DE3505353C2 - Verfahren zur Herstellung von L-Serin - Google Patents

Verfahren zur Herstellung von L-Serin

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Abstract

Diese Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung von L-Serin durch Umsetzen von Glycin mit Formaldehyd unter Verwendung der Kulturlösung oder der Mikrobenzellen eines zur Gattung Escherichia gehörenden Mikroorganismus mit Vermögen zur Produktion von Serin-Hydroxymethyltransferase und praktisch ohne Vermögen zur Produktion von L-Serin aus Glycin alleine oder durch Behandeln der obigen Kulturlösung oder Mikrobenzellen erhaltenen Enzymmaterials. Erfindungsgemäß kann die Ausbeute an L-Serin erhöht werden, entweder indem die Reaktion unter Halten der Aldehyd-Konzentration bei 20 mM oder darunter durchgeführt wird oder indem Mikrobenzellen des erwähnten Mikroorganismus verwendet werden, nachdem sie mit Glycin in Berührung gekommen sind.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf das im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannte Verfahren zur Herstellung von L-Serin.
L-Serin ist als Aminosäure sowie Wirkstoff, Kosmetikum, Futterzusatz und Zwischenstufen für Wirkstoffe von Bedeutung.
Serin-Hydroxymethyltransferase (E.C.2.1.2.1.), auch entweder als Serin-Transhydroxymethylase oder Serin-Aldolase bezeichnet, kommt verbreitet in Tieren, Vögeln, höheren Pflanzen, Mikroorganismen usw. vor. Es ist bereits bekannt, die Reaktion der Synthese einer ß-Hydroxyaminosäure aus Glycin und einem Aldehyd unter Verwendung von Pyridoxalphosphat als Coenzym zu katalysieren (s. z. B. Advances in Enzymology 53, 83-112(1982)).
Herkömmlicherweise war als Methode zur Herstellung von L-Serin nach einer enzymatischen Methode unter Nutzung der Serin-Hydroxymethyltransferase eines Mikroorganismus ein Verfahren zur Herstellung von L-Serin aus entweder Glycin alleine oder der Kombination von Glycin und einer geringen Menge Formaldehyd unter Verwendung eines Mikroorganismus der Gattung Proteus (Patentveröffentlichung Nr. 58-2677 (1983)), Sarcina, Flavobacterium, Pseudomonas oder Microbacterium (offengelegtes Patent Nr. 53-81691 (1978)) bekannt. Jeder bei einer solchen Methode eingesetzter Mikroorganismus besitzt eine starke Aktivität der Erzeugung von L-Serin aus Glycin selbst. Selbst wenn Formaldehyd zur Herstellung der Reaktionslösung zugesetzt wird, ist das Molverhältnis von erzeugtem L-Serin zu der Reaktion zugesetztem Formaldehyd nur etwa 10:1. Dies wird als Hinweis darauf verstanden, daß nicht nur Serin-Hydroxymethyltransferase, sondern auch ein die Reaktion intensiver Spaltung von Glycin katalysierendes Enzym an der Reaktion teil hat, was zu einer extrem niedrigen Ausbeute an L-Serin relativ zu Glycin von 10 Mol-/Mol-% oder weniger führt. Da die Konzentration des angesammelten L-Serins höchstens etwa 5 g/l ist, kann man hier kaum sagen, daß diese Methode praktisch ist.
Die vorliegende Erfindung ergab sich nach intensiven Bemühungen um ein Verfahren zur Herstellung von L-Serin in hoher Konzentration in Reaktionslösung in hoher Ausbeute relativ zu Glycin unter Verwendung von durch einen Mikroorganismus produzierter Serin/Hydroxymethyltransferase in Gegenwart von Glycin durch wirksamen Einsatz von Formaldehyd. Als Ergebnis wurde nun gefunden, daß L-Serin wirksam produziert und angereichert werden kann durch gesteuerte Reaktion unter Verwendung der Kulturlösung oder der Mikroorganismenzellen von Escherichia coli FERM BP-793 oder FERM BP-794.
