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Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft
ein Enzym N-Acetyl-D-glucosamindeacetylase, das die Acetamidgruppe
von N-Acetyl-D-glucosamin hydrolysieren kann, um D-Glucosamin und
Essigsäure
zu erzeugen, die spezifisch auf das Monomer von N-Acetyl-D-glucosamin
und nicht auf die Oligomeren einschließlich des Dimeren und der Polymeren
einwirkt.
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Die vorliegende Erfindung betrifft
auch ein Verfahren zur Herstellung des obenbeschriebenen Enzyms und
zum Hydrolysieren der Acetamidogruppe unter Verwendung der Deacetylase
nach der vorliegenden Erfindung.
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Beschreibung
des Standes der Technik
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D-Glucosamin, das deacetylierte Produkt
von N-Acetyl-D-glucosamin, ist brauchbar als Arzneimittel, Nahrungsmittel
und Zwischenprodukte für
die Herstellung von Arzneimitteln. Außerdem wurden Oligosaccharide,
die aus der D-Glucosamineinheit bestehen, zunehmend beachtet und
wurden wichtig, da sie wertvolle physiologische Aktivitäten, wie
antibakterielle Aktivität,
gegen Pilze gerichtete Aktivität
und Antitumoraktivität, haben.
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D-Glucosamin wurde bisher aus N-Acetyl-D-glucosamin
hergestellt, welches aus gereinigtem Chitin(β-1,4-Poly-N-acetyl-D-glucosamin,
erhalten aus der Kutikula [Kruste] eines Krustentieres, wie einer
Garnele oder Krabbe durch Entfernung anorganischer Salze, Proteine
und Lipide) durch Deacetylierung mit konzentriertem Alkali oder
Mineralsäure
hergestellt wird.
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Die Hydrolyse der N-Acetylgruppe
von N-Acetyl-D-glucosamin verläuft
jedoch nicht so leicht, und daher sind relativ harte Reaktionsbedingungen
erforderlich, um die Hydrolyse zu vervollständigen, wie beispielsweise
Erhitzen während
einer langen Zeitdauer in einer konzentrierten Säure oder in konzentriertem
Alkali, wie einer 30- bis 60%igen Lösung, was zu einer Steigerung
der Bildung unerwünschter
Nebenprodukte führt,
und die Ausbeute des erwünschten
D-Glucosamins ist gering. Außerdem
erfordert die Beseitigung der verwendeten Säure oder des verwendeten Alkalis
zusätzliche
Arbeit und Kosten.
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Es gab einen Bedarf an Entwicklung
milderer Methoden der Deacetylierung von N-Acetyl-D-glucosamin in
einer hohen Ausbeute ohne die Bildung unerwünschter Nebenprodukte, und
eine biologische Methode unter Verwendung eines Enzyms, das N-Acetyl-Dglucosamin
deacetylieren kann, wurde untersucht.
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Für
biologische Deacetylierungsmethoden wurden mehrere Literaturstellen
bekannt, worin Mikroorganismen, die zu Mucor sp., Aerromonas sp.
oder Colletotrium sp. gehören,
verwendet werden.
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Bei einem Verfahren unter Verwendung
eines Mikroorganismus, der zu Mucor sp. gehört, werden lösliches
Glycolchitin und das Pentamere zu 12 bis 14% deacetyliert, doch
gibt es keine Beschreibung einer Deacetylase, die nur auf das Monomere
von N-Acetyl-D-glucosamin einwirkt (Y. Araki, E. Ito, Biochem. Biophys. Res.
Commun., 56: 669 [1974], Eur. J. Biochem, 55: 71 [1975], Methods
Enzymol., 161: 510 [1988], L. L. Davis, S. Bartnicki-Garcia, Biochemistry,
23: 1065 [1984], C. Calvo-Mendez, J. Ruis-Herrera, Exp. Mycol.,
11: 128 [1987]).
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Ein Verfahren unter Verwendung eines
Mikroorganismus, der zu Aeromonas sp. gehört, will festes Chitin von
hohem Polymerisationsgrad deacetylieren, und es gibt keine Beschreibung
einer Deacetylierung von Monosaccharid (K. Shimahara, H. Iwasaki,
Asahi Garasu Kogyo Gijutsu Shoreikai, 41: 299 [1982], C. A. 99: 84876v
[1983]).
