DE3940431C1 - Fructose-1,6-di:phosphate aldolase used in prepn. of carbohydrate(s) - is obtd. from fermentation of Staphylococcus carnosus by fractional pptn. - Google Patents

Fructose-1,6-di:phosphate aldolase used in prepn. of carbohydrate(s) - is obtd. from fermentation of Staphylococcus carnosus by fractional pptn.

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DE3940431C1 DE19893940431 DE3940431A DE3940431C1 DE 3940431 C1 DE3940431 C1 DE 3940431C1 DE 19893940431 DE19893940431 DE 19893940431 DE 3940431 A DE3940431 A DE 3940431A DE 3940431 C1 DE3940431 C1 DE 3940431C1
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Abstract

Fructose-1,6-diphosphate aldolase (I) obtd. from Staphylococcus carnosus has the following characteristics: (a) at 60-100 deg.C the purified form (25 U/mg) has a stability at pH 7.5 in 0.06M Tris-HcL buffer soln. in an Eppendorf vessel corresp. to a residual activity after 30 mins. between 70 and 80% (60 deg.C) and 20-30% (100 deg.C); and (b) a diactivation rate under synthesis conditions at 25 deg.C, pH 6.5 in 20 mM DHAP (dihydroxyacetone phosphate) 75mM glyoxyllic acid, enzyme activity at 2.9 U/ml to 25 U/ml, of up to 1%/d. (I) is prepd. from a ferment of Staphyloccus carnosus, by fractional pptn. with ammonium sulphate, pH fractionation and ion-exchange chromatography. USE/ADVANTAGE - (I) is used to prepare carbohydrates and their derivs. by the enzymatic reaction with DHAP (claimed).

Description

Gegenstand der Erfindung ist eine Fructose-1,6-diphosphat- Aldolase (F-1,6-DP-Aldolase), und sie umfaßt ein Verfahren zur Herstellung derselben und deren Verwendung.The invention relates to a fructose-1,6-diphosphate Aldolase (F-1,6-DP aldolase), and it includes a method for the production thereof and their use.

Das aktuelle Interesse an gezielten Aldolreaktionen und an der Synthese chemisch schwer zugänglicher bzw. in der Natur nicht vorkommender Monosaccharide führte dazu, daß den Aldolasen in diesem Zusammenhang mehr und mehr Beachtung geschenkt wurde. Für die organische Synthese dieser biologisch wichtigen Substanzen, die auch für die Medizin von Nutzen sein können, bietet die Verwendung von Biokatalysatoren eine effektive Alternative. Die F-1,6-DP-Aldolase des Kaninchenmuskels ist bislang das einzige Enzym, das in der Synthese angewandt wird (A. E. Seriani u. a. Meth. Enzymol. 89 (1982) 83-92). Diese aus Kaninchenmuskel isolierte Aldolase ist teuer und relativ instabil. Andererseits wurde bereits eine Klasse 1 F-1,6-DP-Aldolase aus Staphylococcus aureus isoliert, die ähnliche enzymologische Eigenschaften wie die aus Kaninchenmuskel isolierte Aldolase besitzt, jedoch erheblich thermostabiler ist (F. Götz u. a. Eur. j. Biochem. 108 (1980) 293-301). Wegen seiner pathogenen Eigenschaften erscheint Staphylococcus aureus jedoch als Enzymproduzent wenig geeignet.The current interest in targeted aldol reactions and at the synthesis chemically difficult to access or in non-naturally occurring monosaccharides led to that the aldolases in this regard more and more Attention was paid. For organic synthesis of these biologically important substances, which also for the medicine can be of use, the use provides of biocatalysts an effective alternative. The F-1,6-DP aldolase of the rabbit muscle is so far the only enzyme used in the synthesis (A.E. Seriani et al., Meth. Enzymol., 89 (1982) 83-92). This rabbit muscle-isolated aldolase is expensive and relatively unstable. On the other hand, already one Class 1 F-1,6-DP aldolase from Staphylococcus aureus isolated, which has similar enzymological properties which has aldolase isolated from rabbit muscle, However, it is significantly more thermostable (F. Götz et al. j. Biochem. 108 (1980) 293-301). Because of its pathogenic However, Staphylococcus aureus appears properties as enzyme producer little suitable.

Ziel der Erfindung ist daher eine Aldolase mit verbesserter Zugänglichkeit gegenüber den bislang bekannten F- 1,6-DP-Aldolasen aus Kaninchenmuskel oder Staphylococcus aureus mit einer für enzymkatalysierte Prozesse befriedigenden Stabilität.The aim of the invention is therefore an aldolase with improved Accessibility compared to the previously known F  1,6-DP aldolases from rabbit muscle or staphylococcus aureus having a satisfactorily enzyme-catalyzed process Stability.

