DE2326161C2 - Verfahren zum Aufbau oder zum Abbau von durch chemische Eigenschaften ausgezeichneten, in einer wäßrigen Lösung enthaltenen Stoffen - Google Patents

Verfahren zum Aufbau oder zum Abbau von durch chemische Eigenschaften ausgezeichneten, in einer wäßrigen Lösung enthaltenen Stoffen

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aufbau oder zum Abbau von durch chemische Eigenschaften ausgezeichneten, in einer waessrigen Loesung enthaltenen Stoffen. Es ist bekannt, die katalytische Wirkung von Enzymen zum Aufbau und zum Abbau von Stoffen, z.B. bei der Herstellung biochemischer und pharmazeutischer Produkte zu verwenden. Auch kann der Abbau toxisch wirkender Substanzen durch Verwendung von Enzymen vorgenommen werden. Diesen Zielen dient auch das neuartige Verfahren, durch das es ermoeglicht wird, den Aufbau oder Abbau von in waessrigen Loesungen geloesten Stoffen unter Verwendung von anorganischen oder organischen katalytisch wirkenden Stoffen auf wirtschaftliche Weise durchzufuehren. Dabei werden innerhalb verhaeltnismaessig kurzer Zeit ausreichende Ausbeuten erreicht. Das neuartige Verfahren besteht darin, dass zunaechst katalytisch wirkende Stoffe in aus lebenden Zellen gebildete Blaeschen eingebracht werden, wobei die Osmolaritaet de

Description

· Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Aufbau und zum Abbau von durch chemische Eigenschaften ausgezeichneten, in einer mindestens 0,5 mM/1 Magnesium- und/oder Kalzium- sowie K^'iumionen enthaltenden wäßrigen Lösung gelösten Stoffen mittels den Aufbau oder den Abbau fördernder katalytisch wirkender Stoffe.
Zweck dieser Maßnahmen ist es, in wirtschaftlicher V/eise biochemische und pharmazeutische Produkte herzustellen, wie dies beispielsweise beim Abbau des Rohrzuckers zu Glucose und Fructose geschieht. Außerdem wird der Abbau toxisch wirkender Substanzen, beispielsweise der Abbau von Harnstoff im Blut zu Kohlendioxid und Ammonium, angestrebt
Es ist bekannt, die katalytische Wirkung von Enzymen zum Aufbau und zum Abbau von Stoffen zu verwenden. So ist beispielsweise vorgeschlagen worden, Enzyme an anorganischen oder organischen Trägern zu adsorbieren und sie auf diese Weise zur Wirkung zu bringen. Bekannt ist auch. Enzyme zum Aufbau oder zum Abbau von Stoffen in die Poren eines Gels einzuschließen. Schließlich gehört auch die Bindung von Enzymen an eine reaktionsfähige polymere Matrix zum Auf- oder Abbau von Stoffen zum bekannten Stand der Technik. Alle diese bekannten Verfahren haben jedoch den großen Nachteil, daß der Wirkungsgrad der Enzyme verhältnismäßig gering war, so daß die Ausbeute an aufzubauenden oder abzubauenden Stoffen so klein war, daß diese Verfahren für den praktischen Einsatz nicht wirtschaftlich genug sind.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren zum Aufbau oder zum Abbau von in wäßrigen Lösungen gelösten Stoffen unter Verwendung von anorganischen oder organischen katalytisch wirkenden Stoffen zu schaffen, das auf wirtschaftliche Weise durchführbar ist und innerhalb verhältnismäßig kurzer Zeit eine ausreichende Ausbeute gewährleistet.
Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs bezeichneten Art dadurch gelöst, daß aus katalytisch wirkende Stoffe enthaltenden Zellen von Lebewesen, deren Inhalt eine Osmolarität besitzt, die in Grenzen von der Osmolarität der wäßrigen Lösung abweicht, gebildete Membranvesikeln mit der wäßrigen Lösung zusammengegeben werden, wobei die katalytisch wirkenden Stoffe zur Aufnahme durch die Zellen einer Lösung zugesetzt werden, deren Osmolarität niedriger ist als der Zellinhalt der Zeilen, die, ggf. nach vorheriger Entfernung der Zellwand, in die die katalytisch wirkende Stoffe aufnehmende Lösung so lange eingesetzt werden, bis infolge Stoffaustausches durch die als Membran wirkende Zellhaut im Gleichgewichtszustand zwischen der im Zellinneren enthaltenden Lösung und der die katalytisch wirkenden Stoffe enthaltenden Lösung der Zellinhalt praktisch der die katalytisch wirkenden Stoffe
enthaltenden Lösung entspricht, worauf die Osmolarität der die katalytisch wirkenden Stoffe enthaltenden Lösung durch Zugabe osmotisch aktiver Stoffe, wie Kalzium-, Kalium-, Natriumionen, auf die Osmolarität des Zeilinhalts der ursprünglich eingebrachten Zellen erhöht wird, und daß im Anschluß daran die die katalytisch wirkende Stoffe enthaltenden, durch den Austausch des Zellinhalts der Zellen gebildeten Membranvesikeln von der die katalytisch wirkenden Stoffe enthaltenden Lösung abgetrennt und so lange in die wäßrige Lösung eingesetzt werden, bis die aufzubauenden oder abzubauenden, in der wäßrigen Lösung enthaltenen Stoffe infolge Permeabilität der Haut der Membranvesikeln in das Innere der Membranvesikeln gewandert, der Aufbau oder der Abbau der Stoffe beendet ist und die Stoffe durch die Haut der Membranvesikeln in die wäßrige Lösung gewandert sind, worauf die auf- oder abgebauten Stoffe in an sich bekannter Weise von der wäßrigen Lösung abgetrennt werden.
Das Verfahren gemäß der Erfindung beruht auf der Feststellung, daß dje Zellhaut für die infrage kommenden katalytisch wirkenden Stoffe durchlässig wird, wenn die Zellen in eine Lösung mit gegenüber dem Zellinhalt niedrigerer Osmolarität eingegeben werden, und daß die Zellhaut undurchlässig wird für die in das Zellinnere gewanderten katalytisch wirkenden Stoffe, wenn in die die katalytisch wirkenden Stoffe enthaltende Lösung osmotisch aktive Stoffe eingegeben werden, und daß die Haut sowohl für die aufzubauenden wie für die aufgebauten und ebenso für die abzubauenden und die abgebauten Stoffe durchlässig wird, nachdem die dabei gebildeten, die katalytisch wirkenden Stoffe enthaltende Lösung einschließenden Membra/iyesikein in eine Lösung gegeben werden, deren Osmolarität der Osmolarität des ursprünglichen Zellinhaltes der Zellen entspricht Für den Fall, das als Zellen Bakterienzellen verwendet werden und es notwendig ist, die Zellwändc zu entfernen, werden nach einem bekannten Verfahren (H. R. Kaback »Bacterial membranes, in Methods«) die als lebende Zellen verwendeten Bakterienzellen bei einer Temperatür zwischen 15° und 40° C in eine Lösung eingegeben, deren Osmolarität niedriger ist als der Zeilinhalt der Bakterienzellen, wobei der pH-Wert der Lösung auf etwa 8 gebracht wird und dem so gebildeten Medium sodann das Kaliumsalz der Äthylendiamintetraessigsäure sowie Lysozym zugegeben werden. Dadurch verlieren die Bakterienzellen ihre Zellwand, so daß der Zellinhalt von dem Außenmedium nur durch die Zellhaut abgetrennt ist Das Verfahren gemäß der Erfindung ist daher auch ohne weiteres unter Verwendung von Zellen durchführbar, die eine Zellwand aufweisen. Das Verfahren wird dabei so durchgeführt, daß die katalytisch wirkenden Stoffe der Lösung mit gegenüber dem Zellinhalt erniedrigter Osmolarität zugegeben werden.