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Die
vorliegende Erfindung betrifft die mit Hilfe von ausgewählten mikrobiellen
Stämmen
bewirkte Biotransformation von colchicinoiden Verbindungen zu den
entsprechenden 3-O-Glycosylderivaten.
Das erfindungsgemäße Verfahren
stellt Verbindungen in hohen Ausbeuten und hoher Reinheit bereit,
die ausgehend von den zitierten Colchiconverbindungen ausschließlich am
C-3 von dem aromatischen Ring A glycosyliert sind.
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Die
durch das erfindungsgemäße biotechnologische
Verfahren erhaltenen Verbindungen, insbesondere Thiocolchicoson
(3-O-Glucosylthiocolchicon; d.h. mit Bezug auf Formel (I), R1 = -OCH3 und R2 = -SCH3), sind
Wirkprinzipien von bemerkenswerter pharmakologischer Bedeutung,
hauptsächlich
für die
Herstellung von neuen Antitumorwirkstoffen.
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OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
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Eine
Vielzahl von Bemühungen
wurde unternommen, um stark spezifische Glycosidierungen von Verbindungen
der allgemeinen Formel (I) und verwandten colchicinoiden Verbindungen,
entweder mit Hilfe von chemischen Reaktionen oder durch Biotransformation,
zu erhalten.
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Der
chemische Weg besteht in Folgen von komplizierten unspezifischen
Reaktionen, die, nicht selektiv verschiedene Molekülstellen
einbeziehend, zu einem Gemisch von glycosidierten Derivaten führen, wobei
einige davon unwirksam sind. Deshalb sind die Umwandlungsausbeuten
zu dem wirksamen Produkt, das speziell am C-3 des aromatischen Rings
glycosidiert ist, sehr niedrig.
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Der
biologische Ansatz betrifft im Wesentlichen die Biotransformation
von colchicinoiden Verbindungen (die indi rekt mit Colchiconverbindungen
verwandt sind), wie Colchicin und Thiocolchicin, durch eine Kultur von Centella Asiatica, zu am C-2
und C-3 des aromatischen Rings monoglycosidierten Derivaten; wobei
eine solche Transformation deshalb nicht sehr selektiv ist und spärliche Ausbeuten
und Produktivität
bereitstellt (Solet, J.M., et al., Phytochemistry 33, 4, 817–820, 1993).
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Andere
Bemühungen,
colchicinoide Verbindungen zu biotransformieren, ergaben einfache
Demethylierungen der an den aromatischen Ring (am C-2 und am C-3)
gebundenen Methoxygruppen, durchweg immer gekennzeichnet durch begrenzte
Ausbeuten und Produktivität
und durch eine schlechte Regioselektivität.
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Somit
versuchten Hufford C.D. et al. (J. Pharm. Sc., 68, 10, 1239–1242, 1979),
unter Anwendung von Streptomyces griseus und/oder Streptomyces spectabilis, und Bellet P.
et al. (GB-923421, 1959), unter Anwendung von verschiedenen Stämmen von Streptomyces und von anderen
Spezies von Bakterien und Pilzen, Colchicin und seine Derivate in
die entsprechenden 3-demethylierten Derivate zu transformieren.
Die Ergebnisse dieser bekannten Verfahren bestätigen, was vorstehend in Verbindung
mit der Nichtselektivität
der einbezogenen mikrobiellen Enzyme, beispielsweise am C-2, C-3
oder C-10 des Alkaloidmoleküls,
angegeben wurde. Darüber
hinaus sind die Produktivitätsanteile
der katalytischen Systeme aufgrund der niedrigen Umwandlungsausbeuten,
der verminderten Substratkonzentrationen, die angewendet werden
können,
und des häufigen
Abbaus von dem Tropolonring eher schlecht.
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Vor
kurzem haben Poulev et al. (J. Ferment. Bioeng. 79, 1, 33–38, 1995)
die spezifische Demethylierung durch Anwendung von bakteriellen
Mikroorganismen erhalten, jedoch immer noch mit schlechten Ausbeuten
und schlechter Produktivität.
