DE69835957T2 - Methoden zur isolation von proteinaseinhibitor proteinen von kartoffel knollen - Google Patents

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    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C07ORGANIC CHEMISTRY
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    • C07K14/00Peptides having more than 20 amino acids; Gastrins; Somatostatins; Melanotropins; Derivatives thereof
    • C07K14/81Protease inhibitors
    • C07K14/8107Endopeptidase (E.C. 3.4.21-99) inhibitors
    • C07K14/811Serine protease (E.C. 3.4.21) inhibitors
    • C07K14/8114Kunitz type inhibitors
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    • C07K14/81Protease inhibitors
    • C07K14/8107Endopeptidase (E.C. 3.4.21-99) inhibitors
    • C07K14/811Serine protease (E.C. 3.4.21) inhibitors

Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Diese Erfindung ist allgemein auf Verfahren zur Isolierung von Protease-Inhibitor-Proteinen aus Pflanzengeweben und ganz besonders auf die Isolierung von wärmebeständigen Protease-Inhibitor-Proteinen aus Kartoffelknollen gerichtet.
  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Bei Knollen von Nachtschattengewächsen wie zum Beispiel der Kartoffel handelt es sich um eine reichliche Quelle eines werten Bereichs von Klassen von Protease-Inhibitor-Proteinen. Viele dieser Proteine hemmen die Aktivität von Verdauungsproteasen, wie zum Beispiel Trypsin und Chymotrypsin, die sowohl in Insekten als auch in Säugetieren natürlich vorkommen. Durch Stören des natürlichen Verdauungsvorgangs bilden Protease-Inhibitoren einen Teil der natürlichen Verteidigung einer Pflanze gegen Nahrungssuche durch Pflanzenfresser. Aus dem gleichen Grund finden Protease-Inhibitoren Anwendung in der Schädlingsbekämpfungsindustrie zur Bekämpfung von Insekten wie zum Beispiel Feuerameisen. Weil sie auch menschliche Verdauungsproteasen hemmen, sind diese Inhibitoren zusätzlich in der pharmazeutischen Industrie zur Kontrolle von Fettleibigkeit und Diabetes von Wert.
  • Kartoffelknollen sind eine Hauptquelle für die Untersuchung und Herstellung von Protease-Inhibitoren. Bei einigen der in Kartoffelknollen vorliegenden Protease-Inhibitoren handelt es sich um die wärmebeständige Art. Unter diesen sind zwei Protease-Inhibitoren des Kunitz-Typs mit einer Mr der Untereinheiten von etwa 20 und 20,5 kD, die sowohl Trypsin als auch Chymotrypsin hemmen (Walsh und Twichell, Plant Physiol. 97: 15–18, 1991). Bei dem kleineren Protein handelt es sich um einen starken Inhibitor von Chymotrypsin und einen schwachen Inhibitor von Trypsin. Bei dem größeren Protein handelt es sich um einen starken Inhibitor von Trypsin. Andere wärmebeständige Protease-Inhibitoren schließen einen mit einer Mr der Untereinheiten von etwa 9,5 kD (als Protease-Inhibitor I bezeichnet), bei dem es sich um einen starken Inhibitor von Chymotrypsin handelt (Melville und Ryan, J. Biol. Chem. 247: 3445–3453, 1972), und einen weiteren mit einer Mr der Untereinheiten von etwa 10,5 kD (als Protease-Inhibitor II bezeichnet) ein, bei dem es sich um einen starken Inhibitor von sowohl Chymotrypsin als auch Trypsin handelt (Bryant, Green und Ryan, Biochemistry 15: 3418–3424, 1976).