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens gemaß der Erfindung, durch die die Ausbeute noch erhöht wird, besteht darin, daß die Zellen in eine Lösung mit einem Gehalt an osmotisch aktiven Stoffen eingegeben werden, der nicht größer ist als 70% der in der wäßrigen Lösung gelösten osmotisch aktiven Stoffe, wobei mindestens die Hälfte der in der Lösung enthaltenen Stoffe die Zellhaut stabilisierende Ionen, wie Magnesium- und/ oder Kalzium- und Kaliumionen sind, worauf nach Zugabe von katalytisch wirkenden Stoffen, die Zellhaut stabilisierenden Ionen und sonstigen osmotisch aktiven Stoffen in einer solchen Menge, daß die Konzentration der Gesamtheit der osmotisch aktiven Stoffe in der die katalytisch wirkenden Stoffe enthaltenden Lösung um nicht mehr als 20% von der Konzentration der in der wäßrigen Lösung enthaltenen osmotisch aktiven Stoffe abweicht wobei die Zellen etwa ein bis zwei Stunden in der Lösung gehalten werden. Zweckmäßig ist es, daß der Austausch des Zellinhaltes mit der die katalytisch wirkenden Stoffe enthaltenden Lösung bei 0°C durchgeführt wird. Die Abtrennung der aufgebauten oder abgebauten Stoffe aus der wäßrigen Lösung kann auf verschiedene Weise erfolgen.
Durch das Verfahren gemäß der Erfindung wird es erstmals ermöglicht beispielsweise den Abbau des Rohrzuckers zu Glucose und Fructose durch das Enzym Invertase zu erreichen, ohne daß das Enzym in der Rohrzuckerlösung in Lösung geht oder durch sonst notwendige, die Löslichkeit erniedrigende Maßnahmen seine k&ialytische Aktivität einbüßt
Es ist selbstverständlich auch möglich, Membranvesikel aus der wäßrigen Lösung zurückzugewinnen. Das kann durch Flotation, Sedimentation, Filtration uder Zentrifugieren geschehen.
Ausführungsbeispiel
Erythozyten wurden in eine Tris-Lösung mit einem pH-Wert von 7,2 eingegeben, wobei eine Suspensionsdichte der Erythozyten in der Lösung von 40 g% eingestellt wurde. Zu 50 ml dieser Lösung wurden 500 ml einer Lösung zugegeben, die 5 mM/I MgSO4 und 1 mg% Invertase enthielt Die so hergestellte Lösung wurde 30 Minuten bei 00C gehalten. Im Anschluß daran wurde die Osmolarität der Lösung auf die Osmolarität der ursprünglichen Tris-Lösung eingestellt wobei eine geeignete Menge einer 155 mM/1 NaCl enthaltenden Lösung zugegeben wurde. Gleichzeitig wurde die Temperatur der Lösung auf 37° C erhöht und diese Temperatur 50 Minuten aufrechterhalten. Die das Enzym Invertase enthaltenden Membrar.vesike! wurden dann in einer Zentrifuge bei 30 000 g abzentrifugiert
Die abzentrifugierte Membranvesikel wurden daraufhin in 100 ml einer isotonen Tris-LöSiing mit einem pH-Wert von 7,5 gegeben, die IO-3 Mol/l Rohrzucker enthielt Nachdem die Membranvesikel etwa 30 Minuten in der den umsetzenden Rohrzucker enthaltenden Lösung belassen worden waren, wurden sie durch Abzentrifugieren abgetrennt Eine Bestimmung der Rohrzuckerkonzentration in der verbleibenden Lösung ergab eine 90%ige Umsetzung des Rohrzuckers in Glucose und Fructose.

