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Trennung von Enzymen Priorität: Grossbritannien vom 11. Februar 1971,
Nr. 4469/71 Die Erfindung betrifft die Trennung von Gemischen, die eine Vielzahl
von Enzymen enthalten.
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Bei der Trennung und Reinigung von Rohgemischen, die Enzyme zusammen
mit anderem organischem Material enthalten, ist vorgeschlagen worden, die Technik
der Affinitätschromatographie zu verwenden, bei der ein Substrat für eines der Enzyme
an ein unlösliches, polymeres Trägermaterial wie beispielsweise Zellulose gebunden
ist, und das das Enzym enthaltende Gemisch mit dem unlöslich gemachten Substrat
in Berührung gebracht wird. Das Enzym wird vorübergehend an das Substrat gebunden,
das Urcigermaterial wird von Verunreinigungen freigewaschen und nachfolgend behandelt,
um das Enzym zu gewinnen. Dieses Verfahren arbeitet in der Praxis gut, leidet jedoch
unter dem flachteil, dass nur ein einziges Enzym zugleich aus diesem Gemisch entfernt
werden kann. Folglich kann die Trennung von komplexen Gemischen, die eine Anzaiii
Enzyme enthalten, mühsam und zeitraubend sein.
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Es wurde nun gefunden, dass bestimmte Enzymgruppen, die für ihre Reaktivität
ein Koenzym erfordern, leicht von anderen organischen Materialien und voneinander
getrennt werden können, indem man sich ihre Affinität zu dem Koenzym zunutze macht
und das Koenzym an einen unlöslichen Träger bindet.
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Die Erfindung unfasst als eine neue Stoffzusammensetzung eine reaktive
matrix mit einem an ein wasserunlösliches organisches polymeres Trägermaterial cherlaisch
gebundenen Koenzym.
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Auch umfasst ein erfindungsgemässes Verfahren zur trennung von eine
Vielzahl von Enzymen enthaltenden Gemischen das In-Berührung-Bringen des Enzymgemisches
in Lösung mit einer reaktiven Matrix mit einem unlöslichen organischen polymeren
Trägermaterial, das ein Koenzym für die Enzyme chemisch gebunden enthält, so dass
die Enzyme an den Träger gebunden werden, das Entfernen des Trägers aus der Lösung
und das nachfolgende Eluieren des Enzyms von dem Träger.
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Die Sindung zwischen einem Enzym und seinem Koenzym ist gewöhnlich
sehr schwach im Vergleich mit einer kovalenten Bindung, und doch überraschenderweise
ausreichend, um die Trennung nach dem erfindungsgemässen Verfahren zu erlauben.
Ein hervorstechendes Merkmal der Erfindung besteht darin, dass sie es ermöglicht,
die Stärke der Enzym-Koenzym-I3ind.ung zu ändern, beispielsweise durch In-Berührung-Bingen
der reaktiven Matrix mit den daran gebundenen Enzyme, mit einer Lösung eines kleinen
Moleküls wie beispielsweise einem Substrat oder einen Entlibitor für eines oder
mehrere der Enzyme oder sogar Kallumchlorid, so dass die Enzyme in einer gewünschten
Reihenfolge eluiert werden können.
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Es wurde auc gefunden, dass es wünschenswert ist, das Enzymgemisch
mit der reaktiven Matrix in Gegenwart eines Substrats für wenigstens eines der zu
trennenden Enzyme in Berührung zu bringen. Bei einer bevorzugten Arbeitsweise wird
das Enzymgemisch, das in einer Lösung eines geeigneten Puffersalzes wie beispielsweise
eines anorganischen Phosphats gelöst ist, mit der reaktiven Matrix In berührung
gebracht
die matrix dann mit einer Lösung des Puffers gewaschen, der eine Menge eines Substrats
für wenigstens eines der Enzyme enthalt, und das Gemiscii der Enzyme wird von der
Matrix durch Elution mit Lösungen steigender Ioneiikonzentration oder durch Elution
mit Lösungen von Komponenten der Enzymreaktion, 2.3. NAD oder NADH, getrennt.
