DE4402127A1 - New carnitine racemase from E.coli and related plasmids - Google Patents

New carnitine racemase from E.coli and related plasmids

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DE4402127A1
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Knut Dr Eichler
Marie-Andree Dr Mandrand
Hans-Peter Prof Dr Kleber
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    • C12BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
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    • C12P13/00Preparation of nitrogen-containing organic compounds
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    • CCHEMISTRY; METALLURGY
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Abstract

Carnitine racemase (CR) encoded by the 891 nucleotide sequence given in the specification is new. The 297 amino acid sequence of CR is also given in the specification. Also new are the plasmids pT7 -5KE32, -5KE37 and -5KE36.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein neues, bisher nicht in der Enzym­ nomenklatur enthaltenes Enzym, die Carnitinracemase, die von caiD ko­ diert wird, und dessen Überexpression. Die Carnitinracemase ist in der Lage, D(+)-Carnitin in das physiologisch wirksame L(-)-Carnitin umzuwan­ deln.The present invention relates to a new, not yet in the enzyme enzyme containing the nomenclature, the carnitine racemase, which caiD ko is dated, and its overexpression. The carnitine racemase is in the Able to convert D (+) - carnitine to the physiologically active L (-) - carnitine deln.

Charakteristik bekannter technischer LösungenCharacteristic of known technical solutions

L(-)-Carnitin (3-Hydroxy-4-trimethylaminbutyrat) ist die ausschließlich physiologisch wirksame Form des Carnitin. Es ist ubiquitär im Tierreich verbreitet und kommt auch bei Pflanzen vor. D-Carnitin wurde bisher noch nie in Lebewesen nachgewiesen. L-Carnitin ist für den Transport langket­ tiger, aktivierter Fettsäuren durch die innere Mitochondrienmembran in die mitochondriale Matrix, wo die β-Oxidation der Fettsäuren stattfindet, essentiell. Bei einem Mangel an L(-)-Carnitin infolge von Störungen in der Biosynthese oder bei der Resorption bzw. mikrobieller Fehlbesiedlung des Darmes wird die mitochondriale β-Oxidation der Fettsäuren gehemmt und Carnitinmangelsyndrome in Form von Muskeldystrophien, Lipidspeicher­ myopathien usw. entstehen (Übersicht: Pathology, 1985, Vol. 17, 116-169). Betroffene Patienten werden durch Applikation mit L(-)-Carnitin behandelt. Dies gilt auch für Patienten mit chronischer Niereninsuffizienz. Da in der Vergangenheit die notwendigen L(-)-Carnitinmengen nicht immer zur Verfügung standen, wurde oft das recemische D,L-Carnitin eingesetzt. D(+)-Carnitin, die unphysiologische Komponente des Racemates, ist nicht nur im Hinblick auf eine Stimulation der β-Oxidation wirkungslos, sondern wird auch als ein kompetitiver Inhibitor für die verschiedenen L-Carnitin-spezifischen Transportsysteme und Enzyme betrachtet (Life Science, 1981, Vol. 28, 2931-2938). D(+)-Carnitin wird für das Auftreten von Myasthenia gravis-artigen Symptomen bei Applikation von D,L-Carnitin verantwortlich gemacht (Lancet, 1979, Vol. I, 1041-1042). Der Einsatz des Racemates ist seit diesen Erkenntnissen aus medizinischer Sicht nicht mehr vertretbar.L (-) - carnitine (3-hydroxy-4-trimethylamine butyrate) is the only one physiologically active form of carnitine. It is ubiquitous in the animal kingdom widespread and also occurs in plants. D-carnitine has so far been used never detected in living things. L-carnitine is long chain for transport activated fatty acids through the inner mitochondrial membrane into the mitochondrial matrix, where the β-oxidation of the fatty acids takes place, essential. With a lack of L (-) - carnitine due to disturbances in the Biosynthesis or in the resorption or microbial population of the The mitochondrial β-oxidation of fatty acids is inhibited and Carnitine deficiency syndromes in the form of muscular dystrophies, lipid stores myopathies etc. arise (overview: Pathology, 1985, Vol. 17, 116-169). Affected patients are treated with L (-) - carnitine. This also applies to patients with chronic renal failure. Because in the Past the necessary amounts of L (-) - carnitine are not always available , the recombinant D, L-carnitine was often used. D (+) - carnitine, the nonphysiological component of the racemate is not just in terms of ineffective on stimulating β-oxidation, but is also considered a competitive inhibitor for the various L-carnitine-specific Transport systems and enzymes considered (Life Science, 1981, Vol. 28, 2931-2938). D (+) - Carnitine is responsible for the occurrence of myasthenia grave-like symptoms responsible for the application of D, L-carnitine made (Lancet, 1979, Vol. I, 1041-1042). The use of the racemate is from this medical point of view no longer justifiable.

