur jeweiligen Bindungsstelle im Enzym-Substratkomplex. Aufgrund der Natur der β-Galactosidasen kann eine O-glycosidische Verknüpfung zur Bindungsstelle im Enzym-Substratkomplex theoretisch nur über die freie Hydroxylgruppe in der Seiten kette der Hydroxyaminosäure erfolgen. Trotzdem werden akzeptable Ausbeuten erst dann möglich, wenn die Amino- und Carboxylfunktion der Hydroxyaminosäure mit geeigneten Schutzgruppen blockiert ist. Sehr gute Ergebnisse wurden durch die Blockierung der Aminofunktion vom Allyloxycarbonyl- und durch die Veresterung der Carboxylgruppe zum Methylester erreicht.In addition to the origin of the enzyme and the type or composition of the reaction medium used has the choice of amino and carboxyl protection group on the serine / threonine derivative is crucial for the success of the Synthesis. The decisive factor is the affinity of the aglycone - which strongly depends on the Geometry, charge distribution and solvation of the molecule in question were determined becomes - the respective binding site in the enzyme-substrate complex. Because of nature the β-galactosidases can be an O-glycosidic link to the binding site in the Enzyme-substrate complex theoretically only via the free hydroxyl group in the side chain of hydroxyamino acid. Nevertheless, acceptable yields are only now possible if the amino and carboxyl function of the hydroxyamino acid also suitable protective groups is blocked. Very good results have been achieved by the Blocking of the amino function of the allyloxycarbonyl and by esterification of the Carboxyl group to the methyl ester reached.
Bei der Verwendung der freien, ungeschützten Hydroxyaminosäure als Aglycon findet keine nennenswerte Glycosylierung statt.When using the free, unprotected hydroxyamino acid as aglycon takes place no significant glycosylation takes place.
Die verknüpften Serin- und Threonin-Derivate (Aglycone) sind entweder käuflich oder nach bekannten Methoden herstellbar ("Amino Acid Derivatives", 1, Carboallyloxy Derivatives, by Carl M. Stevens and Ronald Watanabe; E. Schnabel, Liebigs Ann. Chem., 702, 188 (1967).The linked serine and threonine derivatives (aglycone) are either commercially available or can be prepared by known methods ("Amino Acid Derivatives", 1, carboallyloxy Derivatives, by Carl M. Stevens and Ronald Watanabe; E. Schnabel, Liebigs Ann. Chem., 702, 188 (1967).
Das Stoffmengenverhältnis von Substrat zu Akzeptor schwankt je nach Synthese zwischen 4 : 1 und 2 : 1. Pro mmol eingesetzten Substrat müssen mindestens 150 U Enzym eingesetzt werden.The molar ratio of substrate to acceptor fluctuates depending on the synthesis between 4: 1 and 2: 1. At least 150 U per mmol of substrate used Enzyme can be used.
Ferner wurde festgestellt, daß sich während der Synthese eine Reihe von Neben produkten bilden kann, welche die Ausbeute des Zielproduktes verschlechtert. So kommt es im Verlauf der Reaktion zu einer Oligomerisierung der freigesetzten Galactose. Dieser Effekt kommt erst bei relativ hohen Lactosekonzentrationen und bei einer Reaktionsdauer von mehr als 15 h zum Tragen.Furthermore, it was found that a number of minor can form products that deteriorate the yield of the target product. So In the course of the reaction there is an oligomerization of the released Galactose. This effect only occurs at relatively high lactose concentrations and a response time of more than 15 hours.
Zweckmäßig wird das Verfahren zur enzymischen Synthese von Glycoaminosäure derivaten, insbesondere von Galactosylserin-Derivaten so durchgeführt, daß auf 1 Mol Lactose mindestens 2 Mol, vorzugsweise 2 bis 4 Mol Serin-Deriyate eingesetzt werden. The method for the enzymatic synthesis of glycoamino acid is useful derivatives, in particular of galactosylserine derivatives, carried out so that 1 mol Lactose used at least 2 moles, preferably 2 to 4 moles of serine derivatives become.