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Die
Enzymaktivität
von Mikroorganismen, die ähnlich
zu den vorstehend erwähnten
sind (Streptomyces, Bacillus, usw.), wurde auf die Biotransformation
von anderen Verbindun gen, wie Maytansinoiden (US-Patent 4 361 650:
Izawa, M. et al., J. Antibiotics, 34, 12, 1587–1590, 1981), angewendet. In
diesem Fall bestand auch die katalysierte Reaktion ausschließlich in
einer Demethylierung, die sich durch niedrige Umwandlungsausbeuten
und Produktivität
auszeichnet.
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Glycosyltransferaseaktivitäten von α-Amylase
von Ba cillus megaterium-Stämmen wurde beschrieben (Brumm
P.J., et al., Starch, 43, 8, 319–323, 1991), wobei die Akzeptorspezifität (ausschließlich Glucose
oder Glucoside) besonders hoch ist. Cyclodextrin-Glucosyltransferasen,
die durch die gleiche mikrobielle Quelle hergestellt wurden, katalysieren
eine α-1,4-Transglucosylierung
von Rubusosoid (13-O-β-D-Glucosylsteviol-β-D-glucosylester),
ausgehend von Stärke.
Auch in dieser Biotransformation ist der Akzeptor für die Transferasereaktion
die Substratglucidfraktion (Darise, M., et al., Agric. Bioel. Chem.,
48, 10, 2483–2488,
1984). Cyclodextrin-Glycosyl-Transferasen
wurden früher
für die
Herstellung von Cyclodextrinen G6 und G8 aus Stärke verwendet (Kitahata, S.,
Okada, S., Agric. Biol. Chem., 38, 12, 2413–2417, 1974).
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Diese
Beispiele zeigen die hohe Substratspezifität der durch Bacillus megaterium exprimierten Glycosyltransferaseaktivitäten, welche
nur Glucosylakzeptoren einbeziehen, wodurch es nicht möglich ist,
irgendwelche Reaktionen an sekundären Metaboliten mit einer anderen,
komplizierten Molekülstruktur,
wie Colchicone, zu erwarten. Tatsächlich sind keine Beispiele
für die
Verwendung der Mikroorganismen für
die Enzymumwandlung von Colchiconverbindungen zu 3-Glycosylderivaten
bekannt.
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Es
wurde nun gefunden, dass Stämme
von Bacillus mega terium, die in der Lage sind, in Gegenwart von
hohen Konzentrationen an Colchicon (R1 =
-OCH3, R2 = -OCH3) 3-Demethylcolchicon und den entsprechenden
Thioderivaten zu wachsen, eine sehr hohe, sehr spezifische Biotransformationsaktivität der Substrate zu
ausschließlich
am C-3 des aromatischen Rings glycosydierten Derivaten aufweisen.
Solche Transformation findet in sehr kurzen Zeiträumen statt
und zeichnet sich durch überraschend
hohe Ausbeuten aus.
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Deshalb
betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung von 3-O-Glycosylcolchiconverbindungen der
Formel (I):
worin R
1 einen
Glycosidrest, insbesondere einen O-Glucosidrest, darstellt, R
2 C
1-C
6-Alkoxy oder
C
1-C
6-Thioalkyl
darstellt, das die Biotransformation von Verbindungen, worin R
1 OH oder Methoxy darstellt, mit Hilfe von Bacillus
megaterium umfasst.
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Bacillus megaterium ist ein
gram-positives, Sporen erzeugendes Bakterium mit einem Zellendurchmesser
von mehr als 1,0 μm,
das aerob auf einer Vielzahl von Kulturmedien wächst; Katalase-positiv; hydrolysiert
Gelatine. Es hat sich erwiesen, dass Stämme von Bacillus megaterium, die erfindungsgemäß verwendet werden
können,
befriedigend wachsen können
und auch bei hohen Konzentrationen von Colchicon, Thiocolchicon
(R1 = -OCH3, R2 = -SCH3) bzw. 3-Demethylderivaten
(oberhalb 2 g/l) lebensfähig
gehalten werden können,
wie durch die Prüfung
des Wachstums und Mikroskopanalyse verdeutlicht wurde. Stammverwandte
Spezies, wie Bacillus cereus,
zeigen schon bei Substratkonzentrationen von 1 g/l Schwierigkeiten
beim Wachsen (Absorptionen von 10–15 % in der Kontrolle).