Auf dem Gebiet der Biotechnologie besitzt L(-)-Carnitin eine wachsende Bedeutung. Ein stimulierender Einfluß auf das Wachstum verschiedener Hefen (JP-PS 73128,724) sowie verschiedener Bakterienspecies (Acinetobacter, Pseudomonas, Enterobacteriaceae) (DE-PE 2 04 105), als auch für methylotro­ phe Bakterien (DD-PS 2 11 039) wurde nachgewiesen. Ein Einsatz zur Stimu­ lierung der Produktion monoklonaler Antikörper wurde in jüngster Zeit vor­ geschlagen (J. Biotech., 1991, Vol. 18, 173-176).In the field of biotechnology, L (-) - carnitine has a growing one Meaning. A stimulating influence on the growth of various yeasts (JP-PS 73128.724) and various bacterial species (Acinetobacter, Pseudomonas, Enterobacteriaceae) (DE-PE 2 04 105), as well as for methylotro phe bacteria (DD-PS 2 11 039) was detected. A use for stimu  The production of monoclonal antibodies has recently been proposed struck (J. Biotech., 1991, Vol. 18, 173-176).

Die Auffindung und Überproduktion der Carnitinracemase stellt einen wesentlichen Beitrag zur Verbesserung des Verfahrens (DD-PS 3 00 181) zur Umwandlung von D-Carnitin in L-Carnitin dar. Von Bedeutung ist vor allem die Möglichkeit, das nach chemischer Synthese von D,L-Carnitin und an­ schließender Racematspaltung anfallende D-Carnitin in ökonomisch vorteil­ hafter Weise zu nutzen.The discovery and overproduction of carnitine racemase represents one essential contribution to the improvement of the process (DD-PS 3 00 181) Conversion of D-carnitine into L-carnitine. It is important above all the possibility of this after chemical synthesis of D, L-carnitine and at D-carnitine resulting from racemate resolution is economically advantageous harder to use.

Die mikrobiologische Umwandlung von D-Carnitin wurde erstmalig durch Jung und Kleber (DD-PS 3 00 181) beschrieben. L-Carnitin wird aus D-Carni­ tin mit Hilfe ganzer Zellen oder zellfreier Extrakte von Escherichia coli 044 K74 gewonnen.The microbiological conversion of D-carnitine was achieved for the first time Jung and Kleber (DD-PS 3 00 181). L-Carnitine is made from D-Carni tin with the help of whole cells or cell-free extracts of Escherichia coli 044 K74 won.