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Es gibt auch keine Beschreibung einer
Deacetylierung von Monosaccharid unter Verwendung eines Mikroorganismus,
der zu Colletotrium sp. gehört
(H. Kauss, W. Jeblick, D. H. Young, Plant Sci. Lett. 28: 231 [1983],
H. Kauss, B. Bauch, Methods in Enzymology, 161: 518 [1988]).
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Die Datenbank WPI-Woche 9303 Derwent-Veröffentlichungen
AN 93-022707 (Agency of Industrial Science & Technology), 4. Dezember 1992 beschreibt
die Auffindung von N-Acetyl-Dglucosamindeacetylaseaktivität gegenüber monomeren
und oligomeren Formen von N-Acetyl-D-glucosamin in Zellextrakten von Vibrio
sp.
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Es wurde nun überraschenderweise gefunden,
daß ein
Meeresmikroorganismus, der zu Vibrio sp. gehört, ein Enzym erzeugt, welches
die Acetylgruppe von N-Aceryl-D-glucosamin abspalten kann und spezifisch auf
das Monomer von N-Acetyl-D-glucosamin einwirkt und nicht auf dessen
Oligomer oder Polymer.
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Das obenbeschriebene Enzym mit einer
solchen Substratspezifität
war bisher noch niemals bekannt und repräsentiert ein brauchbares funktionelles
Enzym.
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Zusammenfassung der Erfindung
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So betrifft die vorliegende Erfindung
ein gereinigtes neues Enzym N-Acetyl-Dglucosamindeacetylase, das
aus Vibrio sp. erhältlich
ist und die Acetamidgruppe von N-Acetyl-D-glucosamin hydrolysieren kann, um D-Glucosamin
und Essigsäure
zu erzeugen und folgende physikochemische Eigenschaften hat:
- 1. Substratspezifität: N-Acetyl-D-glucosasminmonomer,
nicht das Oligomer oder Polymer hiervon,
- 2. optimaler pH-Wert: 7,8 bis 8,2 bei 37°C,
- 3. stabiler pH-Wert: 6,0 bis 9,0 bei 45°C,
- 4. optimale Temperatur: 28 bis 39°C,
- 5. Molekulargewicht: 80 000 bis 150 000, wobei diese N-Acetyl-D-glucosamindeacetylase
mit Hilfe eines Reinigungsverfahrens isoliert wird.
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Außerdem betrifft die vorliegende
Erfindung dieses Enzym, worin das Vibrio sp. Vibrio cholerae non-01 (IFO
15429) ist.
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Die vorliegende Erfindung betrifft
auch ein 'Verfahren
zur Herstellung von N-Acetyl-Dglucosamindeacetylase, wie oben erwähnt, durch
Inkubieren eines zu Vibrio sp. gehörenden Miirooganismus, der
in der Lage ist, diese Deacetylase in einem Induktionsmedium zu
erzeugen, und durch Isolieren der Deacetylase aus Zellen, die von
diesem Medium abgetrennt wurden.
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Diese Erfindung betrifft weiterhin
ein Verfahren, wie oben beschrieben, worin der Mikroorganismus vorher
in einem Nährmedium
inkubiert wird.
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Diese Erfindung betrifft auch ein
Verfahren, wie oben beschrieben, worin der Mikroorganismus Vibrio cholerae
non-01 (IFO 15429) ist.
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Die vorliegende Erfindung betrifft
auch ein Verfahren zum Hydrolysieren der Acetamidogruppe von N-Acetyl-D-glucosaminmonomer
unter Verwendung der Deacetylase der vorliegenden Erfindung.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnung
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1 zeigt
die Beziehung zwischen der relativen Aktivität (%) von N-Acetyl-Dglucosamindeacetylase nach
der vorliegenden Erfindung und dem pH-Wert bei 37°C.
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2 zeigt
die Beziehung zwischen der relativen Aktivität (%) von N-Acetyl-Dglucosamindeacetylase nach
der vorliegenden Erfindung und der Temperatur (°C) bei pH 7,8.
