DE2624826A1 - Verfahren zur gewinnung der ecori- restriktionsendonuklease aus escherichis coli - Google Patents

Verfahren zur gewinnung der ecori- restriktionsendonuklease aus escherichis coli

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Hubert Dr Mayer
Horst Schuette
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Helmholtz Zentrum fuer Infektionsforschung HZI GmbH
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    • C12BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12NMICROORGANISMS OR ENZYMES; COMPOSITIONS THEREOF; PROPAGATING, PRESERVING, OR MAINTAINING MICROORGANISMS; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING; CULTURE MEDIA
    • C12N9/00Enzymes; Proenzymes; Compositions thereof; Processes for preparing, activating, inhibiting, separating or purifying enzymes
    • C12N9/14Hydrolases (3)
    • C12N9/16Hydrolases (3) acting on ester bonds (3.1)
    • C12N9/22Ribonucleases RNAses, DNAses

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Description

  • Verfahren zur Gewinnung der ECoRI-Restriktionsendonuklease
  • aus Escherichis coli Die ECoRI-Kestriktionsendonuklease hat große Bedeutung in der DNA-Analyse erlangt, da sie eine hohe Substratspezifität aufweist. Die spezifische Doppelstrang-Erkennungsstelle besitzt dabei folgende Sequenz: 5'-- AjT-G-A-A-T-T-C-A/T - - 3' 3'-- T/A-C-T-T-A-A-G-T/A - - 5' r Diese zeichnet sich auch dadurch aus, daß sie überlappende Einzelstrangenden erzeugt. DNA-Fragmente die durch "ECoRI" gespalten werden, lassen sich an ihren Enden reassoziieren und mit Polynucleotidligase verknüpfen. Diese Arbeitsweise gestattet, DilA-Bruchstücke prokaryotischen und eukaryotischen Ursprungs an replizierfähige DNA, wie Plasmid-DNA oder Phagen-DA, anzuhängen. Die in vitro rekombinierten DNA-Fragmente können durch Transformation bzw. Transfektion in Bakterienzellen übertragen und vermehrt werden. Es kann somit die Aufgabe gelöst-werden, neue genetische Information in Bakterien einzuschleusen. Durch gezielte Auswahl der einzubringenden DNA können mit diesem Verfahren Bakterien genetisch so verändert werden, daß sie wichtige Naturstoffe produzieren.
  • Es ist aus Nature 214, 885 - 887 (1967)bekannt, daß der Antibiotikaresistenzfaktor R1, ein fi + -Faktor, in Escherichia coli Resistenzen gegen Chloramphenicol, Kanamycin, Streptomycin, Ampicillin und Sulfonamid kodiert und weiter ist aus J. Bacteriol. 112.1275-1279(1972)bekannt, daß er die Synthese der ECoRI-Restriktionsendonuklease ECoRI determiniert. Es ist weiter allgemein eine Deletionsmutante dieses R1-Faktors bekannt, der nur nach Resistenz gegen Kanamycin trägt; dieser heißt Rldrd16. Aus In Methods in molekular Biology, New York, Marcel-Dekker, Inc. V. 7, 67-105(1974).
  • Ist ein Verfahren zur Herstellung der ECoRI-Restriktionsendonuklease bekannt, in welchem zu ihrer Gewinnung die Zellsubstanz zerstört wird und zu ihrer ersten Anreicherung in mehrstufigen Fällungsschritten arbeitet.
  • Das Verfahren gemäß der Erfindung bietet dagegen den Vorteil, daß zur Gewinnung von "ECoRI" ein Bakterium, das keine Antibiotika-Resistenz trägt, benutzt wird, die Zellsubstanz nicht zerstört wird und danach zu ihrer leisten Anreicherung ein einstufiger Fällungsschritt durchqeführt wird.
  • Es wurde ein Verfahren zur Herstellung der ECoRI-Restriktionsendonuklease aus Escherichia coli SB 5, DSM-Nr ga6 , die keine Antibiotika-Resistenz, jedoch t'ECo-RI" besitzt, gefunden, das dadurch gekennzeichnet ist, daß unter aeroben Bedingungen Escherichia coli SB5 in einem wässrigen Nährmedium aus Proteinen, anorganischen Salzen, Glycerin als C- und Energiequelle,.in welches Luft oder 02-angereicherte Luft bei einer Reaktionstemperatur von 30° - 40°C bis zur logarithmischen Phase zugeführt und eine Submerskultur erzeugt wird, danach aus dem Reaktionssystem.die Zellmasse abzentrifugiert und der lösliche Uberstand abgeführt wurd, danach die Zellmasse in einer wässrigen PEMA (lo m M KH2P04-K2 HP04pH 7,o,o,7 mit Mercaptoäthanal und im M EDFA) mit etwa bis 0,1 Molarer NaCl und gegebenenfalls .etwa o,2%igemnicht ionischeml Detergens bei 0 - 40 C suspendiert wird, danach eine Teilmenge Enzymaktivität durch Rühren mit Scherkräften von der im wesentlichen unzerstörten Zellmasse abgelöst, durch Zentrifugieren die Zellmasse abgetrennt und ausgeführt wird, die Lösung unter Rühren mit Cetyltrimethylammoniumbromid bis zu einer 1 Vol %igen Endkonzentration zur Beseitigung von störenden Nebenaktivi täten versetzt der entstehende Niederschlag abgetrennt und ausgeführt wird.