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Die
hohe Selektivität
und Effizienz der Biotransformation ist überraschend und ungewöhnlich,
da die Ausbeuteanteile im Bereich von 70 % bis 95 % liegen.
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Darüber hinaus
sind die bei der Biokonversion verwendeten Mikroorganismen in der
Lage, die katalytische Aktivität
auch bei wiederholten Fermentationsschritten permanent zu halten,
wodurch die spezifische Biokonversion in chargenweise und kontinuierlich
gespeisten Verfahren bereitgestellt wird. Deshalb liefert dieses Verfahren
einen hohen Grad an Produktivität
und Reproduzierbarkeit.
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Die
ausgeprägte
Regioselektivität
der Reaktion gewährleistet
zusätzlich
zu den bemerkenswerten Herstellungsausbeuten eine hohe Qualität und Reinheit
des erhaltenen Produkts, wodurch dasselbe in einer 100 %igen Reinheit
in einer einfachen Stromabwärtsverarbeitung
bereitgestellt wird.
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Weiterhin
sind wichtige Vorteile das verminderte Auftreten des Schritts zur
Reinigung und Wiedergewinnung des Produkts, die Ökonomie des Verfahrens und
die Erschwinglichkeit und Sicherheit der Verwendung.
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Die
in dem erfindungsgemäßen Verfahren
verwendbaren Arbeitsfolgen umfassen:
- A) – Auswahl
von Kulturen von Bacillus megaterium, die in Gegenwart von hohen
Konzentrationen von Colchiconsubstrat wachsen können, ausgehend von natürlichen
Quellen oder von Stämmen
aus Sammlungen.
- B) – Auswahl
von Isolaten von A), um die katalytische Transformations-Aktivität zu den
entsprechenden 3-O-Glycosylderivaten mit Hilfe von Biokonversionsassays
an den spezifischen Substraten, die in allmählich ansteigenden Konzentrationen
verabreicht werden, zu bewerten.
- C) – Mikrobiologische
Charakterisierung der in B) ausgewählten Stämme.
- D) – Allmähliche Erhöhung der
Biotransformationsausbeute mit Hilfe einer zielspezifischen Auswahl
der bakteriellen Population von B).
- E) – Untersuchung
und Optimierung der kritischen Fermentationsparameter, um die Biotransformation
zu optimieren.
- F) – Untersuchung
und Optimierung der Verfahren für
die Konservierung der stark produktiven Kulturen, um stabile, homogene
Inokula für
produktive Anwendungen im industriellen Maßstab zu garantieren.
- G) – Maßstabvergrößerung des
Verfahrens im Fermenter, im Chargen-, chargenweise und kontinuierlich zugeführten Verfahren.
- H) – Aufarbeitung
und Optimierung der Verfahren für
das Stromabwärtsverarbeiten
und für
die Gewinnung des Produkts.
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Insbesondere
können
die in der vorliegenden Erfindung verwendbaren Mikroorganismen,
ausgehend von Sammlungskulturen, die von Stammhinterlegungszentren
erhalten werden, oder von Bodenproben verschiedenen Ursprungs, oder
von vorausgewählten
industriellen Stämmen,
durch selektive Gewinnung auf verschiedenen Agarmedien, die eine
organische Stickstoffquelle (Peptone, Hefeextrakte, Fleischextrakte,
Asparagin, usw.), eine Kohlenstoffquelle (Glycerin, Stärke, Maltose,
Glucose, usw.), mit pH 5 bis 8, vorzugsweise 6–7, enthalten, ausgewählt werden.
Die Inkubationstemperatur liegt im Bereich von 20° bis 45°C, vorzugsweise
28° bis
40°C.