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Enzyme, die nach dem erfindungsgemässen Verfahren getrennt und gereinigt
werden können, umfassen rohe Enzyme, Enzymgenische und Enzymsysteme, die in tierischen,
pflanzlichen oder mikrobiologischen Geweben vorliegen oder daraus isoliert wurden,
und Ronextrakte dieser Gewebe sowie synthetische Enzyme wie beispielsweise solche,
die nach der Merrifield-Festphasenmethode hergestellt wurde; Beispiele für Gruppen
von Enzymen, deren Aktivität von der Gegenwart eines Koenzyms abhängt, umfassen
Dehydrogenasen wie beispielsweise Alkohol-dehydrogenase, B.ctat-dehydrogenase und
Threoni-dehydrogenase, Oxidasen wie beispielsweise d- und l-hminosaureoxidase, Decarboxylasen
wie beispielsweise Lysindecarboxylase und Arginindec rboxylase und Kinasen wie beispielsweise
Hexobinase und Glucokinase.
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Das unlösliche organische polymere Trägermaterial kann ein natürliches
oder synthetisches polymeres Material1 insbesondere ein hydrquiles material wie
beispielsweise ein Polyacrylamid
oder ein Polymerisat mit freieii
Hydroxylgruppen wie etwa Zellulose, Zelluosederivate, Starke, Dextran und vernetz-te
Dextrane, z.B. "Sephadex", Sepharose (TM), Proteine wio beispielsweise Wollc, und
Polyvinylalkohol umfassen. Andere polymere Materialien, die verwendet werden können,
umfassen Nylon, Polyester wie beispielsweise Polyäthylenterephthalat, Zelluloseezatat
und substituierte vernetzte Polystyrole wie beispielsweise chlormethylierte Polystyrole.
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Das polymere Material kann die Foria von Perlen. oder einer Stofflage,
beispielsweise einer Webware, oder irgendeine andere geeignete gegossene oder extrudierte
Form annehmen. Bevorzugt wird es in der Form eines permeablen Materials hergestellt,
das geeignet ist, eine Füllkörperkolonne aufzubauen.
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Das Koenzym, das an das polymere Material chemisch gebunden ist, kann
beispielsweise Nikotinamid-adenin-dinucleotid (NAD), Nikotinamid-ad@nin-dinuoleotid-phosphat
(NADP) und ihre reduzierten Formen, Adenosin-diphosphat-ribose (ADP-Ribose), Adenosin-triphosphat
(ATP), idenosin-diphosphat (ADP), Adenosinmonophosphat (AMP), Pyridoxamin-phosphat,
Pyridoxal-phosphåt und Pterine sein.
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Die Koenzyme können an das polymere material durch vielfältige chcmisce
Techniken gebunden werden. Azidgruppen oder Chlor-striazinyl-Gruppen können auf
der polymeren matrix ausgebildet werden, die direkt mit dem Koenzym reagieren, bohne
seine Fähigkeit zu beeinträchtigen, sich selbst an ein Enzymmolekül zu binden. Bei
einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird Zellulose, ein Zellulosederivat
oder ein anderes polymeres Material mit einer Vielzahl von vic.-Diolgruppen mit
Bromzyan und dann mit dem Koenzym gemäss dem folgenden Reaktionsschema behandelt:
Im obigen Reaktionsschema stellt RNH2 das Koenzym dar. Bevorzugt wird das Koenzym
mit der iiauptkette der Polymerisatkette durch eine Kohlenstoffzwischenkette mit
entweder 2 bis 20 Kohlenstoffatomen oder Oligopeptiden oder polyaromatischen Systemen
wie beispielsweise Benzidinbrücken verbunden.
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Das erfindungsgemässe Verfahren wird bevorzugt durch Passieren einer
Lösung des Enzymgemisches durch eine Füllkörpersäule der reaktiven Matrix durchgeführt,
Nach dem Waschen der Säule zur Entfernung unerounschter Materialien werden die daran
gebundenen Enzyme nacheinander durch Elution entfernt, vorzugsweise mit Pufferlösungen
steigender Ionenstärke oder Pufferlösungen mit Kofaktoren für die Enzyme. Es wird
gefunden, dass verschiedene Enzyme von der Säule bei verschiedenen und charakteristischen
lonenstärken entfernt werden, was ein Verfahren zur Trennung und Reinigung der Enzyme
liefert. Anorganische Phosphatpufferlösungen und Kaliumchloridlösungen erwiesen
sicb als ausserordentlich geeignet als Mittel zur Steigerung der Ionenstärke.