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3 zeigt
die Beziehung zwischen der relativen Aktivität (%) der N-Acetyl-Dglucosamindeacetylase nach
der vorliegenden Erfindung und dem pH-Wert bei 37°C nach Inkubieren
bei 45°C
während
einer Zeitdauer von 30 min.
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4 zeigt
die Beziehung zwischen der relativen Aktivität (%) der N-Acetyl-Dglucosamindeacetylase nach
der vorliegenden Erfindung und der Temperatur (°C) nach Inkubieren bei pH 7,8
bei einer bestimmten Temperatur während einer Zeitdauer von 30
min.
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Bevorzugte
Ausführungsform
der Erfindung
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Die physikochemischen Eigenschaften
des Enzyms nach der vorliegenden Erfindung sind im einzelnen nachfolgend
beschrieben.
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1. Wirkung
und Substratspezifität
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Das Enzym wirkt auf die Acetamidgruppe
von N-Acetyl-D-glucosamin ein und hydrolysiert letztere zu D-Glucosamin
und Essigsäure
und wirkt im wesentlichen nicht auf die Oligomeren einschließlich der
Dimeren von N-Acetyl-D-glucosamin ein.
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2. Optimaler
pH-Wert und stabiler pH-Wert
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Der optimale pH-Wert des Enzyms nach
der vorliegenden Erfindung variiert weitgehend in Abhängigkeit
von dem Ursprung des Mikroorganismus., der zur Erzeugung des Enzyms
verwendet wird, ist aber gewöhnlich
im Bereich von etwa 4,0 bis 9,0. Beispielsweise ist der optimale
pH-Wert des Enzyms, das sich von Vibrio sp. herleitet, im Bereich
von 7,8 bis 8,2, kolorime trisch mit der Indol-HCl-Methode bei pH
5,6 bis 10,8 bestimmt. Die verwendete Pufferlösung bei pH 5,6 bis 6,0 ist
100 mM CH3COOH-CH3COONa.
Bei pH 6,0 bis 9,0 wird 100 mM K2HPO4-Na2HPO4, und bei pH
9,6 bis 10,8 wird 200 mM Na2HPO4NaOH
verwendet.
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Die relative Aktivität des aus
Vibrio sp. erhaltenen Enzyms ist in 1 gezeigt.
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Der stabile pH-Wert, worin nicht
weniger als 50% der Anfangsaktivität des Enzyms beibehalten wird, bestimmt
bei 37°C
nach Inkubieren in einem bestimmten Puffer bei 45°C während 30
min, variiert je nach dem Ursprung des zur Herstellung des Enzyms
verwendeten Mikrooganismus, liegt aber gewöhnlich im Bereich von 3,0 bis
9,0. Beispielsweise liegt der stabile pH-Wert des aus Vibrio sp.
stammenden Enzyms im Bereich von etwa 6,0 bis 9,0. Die relative
Aktivität
nach einer solchen Inkubation des Enzyms, das aus Vibrio sp. erhalten
wurde, ist in 3 gezeigt.
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3. Optimaler Temperaturbereich
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Die optimale Temperatur für die enzymatische
Aktivität
variiert weitgehend in Abhängigkeit
von dem Ursprung des zur Herstellung des Enzyms verwendeten Mikroorganismus,
liegt aber gewöhnlich
im Bereich von etwa 10 bis 50°C.
Beispielsweise liegt die optimale Temperatur des aus Vibrio sp.
erhaltenen Enzyms, bestimmt bei 20 bis 47°C, im Bereich von etwa 28 bis
39°C. Die
relative Aktivität
des Enzyms, das sich von Vibrio sp. herleitet, ist in 2 gezeigt.
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4. Molekulargewicht
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Das Molekulargewicht des Enzyms,
bestimmt durch TSK-Gel G-3000 SW (RTM)-Säule, liegt bei 80 000 bis 150
000.