  • Zum Oberstand Phosphocellulose gerührt mit 0,1 M NaCI 1 haltigem Puffer gewaschen und danach mit 1 M NaCl haltigem Puffer durch Waschen eluiert wird, danach gegen 0,1 M NaCl haltigem Puffer zum Entfernen des überschüssigen NaCl dialysiert, danach die Lösung auf einer Phospho-Cellulose-Säule gepumpt, die Enzymaktivität an die Säule gebunden, die Lösung ausgeführt wird, danach die Aktivität mit einem linearen 0,3 - 0,8 M NaCl-Gradienten eluiert1 in Teil fraktionen gesammelt, die ausgetesteten aktiven Franktionen, welche '2ECo-RI"-Aktivität enthalten, auf eine Hydroxylapatit-Säule aufgepumpt,nach Waschen mit 0,1 M NaCl-Puffer, die gebundene Aktivität mit einem linearen 0,01 - 0,5 M Phosphat-Gradienten in Teilfraktionen eluiert wird und die ausgetesteten aktiven Fraktionen über einen-Membran-schlauch zu einer von hoher Reinheit konzentrierten ECo-RI-Restriktionsendonuklease eingeengt werden. . - ~~~ Es wurde weiter ein Verfahren gefunden, welches dadurcn gekennzeichnet ist, daß an der Außenmembran von Mikroorganismen gebundene Proteine in Mengen von etwa 0,5 - 500 g Zellfeuchtmasse durch homogenisierenund in Mengen über 500 g mit mechanisch bewegten harten Kügelchen aus Glas, Keramik oder Kunststoffen, von der im wesentlichen unzerstörte Zellmasse, die einer weiteren Verwendung zugeführt wird, abgelöst werden.
  • Die Herstellung von Escherichia Coli SB 5 wird beispielsweise wie folgt erläutert: Der Faktor Rldrdl6, der Resistenz gegen Kanamycin trägt, wurde in einen Endonuklease I-negativen Stamm E.coli 1100 übertragen. Durch Mutation mit N-Nitroso-N-methyl-N'-Ni-troguanidin (NNMG) wurden Antibiotikaresistenzfreie Kolonien erhalten, Rtdrdl6 mut 1 genannt. Aus dem Stamm RY 13, bekannt nach In Methods in molecular Biology l.c., wurde der Faktor, der "ECoRI" determindert, isoliert und in den Stamm E.coli 1100 Rldrdl6 mut 1 übertragen. Es wurden weiter Kolonien isoliert, welche keine Antibiotika-Resistenz tragen, jedoch 'tECoRI" produzierten.
  • Das im Verfahren der Erfindung verwendete Bakterium SB 5 wurde bei der Deutschen Sammlung von Mikroorganismen mit der DSNr. j -zb t: h hinterlegt;/Der Stamm zeigt Eigenschaften, wie für Escherichia coli K12-Stämme in Bergey's Manual Determinative Bacteriology, 8th Edition beschrieben. Der Stamm ist sensitiv gegen Chloramphenicol, Kanamycin, Streptomycin, Ampicillin und Sulfonamid, determiniert jedoch die ECoRI-Restriktionsendonuklease.
  • Das Verfahren der Erfindung wird beispielsweise wie folgt erläutert: Der Stamm wurde in 300 ml Medium bei 370 C unter Schütteln ca. 6 h vorgezogen. Ein 20 1 Fermenter, 30 Min.
  • bei 121 0C sterilisiert, wurde mit der Vorkultur angeimpft.
  • Die Kultur wurde bei 37 0C, einer Belüftung von 1000 N ltr.