Seit der Entdeckung des L-Carnitins im Muskel gewinnt man diese Sub­ stanz in aufwendigen Isolierungs- und Reinigungsverfahren aus tierischem Material. In den 50er Jahren wurden mehrstufige chemische Synthesen ausge­ arbeitet, die aber alle zum D,L-Carnitin führen. Zur Isolierung des L-Iso­ meren werden bis heute Verfahren benutzt, die auf der Racematspaltung mit­ tels fraktionierter Kristallisation unter Anwendung optisch aktiver Säuren beruhen (z. B. DD-PS 23217; DD-PS 93347; DE-OS 29 27 672; Biotechnol. Bioeng., 1984, Vol. 26, 911-915; FEBS Lett., 1975, Vol. 54, 21-25; J. org. Chem., 1986, Vol. 51, 2842-2844). Allen chemischen Synthesen mit anschließender Racematspaltung haftet der Nachteil an, daß von der synthetisierten Substanz selbst nur maximal 50% als L(+)-Carnitin isoliert werden können. Um diesen Nachteil zu überwinden, wurden in den letzten Jahren stereospe­ zifische Synthesen aus achiralen Vorstufen (z. B. Tetrahedron, 1992, Vol. 48, 319-324), insbesondere unter Nutzung stereospezifischer enzymatischer Synthesen entwickelt: So wird beispielsweise die Rückreaktion der L(-)- Carnitindehydrogenase (EC 1.1.1.108) genutzt, um 3-Dehydro(oxo)carnitin zu L-Carnitin zu hydrieren (US-PS 4,221,869). L-Carnitin kann ebenfalls aus 4-Butyrobetain mittels der 4-Butyrobetainhydroxylase (EC 1.14.11.1) gewon­ nen werden (DE-OS 31 23 975). Ein Mikroorganismus bzw. die von ihm produ­ zierte L-Carnitinamidase (EC 3.5.1.73) kann verwendet werden, um selektiv L(-)-Carnitinamid und/oder den L-Anteil von D,L-Carnitinamid zu L(-)-Car­ nitin zu hydrolysieren (EP 0501294 A1). Weitere Verfahren beruhen auf dem Einsatz von Crotonobetain und 4-Butyrobetain als achirale Ausgangsver­ bindug (EP 0158194, EP 0195944). Besonders verschiedene Stämme der Entero­ bacteriaceae sind unter anaeroben Bedingungen in der Lage, L-Carnitin aus Crotonobetain oder 4-Butyrobetain zu synthetisieren (DD-PS 2 21 905; JP-PS 6167,499; JP-PS 61,234,794; JP-PS 61,234,788). Für die industrielle Anwen­ dung besitzen die meisten Verfahren Nachteile, da entweder die Ausgangsma­ terialien teuer und/oder instabil sind, die zur Anwendung kommenden Enzyme über unzureichende Aktivität oder Stabilität verfügen oder den Einsatz teurer Coenzyme erforderlich machen sowie unerwünschte Nebenprodukte ge­ bildet werden. Eine detaillierte Übersicht über die Synthese von L(-)-Car­ nitin durch Mikroorganismen und isolierte Enzyme findet sich in Adv. Bio­ chem. Engin. Biotechnol., 1993, Vol. 50, 21-44.Since the discovery of L-carnitine in muscle, this sub has been won punching in complex isolation and cleaning processes from animal Material. In the 1950s, multi-step chemical synthesis was carried out works, but all lead to D, L-carnitine. To isolate the L-Iso To date, methods have been used which are based on the resolution of racemates fractional crystallization using optically active acids based (e.g. DD-PS 23217; DD-PS 93347; DE-OS 29 27 672; Biotechnol. Bioeng., 1984, vol. 26, 911-915; FEBS Lett., 1975, Vol. 54, 21-25; J. org. Chem., 1986, vol. 51, 2842-2844). All chemical syntheses with subsequent Racemate cleavage has the disadvantage that of the synthesized Substance itself can only be isolated up to a maximum of 50% as L (+) - carnitine. In order to overcome this disadvantage, stereospe have been used in recent years Specific syntheses from achiral precursors (e.g. Tetrahedron, 1992, Vol. 48, 319-324), in particular using stereospecific enzymatic Syntheses developed: For example, the reverse reaction of the L (-) - Carnitine dehydrogenase (EC 1.1.1.108) used to make 3-dehydro (oxo) carnitine Hydrogenate L-carnitine (US Pat. No. 4,221,869). L-carnitine can also be made 4-Butyrobetaine using 4-butyrobetaine hydroxylase (EC 1.14.11.1) won NEN (DE-OS 31 23 975). A microorganism or its produ graced L-carnitine amidase (EC 3.5.1.73) can be used to be selective L (-) - carnitinamide and / or the L portion of D, L-carnitinamide to L (-) - Car to hydrolyze nitin (EP 0501294 A1). Other procedures are based on the Use of crotonobetaine and 4-butyrobetaine as achiral starting ver binding (EP 0158194, EP 0195944). Especially different strains of Entero bacteriaceae are capable of producing L-carnitine under anaerobic conditions  Synthesize crotonobetaine or 4-butyrobetaine (DD-PS 2 21 905; JP-PS 6167,499; JP-PS 61,234,794; JP-PS 61,234,788). For industrial applications Most processes have disadvantages because either the initial measure materials are expensive and / or unstable, the enzymes used have inadequate activity or stability or use expensive coenzymes and unwanted by-products be formed. A detailed overview of the synthesis of L (-) - Car nitin from microorganisms and isolated enzymes can be found in Adv. Bio chem. Engine. Biotechnol., 1993, Vol. 50, 21-44.

Ziel der ErfindungAim of the invention

Das Ziel der Erfindung ist ein Verfahren, das in ökonomisch vorteilhafter Weise die Herstellung von L-Carnitin auf mikrobiologischem bzw. enzymati­ schem Wege aus dem Abfallprodukt D(+)-Carnitin erlaubt.The aim of the invention is a method that is economically advantageous Way the production of L-carnitine on microbiological or enzymati allowed ways from the waste product D (+) - carnitine.

Darlegung des Wesens der ErfindungState the nature of the invention

Die Erfindung hat die Aufgabe, die Umwandlung von D(+)-Carnitin, das nach Racematspaltung von chemisch synthetisiertem D,L-Carnitin als Abfallpro­ dukt anfällt, in L(-)-Cernitin technologisch einfach und effizienter zu gestalten. Bei dem für diese Biotransformation eingesetzten Protein, Carni­ tinracemase, handelt es sich um ein bisher in der Enzymnomenklatur noch nicht aufgeführtes Enzym, das erstmals in Escherichia coli 044 K74 postu­ liert wurde.The invention has the task of converting D (+) - carnitine, which after Racemate resolution of chemically synthesized D, L-carnitine as waste pro product occurs in L (-) - Cernitin technologically simple and efficient shape. The protein used for this biotransformation, Carni tinracemase, it is still one in the enzyme gymnastics enzyme not listed, the first time in Escherichia coli 044 K74 postu was gated.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein Stamm einge­ setzt wird, der unter den nachfolgend beschriebenen Kultivierungsbedingun­ gen in der Lage ist, Carnitinracemase überzuexprimieren und D(+)-Carnitin in L(-)-Carnitin umzuwandeln.The object is achieved in that a strain is set under the cultivation conditions described below gene is able to overexpress carnitine racemase and D (+) - carnitine to convert to L (-) - carnitine.