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N-Acetyl-D-glucosamindeacetylase
nach der vorliegenden Erfindung kann durch Inkubieren eines zu Vibrio
sp. gehörenden
Mikroorganismus erhalten werden. Namentlich ein Mikroorganismus,
der zu Vibrio sp. gehört,
wird in einem einen Induktor enthaltenden Medium inkubiert. Geeignete
Induktoren schließen
Chitin, Chitinhydrolysat, N-Acetyl-D-glucosamin und N-Acetyl-D-glucosaminoligomere
ein. Diese Induktoren können allein
oder in Kombination verwendet werden. Induktoren werden in einer
Konzentration von etwa 0,1 g/l oder darüber, vorzugsweise bei 1,0 bis
50 g/l verwendet.
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Die vorliegende Erfindung wird weiterhin
im einzelnen unter Bezugnahme auf die Herstellung des Enzyms aus
einem Mikroorganismus Vibrio cholerae non-01 (IFO 15429) beschrieben.
Vibrio sp.-Mikroorganismen sind offenkundig bekannt. Unter ihnen
wurde Vibrio cholerae non-01 (IFO 15429) beim Institute for Fermentation,
Osaka (IFO), 17 bis 85, Jusohonmachi 2-chome, Yodogawa-ku, Osaka
532, Japan unter der Zugänglichkeitsnummer
IFO 15429 hinterlegt. Die bakteriologischen Eigenschaften von Vibrio
cholerae non-01 (IFO 15429) sind in Can. J. Microbiol. Band 31,
711 bis 720 (1985) und Bergey's
Manual of Systematic Bacteriology, Band 1, 518 (1957) gezeigt. In
Bergey's Manual
of Systematic Bacteriology entspricht Vibrio pacini dem Vibrio cholerae
non-01.
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1. Inkubationsbedingungen
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Die Zellen eines Mikroorganismus
Vibrio cholerae non-01 (IFO 15429) werden zunächst in einem herkömmlichen
Nährmedium
inkubiert, welches nicht speziell definiert werden muß. Beispielsweise
enthält
ein herkömmliches
Medium Glucose, Maltose, Xylose, Rohrzucker usw. als eine Kohlenstoffquelle,
Hefeextrakt, Peptone, Fleischextrakt, organische Stickstoffquellen,
wie Aminosäure,
anorganische Stickstoffquellen, wie Ammoniumsulfat, Ammoniumchlorid
usw. als eine Stickstoffquelle, und Magnesiumsulfat, Magnesiumchlorid, Natriumphosphat,
Kaliumphosphat, Kaliumchlorid, Natriumchlorid, Calciumchlorid usw.
als eine Mineralquelle in geeigneten Kombinationen. Der pH-Wert
des Mediums wird zwischen 6,5 und 8,0 durch Zugabe einer geeigneten
Säure oder
Base eingestellt, und das Medium wird im Autoklaven behandelt. Inkubieren
erfolgt aerob bei 25 bis 40°C,
vorzugsweise bei 37°C,
während
5 bis 24 h unter Rühren
oder Bewegen. Die Zellen aus der Kultur, die wie oben inkubiert
wurde, werden für
die Herstellung von N-Acetyl-D-glucosamindeacetylase nach der vorliegenden
Erfindung verwendet, indem man diese Zellen in einem Induktionsmedium
inkubiert, welches einen Induktor zusätzlich zu einer Kohlenstoffquelle,
einer Stickstoffquelle und einer Mineralquelle enthält.
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Beispielsweise enthält ein Induktionsmedium
3 g Ammoniumnitrat, 1 g Dikaliumhydrogenphosphat, 20 g Natriumchlorid,
0,5 g Magnesiumsulfat, 0,08 g Calciumchlorid, 50 g N-Acetyl-D-glucosamin
in 1 l des Mediums mit pH-7,4.
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Vibrio cholerae non-01 (IFO 15429)
wird aerob bei 25 bis 40°C,
vorzugsweise 37°C,
während
1 bis 3 Tagen unter Rühren
oder Bewegen inkubiert.
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2. Isolierung
des Enzyms
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Das Enzym der vorliegenden Erfindung
kann unter Verwendung einer oder mehrerer herkömmlicher Methoden gewonnen
und aus der Kultur gereinigt werden. Beispielsweise wird die so
inkubierte Kultur zentrifugiert, um Zellen zu sammeln, und die Zellen
werden durch Schalltechnik aufgebrochen, um den Zellextrakt zu ergeben.