  • und einer Drehzahl von 600 Upm eines Umwurf-Rührsystems 5-6 h wachsen gelassen. Die 20 l Vorkultur wurde anschließend-in einen 200 1 Fermenter steril übergepumpt; Sterilisation 60 min bei 121°C, pH 6.8-7 wurde stabilisiert durch Zutitrieren von 4 1 25 % NH4C1, Pausenzeit 20 sec., Dosagenzeit 2 sec, Temp. 37°C, Belüftung 1100 N ltr.
  • Drehzahl 900 Upm. Anfangs-OD578=1,250; nach 8,5 h Wachstumszeit wurde bei einer OD578=22,000 der Fermentationsprozess abgebrochen. Nach Abkühlen auf ca. 2OOC wurde abzentrifugiert. Gesamtbakterienfeuchtmasse 7.550 g mit ungefähr 80 % Wasserqehal t.
  • Die Zellen wurden in Aliquots von 1000 g bei - 20 OC eingefroren.
  • Bei der Isolierung des Enzyms durch mechanisches Ablösen in kleinen Mengen wurde o,5 g Zellfeuchtmasse, frisch oder nach Einfrieren aufgetaut, mit 3 ml PEM Puffer (PEM enthält: 10 mM KH2 PO4 - K2HPO4 pH 7.0 0,7 mM 2-Mercaptoäthanol und 1 mM EDTA) und o,1 m NaCl und 0,1 mM PMSF und 0,2 X nichtionischem Detergens,(Triton N101 - Handelsprodukt der Firma Rohm and Haas, Frankfurt) in einem Homogenisator (Typ nachPotter-Elvehjen) ) 2x2,5 min unter Eiskühlung bei 2000 RPM gerührt. Nach Zentrifugieren (Typ Beckmann JA10 10.000 RPM 20C 1 h) wurde im Oberstand die Aktivität geprüft; in mittelgroßen Mengen wurden bis 500 g Zelifeuchttasse frisch oder nach Einfrieren aufgetaut, mit 500 ml PEM Puffer und 0,1 mM PMSF und 0,2 m NaCl und 0,2 % nichtionischem -Detergens suspendiert. Nach mehrmaligem Durchlauf -im Homogenisatornach sich. DY.9 Runtear( W 6iühlung wurde wie .oben abzentrifugiert und im Oberstand die Aktivität bestimmt. In großen Mengen über 500 g Zellfeuchtmasse-, frisch oder nach Einfrieren aufgetaut wurde die Enzymaktivität mit mechanisch bewegten Glasperlen (Typ Dyno Mühle - Firma Bachofen, Basel/Schweiz) abgelöst.
  • a) Mahlbehälter-Größe: 0,6 1 für kontinuierliche-n Betrieb. b) Mahikörper Typ-Größe: Glaskugeln bleifrei 1-1,5 mm p c) Mahlkörper-Menge: 520 ml, d) Kührwellen-Drehzahl: 200 RPM, e) Mantel/Scheiben-Werkstoff: Glas bleifrei/rostfreier Stahl f) Durchflußmenge pro Stunde: 5-7 l/h, g) Durchläufe: 2, h) Reibspalt-Größe: 0,2 od. 0,3 0,3 mmi) Kühlmanteltemperatur: -4°C bis -3°C.) Danach wurde zentrifugiert (Typ Beckmann Ja10 bei 1000 RPM; 2°C 1 h). Im Oberstand wurde Aktivität bestimmt.
  • Zum klaren Oberstand wurde Phosphocellulose Pil (der Fa.
  • -,Whatman) gerührt, welche mit PEM o,1 mM PMSF und 0,1 m'NaCl vor-her äquilibriert wurde. Die Zellulose wurde auf einer Nutsche abgesaugt und mit dem PEM-Puffer nachgerYaschen, "ECoRI" wurde mit dem PEM-Puffer und I M NaCl eluiert. Das Eluat wurde mit Membranschläuchen (Typ Amicon Hollowfiber HlP10) konzentariert und gegen PEM-Puffer in 0,f M NaCI dialiysiert.
  • Die Aktivität von "ECoRI" wurde bestimmt.
  • Das Dialysat wurde auf eine Säule von Phosphocellulose aufgepumpt,die mit PEM-Puffer und 0,1 M NaCl gewaschen und mit einem linearen Gradienten 0,3-0,8 M NaCl eluiert wurde. Die Aktivität eluierte zwischen 0,45-0,8 M NaCI.
  • Eine Hydroxylapatit-Säule wurde mit PEM-Puffer und 0,1 M NaCl äquilibriert. Nach Auftrag der aktiven Fraktionen wurde mit demselben Puffer gewaschen und mit einem linearen Gradienten 0,01 M-0,5 M KPO4 pH 7 eluiert. Die gewonnene ECoRI-Restriktionsendonuklease ist hochaktiv und frei von unspezifischen Enzym-Aktivitäten.