  • Frühere Verfahren zur Herstellung dieser wärmebeständigen Protease-Inhibitoren haben zahlreiche Schritte einbezogen, einschließlich: Extraktion in Anwesenheit von Dithionat, Wärme, Ammoniumsulfat-Präzipitation und Chromatographie (Walsh und Twichell, Plant Physiol. 97: 15–18, 1991; Melville und Ryan, J. Biol. Chem. 247: 3445–3453, 1972; Bryant, Green und Ryan, Biochemistry 15: 3418–3424, 1976; Ryan und Kassell, Methods in Enz. XIX: 883–889, 1970, Pearce und Ryan, Anal. Biochem. 130: 223–225, 1983). Unglücklicherweise sind diese Verfahren beschwerlich, mühsam, zeitraubend, teuer und produzieren relativ niedrige Ausbeuten wärmebeständiger Protease-Inhibitoren. Ein Hauptproblem ist, dass anfängliche Extrakte ein zähflüssiges Homogenat mit schlechten Fließmerkmalen bilden, was zu Schwierigkeiten bei anschließenden Verfahrensschritten, besonders Filtration, Ammoniumsulfat-Präzipitation und Resolubilisierung führt. Die zähflüssige Konsistenz erfordert manchmal die Verwendung einer Filtration unter Druck, besonders bei Extraktionen in größerem Maßstab (Ryan und Kassell, 1970). Darüberhinaus reduziert die zähflüssige Konsistenz die Ausbeute wegen der Schwierigkeit, Material vollständig aus der Paste zu gewinnen. Diese frühreren Verfahren sind auch nachteilig, weil sie zum Ausführen Fachpersonal erfordern und oft einige Tage zum Fertigstellen brauchen.
  • Dementsprechend gibt es auf dem Fachgebiet einen Bedarf für ein Verfahren zum Isolieren von Protease-Inhibitoren aus Pflanzengewebe, besonders Kartoffelknollen, welches das Problem des zähflüssigen Extrakts überwindet, den Bedarf für eine Ammoniumsulfat-Präzipitation eliminiert, schnell, preiswert, einfach auszuführen und in jedem Maßstab vom Labor bis zur großtechnischen Fertigung leicht zu erreichen ist. Die vorliegende Erfindung erfüllt diese Bedürfnisse und stellt andere damit zusammenhängende Vorteile bereit.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • In Kürze betrifft diese Erfindung, wie in den Ansprüchen definiert, schnelle und einfache Verfahren zum Isolieren wärmebeständiger Protease-Inhibitor-Proteine aus Pflanzengeweben, die dasselbe enthalten, insbesondere Kartoffelknollen. Das Verfahren umfasst drei Schritte. Als Erstes werden Proteine aus Kartoffelknollen in löslicher Form in ein wässriges/alkoholisches Extraktionsmedium, wie zum Beispiel verdünnte Ameisensäure und 20% Ethanol, extrahiert. Die Anwesenheit von Ethanol im Extraktionsmedium wandelt das sonst zähflüssige Homogenat zu einem glatt fließenden Alkoholextrakt um, der leicht handzuhaben und insbesondere leicht zu filtrieren ist. Als Zweites wird der Alkohol auf eine erste Temperatur erwärmt, dann auf eine zweite Temperatur abgekühlt. Erwärmen in Anwesenheit von Alkohol denaturiert die meisten unerwünschten Proteine in dem Alkoholextrakt und anschließendes Abkühlen führt zur Bildung einer Präzipitatphase, die aus Trümmern besteht, und einer löslichen Phase, welche die wärmebeständigen Protease-Inhibitor-Proteine enthält. Als Drittes werden die wärmebeständigen Protease-Inhibitor-Proteine durch Dialyse gegen ein geeignetes Dialysemedium, wie zum Beispiel verdünnte Ameisensäure oder Wasser, gefolgt von verdünnter Ameisensäure, aus der löslichen Phase präzipitiert. Bei den präzipitierten Proteinen kann es sich entweder um ein einzelnes Inhibitor-Protein – Protease-Inhibitor II – handeln, oder um ein Gemisch von Protease-Inhibitor II und zwei Kunitz-Protease-Inhibitoren (einer am aktivsten gegen Trypsin und der andere am aktivsten gegen Chymotrypsin). Die präzipitierten Protease-Inhibitor-Proteine sind von der Masse anderer Proteine und anderer Bestandteile, die ursprünglich in der Knolle vorliegen, frei.