Bei einem Donor/Akzeptor-Verhältnis von über 1 : 2, d. h. beispielsweise 1 : 1 oder 2 : 1, wird ein weiterer Galactoserest auf das Galactosylaminosäurederivat unter Bildung eines Aminosäure-Digalactosids übertragen. Bei einem weiteren Anstieg des Donor-Anteils reagiert die monoglycosylierte Aminosäure fast quantitativ zu der jeweiligen Disaccharidverbindung weiter. Die Ausbeuten an diesem Produkt liegen selten höher als 10 bis 15%.With a donor / acceptor ratio greater than 1: 2, i. H. for example 1: 1 or 2: 1, another galactose residue on the galactosylamino acid derivative transferred to form an amino acid digalactoside. With a further increase of the donor portion, the monoglycosylated amino acid reacts almost quantitatively to that respective disaccharide compound. The yields on this product are rarely higher than 10 to 15%.
Vorzugsweise erfolgt die enzymatische Synthese dadurch, daß zunächst ein Gemisch aus Lactose und Serin-Derivaten, Enzymen und wäßrigen Pufferlösungen hergestellt, dann das organische Lösungsmittel zugegeben und schließlich die Reaktion selbst durchgeführt wird. Das Syntheseergebnis ist stark von der Art und Reinheit des ver wendeten Lösungsmittels abhängig.The enzymatic synthesis is preferably carried out by initially mixing made from lactose and serine derivatives, enzymes and aqueous buffer solutions, then added the organic solvent and finally the reaction itself is carried out. The synthesis result is strongly dependent on the type and purity of the ver used depending on the solvent.
Als organische Komponente für das wäßrig-organische Reaktionssystem werden vorzugsweise Aceton, Acetonitril, Essigester, 2-Butanon oder Cyclohexan eingesetzt.As an organic component for the aqueous-organic reaction system preferably acetone, acetonitrile, ethyl acetate, 2-butanone or cyclohexane.
Die Zusammensetzung des wäßrig-organischen Systems soll vorzugsweise 75 bis 90 Gew.-% Wasser und 25 bis 10 Gew.-% organisches Lösungsmittel betragen.The composition of the aqueous-organic system should preferably be 75 to 90 % By weight of water and 25 to 10% by weight of organic solvent.
Während z. B. Ethanol in einem Reaktionsgemisch aus Lactose und β-Galactosidase aus E. coli Ethylglycoside bildet und damit als Reaktionspartner fungiert, hat Methanol an gleicher Stelle einen deaktivierenden Einfluß auf das Enzym. Bereits relativ geringe Mengen an Dimethylformamid (DMF), Dimethylformamidsulfoxyd (DMSO) oder Pyridin führen zu einem starken Aktivitätsrückgang und schädigen das Enzym teilweise irreversibel.During e.g. B. ethanol in a reaction mixture of lactose and β-galactosidase Methanol forms from E. coli and acts as a reaction partner in the same place a deactivating influence on the enzyme. Already relatively small Amounts of dimethylformamide (DMF), dimethylformamide sulfoxide (DMSO) or pyridine lead to a sharp decline in activity and partially damage the enzyme irreversible.
Die Verwendung organischer Lösungsmittel in Konzentrationen von 5 bis 20 Gew.-% fördert die Diffusion im System, erhöht die Löslichkeit des Glycosylakzeptors und kann, insbesondere bei wasserlöslichen Lösungsmitteln, die Wasseraktivität senken. The use of organic solvents in concentrations of 5 to 20% by weight promotes diffusion in the system, increases the solubility of the glycosyl acceptor and can reduce water activity, especially with water-soluble solvents.
Durch Zusatz von Aceton, 2-Butanon oder Acetonitril wird die Oligomerisierung von Galactose weitgehend unterdrückt. Bei der Verwendung von Essigester oder Cyclohexan in Mengen von 25 bis 50 Gew.-% ist eine verstärkte Oligomerisierung zu beobachten.By adding acetone, 2-butanone or acetonitrile, the oligomerization of Largely suppressed galactose. When using ethyl acetate or Cyclohexane in amounts of 25 to 50 wt .-% is an increased oligomerization too observe.
Abb. 1 zeigt den Einfluß von organischen Cosolventien auf den Reaktionsverlauf und die Ausbeute bei der enzymatischen Synthese von Aloc-(Galβ1)Ser-OMe dargestellt. Art und Konzentration des organischen Lösungsmittels müssen in jedem Fall dem jeweiligen Syntheseproblem angepaßt werden. Erfahrungsgemäß sind Konzentrationen zwischen 10 und 25 Gew.-% optimal. Fig. 1 shows the influence of organic cosolvents on the course of the reaction and the yield in the enzymatic synthesis of Aloc- (Galβ1) Ser-OMe. The type and concentration of the organic solvent must always be adapted to the particular synthesis problem. Experience has shown that concentrations between 10 and 25% by weight are optimal.