Die Carnitinracemase, die im weiteren als CaiD bezeichnet und durch die Plasmide pT7-5KE32 und pT7-5KE37 kodiert wird, ist durch folgende Eigen­ schaften gekennzeichnet:The carnitine racemase, hereinafter referred to as CaiD and by the Plasmid pT7-5KE32 and pT7-5KE37 is encoded by the following featured:

  • a) Reaktivität:
    sie racemisiert D-Carnitin zu L-Carnitin und umgekehrt,
    a) Reactivity:
    it racemizes D-carnitine to L-carnitine and vice versa,
  • b) Induktoren:
    sie ist im Wildstamm Escherichia coli 044 K74 ein induzierbares Enzym und wird durch L-Carnitin und Crotonobetain (aber nicht durch D-Car­ nitin) unter anaeroben Bedingungen induziert,
    b) Inductors:
    it is an inducible enzyme in the wild strain Escherichia coli 044 K74 and is induced under anaerobic conditions by L-carnitine and crotonobetaine (but not by D-car nitin),
  • c) Molekulargewicht:
    das Molekulargewicht beträgt etwa 32 000,
    c) Molecular weight:
    the molecular weight is about 32,000,
  • d) Faktorbedarf:
    für die Aktivität der Carnitinracemase ist ein niedermolekularer Fak­ tor unabdingbar, der durch das Protein CaiE bereitgestellt wird, das auf den Plasmiden pT7-5KE32 und pT7-5KE36 kodiert ist,
    d) Factor requirement:
    a low-molecular factor is essential for the activity of carnitine racemase, which is provided by the protein CaiE, which is encoded on the plasmids pT7-5KE32 and pT7-5KE36,
  • e) Genetische Organisation:
    CaiD und CaiE sind gemeinsam mit den Proteinen CaiT, CaiA, CaiB und CaiC im Carnitin(cai)-Operon kodiert, welches in den Carnitinmetabo­ lismus bei Escherichia coli 044 K74 involviert ist,
    e) Genetic organization:
    CaiD and CaiE are encoded together with the proteins CaiT, CaiA, CaiB and CaiC in the carnitine (cai) operon, which is involved in the carnitine metabolism in Escherichia coli 044 K74,
  • f) Lokalisation auf dem Chromosom:
    das cai-Operon wurde in der ersten Minute des Eschericia coli Chromo­ soms lokalisiert,
    f) Localization on the chromosome:
    the cai operon was located in the first minute of the Eschericia coli chromo soms,
  • g) Nucleotidsequence und Aminosäuresequence:
    die Nucleotidsequence und die sich daraus ableitende Aminosäurese­ quence sind unter der Accessionnummer X73904 ECCAI in der EMBL ver­ fügbar.
    g) Nucleotide sequence and amino acid sequence:
    the nucleotide sequence and the amino acid sequence derived from it are available under the accession number X73904 ECCAI in the EMBL.

Jede Peptid- und Nucleotidsequenz, die mehr als 70% Homologie mit CaiD aufweist, verfügt über eine Carnitinracemaseaktivität.Any peptide and nucleotide sequence that has more than 70% homology with CaiD has a carnitine racemase activity.

Der zur erfindungsgemäßen Durchführung geeignete Stamm ist Escherichia coli K38, der das Plasmid pGP1-2 sowie das Plasmid pT7-5KE32 trägt. Das Plasmid pGP1-2 kodiert für die RNA-Polymerase des Phagen T7, die sich un­ ter Kontrolle des thermosensiblen Repressors des Phagen lambda - durch das gleiche Plasmid kodiert - befindet und verleiht Kanamycinresistenz. Das Plasmid pT7-5KE32 trägt unter Kontrolle des T7 Polymerasepromotors die Ge­ ne caiD und caiE, die für die Carnitinracemase CaiD und das faktorbildende Protein CaiE kodieren, und verleiht Ampicillinresistenz.The strain suitable for carrying out the invention is Escherichia coli K38, which carries the plasmid pGP1-2 and the plasmid pT7-5KE32. The Plasmid pGP1-2 codes for the RNA polymerase of phage T7, which is un control of the thermosensitive repressor of the phage lambda - through the same plasmid encodes - located and confers kanamycin resistance. The Plasmid pT7-5KE32 carries the Ge under the control of the T7 polymerase promoter ne caiD and caiE, those for the carnitine racemase CaiD and factor-forming Encode protein CaiE and confers ampicillin resistance.