  • Ob die präzipitierten Proteine den einzelnen Inhibitor oder das Gemisch von Inhibitoren ausmachen, wird durch eine einzige Modifikation bestimmt. Diese Modifikation betrifft die für den Denaturierungsschritt ausgewählte Erwärmungstemperatur. Der einzelne Inhibitor kann nach Erwärmen auf 70 °C, Kühlen auf 50 °C, gefolgt von Dialyse gegen 0,22% Ameisensäure erhalten werden. Das Inhibitor-Gemisch kann durch Erwärmen auf 50 °C, Abkühlen auf Raumtemperatur, gefolgt von Dialyse gegen Wasser erhalten werden, wobei auf die Wasserdialyse ferner die Zugabe von Ameisensäure auf 0,88% folgt.
  • Außer der Dialysezeit kann das ganze Verfahren in weniger als einer Stunde durchgeführt werden, verglichen mit den Tagen, die für das frühere Verfahren erforderlich waren. Das Verfahren ist einfach, kann durch ungelerntes technisches Personal durchgeführt werden und ist einer Durchführung in jedem Maßstab zugänglich. Es vermeidet die Verwendung von teurem Ammoniumsulfat und Chromatographieschritten und sogar der Ethanol kann wiedergewonnen werden, was die Betriebskosten des Verfahrens weiter reduziert. Das Verfahren kann 300 mg im Wesentlichen reine Protease-Inhibitor-Proteine aus einem Pfund (pound) Kartoffeln ergeben, was der Ausbeute von 150 mg weniger reinen Proteins aus 100 Pfund Kartoffeln unter Verwendung früherer Verfahren enorm überlegen ist.
  • Diese und andere Aspekte der Erfindung sind nach Bezug auf die folgende detaillierte Beschreibung und die Abbildungen offensichtlich.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Bei 1 handelt es sich um die HPLC-Analyse eines erfindungsgemäß hergestellten, repräsentativen, wärmebehandelten, wässrigen/alkoholischen Extrakts vor der Dialyse.
  • Bei 2 handelt es sich um die HPLC-Analyse eines ersten erfindungsgemäß hergestellten Protease-Inhibitor-Protein-Gemisches nach der Dialyse.
  • 3 veranschaulicht die Gelelektrophorese-Analyse eines ersten erfindungsgemäß hergestellten Protease-Inhibitor-Protein-Gemisches.
  • 4 veranschaulicht die Protease-Inhibitor-Aktivität eines ersten erfindungsgemäß hergestellten Protease-Inhibitor-Protein-Gemisches.
  • 5 veranschaulicht die Protease-Inhibitor-Aktivität eines zweiten erfindungsgemäß hergestellten Protease-Inhibitor-Protein-Gemisches.
  • Bei 6 handelt es sich um die HPLC-Analyse eines zweiten erfindungsgemäß hergestellten Protease-Inhibitor-Protein-Gemisches.
  • 7 veranschaulicht die Gelelektrophorese-Analyse eines zweiten erfindungsgemäß hergestellten Protease-Inhibitor-Protein-Gemisches.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • Wie vorstehend erwähnt, ist die vorliegende Erfindung auf die Isolierung von einem oder mehreren wärmebeständigen Protease-Inhibitor-Proteinen aus einem Pflanzengewebe gerichtet, die dasselbe enthalten. Kartoffelknollen, von denen bekannt ist, dass sie mehrere Klassen wärmebeständiger Protease-Inhibitoren reichlich enthalten, sind ein besonders gut untersuchtes Pflanzengewebe. Deshalb wird in einer Ausführungsform dieser Erfindung ein Verfahren zur Isolierung wärmebeständiger Protease-Inhibitor-Proteine aus Kartoffelknollen offenbart. Es wird Fachleuten auch offensichtlich sein, dass dieses Verfahren auf die Extraktion anderer Protease-Inhibitoren aus anderen Pflanzengeweben angepasst werden kann, vorausgesetzt, dass die Inhibitoren wärmebeständig und in einer Lösung, die Alkohol und Wasser umfasst, löslich sind. Zusätzlich zu Kartoffelknollen können repräsentative Gewebe Knollen von Süßkartoffeln oder Maniok, Blätter und Früchte von Kartoffeln, Tomaten und Leguminosen, Samen aller Pflanzenarten, sowie gentechnisch veränderte Organismen, die Protease-Inhibitor-Gene exprimieren, einschließen, sind aber nicht darauf beschränkt.