Trotz geringfügiger Aktivitätsverluste der Glycosidase wurden unter den angegebenen Reaktionsbedingungen bei fast allen durchgeführten Synthesen bis zu 30% höhere Ausbeuten als bei bisher bekannten Verfahren erreicht.Despite slight losses in activity of the glycosidase were among the specified Reaction conditions in almost all syntheses carried out up to 30% higher Yields than achieved with previously known processes.
Die enzymatische Umsetzung wird zweckmäßig zwischen 35 und 45°C durchgeführt.The enzymatic reaction is advantageously carried out between 35 and 45 ° C.
Um optimale Diffusion im Reaktionsgemisch zu gewährleisten, ist eine Reaktions temperatur von über 37°C erforderlich. Temperaturen bis zu 55°C sind bei bestimmten Enzymen möglich (Ogushi, S., Yoshimoto, T., Tsuru, D. J. Ferment Technol. Vol. 58, No. 2, pp 115-122, 1980).To ensure optimal diffusion in the reaction mixture, there is a reaction temperature above 37 ° C required. Temperatures up to 55 ° C are at certain enzymes possible (Ogushi, S., Yoshimoto, T., Tsuru, D. J. Ferment Technol. Vol. 58, No. 2, pp 115-122, 1980).
Die Reaktionszeit ist erwartungsgemäß länger als in wäßrig homogenen Systemen und beträgt zwischen 15 und 48 h.As expected, the reaction time is longer than in aqueous homogeneous systems and is between 15 and 48 hours.
Es ist vorteilhaft, wenn die Enzyme immobilisiert, vorzugsweise kreuzvernetzt oder mikroverkapselt, eingesetzt werden. It is advantageous if the enzymes are immobilized, preferably cross-linked or microencapsulated.
Eine Immobilisierung des Enzyms ist nicht notwendig, erweist sich aber in einigen Fällen als ökonomisch sinnvoll. Verschiedene Immobilisierungstechniken können für die Realisierung von 3 bis 4 aufeinanderfolgenden Synthesen mit nur einer Enzym charge erfolgreich angewendet werden (Kennedy, J.F., Cabral, J.M.S. 1987, "Enzyme Immobilization", Biotechnology, Vol. 7a, pp 347 bis 404, VCH Weinheim, Buchholz, K., Kasche, V., "Biokatalysatoren und Enzymtechnologie", 1977, VCH Weinheim).Immobilization of the enzyme is not necessary, but has been shown in some Cases as economically sensible. Different immobilization techniques can be used for the realization of 3 to 4 consecutive syntheses with only one enzyme batch can be successfully applied (Kennedy, J.F., Cabral, J.M.S. 1987, "Enzyme Immobilization ", Biotechnology, Vol. 7a, pp 347 to 404, VCH Weinheim, Buchholz, K., Kasche, V., "Biocatalysts and Enzyme Technology", 1977, VCH Weinheim).
Bei der mehrmaligen Verwendung eines immobilisierten Enzyms sind die Synthese ausbeuten in Summe bis zu 2,5mal höher, als bei der Verwendung von freiem Enzym (verglichen wird die Ausbeute pro mg immobilisiertem Enzym gegenüber der Ausbeute pro mg des freien Enzyms).When using an immobilized enzyme several times, the synthesis yield a total of up to 2.5 times higher than when using free enzyme (The yield per mg of immobilized enzyme is compared with the yield per mg of free enzyme).
Der pH des Reaktionsmilieus wurde je nach verwendetem Enzym mit Citrat-, Acetat- oder Phosphatpuffer auf einen Wert im Bereich von 5,5 bis 7,8 eingestellt.Depending on the enzyme used, the pH of the reaction medium was Acetate or phosphate buffer set to a value in the range of 5.5 to 7.8.
Das zähe Reaktionsgemisch erlaubt im allgemeinen keine mechanische Durch mischung. Die durch Rühren oder Kneten auftretenden Scherkräfte werden auch als mögliche Gefahrenquelle für das Enzym angesehen.The tough reaction mixture generally does not allow mechanical through mixture. The shear forces caused by stirring or kneading are also called possible source of danger for the enzyme.
Der Reaktionsverlauf wurde mit HPLC (High Performance Liquid Chromatography) und TLC (Thin Layer Chromatography) verfolgt. Die Produktreinigung erfolgte durch HPLC mit vorgeschalteten Extraktionsschritten. Eine Aufreinigung durch Säulen chromatografie ist ebenfalls möglich. Allerdings ist hier die Trennselektivität im Vergleich zur HPLC geringer.The course of the reaction was determined using HPLC (High Performance Liquid Chromatography) and TLC (Thin Layer Chromatography). The product was cleaned by HPLC with upstream extraction steps. Purification by columns chromatography is also possible. However, the separation selectivity is here Lower compared to HPLC.