Dieses Ziel wird erreicht mit der erfindungsgemäßen Fructose-1,6-diphosphat-Aldolase (F-1,6-DP-Aldolase) aus Staphylococcus carnosus mit folgenden Parametern:
einer 60°C- bzw. 100°C-Stabilität in aufgereinigter Form (≈ 25 U/mg) bei pH 7,5 in 0,06 M Tris-HCl-Pufferlösung in Eppendorfgefäßen entsprechend einer Restaktivität nach 30 Minuten zwischen 70 und 80% bzw. 20 und 30%, insbesondere von 76% bzw. 26%, sowie einer Desaktivierungsrate unter Synthesebedingungen bei T = 25°C; pH 6,5; 20 mM DHAP; 75 mM Glyoxylsäure; Enzymaktivität 2,9 U/ml bzw. 25 U/mg von 1%/d.
This object is achieved with the fructose-1,6-diphosphate aldolase (F-1,6-DP-aldolase) according to the invention from Staphylococcus carnosus with the following parameters:
a 60 ° C or 100 ° C stability in purified form (≈ 25 U / mg) at pH 7.5 in 0.06 M Tris-HCl buffer solution in Eppendorf tubes corresponding to a residual activity after 30 minutes between 70 and 80% or 20 and 30%, in particular of 76% and 26%, respectively, and a deactivation rate under synthesis conditions at T = 25 ° C; pH 6.5; 20 mM DHAP; 75 mM glyoxylic acid; Enzyme activity 2.9 U / ml and 25 U / mg of 1% / d, respectively.

Diese Aldolase zeichnet sich durch eine im Vergleich zur "Kaninchenmuskel-Aldolase" erheblich verbesserte Stabilität aus und sie hat eine nur etwas geringere thermische Stabilität als die Aldolase aus Staphylococcus aureus (letztere zeigt nach 90 min bei 100°C keinen merklichen Aktivitätsverlust), ohne mit deren gravierendem Material opportunistisch pathogener Herkunft behaftet zu sein.This aldolase stands out in comparison to the "Rabbit Muscle Aldolase" significantly improved stability and it has a slightly lower thermal Stability as the aldolase from Staphylococcus aureus (The latter shows after 90 min at 100 ° C no noticeable Loss of activity), without their serious material opportunistic pathogenic origin.

Der als Enyzmproduzent benutzte Staphylococcus carnosus ist aus natürlichen Quellen, insbesondere aus trockener Rohwurst ohne weiteres zugänglich (siehe K. H. Schleifer u. a., Internat. J. System. Bacterial. 32 (1982) 153- 156) und in Form von Starterkulturen im Handel erhältlich. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wurde insbesondere der unter der Nummer DSM 20 501 bei der Deutschen Sammlung für Mikroorganismen in Göttingen hinterlegte Staphylococcus carnosus-Stamm verwendet.The enzyme used as enzyme producer Staphylococcus carnosus is from natural sources, especially from dry ones Raw sausage readily available (see K. H. Schleifer u. a., boarding school. J. System. Bacterial. 32 (1982) 153- 156) and commercially available in the form of starter cultures. In the context of the present invention has been particular the under number DSM 20 501 at the German Collection for microorganisms in Göttingen deposited Staphylococcus carnosus strain used.

Die Anzucht des Stammes erfolgt in Schüttelkulturen in 500 ml Erlenmeyerkolben mit 200 ml Medium bei 110 rpm bzw. im Fermenter mit einem Arbeitsvolumen zwischen 5 und 10 l. Das Kulturmedium (M 1) hatte folgende Zusammensetzung:The cultivation of the trunk takes place in shake cultures in  500 ml Erlenmeyer flask with 200 ml medium at 110 rpm or in the fermenter with a working volume between 5 and 10 l. The culture medium (M 1) had the following composition:

1,0% Trypton
0,5% Hefeextrakt
0,5% NaCl
0,1% Na₂HPO₄
1,0% Glucose
pH 7,2
1.0% tryptone
0.5% yeast extract
0.5% NaCl
0.1% Na₂HPO₄
1.0% glucose
pH 7.2

Zur Korrektur des pH-Wertes wurden 3M NaOH und 3M H₃PO₄ verwendet. Sofern nicht anders angegeben, wurden während der Fermentation folgende Parameter eingehalten:To correct the pH were 3M NaOH and 3M H₃PO₄ used. Unless otherwise stated, during the fermentation follows the following parameters:

Drehzahl|100 rpmSpeed | 100 rpm Temperaturtemperature 37°C37 ° C Belüftungventilation 5% PO₂5% PO₂ Nährlösungbroth M 1M 1 pHpH 7,27.2 KulturdauerCrop time 8-13 h8-13 h

Die Zellen wurden am Ende der logarithmischen Phase durch 10minütige Zentrifugation bei 8000 rpm geerntet. Der Zellaufschluß erfolgte durch Naßvermahlung mit Glasperlen.The cells were at the end of the logarithmic phase harvested by centrifugation at 8000 rpm for 10 minutes. The cell digestion was carried out by wet grinding with Glass beads.