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Die
Fähigkeit
der Kultur, in Gegenwart von toxischen Konzentrationen des zu transformierenden
colchiconischen Substrats zu wachsen, wird durch Techniken bewertet,
wie skalare Verdünnung
und paralleles Plattieren auf verschiedenen Agarsubstraten, wobei
ein Teil davon vorher mit der colchiconischen Verbindung (beispielsweise
3-Demethylthiocolchicon) in Konzentrationen von 0,1 bis 3 g/l versetzt
wurde (um das Wachstum des Hauptteils der Mikroorganismen zu inhibieren).
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Die
Kolonien, die in den beschriebenen Bedingungen wachsen können, werden
im Sterilen abgezogen und auf verschiedenen Agarmedien angeordnet,
um deren Reinheit und die Homogenität des Wachstums zu verifizieren.
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Die
für die
Konservierung der Kultur verwendeten Kulturmedien sind typischerweise
mikrobiologische Substrate, die organische Stickstoffquellen (Peptone,
Hefeextrakte, Trypton, Fleischextrakte, usw.), eine Kohlenstoffquelle
(Glucose, Maltose, Glycerin, usw.), bei pH 5 bis 8, vorzugsweise
6–7, enthalten.
Die Inkubationstemperatur liegt im Bereich von 20° bis 45°C, vorzugsweise
28° bis
40°C.
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Die
ausgewählten
Mikroorganismen werden dann auf die Fähigkeit des Wachsens in Tauchkultur
bzw. submerser Kultur, in Gegenwart von colchiconischen Verbindungen,
und des Transformierens der Letzteren in die entsprechenden 3-Glycosylderivate
bewertet.
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Die
Assays wurden in 100 ml-Kolben, die 20 ml flüssiges Medium enthalten, mit
verschiedenen Mediumformulierungen, umfassend eine oder mehrere
organische Stickstoffquellen (Hefeextrakte, Peptone, Trypton, Caseinhydrolysate,
Fleischextrakt, Maisquellwasser, usw.), eine oder mehrere Kohlenstoffquellen
(Glucose, Glycerin, Stärke,
Saccharose, usw.), anorganische Phosphor- und Stickstoffquellen
und anorganische Salze von verschiedenen Ionen (K+,
Na+, Mg++, Ca++, Fe++, Mn++, usw.) ausgeführt.
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Die
Kulturproben können
gegebenenfalls mutagenen Behandlungen mit Hilfe der herkömmlichen
Mutagenesetechniken (Bestrahlung mit UV-Strahlen, usw.) unterzogen
werden, um Mutanten mit einer spezifischen Biokonversionsaktivität, die mit
dem gleichen Verfahren, wie vorstehend, bewertet werden können, einzuführen.
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Kulturproben
von jedem Biokonversionsassay wurden analysiert, um die Herstellung
von 3-Glycosylderivaten mit Hilfe von DC- und HPLC-Analyse zu bewerten.
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Die
Fähigkeit
des ausgewählten
Mikroorganismus zum Transformieren von Colchiconsubstraten in die entsprechenden
3-Glycosylderivate wurde mit Hilfe von Biokonversionsassays in Kolben
in einer Größe von 300
ml in den gleichen Kulturbrühen,
wie in dem Auswahlschritt verwendet, bestätigt.
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Die
Mikroorganismen, die eine positive Reaktion ergaben, wurden in Tests
für die
Optimierung der Biokonversion in verschiedenen Kulturbrühen in einem
300 ml-Maßstab
verwendet. Die Hauptkultur- und Fermentationsparameter, die untersucht
wurden, sind: organische Stickstoffquellen, Kohlenstoffquellen,
Mineralsalze, Temperatur, Rühren-Belüftung, pH-Wert,
Inkubationszeit, Inokulumverhältnis,
Subkulturschritte, Zeit und Form der Zugabe von dem zu überführenden
Substrat. Die ausgewählten
bakteriellen Mikroorganismen, die Biotransformation der vorliegenden
Erfindung bewirken können,
können
auf sowohl festen als auch flüssigen
Kultursubstraten, die eine oder mehrere organische Stickstoffquellen
enthalten, vorzugsweise Hefeextrakt, Fleischextrakt, Pepton, Trypton,
Caseinhydrolysate, Maisquellwasser, usw., wachsen. Für das Wachstum und
die Biotransformation verwendbare Kohlenstoffquellen sind Glucose,
Fructose, Saccharose, Glycerin, Maisextrakt, usw., vorzugsweise
Glucose, Fructose und Glycerin. Das Kulturmedium enthält darüber hinaus anorganische
Phosphorquellen und Salze von K+, Na+, Mg++, NH4 +, usw.