Die Figur ist eine graphische Darstellung, die die Be-Ziehung zwischen der Konzentration von Glycin, verwendet für die in Beispiel 4 durchgeführte Glycinbehandlung, und der Menge an produziertem Serin angibt. Erfindungsgemäß kann L-Serin in bemerkenswert hoher Ausbeute und in einer besonders hohen Konzentration produziert und angesammelt werden, indem Formaldehyd kontinuierlich oder intermittierend so zugesetzt wird, daß seine Konzentration bei 20 mM oder darunter bleibt. Weiter kann erfindungsgemäß L-Serin wirksam produziert und angesammelt werden, indem man die Mikrobenzellen des Mikroorganismus mit Glycin in Kontakt gelangen läßt, bevor man Glycin mit Formaldehyd reagieren läßt, unter Verwendung der obigen Mikrobenzellen. Eine solche erfindungsgemäße Reaktionssteuerung kann alleine oder in Kombination von zwei oder mehr durchgeführt werden, um eine bemerkenswerte Menge an L-Serin zu produzieren und anzusammeln.
Insbesondere bleibt beim erfindungsgemäßen Verfahren am Ende der Reaktion eine bemerkenswert geringe Menge an Glycin, und dies lindert die Mühe des Isolierens und Reinigens von L-Serin aus der Reaktionslösung bemerkenswert, was anzeigt, wie hervorragend das erfindungsgemäße Verfahren als industrielles enzymatisches Verfahren zur Herstellung von L-Serin ist.
Die erfindungsgemäß verwendeten Mikroorganismen sind Bakterienstämme, die zur Gattung Escherichia gehören, mit der Fähigkeit, Serin-Hydroxymethyltransferase zu produzieren, und praktisch ohne die Fähigkeit, L-Serin aus Glycin alleine zu produzieren. Es sind die Stämme Escherichia coli MT-10350 (FERM BP-793) und Escherichia coli MT-10351 (FERM BP-794).
Der hier verwendete Begriff »praktisch ohne Fähigkeit« schließt den Fall völligen Fehlens von Aktivität sowie den Fall einer so schwachen Aktivität ein, daß die praktische Durchführung der Erfindung nicht gehindert wird, da die Erzielung des erfindungsgemäßen Effekts in einem solchen Falle nicht speziell gehindert wird.
Der Ausdruck »ein behandeltes enzymatisches Material« bezeichnet jedes Material, das durch Behandeln des Mikroorganismus selbst oder seiner Kulturlösung so erhalten wird, daß die Aktivität der vom Mikroorganismus stammenden Serin-Hydroxymethyltransferase nicht beeinträchtigt wird, da dieses Enzym die Hauptrolle bei der praktischen Durchführung der Erfindung spielt.
Beim Kultivieren eines Mikroorganismus im Rahmen der praktischen Durchführung der Erfindung bestehen keine speziellen Beschränkungen der Kulturbedingungen einschließlich des Mediums, und sowohl ein synthetisches als auch ein natürliches Medium können verwendet werden, so lange sie eine Quelle für Kohlenstoff, für Stickstoff, anorganische Salze, organischen Nährstoff und dergleichen, die von dem verwendeten Bakterienstamm genutzt werden können, enthalten. Vorzugsweise wird die Kultur unter aerober Bedingung bei einem pH von 5 bis 9 und bei einer Temperatur von 25 bis 40° C durchgeführt.
Die so erhaltene Kulturlösung selbst kann als enzy-
matische Quelle verwendet werden. Daneben können auch lebensfähige Mikroorganismenzellen, aus der Kulturlösung gewonnen durch Zentrifugieren, Filtrieren oder dergleichen, und durch Trocknen od»;r Behandeln dieser Zellen erhaltenes Material (z. B. Material, erhalten durch Behandeln dieser Zellen durch Vermählen, Ultraschallwellen, Autolyse oder dergleichen, Eluat dieser Zellen und aus dem obigen Extrakt erhaltene enzymatische Fraktion) verwendet werden.