Das Feuchtgewicht der Biomasse aus 9 l Fermentationsvolumen betrug 121 g. Die nachfolgend angegebenen Reinigungsschritte wurden zwischen 1 und 6°C in 0,06 M Tris- HCl-Puffer bei pH 7,5 durchgeführt.The wet weight of the biomass from 9 l fermentation volume was 121 g. The following cleaning steps were between 1 and 6 ° C in 0.06 M tris HCl buffer at pH 7.5.

Zur Aufreinigung des Enzyms wurde eine fraktionierte Ammoniumsulfatfällung, eine pH-Fraktionierung und Ionenaustauschchromatographie vorgenommen: For purification of the enzyme was a fractionated Ammonium sulfate precipitation, pH fractionation and ion exchange chromatography performed:  

Fraktionierte AmmoniumsulfatfällungFractionated ammonium sulphate precipitation

195 ml zellfreier Rohextrakt wurden mit festem Ammoniumsulfat bis zu einer Sättigung der Lösung von 40% versetzt. Der pH-Wert wurde mit 3 M Ammoniak auf 7,5 eingestellt und die Fällung für zwei Stunden im Eisbad durchgeführt. Die ausgefallenen Bestandteile wurden durch 20minütiges Zentrifugieren bei 20 000 rpm abgetrennt. Schrittweise wurde dann die (NH₄)₂SO₄-Konzentration auf 60% bzw. 80% Sättigung erhöht, wiederum im Eisbad gefällt und zentrifugiert. Zur Ausfällung der Aldolase wurde der Überstand auf 100% (NH₄)₂SO₄-Sättigung gebracht und der pH mit 7 M Essigsäure auf 5,0 gesenkt. Der Niederschlag wurde in 50 ml Aufschlußpuffer (0,06 M Tris-HCl pH 7,5 mit 6 mM 2-Mercaptoethanol) resuspendiert.195 ml of cell-free crude extract were mixed with solid ammonium sulfate up to a saturation of the solution of 40%. The pH was adjusted to 7.5 with 3 M ammonia and the precipitation was carried out for two hours in an ice bath. The precipitated components were dissolved by 20 minutes Centrifuged at 20 000 rpm separated. Gradually then the (NH₄) ₂SO₄ concentration was on 60% or 80% increase in saturation, again in an ice bath precipitated and centrifuged. For the precipitation of aldolase the supernatant was brought to 100% (NH₄) ₂SO₄ saturation and the pH lowered to 5.0 with 7 M acetic acid. The precipitate was dissolved in 50 ml digestion buffer (0.06 M Tris-HCl pH 7.5 with 6 mM 2-mercaptoethanol).

pH-FraktionierungpH fractionation

Der pH-Wert von 50 ml der 100% (NH₄)₂SO₄-Fraktion wurde unter starkem Rühren tropfenweise mit 7 M Essigsäure zunächst auf 4,0, dann mit 6 M HCl auf 3,5 und schließlich auf 3,0 gesenkt. Der gebildete Niederschlag wurde jeweils bei 20 000 rpm 20 min lang abzentrifugiert. die Aldolase befand sich im Überstand, welcher mittels Diafiltration mit einer Ultrafiltrationsmembran Amicon® YM 10 entsalzt wurde.The pH of 50 ml of the 100% (NH₄) ₂SO₄ fraction was added dropwise with vigorous stirring 7 M acetic acid first to 4.0, then with 6 M HCl to 3.5 and finally lowered to 3.0. The formed precipitate was centrifuged off at 20,000 rpm for 20 min. the aldolase was in the supernatant, which by means of Diafiltration with an ultrafiltration membrane Amicon® YM 10 was desalted.

IonenaustauschchromatographieIon Exchange

30 ml der entsalzten Enzymlösung wurden auf eine 160 ml DEAE-Sephadex® A 25 Säule aufgebracht, die zuvor mit 0,1 M NaCl enthaltendem 0,06 M Tris-HCl-Puffer von pH 7,5 gespült worden war. Das Enzym wurde durch einen linearen Salzgradienten von 0,1-0,5 M NaCl in 0,06 M Tris-HCl- Puffer pH 7,5 eluiert. Die Flußrate betrug 30 ml/h. Die aktiven Fraktionen wurden vereinigt und gefriergetrocknet. 30 ml of the desalted enzyme solution was added to a 160 ml DEAE-Sephadex® A 25 column applied previously with 0.1 M NaCl containing 0.06 M Tris-HCl buffer of pH 7.5 had been rinsed. The enzyme was characterized by a linear Salt gradients of 0.1-0.5 M NaCl in 0.06 M Tris-HCl Buffer pH 7.5 eluted. The flow rate was 30 ml / h. The active fractions were pooled and freeze-dried.  