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Die
ausgewählten
Mikroorganismen können
bei Temperaturen von 20° bis
45°C, vorzugsweise
28° bis 40°C, bei einem
pH-Wert zwischen 5 und 8, vorzugsweise 6–7, wachsen. Unter den gleichen
Bedingungen können
die betrachteten Mikroorganismen die colchiconischen Verbindungen
in die entsprechenden 3-Glycosylderivate transformieren. Die Transformationen
finden in Tauchkultur, in Kolben, die an einem Rotationsschüttler inkubiert
wurden, unter Rühren
bei 150 bis 250 U/min statt.
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Aufgrund
der besonderen, die Biotransformation betreffenden Kinetik, die
mit dem mikrobiellen Wachstum in Bezug steht, sind die optimalen
Bedingungen für
die Zwecke der Biotransformation die gleichen Bedingungen, die das
Optimum für
das Wachstum sind. Deshalb sind für das Fördern eines guten mikrobiellen Wachstums
verwendbare Kulurmedien, wie jene, die auf den vorstehend angeführten organischen
und anorganischen Komponenten basieren, auch für eine gute Aktivität der Biotransformation
des betreffenden Substrats verwendbar. Das Letztere wird zu der
Kultur in dem Ausgangsfermentationsschritt gegeben, oder in fraktionellen
aliquoten Mengen, ausgehend von dem Beginn der Fermentation.
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Die
erfindungsgemäße Biotransformation
basiert auf einer Enzymumwandlung, die während der Exponentialwachstumsphase
beginnt und sich mit einem Parallelwachstum zu jenem des Wachstums
fortsetzt, wobei die maximalen Anteile der Um wandlung zu 3-Glycosylderivat
(sehr hoch: bis zu 95 %) innerhalb der ersten 48–72 Stunden in Abhängigkeit
von der Zugabezeit des Substrats erreicht werden. Die Regioselektivität der Biotransformation
ist absolut: kein Vorliegen von 2-Glycosylderivaten wurde in den
Kulturproben gezeigt. Die erhaltenen Produkte sind ausschließlich extrazellulär.
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Das
zu transformierende Substrat kann in Aceton oder Alkohollösung, in
Alkohol-Wasser-Gemischen, in Dioxan, usw. zugesetzt werden. Die
erfindungsgemäße Biotransformation
wird auf Fermenterniveau maßstabsgetreu
erhöht,
unter Halten der Kultur bei unveränderten Bedingungen, insbesondere,
insofern das Kulturmedium, die Temperatur und Verarbeitungszeiten
betroffen sind. Um gutes Wachstum zu erhalten, sind ein hinreichender
Grad von Rühren-Belüftung wichtig;
insbesondere sind Belüftungsanteile
von 1–2
Litern Luft pro Liter Kultur pro Minute (VVM), vorzugsweise sind
1,5–2
VVM, erforderlich.
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Die
sich aus der Biokonversion ergebenden Produkte werden aus den Kulturbrühen nach
Abtrennung der Biomasse aus der flüssigen Fraktion durch Zentrifugierung
und Wiedergewinnung des Überstandes
oder Mikrofiltration und Gewinnung des Permeats extrahiert. Die
Kultur kann im Hinblick auf eine optimale Gewinnung des Produkts
mit Alkoholen behandelt werden.
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Die
Reinigung und die Gewinnung der Biotransformationsprodukte kann
unter Anwendung von chromatographischen Techniken für die Trennung
an Absorptionsharzen und Elution mit Alkoholen, vorzugsweise mit
Methanol, ausgeführt
werden. Die Hydromethanollösungen,
die das Produkt enthalten, können
weiter durch Extraktion mit lipophilen organischen Lösungsmitteln,
vorzugsweise mit Methylenchlorid, gereinigt werden. Nach weiteren
Behandlungen mit Gemischen von Alkoholen und organischen Lösungsmitteln
kann das Produkt in dem reinen Zustand aus den erhaltenen Alkohollösungen durch
Kristallisation erhalten werden. Glucose kann durch andere Zucker,
wie Fructose oder Galactose, ohne Verursachen des Verlusts der Glycosyltransferaseaktivität ersetzt
werden.