  • Bei der Durchführung dieser Erfindung schließt das Verfahren zum Herstellen von Protease-Inhibitor-Proteinen aus Pflanzengewebe drei Schritte ein.
  • Im ersten Schritt werden Proteine aus dem Gewebe in einem wässrigen/alkoholischen Extraktionsmedium extrahiert, um einen Alkohol-Extrakt zu erhalten. „Extraktion" bedeutet, die zelluläre Struktur des Pflanzengewebes zu zerstören, um die zellulären Inhalte in das Extraktionsmedium freizusetzen und zu solubilisieren. Der anfängliche Schritt der Extraktion ist im Fachgebiet allgemein als „Homogenisierung" bekannt, was einen zerstörenden mechanischen Vorgang wie zum Beispiel Zerbrechen, Mahlen, Mischen, Beschallen oder eine andere Technik umfassen kann. Bei der vorliegenden Erfindung besteht das Extraktionsmedium aus einer Lösung mit einem wässrigen Anteil und einem Alkoholanteil. Der wässrige Anteil sollte idealerweise als einer ausgewählt werden, der vorzugsweise Protease-Inhibitoren solubilisiert während er gleichzeitig die Präzipitation unerwünschter Proteine und anderer aus dem Gewebe freigesetzter Makromoleküle fördert. Saure Lösungen und Lösungen, die eine hohe Salzkonzentration enthalten (mehr als 0,3 M) haben eine Tendenz, viele Makromoleküle, wie zum Beispiel Proteine und Nukleinsäuren, zu präzipitieren, während einige Protease-Inhibitoren in denselben löslich sind. Deshalb verwendet eine Ausführungsform dieser Erfindung einen wässrigen Anteil, der aus verdünnter Ameisensäure und hoher Salzkonzenration besteht. Alkohol hat auch eine Tendenz, Makromoleküle zu präzipitieren, und diese Erfindung offenbart, dass manche Protease-Inhibitoren in Lösungen, die Alkohol enthalten, löslich bleiben. Das Extraktionsmedium enthält deshalb auch einen Alkoholanteil. Der Alkohol kann während oder nach der Homogenisierung des Pflanzengewebes zum wässrigen Anteil des Extraktionsmediums gegeben werden, ohne die Ergebnisse wesentlich zu ändern. In den hierin offenbarten Ausführungsformen wird Alkohol während des Homogenisierungsvorgangs zur wässrigen Lösung gegeben.
  • Ethanol wird in den hierin beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen bei etwa 20% (Vol./Vol.) verwendet. Es kann jedoch durch andere Alkohole, einschließlich, aber nicht beschränkt auf Methanol, Propanol oder Phenol sowie andere mit Wasser mischbare organische Stoffe ersetzt werden. Ersatzalkohol(e) können durch Extrahieren eines Pflanzengewebes unter Verwendung von Medien, die eine Vielfalt von Alkoholen in einer Vielfalt von Konzentrationen umfasst, ausgewertet werden. Nach dem Abzentrifugieren der Trümmer bestimmt eine Messung der Proteinspiegel und der spezifischen Protease-Inhibitor-Aktivitäten im Überstand einen Alkoholtyp und eine Konzentration, welche die höchste spezifische Aktivität ergeben.