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Enthält die rlisonung nur zwei Enzyme, kann ein anderes und einfacheres
Verfahren gewählt werden. In der ensten Stufe werden die Enzyme an die reaktive
Matrix, wie zuvor beschrieben, gebunden und dann mit einer Lösung eines ßubstrats
oder Auslösers (:Offefltor
) für eines der Enzyme gewaschen. Es
wurde gefunden, dass diese Technik das Enzym, dessen Substrat oder Auslöser durch
die Säule geführt wurde und das andere Enzym in das Elutionsmittel entfernt, oft
fester an den Trager bindet. Das auf den Träger bleibende Enzym kann durch Waschen
mit einer Pufferlösung höherer Ionenstärke oder durch Entfernen des Auslösers oder
durch Zusatz eines konkurrierenden Mittels für diesen Auslöser entfernt werden.
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Die Erfindung wird durch die folgenden Beispiele veranschaulicht:
Beispiel 1 Dieses Beispiel beschreibt die Trennung eines Gemisches von L-malabdehydrogenase
und L-Lactat-dehydrogenase an NAD-Zellulose.
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10 g Zellulosepulver werden nach dem Bromzyanverfahren von Axen, Porath
und Emback, Nature 1967, 214, Seite 1302 alctiviert und mit 100 mg Nikotinamid-adenin-dinucleotid
in 0,1 pi Natriumkarbonatpuffer vom pH 9 für 12 Stunden umgesetzt. Ein künstliches
Gemisch wird aus L-Malat-dehydrogenase (MDH) L-Lacta@dehydrogenas (IDII) und Rinder-Serumalbumin
(BSA) hergestellt und über Nacht gegen 10 m-molaren Phosphatpuffer dialysiert. Die
MAD-Zollulose wird in eine Saule von 5 mm Durchmesser und 20 mm tiöie gebracht un
mit 10 m-molarem Phosphatpuffer vom pH 7,5 ins Gleichgewicht gesetzt. Eine 50 µl-Probe
mit 0,335 Einneiten MDH, 1,@5 Einheiten LDN und 0,@ mg BSA wird auf die Säule gebracht
und nicht adsorbiertes Protein mit 2 ml Phosphatpuffer ausgewaschen.
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Die Säule wird dann mit einem Kaliumchloridgradienten in 10 mmolarem
Phosphatpuffer eluiert, wobei der Gradient von 0, bis
0,5 m KC1
(20 ml insgesamt) liegt, NDII, LDI-I und BSA werden in der von der Säule ablaufenden
Lösung untersucht und die anfänglichen und abschliessenden spezifischen Aktivitäten,
Gewinnungsquoten und Reinigungsfaktoren sind in der folgenden Tabelle wiedergegeben:
Enzym zugesetz- spezifi- gewonne- spezifi- Reinigungs te Ein- sche An- ne Ein- sche
End- fazktor heiten fangsak- heiten Aktivität tivität (E/mg) (E/mg) 0,42 0,3 20
47,6 LDH 185 2,3Q 1,3 26 11,3 BSA 0s8 mg Es wird gefunden, dass MDH bei 0,1 m KCl,
BSA bei 0,175 m und LDH bei 0,3 C1 eluiert wird.
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Beispiel 2 Dieses Beispiel veranschaulicht die Chromatographie eines
rohen Extrakts von Pseudomonas oxalaticus an NAD-Zellulose, die wie in Beispiel
1 beschrieben hergestellt wurde. Der Rohextrakt wurde über Nacht gegen 10 m-molaren
Phosphatpuffer voe?, 5 dialysiert,und eine 0s5 ml-Probe auf eine 1,4 cm x 9,0 cm-Säule
mit NAD-Zellulose gebracht, die mit dem gleichen Puffer ins Gleichgewicht gesetzt
worden war. Nichtadsorbiertes Protein wurde aus der Säule mit 40 ml des Pulvers
ausgewaschen und das Enzym mit einem Kaliumpnospilatgradienten von 0,01 bis 0,5
m, 160 ml Gesamtvolumen , bei einer Str0mungsgeschwindigkeit von 30 ml/h eluiert.
Die folgenden Enzyme wurden in dem Eluat untersucht und die Konzentration des zu
ihrem Eluieren notwendigen Phosphats in Klammern angegeben.
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D-Glucose-6-phosphat-dehydrogenase (45mMol) L-Lactat-dehydrogenase
(130 mMol) L-Xhreonin-dehydrogenase (ca. 250 mMol).