  • Die "ECoRI§ kann im Kühlschrank bei 40C unter Eiskühlung ohne und mit 50 X Glycerin aufbewahrt werden; mit 50 % Glycerin kann sie bei -200C stabil gelagert werden.
  • Mit der Ablösestufe wurde eine ca. 5O obige Ausbeute an Enzymaktivität erreicht; es besteht der technische Vorteil, daß einmal eine hohe spezifische Aktivität erreicht iwird und zum anderen die unzerstörte Zellmasse einer weiteren Verwendung z.B. für die Gewinnung von intracellulären Substanzen, zugeführt werden kann. Dem Oberstand wurde unter ständigem Rühren eine 10 % Cethyltrimethylammoniumbromidlösung bis 1 Vol % Endkonzentration zugegeben. Nach 30 min Rühren wurde wie oben zentrifugiert und der Niederschlag ausgeführt.
  • Die nach den Verfahren der Erfindung erzeugte ECoRI-Restriktionsendonuklease wurde nach In Methods in mol.
  • Biology l.c. in ihrer Aktivität geprüft. Es ergab folgende Werte, Col EI-DNA wurde einmal, 7LDNA sechsmal gespalten. Eine modifizierte Aktivität von "ECoRI" nach PNAS 72, 3310 - 3314 (1975) wurde gefun-den.

Claims (2)

  1. P a t e n t a n s p r ü c h e Verfahren zur Herstellung der ECoRI-Restriktionsendonuklease aus Escherichia coli SB5 DSt4Nr.zgdie keine Antibiotika-Resistenz, jedoch "ECo-RI" besitzt, dadurch gekennzeichnet, daß unter aeroben Bedingungen Escherichia coli SB5 in einem wässrigen Nährmedium aus Proteinen, anorganischen Salzen, Glycerin als C- und Energiequelle in welches Luft oder 02-angereicherte Luft bei einer Reaktionstemperatur von 300 - 40°Cbis zur logarithmischen Phase zugeführt und eine Submerskultur erzeugt wird, danach aus dem Reaktionssystem die Zellmasse abzentrifugiert und der lösliche Oberstand abgeführt wird, danach die Zellmasse in einer wässrigen PEMA(lO m M KH2PO4 -K2 HP04pH7,0,0,7mld MercaUtoätWan W mlt etwa bis 0,1 Molarer NaCl und gegebenenfalls etwa 0,2 %igem nicht ionischem Detergens bei 0 - 40 C suspendiert wird, danach eine Teilmenge Enzymaktivität durch Rühren mit Scherkräften von der im wesentlichen unzerstörten Zellmasse abgelöst, durch Zentrifugieren die Zellmasse abgetrennt und ausgeführt wird, die Lösung unter Rühren mit Cetyltrimethylammoniumbromid bis zu einer 1 Vol %igen Endkonzentration zur Beseitigung von störenden Nebenaktiei täte versetzt der entstehende Niederschlag abgetrennt und ausgeführt wird.
    Zum Oberstand Phosphocellulose gerührt mit 0,1 M NaCl haltigem Puffer gewaschen und danach mit 1 M NaCl h-altigem Puffer durch Waschen eluiert wird, danach gegen 0,1 M NaCl haltigem Puffer zum Entfernen des überschüssigen NaCl dialysiert, danach die Lösung auf einer Phospho-Cellulose-Säule gepumpt, die Enzymaktivität an die Säule gebunden, die Lösung ausgeführt wird, danach die Aktivität mit einem linearen 0,3 - 0,8 M NaCl-Gradienten eluiert, in Teilfraktionen gesammelt, die ausgetesteten aktiven Franktionen, welche ECo-R111-Aktivität enthalten, auf eine Hydroxylapatit-Säule aufgepumpt,nach flaschen mit 0,1 M NaCl-Puffer, die gebundene Aktivität mit einem linearen 0,01 - 0,5 M Phosphat-Gradienten in Teilfraktionen eluiert wird und die ausgetesteten aktiven Fraktionen über einen Membran-schlauch zu einer von hoher Reinheit konzentrierten ECo-RI-Restriktionsendonuklease eingeengt werden.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an der Außenmembrane von Mikroorganismen gebundene Proteine in Mengen von etwa 0,5 - 500 g Zellfeuchtmassedurchhomogenisieren und in Mengen über 500 g mit mechanisch bewegten harten Kügelchen aus Glas, Keramik oder Kunststoff , von der im wesentlichen unzerstörtenZellmasse, die einer weiteren Verwendung zugeführt werden kann, abgelöst werden.
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