Vorzugsweise werden die Mikroorgaiiismenzellen mit Glycin (Glycinbehandlung) in Kontakt gebracht bevor man Glycin mit einem Aldehyd unter Verwendung der obigen Mikrobenzellen reagieren läßt. Wenn die Kulturlösung selbst ais enzymatische Quelle verwendet wird, wird empfohlen, die Glycinbehandlung durch GIycin-Zusatz zur Kulturlösung nach beendeter Kultur durchzuführen. Wenn durch Zentrifugieren, Filtrieren odsr dergleichen gesammelte Mikroorganismenzellen als Enzymquelle verwendet werden, wird er..pfohlen, die gesammelten Zellen in einer geeigneten Glycinlösung zu suspendieren. Die Glycinbehandlung, wenngleich sie entweder unter Ruhebedingungen oder unter Rühren erfolgen kann, wird erwünschtermaßen im pH-Bereich von 6 bis 9 und im Temperaturbereich von 20 bis 7O0C durchgeführt. Wenngleich eine ausreichende Wirkung mit 4 Gew.-% Glycin-Konzentrat.ion erwartet werden kann, ist die übliche in diesem Falle verwendete Konzentration etwa 7 bis 23%. Die Dauer der Glycin-Behandlung ist, wenngleich sie mit der Konzentration der Zellen, der Glycin-Konzentration, der Temperatur usw. zu variieren scheint, gewöhnlich 30 min bis 24 h. Der Glycin-Behandlung unterworfene Zellen können als Enzymquelle für die Reaktion verwendet werden.
Es ist wünschenswert, daß die Reaktion zwischen Glycin und Formaldehyd gemäß der Erfindung in Gegenwart der so erhaltenen, Glycin-behandelten Zellen bei einem pH von 6 bis 9 und bei einer Temperatur von 20 bis 600C unter Schütteln oder Rühren durchgeführt wird.
Für die Konzentration des als Reaktionssubstrat verwendeten Glycins ist ein großer Bereich möglich. Da die übliche G!y_cin-Kqnzentration im Bereich von 1 bis 40% ist, kann als Reaktionssubstrat verwendetes Glycin in seiner Gesamtmenge zu Beginn der Reaktion oder nach und nach in verschiedenen Portionen mit Fortschreiten der Reaktion zugesetzt werden.
Andererseits sollte Formaldehyd in einer solchen Konzentration verwendet werden, daß die enzymatische Aktivität nicht gehemmt wird. Es kann nach und nach in mehreren Portionen mit Fortschreiten der Reaktion zugesetzt werden.
L-Serin kann in hoher Ausbeute produziert und angesammelt werden, indem die Formaldehyd-Konzentration bei 20 mM oder darunter bei Durchführung der Reaktion gemäß der Erfindung gehalten wird.
Da Serin-Hydroxymethyltransferase Vitamin Be als Coenzym erfordert, wird die Reaktion durch Zugabe von Pyridoxalphosphat zum Reaktionssystem in manchen Fällen beschleunigt.
In manchen Fällen wird die Reaktion durch Zugabe von Tetrahydrofolsäure, als Coenzym verwendet, zum Reaktionssystem beschleunigt.
Diese Reaktion wird durch Zugabe eines Reduktionsmittels oder durch die Durchführung unter Stickstoff-Zuführung in manchen Fällen beschleunigt. In solchen Fällen seien als Reduktionsmittel Ascorbinsäure, Dithiothreit, 2-Mercaptoethanol, Dithioerythrit, reduzierendes Glutathion, Cystein und Natriumsulfit aufgeführt.
Zum Isolieren des in dar Reaktionslösung produzierten L-Serins kann eine herkömmliche Methode, wie Konzentrieren oder Adsorptions- und Desorptionsbehandlung mit einem Anionenausüiuscherharz oder Aktivkohle, angewandt werden.
Die qualitative Identifizierung des produzierten L-Serins kann durch Ninhydrin-Farbentwicklung auf einem Papierchromatogramm erfolgen. Die quantitative Anaiyse kann entweder durch Flüssigchromatographie oder
ίο durch Ausschneiden eines Ninhydrin-Farbentwicklungsflecks auf dem Papierchromatogramm erfolgen, bevor das Eluat des Flecks der kolorimetrischen Bestimmung unterworfen wird. Die quantitative Analyse von L-Serin kann durch einen mit Leuconostoc mesenteroides durchgeführten Biotest erfolgen.