Es wird die enzymatische Verknüpfung von drei Serin-Derivaten mit Galactose
beschrieben. In dem Beispiel werden die Aminosäuren, Lactose und Zielver
bindungen nach den international gültigen Regeln abgekürzt. Zusätzlich werden
folgende Abkürzungen verwendet:
The enzymatic linkage of three serine derivatives with galactose is described. In the example, the amino acids, lactose and target compounds are abbreviated according to the internationally applicable rules. The following abbreviations are also used:
Aloc - Allylloxycarbonyl
Boc - tert.-Butyloxycarbonyl
Z - Benzyloxycarbonyl
OMe - Methylester.Aloc - allylloxycarbonyl
Boc - tert-butyloxycarbonyl
Z - benzyloxycarbonyl
OMe - methyl ester.
Ansatzmengen für die Synthese von Aloc-(Galβ1)Ser-OMe (Beispiel 1):
Lactose 1 mmol
Aloc-Ser-OMe 2 mmol
β-Galactosidase aus E. Coli 200 U
Aceton (p.A.) 150 µl
K-Phosphatpuffer (0,1 M, pH = 7.0,1 mmol MgCl2 und Immol Dithiothreitol) 850 µl.Amounts for the synthesis of Aloc- (Galβ1) Ser-OMe (Example 1):
Lactose 1 mmol
Aloc-Ser-OMe 2 mmol
E. coli 200 U beta-galactosidase
Acetone (pA) 150 µl
K-phosphate buffer (0.1 M, pH = 7.0.1 mmol MgCl 2 and Immol dithiothreitol) 850 µl.
Ansatzmengen für die Synthese von Boc-(Galβ1)Ser-OMe (Beispiel 2):
Lactose 1 mmol
Boc-Ser-OMe 3 mmol
β-Galactosidase aus E. Coli 200 U
2-Butanon (p.A.) 100 µl
K-Phosphatpuffer (0,1 M, pH = 7.0,1 mmol MgCl2 und Immol Dithiothreitol) 850 µl.Batch amounts for the synthesis of Boc- (Galβ1) Ser-OMe (Example 2):
Lactose 1 mmol
Boc-Ser-OMe 3 mmol
E. coli 200 U beta-galactosidase
2-butanone (pA) 100 µl
K-phosphate buffer (0.1 M, pH = 7.0.1 mmol MgCl 2 and Immol dithiothreitol) 850 µl.
Ansatzmengen für die Synthese von Z-(Galβ1)Ser-OMe (Beispiel 3):
Lactose 1 mmol
Z-Ser-OMe 3 mmol
β-Galactosidase aus E. Coli 200 U
2-Butanon (p.A.) 150 µl
K-Phosphatpuffer (0,1 M, pH = 7.0,1 mmol MgCl2 und Immol Dithiothreitol) 850 µl.Amounts for the synthesis of Z- (Galβ1) Ser-OMe (Example 3):
Lactose 1 mmol
Z-Ser-OMe 3 mmol
E. coli 200 U beta-galactosidase
2-butanone (pA) 150 µl
K-phosphate buffer (0.1 M, pH = 7.0.1 mmol MgCl 2 and Immol dithiothreitol) 850 µl.
Die angegebenen Mengen an Lactose, Serin-Derivat und der größte Teil des wäßrigen Phosphatpuffers werden nacheinander in einem verschließbaren Glasgefäß (ca. 3 cm3 Reaktionsvolumen) vereinigt. Die Zugabe des Enzyms erfolgt anschließend als Suspension mit jeweils 20 µl K-Phosphatpuffer. Nach Zugabe des organischen Lösungsmittels wird die Reaktionsmischung mit einem Spatel durchmischt und das Reaktionsgefäß verschlossen. Die Synthese erfolgt in einem Thermomixer bei 37°C und einer Schüttelfrequenz von 1000 U/min. Die Reaktionsdauer beträgt je nach Synthese 15 bis 20 h.The stated amounts of lactose, serine derivative and most of the aqueous phosphate buffer are combined in succession in a sealable glass vessel (approx. 3 cm 3 reaction volume). The enzyme is then added as a suspension, each with 20 ul K-phosphate buffer. After adding the organic solvent, the reaction mixture is mixed with a spatula and the reaction vessel is closed. The synthesis takes place in a thermomixer at 37 ° C and a shaking frequency of 1000 rpm. Depending on the synthesis, the reaction time is 15 to 20 h.