Das beigefügte Diagramm (Fig. 1) zeigt Kurven für Wachstum und Enzymproduktion in Abhängigkeit von der Kulturdauer im Fermenter (5% pO₂).The attached diagram ( Figure 1) shows curves for growth and enzyme production as a function of the culture time in the fermenter (5% pO₂).

Die nachfolgende Tabelle 1 zeigt eine Übersicht über die Ergebnisse der Aufreinigung.Table 1 below shows an overview of the Results of the purification.

Tabelle 1 Table 1

Enzymcharakterisierungenzyme characterization

Zur Charakterisierung des Enyzms wurden jeweils 40 µg/ml der aufgereinigten Aldolase eingesetzt, zur Molekulargewichtsbestimmung wurden 120 µg/ml verwendet.For the characterization of the Enyzms 40 μg / ml of the purified aldolase used for molecular weight determination 120 μg / ml were used.

Einstufung als Klasse I AldolaseClassification as class I aldolase

Aufgrund folgender Charakteristika kann die F-1,6-DP- Aldolase aus S. carnosus dem Klasse I Typ der Aldolasen zugeordnet werden.Due to the following characteristics, the F-1,6-DP Aldolase from S. carnosus the class I type of aldolases be assigned.

  • - Die Aktivität gegenüber F-1,6-DP bleibt unbeeinträchtigt bei Anwesenheit verschiedener Konzentrationen EDTA.- The activity against F-1,6-DP remains unimpaired in the presence of different concentrations EDTA.
  • - S. carnosus Aldolase wird bei Anwesenheit von DHAP und NaBH₄ vollständig inhibiert. - S. carnosus aldolase is in the presence of DHAP and NaBH₄ completely inhibited.  
  • - Ein- und zweiwertige Kationen haben keinen Einfluß auf die Aldolase-Aktivität.- Mono- and divalent cations have no influence on aldolase activity.

Weiterhin verhält sich die S. carnosus Aldolase sehr spezifisch gegenüber dem natürlichen Substrat.Furthermore, the S. carnosus aldolase behaves very well specific to the natural substrate.

Das Molekulargewicht der Aldolase wurde mittels SDS- PAGE bestimmt, und es wurden ∼33 000 Dalton ermittelt.The molecular weight of the aldolase was determined by means of SDS PAGE determined and ~33,000 daltons were determined.

Km-Werte nach Michaelis-MentenK m values according to Michaelis-Menten

Die Km-Werte für die Substrate F-1,6-DP und F-1-P wurden über die Enzymaktivitäten bei verschiedenen Substratkonzentrationen ermittelt. Fig. 2 zeigt den Michaelis- Menten-Plot für die Bestimmung des Km-Werts von F-1,6- DP.The K m values for the substrates F-1,6-DP and F-1-P were determined via the enzyme activities at different substrate concentrations. Fig. 2 shows the Michaelis-Menten plot for the determination of the K m value of F-1,6-DP.

Dieser wurde zu 0,022 [mmol/min/mg] bestimmt, der für F-1-P betrug 18,8 [mmol/min/mg]. Daraus wird deutlich, daß sich die Aldolase sehr spezifisch gegenüber dem natürlichen Substrat verhält. Der Km-Wert für F-1-P ist um den Faktor 1000 größer als der für 1-1,6-DP.This was determined to be 0.022 [mmol / min / mg], that for F-1-P was 18.8 [mmol / min / mg]. It is clear that the aldolase behaves very specific to the natural substrate. The K m value for F-1-P is greater by a factor of 1000 than that for 1-1,6-DP.

pH-OptimumpH optimum

Zur Ermittlung des pH-Optimums (Fig. 3) wurde die Enzymaktivität der Aldolase bei 37°C zwischen pH 3 und pH 10 in folgenden Puffern gemessen:To determine the pH optimum ( FIG. 3), the enzyme activity of the aldolase was measured at 37 ° C. between pH 3 and pH 10 in the following buffers:

0,06 M Citrat Puffer0.06 M citrate buffer pH 3,0-6,0pH 3.0-6.0 0,06 M KPi-Puffer0.06 M KP i buffer pH 6,0-7,5pH 6.0-7.5 0,06 M Tris-HCl-Puffer0.06 M Tris-HCl buffer pH 7,5-9,0pH 7.5-9.0 0,06 M Glycin Puffer0.06 M glycine buffer 9,0-10,09.0-10.0

Aus Fig. 3 ist zweierlei erkennbar:From Fig. 3, two things can be seen:

  • - Das pH-Optimum der Aldolase umfaßt den pH-Bereich 6,5- 9,0 mit der Spitze bei pH 7,5.The pH optimum of the aldolase comprises the pH range 6.5 9.0 with the peak at pH 7.5.
  • - Das Enzym zeigt unterschiedliche Aktivitäten in Gegenwart der verschiedenen Puffer. Natriumcitrat- Puffer zeigt die stärkste Hemmung des Enzyms.- The enzyme shows different activities in Presence of the different buffers. sodium citrate Buffer shows the strongest inhibition of the enzyme.
Stabilität der AldolaseStability of aldolase pH-StabilitätpH stability

Die pH-Stabilität des Enzyms wurde durch zehnminütige Inkubation der Aldolase bei Zimmertemperatur (RT) zwischen pH 1 und pH 12 ermittelt (Fig. 4). Es wurde nur in 0,06 M Tris-HCl-Puffer gearbeitet, wobei der jeweilige pH-Wert mit 2 N NaOH bzw. 2 N HCl eingestellt wurde. Nach Ablauf der Inkubationszeit wurden die Probenlösungen wieder auf pH 7,5 gebracht und die Enzymaktivitäten gemessen.The pH stability of the enzyme was determined by incubation of the aldolase at room temperature (RT) between pH 1 and pH 12 for 10 minutes ( FIG. 4). It was worked only in 0.06 M Tris-HCl buffer, the respective pH was adjusted with 2 N NaOH or 2 N HCl. After the incubation period, the sample solutions were brought back to pH 7.5 and measured the enzyme activities.

Wie Fig. 4 zeigt, hat die S. carnosus Aldolase eine sehr gute pH-Stabilität. In einem weiteren Test konnte festgestellt werden, daß die Aldolase-Aktivität auch nach 72 h Lagerung bei pH 2 und 4°C noch 100% der Ausgangsaktivität betrug.As shown in Fig. 4, the S. carnosus aldolase has a very good pH stability. In a further test it was found that the aldolase activity was still 100% of the initial activity even after 72 h storage at pH 2 and 4 ° C.

Temperatur-StabilitätTemperature stability

Zur Untersuchung der Temperatur-Stabilität der Aldolase wurden folgende Messungen durchgeführt:To study the temperature stability of aldolase the following measurements were carried out:

1) Das Enzym wurde 5 min in 0,06 M Tris-HCl-Puffer von pH 7,5 bei Temperaturen zwischen 40°C und 100°C inkubiert und somit die Abhängigkeit der Enzymaktivität von der Temperatur bestimmt (Fig. 5).
2) In einer weiteren Testreihe wurden Proben der aufgereinigten Aldolase bei 60°C und 100°C unterschiedlich lang inkubiert und damit die Abhängigkeit der Enzymaktivität bei zwei verschiedenen Temperaturen von der Zeit bestimmt (Fig. 6).
1) The enzyme was incubated for 5 min in 0.06 M Tris-HCl buffer of pH 7.5 at temperatures between 40 ° C and 100 ° C and thus determines the dependence of the enzyme activity on the temperature ( Fig. 5).
2) In a further series of tests, samples of the purified aldolase were incubated for different times at 60 ° C. and 100 ° C., thereby determining the dependence of the enzyme activity on the time at two different temperatures ( FIG. 6).

Sowohl Fig. 5 als auch Fig. 6 zeigen, daß es sich bei der F-1,6-DP Aldolase aus S. carnosus um ein relativ temperaturstabiles Enzym handelt. Sie weist zwar nicht die Hitzestabilität auf, die für die Aldolase aus S. aureus beschrieben ist (nach 90 min bei 100°C kein Aktivitätsverlust), übertrifft jedoch die Temperatur- Stabilität der Kaninchenmuskelaldolase bei weitem.Both Fig. 5 and Fig. 6 show that the F-1,6-DP aldolase from S. carnosus is a relatively thermostable enzyme. Although it does not have the heat stability described for S. aureus aldolase (no loss of activity after 90 min at 100 ° C), it far exceeds the temperature stability of rabbit muscle aldolase.

Lagerstabilität der AldolaseStorage stability of aldolase

Um Aussagen über die Lagerstabilität machen zu können, wurden Proben der aufgereinigten Aldolase mit verschiedenen Reagenzien versetzt und 5 Tage lang bei RT bzw. -20°C gelagert. Tab 2 zeigt das Ergebnis:To be able to make statements about the storage stability, were samples of purified aldolase with different Reagents are added and incubated at RT for 5 days. -20 ° C stored. Tab 2 shows the result:

Tabelle 2 Table 2

Stabilitätsvergleich mit Kaninchenmuskel-AldolaseStability comparison with rabbit muscle aldolase

Die Stabilität der erfindungsgemäßen Aldolase wurde mit derjenigen von Kaninchenmuskel-Aldolase verglichen. Dazu wurden beide Enzyme unter den in Tabelle 3 angegebenen Bedingungen getestet:The stability of the aldolase according to the invention was with compared to that of rabbit muscle aldolase. For this purpose, both enzymes were below those in Table 3 tested conditions:

Tabelle 3 Table 3

Für beide Versuche eine Enzymkonzentration vergleichbarer Startaktivität eingestellt. Sie betrug für die Kaninchenmuskel-Aldolase 3,4 U/ml (9 U/mg) und für die S. carnosus Aldolase 2,9 U/ml (25 U/mg). Fig. 7 zeigt die Stabilität beider Aldolasen über einen Zeitraum von 300 Stunden. Zur Bestimmung der Desaktivierungsrate wurde eine exponentielle Desaktivierung erster Ordnung angenommen, die Desaktivierungsrate ergab sich aus dem exponentiellen Faktor (1 = 100%/Zeiteinheit). Aus Fig. 7 entnimmt man eine Desaktivierungsrate von 0,77%/d für die erfindungsgemäße Aldolase (im Vergleich zu 59,3%/d für die "Kaninchenmuskel-Aldolase").For both experiments, an enzyme concentration of comparable starting activity is set. It was 3.4 U / ml (9 U / mg) for rabbit muscle aldolase and 2.9 U / ml (25 U / mg) for S. carnosus aldolase. Fig. 7 shows the stability of both aldolases over a period of 300 hours. To determine the deactivation rate, a first-order exponential deactivation was assumed, the deactivation rate being based on the exponential factor (1 = 100% / time unit). From Fig. 7 takes a deactivation rate of 0.77% / d for the aldolase of the invention (compared to 59.3% / d for the "rabbit muscle aldolase").

Substratspektrumsubstrate spectrum

Zur Ermittlung des Substratspektrums wurden exemplarisch eine Anzahl von Aldehyden getestet. Dabei wurde folgender Ansatz gewählt: To determine the substrate spectrum were exemplary tested a number of aldehydes. The following became Approach chosen:  

20 mM DHAP 200 mM Aldehyd 1-4 U/ml Aldolase20 mM DHAP 200 mM aldehyde 1-4 U / ml aldolase

Nach der Inkubation der Aldolase erfolgte diskontinuierliche DC-Kontrolle. In den Ansätzen mit nachfolgend angegebenen Aldehyden konnte nach 5-8 h kein DHAP mehr nachgewiesen werden.After incubation of aldolase was discontinuous TLC control. In the approaches below indicated Aldehydes could no longer produce DHAP after 5-8 h be detected.

Aldolase-SubstrateAldolase substrates Aldehydaldehyde Rp des ProduktsR p of the product Glycerinaldehyd-3-PhosphatGlyceraldehyde-3-phosphate 0,360.36 Methylglyoxalmethylglyoxal 0,370.37 D(+)-GlycerinaldehydD (+) - glyceraldehyde 0,440.44 L(-)-GlycerinaldehydL (-) - glyceraldehyde 0,440.44 D,L-GlycerinaldehydD, L-glyceraldehyde 0,440.44 Glykolaldehydglycolaldehyde 0,660.66 Phthaldialdehydphthalaldehyde 0,690.69 Formaldehydformaldehyde 0,710.71 Acetaldehydacetaldehyde 0,930.93 Chloracetaldehydchloroacetaldehyde 1,081.08 Propionaldehydpropionaldehyde 1,201.20 3-Methylmercaptopropionaldehyd3-methylmercaptopropionaldehyde 1,241.24 Isobutyraldehydisobutyraldehyde 1,361.36 Trimethylacetaldehydtrimethylacetaldehyde 1,411.41 Butyraldehydbutyraldehyde 1,401.40 3-Ketobutyraldehyd3-Ketobutyraldehyd 1,481.48 Isovaleraldehydisovaleraldehyde 1,491.49 Malondialdehydmalondialdehyde 1,491.49 Pyridin(2)carbaldehydPyridine (2) carbaldehyde 1,501.50 Pyridin(4)carbaldehydPyridine (4) carbaldehyde 1,501.50 Phenylacetaldehydphenylacetaldehyde 1,531.53 2-Methylacetaldehyd2-methylacetaldehyde 1,541.54 Valeraldehydvaleraldehyde 1,601.60

Als Beispiel für eine F-1,5-DP-Aldolase katalysierte Reaktion wird nachfolgend die Synthese von 5,6-Dideoxyhexulose beschrieben:Catalysed as an example of an F-1,5-DP aldolase Reaction will be the synthesis of 5,6-dideoxyhexulose below described:

Dihydroxyacetonphosphat (DHAP) wurde im präparativen Maßstab mit Propionaldehyd in Gegenwart von F-1,6-DP- Aldolase bei 25°C umgesetzt.Dihydroxyacetone phosphate (DHAP) was used in the preparative Scale with propionaldehyde in the presence of F-1,6-DP- Aldolase reacted at 25 ° C.