Nachfolgend wird die Erfindung durch Beispiele und Vergleichsbeispiele weiter beschrieben.
Beispiel 1
Nachdem Escherichia coli MT-10350 (FERM BP-793) auf einer Bouillon-Schrägkultur bei 37° C 40 h gezüchtet worden war, wurden je fünf 100 ml-Portionen eines Mediums (pH 7,2), das das in Tabelle I angegebene Nährmedium enthielt, mit einer Platinschlaufe des gezüchteten Bakteriums beimpft, bevor Schüttelkultur bei 37°C für 40 h erfolgte, um die Kulturlösung zu erhalten. Sodann wurden 10 1 des Mediums der obigen Zusammensetzung in einem 20 1-Fermentator mit der obigen KuI-turlösung beimpft, belüftet und bewegt, pH 7,2, 370C, 30 h. Die so erhaltene Kulturlösung wurde zentrifugiert, um Mikroorganismenzellen zu sammeln, die dann mit physiologischer Salzlösung gewaschen werden, wodurch etwa 50 g feuchte Zellen erhalten werden. Die so erhaltenen feuchten Zellen wurden bei —15° C zwei Tage gefroren und unmittelbar vor ihrer Verwendung als Enzymquelle" für die Reaktion aufgetaut. Nachdem 40 g der gefrorenen Zellen zu 500 ml Reaktionslösung, die in Tabelle II angegebenen Bestandteile enthaltend, gegeben worden waren, wurde Formalin kontinuierlich mit einer peristaltischen Pumpe so zugeführt, daß sein Konzentrationsbereich von 7 bis 12 mM gehalten wurde, indem die Konzentration an in der Reaktionslösung enthaltenem Formaldehyd durch Gaschromatographie analysiert wurde. Die Reaktion wurde bei 500C bei pH 7,0 durchgeführt, wobei die Reaktionslösung leicht gerührt und ihr Stickstoffgas mit einer Geschwindigkeit von 1 ml/min eingeleitet wurde. Das Einleiten des Formalins in die Reaktionslösung wurde 37 h fortgesetzt, und die Gesamtmenge an der Reaktionslösung zugeführtem Formalin (37 Gew./Gew.-% Formaldehyd-Lösung) war 24 ml. Nach beendeter Reaktion waren 29 g L-Serin in der Reaktionslösung angesammelt. Die Konzentration des angesammelten L-Serins war 55 g/l. Die Molausbeute an produziertem L-Serin relativ zu dem zur Herstellung der Reaktionslösung zugesetzten Glycin war 83% und relativ zu Formaldehyd 86%
Tabelle I %
1
Glucose 0,2
Zitronensäure 0,3
NaNH4HPO4 · 4 H2O 0,5
K2HPO4 0,05
MgSO4 · 7 H2O 0,05
Hefeextrakt
Tabelle II
Glycin
Tetrahydrofolsäure
Pyridoxalphosphat
0,1
0,01
Beispiel 2
Die Reaktion wurde unter Verwendung von Escherichia coli MT-10351 (FERM BP-794), einem von dem in Beispiel 1 verwendeten Mikroorganismus verschiedenen Mikroorganismus, nach der gleichen Methode wie in Beispiel 1 durchgeführt. Formalin wurde in die Reaktionslösung 57 π eingeleitet, und die Gesamtmenge an in die Reaktionslösung eingeleitetem Formalin war 25 ml. In der Reaktionslösung waren 28 g L-Serin angesammelt. Die Konzentration des angesammelten L-Serins war 53 g/l. Die Molausbeute an produziertem L-Serin realtiv zu dem zur Herstellung der Reaktionslösung zugesetzten Glycin war 80% und relativ zu dem der Reaktionslösung zugesetzten Formaldehyd 80%.
Das Vermögen des erfindungsgemäß zur Produktion von L-Serin aus Glycin in Gegenwart und in Abwesenheit von Formaldehyd verwendeten Mikroorganismus wurde verglichen. Die Ergebnisse waren, wie in den folgenden Versuchsbeispielen angegeben.