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Die
nachstehenden Beispiele offenbaren die Erfindung weiterhin genauer.
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BEISPIEL 1
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Aliquote
Mengen der Kulturen von Bacillus
megaterium, isoliert aus landwirtschaftlichem Boden, werden
in 20 ml steriler Salzlösung
resuspendiert und einer maßstabsmäßigen Verdünnung auf
einen 1:10 000 000 Verdünnungsfaktor
unterzogen. Die Suspensionen bei verschiedenen Verdünnungen
werden auf LB-Agarkulturmedium bzw. auf LB-Agar, versetzt mit Thiocolchicon
oder 3-Demethylthiocolchicon, zu einer Endkonzentration von 2 g/l
(siehe Tabelle) auf Platten angeordnet. Die Kulturen werden bei
+28°C für 3–4 Tage im
Dunkeln inkubiert. Die auf dem selektiven Medium gewachsenen Kolonien,
die mit der Colchiconverbindung versetzt werden, werden isoliert
und mit Hilfe des Auftragens auf Platten auf nichtselektives Medium
gereinigt, wobei die Proben wie vorstehend, jedoch für eine kürzere Zeit
(24 Stunden) inkubiert werden.
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Anschließend werden
die Kulturen zu dem gleichen Agarmedium in ein Teströhrchen überführt und
wie vorstehend für
24 Stunden inkubiert.
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Aliquote
Mengen der Kulturen, ausgewählt
wie beschrieben, werden verwendet, um 100 ml-Erlenmeyer-Kolben,
die 20 ml Kulturmedium ST (Tabelle), versetzt mit Thiocolchicon
oder 3-Demethylthiocolchicon zu einer 0,4 mg/ml Endkonzentration,
enthalten, zu inokulieren. Die Kulturen werden über Nacht bei 28°C an einem
Rotationsschüttler
bei 200 U/min inkubiert.
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Die
Transformation von dem Colchiconsubstrat wird durch Analyse der
aliquoten Mengen von Kulturbrühen,
die alle 3–4
Stunden genommen wurden, durch DC an Kieselgel, mit einem Aceton:Essigsäureethylester:Wasser
5:4:1 Elutionsmittelsystem, überprüft.
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Nach
4 Tagen Inkubation werden aliquote Mengen der Kulturen, die eine
klare katalytische Aktivität zum
3-Glycosylderivat zeigten, auf Platten mit Hilfe einer skalaren Verdünnung, wie
vorstehend beschrieben, für
die Herstellung von neuen Inokula in Teströhrchen gewonnen. Das Biotransformationsassay
in dem Kolben wird unter den gleichen, wie vorstehenden Bedingungen
wiederholt, jedoch unter Verwendung von deutlich höheren Endkonzentrationen
von Thiocolchicon und 3-Demethylthiocolchicon
(1 mg/ml). Die aktivsten Einzelkulturen (Substratumwandlung, gleich
oder höher
als 70 %) werden für
die Herstellung von Inokula in gefrorenen Cryoröhrchen verwendet.
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Formulierung
der Kulturmedien Tabelle
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BEISPIEL 2
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Das
in Beispiel 1 beschriebene Verfahren wird wiederholt, ausgehend
von
Bacillus megaterium-Kulturen,
die sich von den nachstehenden Sammlungsstämmen ableiten (Deutsche Sammlung
von Mikroorganismen, Braunschweig, Deutschland):
DSM | 90 |
DSM | 322 |
DSM | 333 |
DSM | 1667 |
DSM | 1670 |
DSM | 1671. |
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Die
wie in Beispiel 1 ausgewählten
und mit Thiocolchicon (1 mg/ml) versetzten Kulturen werden 4 Tage in
Flüssigkultur
inkubiert: Die DC-Analyse weist die stattgefundene Transformation
des Substrats in Thiocolchicoson nach, wobei die Umwandlungsausbeuten
von 30 bis 70 % variieren.