Ansatz:
 50 mM (5 mmol) DHAP
500 mM (50 mmol) Propionaldehyd
 40 U Aldolase
Approach:
50 mM (5 mmol) DHAP
500 mM (50 mmol) of propionaldehyde
40 U aldolase

Der Propionaldehyd wurde vor der Reaktion frisch destilliert und unter Argon aufbewahrt. Der Verlauf der Reaktion wurde sowohl polarimetrisch bei einer Wellenlänge von 595 nm als auch die Bestimmung des Rest-DHAP- Gehaltes beobachtet. Nach 6,5 h war die Reaktion beendet, und das Produkt wurde als Cyclohexylammoniumsalz isoliert.The propionaldehyde was freshly distilled before the reaction and stored under argon. The course of the reaction was both polarimetric at one wavelength of 595 nm as well as the determination of the residual DHAP Salary observed. After 6.5 h, the reaction was complete, and the product was isolated as a cyclohexylammonium salt.

Zur Aufklärung der Struktur wurden 250 mg der Substanz mit saurer Phosphatase dephosphoryliert. Die Peracetylierung des freien Zuckers (Pp = 1,56) erfolgte mit Essigsäureanhydrid in Pyridin. Mit Hilfe der ¹H- bzw. ¹³C-NMR Spektren konnte die isolierte Verbindung eindeutig als das erwartete Produkt identifiziert werden.To elucidate the structure, 250 mg of the substance was dephosphorylated with acid phosphatase. The peracetylation of the free sugar (P p = 1.56) was carried out with acetic anhydride in pyridine. With the help of the 1 H and 13 C NMR spectra, the isolated compound was clearly identified as the expected product.

Die erfindungsgemäße Aldolase ist für die Synthese von Kohlenhydraten bzw. Kohlenhydratderivaten außerordentlich nützlich, insbesondere kann sie für die Herstellung von 6-Desoxy-Fructose-1-Phosphat, einer Vorstufe des Aromastoffs Furaneol (Wong. u. a. Z. Org. Chem. 48 (1983) 3493-3497), verwendet werden. Ferner können unter Anwendung der Aldolase höhere Zucker mit C₈, C₉ usw. erhalten werden (siehe Bednarski u. a. Tetrahedron Lett. (1986) 27 5807-5810). Komplizierte Aminozucker wie 1-Desoxymannojirimicin, 1-Desoxynojirimicin und 1,4-Didesoxy-1,4-imino-D-arabinitol, die als wirksame Glucosidaseinhibitoren wichtig sind (Ziegler u. a. Angew. Chemie 100 (1988) 737-738), werden mit Hilfe der erfindungsgemäßen Aldolase besser zugänglich; diese sind zum Teil mit HIV-Viren hemmender Wirksamkeit begabt (siehe Fleet u. a. FEBS Letters 237 (1988) 128-132).The aldolase of the invention is for the synthesis of Carbohydrates or carbohydrate derivatives extraordinarily In particular, it can be useful for making of 6-deoxy-fructose-1-phosphate, a precursor of the Flavoring Furaneol (Wong et al., Z. Org. Chem (1983) 3493-3497). Furthermore, can using aldolase higher sugar with C₈, C₉ etc. (see Bednarski et al., Tetrahedron Lett. (1986) 27 5807-5810). Complicated amino sugars such as 1-deoxymannojirimicin, 1-deoxynojirimicin and  1,4-dideoxy-1,4-imino-D-arabinitol, which are considered to be effective Glucosidase inhibitors are important (Ziegler et al. Angew. Chemie 100 (1988) 737-738), are with the help of the aldolase according to the invention more accessible; these are partially endowed with HIV virus inhibitory activity (see Fleet et al., FEBS Letters 237 (1988) 128-132).

Claims (5)