Vergleichsbeispiel 1
100 ml eines flüssigen Mediums (pH 7,0), 10 g/l Fleischextrakt, 10 g/l Pepton und 15 g/l NaCl enthaltend, wurden jeweils mit Escherichia coli MT-10350 und MT-10351 beimpft und 24 h bei 300C schüttelkultiviert. Nach beendeter Kultur wurden die Mikrobenzellen zentrifugiert und zweimal mit physiologischer Salzlösung gewaschen, wodurch etwa 0,4 g feuchte Mikrobenzellen erhalten wurden. 0,2 g der so erhaltenen feuchten Mikrobenzellen wurden in 10 ml einer 5OmM Phosphatpufferlösung (pH 7,0), 5000 μΜοΙ Glycin, 150μΜο1 Formaldehyd, ΙΟμΜοΙ Tetrahydrofolsäure und 0,1 μΜοΙ Pyridoxalphosphat enthaltend, suspendiert und das Gemisch unter Schütteln 2 h bei 37°C der Reaktion unterworfen.
Wie in Tabelle III gezeigt, wurde die Ansammlung von L-Serin beobachtet
Ein weiterer Versuch wurde nach der gleichen Arbeitsweise durchgeführt, ausgenommen, daß Formaldehyd nicht zugesetzt wurde, und die folgenden Ergebnisse wurden erhalten.
Tabelle III Beispiel 3
Nachdem 100 ml-Portionen des Mediums mit der in Tabelle IV gezeigten Zusammensetzung in 500 ml-Schüttelkolben gegossen und sterilisiert worden waren, wurde diese sterilisierte Portion mit einer Platinschlaufe Escherichia coli MT-10350, zuvor auf einer Bouillon-Schrägkultur 20 h bei 37°C gezüchtet, beimpft. Die Schüttelkultur erfolgte 15 h bei 37°C. Aus der so erhaltenen Kulturlösung wurden Mikrobenzellen durch Zentrifugieren gewonnen, bevor sie mit physiologischer Salzlösung gewaschen und bevor sie wiederum zentrifugiert wurden, um feuchte Mikroorganismenzellen zu erhalten. 1 g der feuchten Zellen wurden in 5 ml 18%iger Glycinlösung vom pH 7,5 suspendiert und 3 h bei 500C leicht geschüttelt (Giycinbehandlung). Nachdem die die Zellen enthaltende Glycinlösung mit Wasser zur Einstellung des Gesamtvolumens auf 10 ml vor dem Einstellen des pH auf 7,0 verdünnt worden war, wurden 1 mg Pyridoxalphosphat, 10 mg Tetrahydrofolsäure und 20 mg Formalin (37%ige Formaldehydlösung) zugesetzt und die Reaktion gestartet. Sie wurde bei 500C bei pH 7 durchgeführt, wobei sie leicht gerührt wurde und Stickstoffgas mit einer Geschwindigkeit von etwa 1 ml/ min eingeleitet wurde. Nach dem Starten der Reaktion wurde eine 10 mg-Portion Formalin alle 30 min der Reaktionslösung zugesetzt. Die Reaktion wurde 20 h fortgeführt, und die Gesamtmenge an der Reaktionslösung zugesetztem Formalin war 420 mg. In der Reaktionslösung hatten sich 500 mg L-Serin angesammelt.
Vergleichsbeispiel 2
Andererseits wurde 1 g der feuchten, in Beispiel 3 erhaltenen Mikrobenzellen ohne Giycinbehandlung in 10 ml 9%iger Glycinlösung (pH 7,0) suspendiert und die Suspension nach genau der gleichen Arbeitsweise wie oben umgesetzt. Als Ergebnis hatten sich nur 98 mg L-Serin in der Reaktionslösung angesammelt.