Der Extrakt wird unter Verwendung von Ionenaustauschchromatographie,
Adsorptionschromatographie, Gelfiltrationschromatographie usw. gereinigt.
Ein Reinigungsverfahren umfaßt
beispielsweise die folgenden Stufen:
- 1. Die
Zellen werden durch die Behandlung mit Ultraschallwellen zerstört und zentrifugiert,
um zellfreien Extrakt zu ergeben.
- 2. Der zellfreie Extrakt wird DEAE-Biogelchromatographie unterzogen
und mit 120 mM Phosphatpuffer, der 150 mM NaCl enthält, eluiert.
- 3. Weiterhin wird einer Hydroxyapatitsäulenchromatographie unterzogen
und mit 50 mM Phosphatpuffer eluiert.
- 4. Eine HPLC wird unter Verwendung von TSK-Gel 3000 SW-Gelfiltrationskolonne
unterzogen
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Der Anreicherungsgrad des Enzyms
bei jeder Reinigungsstufe ist in Tabelle 1 nachfolgend gezeigt, worin
die Aktivität
nach der Methode, wie nachfolgend beschrieben, bestimmt wurde.
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Wie aus Tabelle 1 ersichtlich, kann
nach der Reinigungsstufe 4 ein Enzym mit spezifischer Aktivität von 1,22
Einheiten je Milligramm Protein (Anreicherung 346-fach die Aktivität des Anfangswertes)
erhalten werden. Unter Verwendung dieses Enzyms werden die enzymatischen
Eigenschaften, wie nachfolgend beschrieben, untersucht.
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3. Bestimmung der enzymatischen
Aktivität
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Eine Enzymlösung (0,1 ml) wird zu 0,3 ml
von 100 mM Phosphatpuffer (pH 7,8) mit einem Gehalt von 0,1 ml eines
1%igen N-Acetyl-D-glucosamins als Substrat zugegeben, und das resultierende
Gemisch wird 30 min bei 37°C
inkubiert. Die Menge an gebildetem D-Glucosamin wird kolorimetrisch
unter Verwendung von Indol-HCl gemäß der Methode von Z. Dische
und E. Borenfreund (J. Biol. Chem., 184: 517 [1950]) bestimmt. Eine
Einheit des Enzyms wird als die Menge des Enzyms definiert, die
1 μMol D-Glucosamin
aus N-Acetyl-D-glucosamin je Minute bei 37°C erzeugen kann.
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Wie oben beschrieben, ist N-Acetyl-D-glucosamindeacetylase
nach der vorliegenden Erfindung ein neues Enzym, welches bisher
nicht bekannt war und eine Deacetylierung von monomerem N-Acetyl-D-glucosamin
bei milden Bedingungen unter Erzeugung von D-Glucosamin ermöglicht.
Aufgrund der Substratspezifität
dieses Amins ist es möglich,
nur monomeres N-Acetyl-D-glucosamin im Gemisch desselben mit Oligomeren
zu deacetylieren. Das deacetylierte Produkt D-Glucosamin ist brauchbar
als ein Ausgangsmaterial für
die Herstellung vieler Arzneimittel, funktioneller Oligosaccharide
usw. und hat einen weiten Anwendungsbereich.
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Die vorliegende Erfindung wird durch
das folgende Beispiel weiter erläutert.
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Beispiel
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1. Inkubation von Vibrio
cholerae non-01-Stamm (IFO 15429)
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Vibrio cholerae non-01-Stamm (IFO
15429) wurde in einem Agarplattenmedium, das 0,6 g Ammoniumnitrat,
0,2 g Dikaliumhydrogenphosphat, 2 g Natriumchlorid, 0,12 g Magnesiumsulfat
, 0,02 g Calciumchlorid, 10 g Glucose und 3 g Agar je 200 ml des
Mediums enthielt, bei pH 7,4 und 37°C während 24 h inkubiert, und die
Zellen wurden unter Verwendung eines Spatels gesammelt. Die so erhaltenen
Zellen wurden dann aerob unter Schütteln während 24 h in dem folgenden
Induktionsmedium inkubiert.