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BEISPIEL 3
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Aliquote
Mengen von Kulturproben in Teströhrchen
bzw. Reagenzgläsern,
ausgewählt
wie in dem vorstehenden Beispiel beschrieben, werden verwendet,
um 100 ml-Erlenmeyer-Kolben, die 20 ml Brühe ST enthalten, zu inokulieren.
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Die
Kulturbrühen
werden bei +30°C
an einem Rotationsschüttler
bei 200 U/min über
Nacht inkubiert. Nach Inkubation werden die Kulturen mit einer sterilen
Glycerinlösung
zu einer 20 %igen Endkonzentration gegeben. Die Kulturen werden
dann in 2 ml-Cryoröhrchen
dispergiert und sofort in flüssigen
Stickstoff getaucht.
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Nach
einigen Tagen werden 10 % der Kulturen bei 37°C schnell aufgetaut. Aliquote
Mengen von jedem Cryoröhrchen
werden verwendet, um 100 ml-Erlenmeyer-Kolben, die 20 ml Medium
ST enthalten, zu inokulieren, welche anschließend bei +28°C über Nacht
(Vorkultur) bei 200 U/min inkubiert werden. Nach Inkubation werden
2 ml von jeder Vorkultur steril in 20 ml frisches Medium ST überführt, mit
3-Demethylthiocolchicon zu einer 1 g/l Endkonzentration versetzt.
Die Biotransformation wird ausgeführt und in den in Beispiel
1 beschriebenen Bedingungen überprüft. Die
Analyse bestätigte,
dass die Transformation von dem Substrat in das 3-Glycosylderivat
in dem quantitativen Bezug, der vorstehend beschrieben wurde (70
% und höher),
stattfand, wodurch die gefrorenen Kulturen die katalytischen Stabilität aufzeigen.
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Parallele
Kontrollen der Kulturbrühen,
die auf LB-Agar,
unmittelbar nach Auftauen, plattiert wurden, bestätigen die
Lebensfähigkeit,
Homogenität
und Reinheit der gefrorenen Kulturen.
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BEISPIEL 4
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Aliquote
Mengen von Kulturproben in Cryoröhrchen
werden nach dem Auftauen zum Inokulieren von 300 ml-Erlenmeyer-Kolben, die 50 ml
Medium ST (Vorkultur) enthalten, verwendet. Nach Inkubation über Nacht
bei 30°C,
250 U/min, werden 5 ml Vorkultur in 50 ml des gleichen Mediums,
das mit 3-Demethylthiocolchicon zu einer 1 g/l Endkonzentration
versetzt wurde, überführt. Die
Kulturen werden 4 Tage unter den gleichen, wie vorstehend beschriebenen
Bedingungen inkubiert.
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Alle
4 Stunden werden Proben genommen, um das Wachstumsniveau (Messen
der Absorption bei 600 nm), die Thiocolchicosonherstellung (DC und
HPLC), die Sterilität
(auf LB Agar) und die morphologische Mikroskopprüfung, zu bewerten.
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DC-Analyse
wird, wie in Beispiel 1 beschrieben, ausgeführt. Für die HPLC-Analyse werden 1
ml-Fraktionen von Kulturbrühen
mit 9 ml Methanol versetzt und bei 13 000 U/min für 2 Minuten
zentrifugiert. Der Gehalt an 3-Glycosylderivat des Überstands
wird durch Umkehrphasen-HPLC, mit isokratischer Elution, mit Hilfe
von dem Wasser:Acetonitril-80:20-Elutionsmittelsystem, analysiert.
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Die
HPLC-Analyse zeigte, dass nach 72–96 Stunden die Biokonversion
von Substrat zu Thiocolchison im Wesentlichen vollständig ist.
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Die
Endausbeuten für
das 3-Glucosyl-Derivat, das
durch Biokonversion erhalten wurde, liegt im Bereich von 70 bis
85 %.