1. Fructose-1,6-diphosphat-Aldolase (F-1,6-DP-Aldolase) aus Staphylococcus carnosus und mit folgenden Parametern:
einer 60°C- bzw. 100°C-Stabilität in aufgereinigter Form (≈25 U/mg) bei pH 7,5 in 0,06 M Tris-HCl- Pufferlösung in Eppendorfgefäßen entsprechend einer Restaktivität nach 30 Minuten zwischen 70 und 80% bzw. 20 und 30%, insbesondere von 76% bzw. 26%, sowie einer Desaktivierungsrate unter Synthesebedingungen bei T = 25°C, pH 6,5; 20 mM DHAP; 75 mM Glyoxylsäure; Enzymaktivität 2,9 U/ml bzw. 25 U/mg von 1%/d.
1. fructose-1,6-diphosphate aldolase (F-1,6-DP-aldolase) from Staphylococcus carnosus and having the following parameters:
a 60 ° C or 100 ° C stability in purified form (≈25 U / mg) at pH 7.5 in 0.06 M Tris-HCl buffer solution in Eppendorf tubes corresponding to a residual activity after 30 minutes between 70 and 80% or 20 and 30%, in particular of 76% or 26%, and a deactivation rate under synthesis conditions at T = 25 ° C, pH 6.5; 20 mM DHAP; 75 mM glyoxylic acid; Enzyme activity 2.9 U / ml and 25 U / mg of 1% / d, respectively.
2. Aldolase nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch folgende Parameter:
  • - Zugehörigkeit zu den Klasse I Aldolasen (Bildung von protonierter Schiff′scher Base mit Dihydroxyacetonphosphat, DHAP; keine Beeinträchtigung der Aktivität gegenüber F-1,6-DP durch EDTA; vollständige Inhibierung durch DHAP und NaBH₄);
  • - KM-Werte für die Spaltung von F-1,6-DP zu DHAP und Glycerinaldehyd-3-Phosphat bzw. von F-1-P zu DHAP und Glycerinaldehyd bei 37°C und pH 7,5 von 0,022 mM bzw. 18,9 mM;
  • - spezifische Aktivität (aufgereinigt) von ≈25 U/mg Protein (Proteinbestimmung nach Bradford);
  • - ein Molekulargewicht von ≈33 000 Dalton (keine Aufspaltung in Untereinheiten);
  • - pH-Optimum über den Bereich von pH 6,5 bis pH 9;
  • - pH-Stabilität: Restaktivität nach 10 min bei pH 1-12 (25°C) und nach 72 h bei pH 2 (4°C) 100%;
  • - T-Stabilität: Restaktivität nach 5 min bei 100°C (pH 7,5) und nach 90 min bei 60°C (pH 7,5) 70%;
  • - Lagerstabilität: Restaktivität des aufgereinigten Lyophilisats nach 5 Tagen bei
    a) RT : 100%
    b) -20°C : 100%.
  • - Substratspektrum: besonders gute Umsetzung von kurzkettigen aliphatischen Aldehyden mit zusätzlicher Steigerung der Umsatzgeschwindigkeit bei Molekülen mit funktionellen Gruppen mit -I-Effekt.
2. aldolase according to claim 1, characterized by the following parameters:
  • - Class I aldolases (formation of protonated Schiff base with dihydroxyacetone phosphate, DHAP, no effect on F-1,6-DP activity by EDTA, complete inhibition by DHAP and NaBH₄);
  • K M values for cleavage of F-1,6-DP to DHAP and glyceraldehyde-3-phosphate and of F-1-P to DHAP and glyceraldehyde at 37 ° C. and pH 7.5 of 0.022 mM, respectively 18.9 mM;
  • - specific activity (purified) of ≈25 U / mg protein (protein determination according to Bradford);
  • a molecular weight of ≈33,000 daltons (no subunit breakdown);
  • - pH optimum over the range of pH 6.5 to pH 9;
  • - pH stability: residual activity after 10 min at pH 1-12 (25 ° C) and after 72 h at pH 2 (4 ° C) 100%;
  • T stability: residual activity after 5 min at 100 ° C. (pH 7.5) and after 90 min at 60 ° C. (pH 7.5) 70%;
  • Storage stability: Residual activity of the purified lyophilisate after 5 days
    a) RT: 100%
    b) -20 ° C: 100%.
  • - Substrate spectrum: particularly good conversion of short-chain aliphatic aldehydes with additional increase in the turnover rate for molecules with functional groups with -I effect.
3. Verfahren zur Gewinnung von F-1,6-DP-Aldolase nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß man in einem Fermenter angezüchtete Zellmasse von Staphylococcus carnosus von der Kulturflüssigkeit abtrennt und das Enzym nach Zellaufschluß gewinnt.3. Method for recovering F-1,6-DP-aldolase Claim 1 or 2, characterized, that in a fermenter grown cell mass of Staphylococcus carnosus from the culture fluid separates and the enzyme after cell disruption wins. 4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß man das Enzym nach Zellaufschluß durch fraktionierte Ammoniumsulfatfällung, pH-Fraktionierung und Ionenaustauscherchromatograhie isoliert. 4. The method according to claim 3, characterized, that the enzyme was fractionated by cell disruption Ammonium sulphate precipitation, pH fractionation and Ionenaustauscherchromatograhie isolated.   5. Verwendung von F-1,6-DP-Aldolase nach Anspruch 1 oder 2 für die Synthese von Kohlenhydraten bzw. Derivaten derselben durch enzymatische Umsetzung von Aldehyden mit DHAP.5. Use of F-1,6-DP-aldolase according to claim 1 or 2 for the synthesis of carbohydrates or Derivatives thereof by enzymatic reaction of aldehydes with DHAP.
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