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Induktionsmedium: 1,5 g Ammoniumnitrat,
0,5 g Dikaliumhydrogenphosphat, 10 g Natriumchlorid, 0,3 g Magnesiumsulfat,
0,04 g Calciumchlorid und 25 g N-Acetyl-D-glucosamin in 500 ml eines
flüssigen
Mediums mit pH 7,4.
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2. Gewinnung und Reinigung
des Enzyms
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Die so erhaltene Kultur wurde bei
8000 g während
20 min zentrifugiert, um 11 g feuchte Zellen zu erhalten. Die Zellen
wurden in 40 ml physiologischer Kochsalzlösung suspendiert und bei 0°C während 10
min (20 sec-Betrieb in Abständen
von 20 sec) mit Ultraschall behandelt, sodann zentrifugiert, um
einen zellfreien Extrakt zu ergeben, der 1,73 g eines Proteins mit
einer spezifischen Aktivität
von 0,00358 Einheiten je Milligramm Protein enthielt.
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Der zellfreie Extrakt wurde, wie
oben erhalten, auf eine Säule
aufgegeben, die mit DEAE-Biolgel A gefüllt war, welches mit 0,01 M
Phosphatpuffer (pH 7,0) äquilibriert
worden war, und mit einer stufenweisen NaCl-Gradienteneluierung
eluiert. Unter Verwendung von 150 mM NaCl wurden 68,6 mg eines Proteins
mit einer spezifischen Aktivität
von 0,0875 U/mg Protein eluiert. Das Eluat wurde weiterhin auf eine
Hydroxyapatitsäule
aufgegeben und mit einem stufenweise arbeitenden Gradientenphosphatpuffer
eluiert. 10 ml eines Eluats mit einem Gehalt von 2,45 mg eines Proteins
mit einer spezifischen Aktivität
von 0,373 U/mg Protein wurden unter Verwendung von 50 mM Phosphatpuffer
eluiert.
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Das so erhaltene Eluat (10 ml) wurde
auf 0,4 ml durch Ultrafiltration (Ausschlußgrenze 100 000) konzentriert
und einer HPLC unter Verwendung von TSK-Gel 3000 SW-Säule unterzogen,
um 0,72 mg gereinigtes Enzym mit einer spezifischen Aktivität von 1,22
U/mg Protein zu ergeben. Der Anreicherungsgrad der Aktivität war 346
mal der Anfangswert, und die Gewinnung des Enzyms war 14,2%. Das
Molekulargewicht dieses Enzyms war 80 000 bis 150 000.
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3. Substratspezifität des Enzyms
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Die Substratspezifität des Enzyms,
wie es oben erhalten wurde, wurde unter Verwendung von Monomer und
einigen Oligomeren (2 bis 6 Mere) eines N-Acetyl-D-glucosamins (Seikagaku
Kogyo Co. Ltd., Japan) und Chitin als Substrat untersucht. Diese
Substrate wurden in einer Konzentration von 0,2% zugesetzt, und die
enzymatische Reaktion ließ man
bei einer Temperatur von 37°C
und einem pH-Wert von 7,8 während
1 h stattfinden. Die gebildete Menge von D-Glucosamin wurde unter
Verwendung von Indol-HCl gemäß der Methode
von Z. Dische und E. Borenfreund (J. Biol. Chem., 184: 5178 [1950])
bestimmt. Die erhaltenen Ergebnisse sind nachfolgend in Tabelle
2 gezeigt.
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Eine Enzymaktivitätseinheit ist als die Menge
des Enzyms definiert, die erforderlich ist, um ein μ-Äquivalent
der Aminogruppe je Minute bei 37°C
zu bilden.
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Wie aus Tabelle 2 ersichtlich ist,
kann die Bildung von D-Glucosamin aus monomerem N-Acetyl-D-glucosamin
erhalten werden, während
keines der untersuchten Oligomeren (2-mer bis 6-mer) und Chitin
die Bildung von D-Glucosamin zeigen.