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BEISPIEL 5
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Das
in Beispiel 4 beschriebene Verfahren wird wiederholt, jedoch wird
3-Demethylthiocolchicon zu den Kulturen in zwei Fraktionen: 0,25
g/l am Beginn und 0,74 g/l nach 24 Stunden gegeben.
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Die
Wachstums- und Herstellungsreaktionen der Kulturen sind ähnlich zu
jenen, die in Beispiel 4 mit Thiocolchisonausbeuten von etwa 90
% erhalten werden.
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BEISPIEL 6
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Ein
Liter von ST-Brühe
in Erlenmeyer-Kolben (Inokulum) wird mit einer Cryorohrkultur inokuliert.
Die Kolben werden über
Nacht bei 30°C,
250 U/min, inkubiert. Das Inokulum wird steril zu einem 14 Liter-Fermenter,
der 9 l sterile Brühe
STL enthält, überführt. 3-Demethylthiocolchicon
wird zu 1 g/l Endkonzentration (25 % am Beginn, der Rest nach 20
Stunden) gegeben. Die Fermentation wird unter Halten eines geeigneten
Grads an Rühren-Belüftung (Rühren bis
zu 900 U/min; Belüftung
1 bis 1,5 VVM, in Abhängigkeit
vom Kulturwachstum), ausgeführt.
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Alle
2 Stunden werden Proben aus den Kulturbrühen genommen und der nachstehenden
Analyse unterzogen:
- – optische Dichte (OD) bei
600 nm;
- – Sterilitäts- und
Reinheitsanalyse des Stamms (auf LB Agar);
- – Mikroskopmorphologie
(Ggram-Färbung);
- – Analyse
des Thiocolchicosongehalts durch DC und HPLC, wie in Beispielen
1 bzw. 4 beschrieben.
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Nach
48 Stunden Fermentation ist die Transformation von dem Substrat
in Thiocolchison fast beendet. Die Endausbeute ist etwa 85 %.
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BEISPIEL 7
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Das
in Beispiel 6 beschriebene Verfahren wird wiederholt, jedoch nach
48 Stunden Fermentation werden nur 90 % der Kulturbrühen gewonnen,
um das Produkt (Fraktion 1) zu extra hieren. Die restlichen 10 % werden
steril in den Fermenter mit 9 l frischem, sterilem Medium ST, das
10 g 3-Demethylthiocolchicon enthält, gegeben. Die Fermentation
wird, wie in Beispiel 6 beschrieben, ausgeführt. Nach 48 Stunden werden
9 l Kulturbrühe
gesammelt und extrahiert (Fraktion 2). Das Restvolumen der Kulturbrühen wird
steril mit 9 weiteren Litern sterilem, frischem Medium ST, das frisches
3-Demethylthiocolchicon (10 g) enthält, versetzt. Die Fermentation
wird wie vorstehend ausgeführt.
Nach 48 Stunden wird die Kulturbrühe vollständig gesammelt und extrahiert
(Fraktion 3). Die Biotransformationsaktivität des Stamms bleibt für die gesamten
drei Durchläufe
mit Umwandlungsausbeuten von etwa 80 % stabil.
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BEISPIEL 8
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Die
Endkulturbrühe
von der Fermentation (Gesamtvolumen: etwa 27 l) wird unter Vakuum
zu einem weichen Rückstand
aufkonzentriert und in Ethanol aufgenommen.
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Nach
Abtrennung durch Filtration wird die Wasser-Ethanol-Fraktion zu Wasser unter Vakuum
aufkonzentriert und durch wiederholte Extraktionen mit Methylenchlorid
gereinigt. Die wässrigen
Fraktionen werden aufkonzentriert und nach Einstellen auf pH 10
mit Natriumhydroxid mit Chlormethylen-Ethanol-Gemischen extrahiert.
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Die
vereinigten organischen Phasen werden unter Vakuum aufkonzentriert.
Die erhaltene Suspension wird mit Ethanol versetzt, aufkonzentriert
und kristallisieren lassen. Eine zweite Kristallisation mit Ethanol
wird nach weiteren Wiederauflösungsschritten
des Feststoffs in Chlormethylen-Ethanol-Gemischen ausgeführt.