Nach Ende der Reaktion wird die Reaktionsmischung mit 10 ml Methanol aufgenom
men und filtriert. Das Filtrat wird am Rotationsverdampfer bei 40°C und 30 mbar ein
gedampft. Der Rückstand wird mit 10 ml Wasser aufgenommen. Das nicht umgesetzte
Serin-Derivat wird aus der wäßrigen Lösung mit 20 ml Methylenchlorid im Scheide
trichter ausgeschüttelt und abgetrennt. Die verbleibende wäßrige Phase wird erneut
am Rotationsverdampfer eingeengt (40°C, 30 mbar) und anschließend mit präpara
tiver HPLC aufgereinigt.
After the reaction has ended, the reaction mixture is taken up in 10 ml of methanol and filtered. The filtrate is evaporated on a rotary evaporator at 40 ° C and 30 mbar. The residue is taken up in 10 ml of water. The unreacted serine derivative is shaken out of the aqueous solution with 20 ml of methylene chloride in a funnel and separated. The remaining aqueous phase is again concentrated on a rotary evaporator (40 ° C., 30 mbar) and then purified using preparative HPLC.
HPLC-Bedingungen:
Säule: 250×10 mm, NH2, 10 µm
Eluent: Acetonitril/Wasser = 80/20
Fluß: 6 ml/min
Detektion: UV/VIS und Lichtstreudetektor.
HPLC conditions:
Column: 250 × 10 mm, NH2, 10 µm
Eluent: acetonitrile / water = 80/20
Flow: 6 ml / min
Detection: UV / VIS and light scatter detector.
Die Produktidentifizierung und -charakterisierung erfolgte durch NMR und MS unter Verwendung von Literaturdaten.The product was identified and characterized by NMR and MS under Use of literature data.
Durch Aufreinigung der Produkte mit präparativer HPLC kann ein Verlust von bis zu 40% auftreten. Im allgemeinen lassen sich etwa 60 bis 80% des tatsächlich entstandenen Produktes isolieren. Ursache für diesen Verlust ist vor allem eine pH- Erniedrigung hervorgerufene Hydrolyse der glycosidischen Bindung, welche bei der Einengung der Reaktionsgemische am Rotationsverdampfer bei gleichzeitiger Gegenwart von Säurespuren auftreten kann.By purifying the products with preparative HPLC, a loss of up to 40% occur. Generally about 60 to 80% of the actual isolate the resulting product. The main cause of this loss is a pH Lowering caused hydrolysis of the glycosidic bond, which in the Concentration of the reaction mixtures on the rotary evaporator with simultaneous Presence of traces of acid can occur.
Claims (7)
worin
Y = Aloc (Allyloxycarbonyl-), Boc (tert-Butoxycarbonyl-) oder Z (Benzyloxycarbonyl-) und
X = Methyl-, Ethyl- oder -H bedeuten,
mit Lactose als Galactosyldonor und Serin-Derivaten des Typs Y-Ser-OX als Galactosylakzeptoren in Gegenwart von β-Galactosidasen unterschiedlicher Her kunft, dadurch gekennzeichnet, daß die Reaktion in einem wäßrig-organischem Reaktionsmedium mit 50 bis 95 Gew.-% Wasser und 50 bis 5 Gew.-% organischem Lösungsmittel durchgeführt wird.1. Process for the enzymatic synthesis of glycoamino acid derivatives, in particular galactosylamino acid derivatives, of the form Y- (Galβ1) Ser-OX [NY-3-O-β-D-galactopyronosyl-L-serine-X-ester]
wherein
Y = Aloc (allyloxycarbonyl-), Boc (tert-butoxycarbonyl-) or Z (benzyloxycarbonyl-) and
X = methyl, ethyl or -H,
with lactose as galactosyl donor and serine derivatives of the type Y-Ser-OX as galactosyl acceptors in the presence of β-galactosidases of different origin, characterized in that the reaction in an aqueous-organic reaction medium with 50 to 95% by weight of water and 50 up to 5 wt .-% organic solvent is carried out.
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DE1998102748 DE19802748A1 (en) | 1998-01-26 | 1998-01-26 | Synthesis of glycosamino acid derivatives from lactose and serine derivative, used for targeting therapeutic and diagnostic agents |
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Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE19802748A1 (en) |
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