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Eine grössere Spitze inerten rroteins wurde bei 45 mMol Phosphat,
wie in Fig. 1 gezeigt, eluiert.
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Beispiel 3 Dieses Beispiel veranschaulicht die Chromatographie von
L-Threonin-dehydrogenase aus einem dialysierten Rohextrakt von Pseudomonas oxalaticus
an NAD-Zellulose in Abwesenheit (A) und Anwesenheit (B) von 10 mMol L-Threonin.
Es wurde das Verfahren wie in Beispiel 2 gewählt, ausser dass im Falle 13 10 mMol
L-Threonin in den Puffer und dem Gradienten eingeschlossen war.
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L-Threonin-dehydrogenase und ein grösserer Anteil enzymatisch aktiven
Proteins wurden bei den folgenden Konzentrationen an Kaliumphosphat, wie in Fig.
2 gezeigt, eluiert.
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(A) Kein Threonin (B) 10 mMol L-Threonin L-Threonin-dehydrogenase
220 mMol 220 mMol inertes Protein 140 mMol 90 mMol Dieses Beispiel veranschaulicht
den Vorteil, L-Threonin in das Puffersystem einzuschliessen, um die Reinigung des
Enzyms L-Threonin-dehydrogenase an NAD-Zellulose zu unterstützen.
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Beispiel 4 Dieses Beispiel veranschaulicht die Affinitätschromatographie
der
L-Threonin-deJiydrogenase aus einem Rohextrakt von Pseudomonas oxalaticus an einem
diazo-verbundenen NAD-Zellulosederivat;' das wie folgt hergestellt wurde. o-Amino-phenol
wurde nach der Bromzyantechnik von Axen, Porath und Emback (1967) an Zellulose gekuppelt.
Die o-Hydroxyamino-Zollulose (15 g) wurde mit diazotiertem Benzidin (aus 1 g Benzidin-HCl)
bei 00 C 10 Minuten behandelt. Das Zellulosederivat wurde mit eiskaltem Wasser 10
Minuten gewaschen und in einer Lösung von NAD (50 mg) in 0,1 molarem Matriumbicarbonatpuffer,
pH 9,0 (15 ml), suspendiert. Die Suspension wurde über Nacht bei 0° C Eeruhrt und
mit einem grossen Volumen eiskalten destillierten Wassers durchgewaschen.
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Eine 50-Mikroliter-Probe des rohen dialysierten Extrakts wurde auf
eine 5 mm x 20 mm-Säule der diazo-verbundenon NAD-Zellulose gebracht, die ist 10
mMol Phosphatpuffer vom pli 7,5 equilibriert war. Nichtadsorbiertes Protein wurde
mit 10 ml des gleichen Rffers ausgewaschen und das Enzym mit einem Kaliumchloridgradienten,
0 bis 0,5 molar, 20 ml Gesamtvolumen bei einer Durch
geschwindigkeit von 5 bis 6 ml/h eluiert.
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Auf L-Threonin-dehydrogenase und anderes enzymatisch aktives Protein
wurde in der ablaufenden Lösung, wie in Fig. 3 gezeigt, geprüft.
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Beispiel 5 Diesse Beispiel zeigt die Chromatographie von D-Glucose-6-phosphat-dehydrogenase
aus einem
extrakt an #-Amino@@proyl-NADP-sepharese, die tJie folgt hergestellt war: #-Amino-caproyl-sepharose
wurde dadurch Kuppeln von -Aminokapron-.
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säure (1 g) mit $Sepharose 4B (10 g) nach der Mothode von Axen, Porath
und Emback (1967) hergestellt. Zu 10 g dieses Polymerisats wurden 5 g Dicyclohexyl-carbodiimid
in 12 ml Pyridin und 100 mg NADP in 3 ml Wasser zugesetzt. Dieses Gemisch wurde
10 Tage bei Raumtemperatur langsam gerührt, und das Gel nacheinander mit 80%igem
wässrigen Pyridin, Äthanol, Butanol, Äthanol, Wasser, molarer KC1 und schliesslich
mit Wasser gewaschen.