Die Kultivierung der Bakterien erfolgt submers in Komplex- oder Mini­ malmedium unter Zusatz von D,L-Carnitin, L(-)-Carnitin oder Crotonobetain (1-50 mmol/l) (vorzugsweise 20 mmol/l) sowie Kanamycin (vorzugsweise 20 µg/ml) und Ampicillin (vorzugsweise 50 µ/ml). Nach einer Inkubations­ zeit von 4-16 h (vorzugsweise 8 h) unter anaeroben Bedingungen bei einer Temperatur von 20-34°C (vorzugsweise 30°C) werden die Zellen für un­ gefähr 25 min einem Temperaturschock von 37-45°C (vorzugsweise 42°C) ausgesetzt und für weitere 1-4 h (vorzugsweise 2 h) bei 30-45°C (vorzugs­ weise 37°C) kultiviert. Die Zellen werden anschließend durch Zentri­ fugation abgetrennt und in Phosphatpuffer pH 6-9 (vorzugsweise 7,5) aufgenommen und mit bekannten Verfahren aufgeschlossen (Ultraschall, French Press, Alcoa).The bacteria are cultivated submerged in complex or mini Painting medium with the addition of D, L-carnitine, L (-) - carnitine or crotonobetaine (1-50 mmol / l) (preferably 20 mmol / l) and kanamycin (preferably 20 µg / ml) and ampicillin (preferably 50 µ / ml). After an incubation time from 4-16 h (preferably 8 h) under anaerobic conditions at a Temperature of 20-34 ° C (preferably 30 ° C), the cells for un dangerous a temperature shock of 37-45 ° C (preferably 42 ° C) for 25 min exposed and for another 1-4 h (preferably 2 h) at 30-45 ° C (preferred 37 ° C) cultivated. The cells are then centrifuged  separation separated and in phosphate buffer pH 6-9 (preferably 7.5) recorded and disrupted using known methods (ultrasound, French Press, Alcoa).

Sowohl die Zellsuspension als auch der Proteinrohextrakt werden mit D- Carnitinlösungen in Kontakt gebracht und Aktivitätsbestimmung der Car­ nitinracemase bei 37°C für 3-5 min inkubiert. Die Zellen werden durch Ab­ zentrifugieren bzw. das Protein durch Säure- oder Hitzefällung bzw. Ultra­ zentrifugation entfernt.Both the cell suspension and the crude protein extract are treated with D- Carnitine solutions contacted and activity determination of the car incubated nitin racemase at 37 ° C for 3-5 min. The cells are separated by Ab centrifuge or the protein by acid or heat precipitation or ultra centrifugation removed.

Die Vorteile des geschilderten Überexpressionstammes sindThe advantages of the overexpression strain described are

  • 1. Erhöhte Carnitinracmeaseaktivität, die einen wirksameren Umsatz von D(+)-Carnitin zu L(-)-Carnitin gestatten.1. Increased carnitine rcmease activity, which is a more effective turnover of Allow D (+) - carnitine to L (-) - carnitine.
  • 2. Etwa 10-15 Prozent des Zellproteins liegen als Carnitinracemase vor, wodurch eine Aufreinigung mit bekannten Techniken erleichtert wird.2. About 10-15 percent of the cell protein is present as carnitine racemase, which facilitates purification using known techniques.

Der Überexpressionsstamm soll an einigen Beispielen erläutert werden.The overexpression strain will be explained using a few examples.

Beispiel 1example 1

Die Kultivierung von Escherichia coli K38 pT7-5KE32 erfolgt submers in einem verschlossenen 250 ml Gefäß, das bis zum Rand mit LB-Medium gefüllt wird und welches 20 mM D,L-Carnitin enthält. Das Animpfen erfolgt mit 5 ml einer aeroben Vorkultur (DD₆₀₀=1,5) unter Verwendung des genannten Kultur­ mediums ohne Carnitinzusatz. Nach 8 h Inkubation bei 30°C wird die Kultur für 25 min bei 42°C einem Thermoschock ausgesetzt. Es wird 2 h bei 37°C inkubiert, dann werden die Bakterien für 15 min bei 6000×g und 4°C ge­ erntet und zweimal mit Phosphatpuffer (67 mM, pH 7,5) gewaschen. Die Zel­ len werden in 10 ml Phosphatpuffer (50 mM, pH 7,5) aufgenommen und mittels French Press aufgeschlossen. Nichtaufgeschlossene Zellen und Zelltrümmer werden durch Zentrifugation für 20 min bei 25000×g abgetrennt.Escherichia coli K38 pT7-5KE32 is cultivated submerged in a sealed 250 ml jar filled to the brim with LB medium and which contains 20 mM D, L-carnitine. The inoculation takes place with 5 ml an aerobic preculture (DD₆₀₀ = 1.5) using the said culture mediums without added carnitine. After 8 h incubation at 30 ° C the culture Exposed to thermal shock at 42 ° C for 25 min. It becomes 2 h at 37 ° C incubated, then the bacteria for 15 min at 6000 × g and 4 ° C ge harvested and washed twice with phosphate buffer (67 mM, pH 7.5). The cell len are taken up in 10 ml of phosphate buffer (50 mM, pH 7.5) and by means of French press open minded. Undigested cells and cell debris are separated by centrifugation for 20 min at 25000 × g.