Claims (4)

Patentansprüche:
1. Verfahren zum Aufbau und zum Abbau von durch chemische Eigenschaften ausgezeichneten, in einer mindestens 0,5mM/l Magnesium- und/oder Kalzium- sowie Kaliumionen enthaltenden wäßrigen Lösung gelösten Stoffen mittels den Aufbau oder den Abbau fördernder, katalytisch wirkender Stoffe, dadurch gekennzeichnet, daß aus katalytisch wirkende Stoffe enthaltenden Zellen von Lebewesen, deren Inhalt eine Osmolarität besitzt, die in Grenzen von der Osmolarität der wäßrigen Lösung abweicht, gebildete Membranvesikeln mit der wäßrigen Lösung zusammengegeben werden, wobei die katalytisch wirkenden Stoffe zur Aufnahme durch die Zellen einer Lösung zugesetzt werden, deren Osmolarität niedriger ist als der Zellinhalt der Zellen, die, gegebenenfalls nach vorheriger Entfernung der Zellwand, in die die katalytisch wirkenden Stoffe aufnehmende Lösung so lange eingesetzt werden, bis infolge Stoffaustausches durch die als Membran wirkende Zellhaut im Gleichgewichtszustand zwischen der im Zellinneren enthaltenden Lösung und der die katalytisch wirkenden Stoffe enthaltenden Lösung der Zellinhalt praktisch der die katalytisch wirkenden Stoffe enthaltenden Lösung entspricht, worauf die Osmolarität der die katalytisch wirkenden Stoffe enthaltenden Lösung durch Zugabe osmotisch aktiver Stoffe, wie Kalzium-, Kalium-, Natriumionen, auf die Osmolarität des Zellinhalts der ursprünglich eingebrachten Zellen erhöht wird, und daß im Anschluß daran die die katalytisch wirkenden Stoffe enthaltenden, durch den Austausch des Zellinhalts der Zellen gebildeten Membranvesikeln von der die katalytisch wirkenden Stoffe enihaiienden Lösung abgetrennt und so lange in die wäßrige Lösung eingesetzt werden, bis die aufzubauenden oder abzubauenden, in der wäßrigen Lösung enthaltenen Stoffe infolge Permeabilität der Haut der Membranvesikeln in das Innere der Membranvesikeln gewandert, der Aufbau oder der Abbau der Stoffe beendet ist und die Stoffe durch die Haut der Membranvesikeln in die wäßrige Lösung gewandert sind, worauf die auf- oder abgebauten Stoffe in an sich bekannter Weise von der wäßrigen Lösung abgetrennt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als lebende Zellen verwendete Bakterienzellen bei einer Temperatur zwischen 15° und 400C in eine Lösung eingegeben werden, deren Osmolarität niedriger ist als der Zellinhalt der Bakterienzellen, wobei der pH-Wert der Lösung auf etwa 8 gebracht wird und dem so gebildeten Medium sodann das Kaliumsalz der Äthylendiamintetraessigsäure sowie Lysozym zugegeben werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zellen in eine Lösung mit einem Gehalt an osmotisch aktiven Stoffen eingegeben werden, der nicht größer ist als 70% der in der wäßrigen Lösung gelösten osmotisch aktiven Stoffe, wobei mindestens die Hälfte der in der Lösung enthaltenen Stoffe die Zellhaut stablisierenden Ionen, wie Magnesium- und/oder Kalzium- und Kaliumionen sind, worauf nach Zugabe von katalytisch wirkenden Stoffen, die Zellhaut stabilisierenden Ionen und sonstigen osmotisch aktiven Stoffen in einer solchen Menge, daß die Konzentration eier Gesamtheit
der osmotisch aktiven Stoffe in der die katalytisch wirkenden Stoffe enthaltenden Lösung um nicht mehr als 20% von der Konzentration der in der wäßrigen Lösung enthaltenen osmotisch aktiven Stoffe abweicht, wobei die Zellen etwa ein bis zwei Stunden in der Lösung gehalten werden.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Austausch des Zellinhaltes mit der die katalytisch wirkenden Stoffe enthaltenden Lösung bei 0° C durchgeführt wird
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