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Eine Probe (1 ml) des rohen Hefeextrakts wurde auf eine 1 cm 5 cm-Säule
der #-Amino-capro@l-NADP-sopharose aufgebracht, die mit 0,05 molarem Driätharolamin-IJaOh-Puffer
vom pH 7,6 equilibäert war. Nichtadsorbiertes Protein wurde mit 50 ml des gMlcichen
Puffers ausgewaschen und das Enzym mit einem Saliumchloridgradichten von 0 bis 0,5
klar, 200 ml Gesamtvolumen, bei einer Strömungsgeschwindigkeit von 12 ml/h, eluiert.
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In der ablaufenden Lösung wurde auf D-Glucose-6-p losphatdehydrogenase
und anderes enymatisch aktives Protein geprüft.
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Enzym wurde bei 0,15 molarer XCl eluiert, wobei seine speifische Aktivität
von 0,29 µMol NADPH/min/mg im Anfangsextrakt auf 6,50 µMol NADPH/min im gereinigten
Produkt, wie in Fig.
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4 gezeigt, anstieg. Die Gewinnung der Enzymaktivität war quantitativ.
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Beispiel 6 Dieses Beispiel veranschaulicht die Isolierung von ß-Hydroxybutyrat-dehydrogenase
aus einem Rohextrakt von Rhodopseudomonas sphaeroides an #-Amino-caproyl-NAD-sepharose.
Die reaktive Matrix wurde, wie in Beispiel 5 beschrieben, hemgostollt, ausser dass
NAD anstelle von NADP verwondet wurde.
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Eine 50-Mikroliter-Probe des Rohextrakts wurde auf eine 5 mm x 20
mm-Säule mit #-Amino-caproyl-NAD-sepharose gebracht, die mit 0,05molarem Tris-HCl-Puffer
vom pli @,0 equilibriert war.
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Nichtadsorbiertes Protein wurde mit 20 ml des gleichen Puffers ausgewaschen,
und das Enzym mit einem KCl-Gradienten von 0 bis 0,5 molar in 0,05 molarem Tris-HCl-Puffer
vom pH @,0 cluiert.
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Die spe3ifische Aktivität der ß-Hydroxy-butyrat-dehydrogenuse stieg
von 3,1 x 10-4 µMol NADH gobildet pro min/mg Protein auf annähernd 3 x 10-² µMol
NADH/min/mg, nach Fig. 5 ein Anstieg um einon Faktor von einigen Hundert.
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Beispiel 7 Dieses Beispiel fasst in Tabellenform einige mit verschiedenen
Koenzymen' Matrixarten, Enzymen und Auslegergruppen" erhaltenen Ergebnisse zusammen.
Die Ergebnisse sind in Einheiten der Konzentration des zur Elution des Enzyms oder
Rinder-Serumalumins in künstlich hergestellten Gemischen erforderlichen Kaliumchlorids
ausgedruckt. In jedem Falle wurde das in Beispiel 1 beschriebene Verfahren angewandt.
Zur Elu- |
tion er- |
forder- |
liche |
Salzkon- |
zentra- |
tion |
Matrix Koenzym "Auslegergruppe" Enzym En- BSA Anmerkungen |
zym |
Zellulose ADP keine L-Lactat-dehydrogenase 280 155 |
Zellulose ADP-Ribose keine L-Lactat-dehydrogenase 295 140 |
Zellulose ADP-Ribose keine L-Glutamat-dehydrogenase 460 155 |
Sephadex G-200 NAD keine L-Lactat-dehydrogenase 120 0 |
Sephadex G-100 NAD keine L-Malat-dehydrogenase 90 0 |
Sepharose AMP #-Amino-caproyl L-Malat-dehydrogenase 90 0 |
Sepharose AMP #-Amino-caproyl Isocitrat-dehydrogenase 190 0 |
Sepharose NAD #-Amino-caproyl Glycerinaldehyd-3- Enzym eluiert
mit 200 |
phosphat-dehydrogenase 1000 0 ul-Menge an 5mmolarem |
NADH |
Sepharose NAD Triglycyl L-Lactat-dehydrogenase 35 0 Enzym eluiert
mit 50 |
mMel NAD |
Sepharose NAD #-Amino-caproyl L-Lactat-dehydrogenase 1000 0
Säule equilibriert |
mit 5 mMol Na2SO3 |
in allen Puffern: |
Enzym eluiert mit |
5 mMol NADH |
Sepharose NADP #-Amino-caproyl D-Glucose-6-phosphat- 125 0 |
dehydrogenase |