Tabelle IV %
1
Glucose 0,2
Zitronensäure 03
NaNH4HPO4 ■ 4 H2O 0,5
K2HPO4 0,05
MgSO4 ■ 7 H2O 0,05
Hefeextrakt
Beispiel 4 und Vergleichsbeispiel 3
Mikroorganismus
(Escherichia coli)
Menge angesammelten L-Serins
(μΜοΙ/lOml)
mit ohne
HCHO-Zugabe HCHO-Zugabe
MT-10350
MT-10351
140
78
12
10
So ist offensichtlich, daß der erfindungsgemäß verwendete Mikroorganismus L-Serin aus Glycin und Formaldehyd produzierende Aktivität besitzt und praktisch keine L-Serin aus Glycin alleine produzierende Aktivität besitzt
Feuchte Zellen von Escherichia coli MT-10350 wurden nach der gleichen Methode, wie in Beispiel 3 angewandt, erhalten. Nachdem 1 g der feuchten Zellen in je 5 ml Glycinlösungen (auf pH 7,5 eingestellt) mit in Tabelle V gezeigten Konzentrationen suspendiert worden waren, wurde die Suspension 3 h bei 5O0C leicht geschüttelt Sodann wurden Wasser und Glycin der die Zellen enthaltenden Glycinlösung zugesetzt, um die Glycinkonzentration auf 9% und die Gesamtmenge auf 10 ml einzustellen. Danach wurde nach der gleichen Methode wie in Beispiel 1 umgesetzt Während der Reaktion wurde eine Gesamtmenge von 420 mg Formalin dieser Reaktionslösung zugesetzt Die Mengen an in den Reaktionslösungen produziertem L-Serin waren wie in Tabelle V angegeben.
7
Tabelle V
Glycin-Konzentration für Menge an produziertem
Glycin-Behandlung (%) L-Serin(mg)
0 90
3 261
6 375
12 498
18 497
10
Beispiel 5 und Vergleichsbeispiel 4
Mit Escherichia coli MT-10351 wurde wie in Beispiel 3 gearbeitet. Als Ergebnis hatten sich in der unter Verwendung von Glycin-behandelten Mikroorganismenzellen hergestellten Reaktionslösung 370 mg L-Serin angesammelt. In der mit Mikroorganismenzellen, die keine Glycinbehandlung erfahren hatten, hergestellten Reaktionslösung war die Menge angesammelten L-Serinsnur39 mg.
Versuchsbeispiel 1
Bestimmung der Serin-Hydroxymethyltransferase-Ak-
tivität
Feuchte Zellen, erhalten nach der in Beispiel 3 oder Beispiel 5 beschriebenen Methode, wurden in 50 mM Kaliumphosphat-Pufferlösung (0,5 mM Pyridoxalphosphat enthaltend) vom pH 7,0 suspendiert, und die Suspension wurde 5 min bei 4°C einer Ultraschallbehandlung unterworfen. Nachdem die so erhaltene behandelte Lösung zentrifugiert worden war (10 000 g, 5 min), wurde die im Überstand vorhandene Serin-Hydroxymethyltransferase-Aktivität nach der Methode von R. T. Taylor et al. (Analytical Biochemistry 13,80—84 (1965)) gemessen.
Die Messungen der ermittelten spezifischen Aktivität sind in Tabelle VI angegeben.
Tabelle Vl
Bakterienstamm spezifische Aktivität
(μΜοΙ HCHO/min/mg
Protein)
45
Escherichia coli MT-10350 340
(FERM BP-793
Escherichia coli MT-10351 230
(FERM BP-794)
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
55
60
65

Claims (3)

Patentansprüche:
1. Verfahren zur Herstellung von L-Serin durch Umsetzen von Glycin mit Formaldehyd unter Verwendung der Kulturlösung eines Mikroorganismus oder der Mikroorgar.ismenzellen allein und Isolieren des gebildeten L-Serins in herkömmlicher Weise, dadurch gekennzeichnet, daß man als Mikroorganismus Escherichia coli FERM BP-793 oder FERM BP-794 einsetzt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Reaktion unter Halten der Aldehyd-Konzentration bei 20 mM oder darunter durchgeführt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß man die Mikroorganismenzellen mit Glycin in Kontakt gelangen läßt, bevor die Reaktion zwischen Glycin und Aldehyd unter Verwendung der Mikroorganismenzellen erfolgt.
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