Dem so gewonnenen zellfreien Extrakt wird D(+)-Carnitin bis zu einer Konzentration von 20 mmol/l zugesetzt und der Reaktionsansatz für 3 min bei 37°C inkubiert. Das Protein wird mit Trichloressigsäure gefällt und im Überstand das gebildete L(-)-Carnitin enzymatisch mittels der Carnitin­ acetyltransferase bestimmt. Die spezifische Aktivität der Carnitinracemase beträgt 310 mU mg Protein.The cell-free extract obtained in this way becomes D (+) - carnitine up to one Concentration of 20 mmol / l added and the reaction mixture for 3 min Incubated at 37 ° C. The protein is precipitated with trichloroacetic acid and in The L (-) - carnitine formed survived enzymatically by means of the carnitine  acetyltransferase determined. The specific activity of carnitine racemase is 310 mU mg protein.

Beispiel 2Example 2

Es wird verfahren, wie im Beispiel 1 dargelegt. Anstelle des Stammes Esche­ richia coli K38 pT7-5KE32 werden die Stämme Escherichia coli K38 pT7-5KE36 und Escherichia coliK38 pT7-5KE37 unabhängig voneinander kultiviert. Die erhaltenen zellfreien Extrakte werden einzeln auf Carnitinracemaseaktivität getestet, wobei keine signifikante Erhöhung dieser Aktivität gemessen wird. Nach Vermischung der beiden Extrakte im Verhältnis 1 : 1 wird eine spezifi­ sche Aktivität der Carnitinracemase von 260 mU pro mg Protein ermittelt.The procedure is as set out in Example 1. Instead of the ash tree richia coli K38 pT7-5KE32 become the strains Escherichia coli K38 pT7-5KE36 and Escherichia coliK38 pT7-5KE37 cultured independently. The Cell-free extracts obtained are isolated for carnitine racemase activity tested, with no significant increase in this activity being measured. After mixing the two extracts in a ratio of 1: 1, a specific cal activity of carnitine racemase of 260 mU per mg protein determined.

Beispiel 3Example 3

Die Nucleotidsequenz der Carnitinracemase CaiD und des Faktor-bildenen Pro­ teins CaiE werden nach Sequenzierung des Carnitinoperons aus Escherichia coli 044 K74 mit Hilfe des Sangerverfahrens bestimmt und sind in der EMBL unter Accessionnummer X73904 ECCAI verfügbar. Aus der Nucleotidsequenz wird die Aminosäuresequenz mittels Computeranalyse abgeleitet und zur Homologie­ suche in Proteinsequenzdetenbanken verwendet. CaiD zeigt dabei Homologien mit Enoyl-CoA 0ehydratasen/Isomerasen und CaiE mit Acetyltransferasen.The nucleotide sequence of the carnitine racemase CaiD and the factor-forming pro Teins CaiE after sequencing the Carnitinoperon from Escherichia coli 044 K74 determined using the Sanger method and are in the EMBL available under accession number X73904 ECCAI. The nucleotide sequence becomes the amino acid sequence derived by computer analysis and homology used in protein sequence databases. CaiD shows homologies with enoyl-CoA 0hydratases / isomerases and CaiE with acetyltransferases.

Beispiel 4Example 4

Die Position der Gene caiD und caiE wird auf dem Escherichia coli Chromosom mit Hilfe des Programms MapSearch in der ersten Minute lokalisiert. Dieses Resultat findet seine Bestätigung mit der Southernhybridisierung des Plasmides pLC4-46 aus der systematischen Genbank von Clarke und Carbon, das die erste Minute des Escherichia coli Chromosoms trägt. The position of the caiD and caiE genes is on the Escherichia coli chromosome localized in the first minute using the MapSearch program. This The result is confirmed by the Southern hybridization of the Plasmids pLC4-46 from the systematic gene bank by Clarke and Carbon, the carries the first minute of the Escherichia coli chromosome.  

Beispiel 5Example 5

Die relative Molmasse der Carnitinracemase wird aus der Aminosäuresequenz von CaiD berechnet und in der Gelelektrophorese in Gegenwart von Natriumdo­ decylsulfat (SDS) bestätigt. Sie beträgt 32000.The relative molar mass of carnitine racemase is derived from the amino acid sequence calculated by CaiD and in gel electrophoresis in the presence of sodium do decyl sulfate (SDS) confirmed. It is 32,000.

Beispiel 6Example 6

Die Kultivierung von Escherichia coli K38 pT7-5KE32 erfolgt submers in einem verschlossenen 250 ml Gefäß, das bis zum Rand mit LB-Medium gefüllt wurde und welches 20 mM D,L-Carnitin, 20 µg/ml Kanamycin und 50 µg/ml Am­ pillicin enthielt. Das Animpfen erfolgte mit 5 ml einer aeroben Vorkultur (DD₆₀₀=1,5) unter Verwendung des genannten Kulturmediums ohne Carnitinzu­ satz. Nach 8 h Inkubation bei 30°C wird die Kultur für 25 min bei 42°C einem Thermoschock ausgesetzt. Anschließend werden 400 µg/ml Rifampicin zugegeben und die Mikroorganismen für 2 Stunden bei 37°C weiterkultiviert. Die Bakterien werden für 15 min bei 6000×g und 4°C geerntet und zweimal mit Phosphatpuffer (67 mM, pH 7,5) gewaschen.Escherichia coli K38 pT7-5KE32 is cultivated submerged in a sealed 250 ml jar filled to the brim with LB medium and which was 20 mM D, L-carnitine, 20 µg / ml kanamycin and 50 µg / ml Am pillicin contained. The inoculation was carried out with 5 ml of an aerobic preculture (DD₆₀₀ = 1.5) using the culture medium mentioned without carnitine sentence. After 8 h of incubation at 30 ° C, the culture is at 42 ° C for 25 min subjected to a thermal shock. Then 400 µg / ml rifampicin added and the microorganisms cultured at 37 ° C for 2 hours. The bacteria are harvested for 15 min at 6000 × g and 4 ° C and twice washed with phosphate buffer (67 mM, pH 7.5).

Der so gewonnenen Zellsuspension wird D-Carnitin bis zu einer Konzentration von 20 mmol/l zugesetzt und der Reaktionsansatz für 5 min bei 37°C inku­ biert. Die Zellen werden mit Trichloressigsäure inaktiviert und das im Überstand gebildete Carnitin enzymatisch bestimmt. Die spezifische Aktivi­ tät der Carnitinracemase betrug 2,69 U pro mg Zelltrockenmasse.The cell suspension obtained in this way becomes D-carnitine up to a concentration of 20 mmol / l was added and the reaction mixture was incubated at 37 ° C. for 5 min beer. The cells are inactivated with trichloroacetic acid Supernatant formed carnitine determined enzymatically. The specific asset The carnitine racemase was 2.69 U per mg dry cell mass.

Der zur Durchführung des Verfahrens verwendete Stamm E. coli 044 K74 ist in der DSM unter der Nummer 8828 hinterlegt.The strain E. coli 044 K74 used to carry out the method is stored in the DSM under number 8828.

Claims (9)

1. Carnitinracemase, gekennzeichnet durch die Nucleotidsequenz nach Anlage 1 und die Aminosäure­ sequenz nach Anlage 2.1. Carnitine racemase, characterized by the nucleotide sequence according to Appendix 1 and the amino acid sequence according to Appendix 2. 2. Carnitinracemase nach Anspruch 1, die derartig genetisch organisiert ist, daß CaiD und CaiE gemeinsam mit den Proteinen CaiT, CaiA, CaiB und CaiC im Carnitin(cai)Operon kodiert sind,
das cai-Operon auf dem Chromosom von E.coli lokalisiert ist,
deren Nucleotidsequenz eine mindestens 70%ige Homologie mit der Nucleotidsequenz SEQ ID NO1 nach Anlage 1 aufweist, sie im Wildstamm Escherichia coli 044 K74 ein induzierbares Enzym ist und- durch L-Carnitin und Crotonobetain, nicht aber durch D-Carnitin, unter anaeroben Bedingungen indu­ ziert wird,
sie D-Carnitin zu L-Carnitin racemisiert und umgekehrt, für ihre Reaktivität ein niedermolekularer Faktor unab­ dingbar ist, der durch das Protein CaiE bereitgestellt wird, der auf den Plasmiden pT7-5KE32 und pT7-5KE36 kodiert ist und dessen Nucleotidsequenz in der Anlage 3, seine Aminosäuresequenz in der Anlage 4 dargestellt ist,
ihr Molekulargewicht etwa 32000 beträgt,
sie eine Aminosäuresequenz einschließt, welche eine min­ destens 70%ige Homologie mit der Aminosäuresequenz SEQ ID NO2 aufweist.
2. Carnitine racemase according to claim 1, which is genetically organized in such a way that CaiD and CaiE are coded together with the proteins CaiT, CaiA, CaiB and CaiC in the carnitine (cai) operon,
the cai operon is located on the E. coli chromosome,
whose nucleotide sequence has at least 70% homology with the nucleotide sequence SEQ ID NO1 according to Appendix 1, it is an inducible enzyme in the wild strain Escherichia coli 044 K74 and - induced by L-carnitine and crotonobetaine, but not by D-carnitine, under anaerobic conditions is decorated
it racemizes D-carnitine to L-carnitine and vice versa, for its reactivity a low-molecular factor is indispensable, which is provided by the protein CaiE, which is encoded on the plasmids pT7-5KE32 and pT7-5KE36 and its nucleotide sequence in Appendix 3 , its amino acid sequence is shown in Appendix 4,
their molecular weight is about 32,000,
it includes an amino acid sequence which has at least 70% homology with the amino acid sequence SEQ ID NO2.
3. Verfahren zur Herstellung von Carnitinracemase, dadurch gekennzeichnet, daß der Stamm Escherichia coli K 38, der das Plasmid pGP1-2 sowie das Plasmid pT7-5KE32 trägt, submers in einem Komplex- oder Minimalmedium, dem DL- Carnitin, L-Carnitin oder Crotonobetain sowie Kanamycin und Ampicillin zugesetzt wurden, kultiviert wird, indem nach einer Inkubationszeit von 4 bis 16 Stunden unter anaeroben Bedingungen bei einer Temperatur von 20 bis 34 Grad C die Zellen einem Temperaturschock von 37 bis 45 Grad C ausgesetzt werden für einen Zeitraum von etwa 25 Minuten und dann bei 30 bis 45 Grad für 1 bis 4 Stunden weiter kultiviert werden, die Zellen durch Zentrifugieren abgetrennt werden, in Phosphatpuffer aufzunehmen sind und bei einem pH von 6 bis 9 und in an sich bekannter Weise aufgeschlossen werden aus der Zellsuspension oder dem zellfreien Rohextrakt, die jeweils die Carnitinracemase enthalten, letztere in an sich bekannter Weise isoliert und gereinigt wird.3. Process for the preparation of carnitine racemase, characterized in that the strain Escherichia coli K 38, which the plasmid pGP1-2 as well as carrying the plasmid pT7-5KE32, submerged in a complex or minimal medium, the DL Carnitine, L-Carnitine or Crotonobetaine as well as Kanamycin and Ampicillin were added, is cultivated, by taking after an incubation period of 4 to 16 hours anaerobic conditions at a temperature of 20 to 34 Grade C gives the cells a temperature shock of 37 to 45 degrees C be exposed for a period of about 25 minutes and then continue at 30 to 45 degrees for 1 to 4 hours be cultivated, the cells are separated by centrifugation, are to be taken up in phosphate buffer and at a pH of 6 to 9 and be unlocked in a manner known per se from the cell suspension or the cell-free crude extract, the each contain the carnitine racemase, the latter isolated and cleaned in a manner known per se becomes. 4. Plasmid pT7-5KE32.4. Plasmid pT7-5KE32. 5. Plasmid pT7-5KE37.5. Plasmid pT7-5KE37. 6. Plasmid pT7-5KE36. 6. Plasmid pT7-5KE36.   7. Verwendung der Mikroorganismen K38 pT7-5KE32 und K38 pT7- 5KE37 als Carnitinracemaseproduzenten.7. Use of the microorganisms K38 pT7-5KE32 and K38 pT7- 5KE37 as carnitine racemase producers. 8. Verwendung von Carnitinracemase zur Umwandlung von D- in L- Carnitin.8. Use of Carnitine Racemase to Convert D- to L- Carnitine. 9. Verfahren zur Herstellung von L-Carnitin aus D-Carnitin, dadurch gekennzeichnet, daß Carnitinracemase nach Anspruch 1 zusammen mit dem von CaiE produzierten Kofaktor in einem Reaktionsansatz aus 67 mmol/l Phosphatpuffer nach Sörensen, pH=7.5, welchem D-Carnitin zugesetzt wurde bis zu einer Konzentration von 20 mmol/l, für 3 min bei 37 Grad C inkubiert wird, anschließend zentrifugiert, das Protein bzw. die intakten Zellen entfernt und das gebildete L(-)-Carnitin aus dem Reaktionsmedium in an sich bekannter Weise abgetrennt wird.9. Process for the preparation of L-carnitine from D-carnitine, characterized in that Carnitine racemase according to claim 1 together with that of CaiE produced cofactor in a reaction batch from 67 mmol / l phosphate buffer according to Sörensen, pH = 7.5, to which D-carnitine was added up to one Concentration of 20 mmol / l, incubated for 3 min at 37 degrees C, then centrifuged, the protein or the intact cells removed and the L (-) - carnitine formed from the reaction medium in itself is separated in a known manner.
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