  • Das anfängliche Homogenat kann in einer Lösung von verdünnter Ameisensäure und Salz hergestellt werden. Kartoffelknollen können zum Beispiel in einem Medium mit einer Endkonzentration von etwa 0,2% Ameisensäure und 0,3 M NaCl in einem Mixer homogenisiert werden. Während des Homogenisierungsvorgangs wird Ethanol zugegeben. Die Zugabe von Ethanol auf diese Weise ist besonders für aus Kartoffelknollen hergestellte Extrakte nützlich, weil der Ethanol die Konsistenz des Homogenats von einer dicken stärkehaltigen Paste zu einem glatt fließenden Alkoholextrakt ändert. Dies erleichtert anschließende Handhabungen des Alkoholextrakts, wie zum Beispiel das Entfernen grober Trümmer. In den hierin beschriebenen Ausführungsformen werden Trümmer durch Pressen des Alkoholextrakts durch ein Seihtuch entfernt. Andere Wege, die Entfernung der Trümmer zu erreichen, schließen Zentrifugation, Filtration durch natürliche Materialien wie Kieselerde, Filtration durch synthetische Filter, Extrusion durch Siebnetze und andere Techniken ein, sind aber nicht darauf beschränkt.
  • Im zweiten Schritt wird der Alkoholextrakt auf eine erste Temperatur erwärmt, dann auf eine zweite Temperatur abgekühlt. Dies verursacht Denaturierung und Präzipitation vieler unerwünschter, im Extrakt vorliegender Proteine und bildet eine unlösliche Präzipitatphase und eine lösliche Phase. Denaturierung ist ein Vorgang, der sekundäre und tertiäre Strukturen von Proteinen zerstört, was verursacht, dass sie sich entfalten oder auf andere Weise ihre nativen Merkmale verlieren. Denaturierung kann irreversibel sein, wenn die Proteine nachher nicht dazu gebracht werden können, ihre nativen Merkmale wiederzugewinnen. Alkohol fördert die Denaturierung vieler Proteine, besonders in Anwesenheit von Wärme. Nach dem Abkühlen sind denaturierte Proteine anfällig zu aggregieren, um unlösliche Präzipitate zu bilden. Bei der Durchführung dieser Erfindung werden einige Protease-Inhibitoren nicht irreversibel denaturiert und bleiben löslich, wenn sie in Anwesenheit von Alkohol erwärmt und abgekühlt werden, während die meisten anderen Proteine präzipitieren. Insbesondere zeigen die hierin beschriebenen Ausführungsformen, dass einige Protease-Inhibitoren aus Kartoffelknollen in einem Alkoholextrakt, der 20% Ethanol enthält, der auf eine erste Temperatur erwärmt und auf eine zweite Temperatur abgekühlt worden ist, aktiv und löslich bleiben.
  • Im Allgemeinen sollte der Alkoholextrakt auf eine erste Temperatur erwärmt werden, die heiß genug ist, um unerwünschte Proteine zu denaturieren, aber nicht so heiß, dass sie die Protease-Inhibitoren irreversibel denaturiert. Der Extrakt sollte dann auf eine zweite Temperatur abgekühlt werden, die niedrig genug ist, um die Aggregation eines Präzipitats zu erleichtern. Nach dem Abkühlen wird sich eine unlösliche Präzipitatphase entwickeln, die denaturierte Proteine und andere Trümmer enhält. Die Präzipitatphase kann von der verbleibenden löslichen Phase durch Zentrifugation, Filtration oder ein anderes äquivalentes Verfahren getrennt werden, um eine klare lösliche Phase zu erhalten. Die lösliche Phase enthält Protease-Inhibitor-Protein.
  • Die Auswahl der ersten und zweiten Temperaturen des Erwärmungsschrittes kann den Typ des erhaltenen Inhibitors bestimmen, weil unterschiedliche Protease-Inhibitoren unterschiedliche Denaturierungs- und/oder Präzipitationseigenschaften haben. In einer Ausführungsform unter Verwendung von Alkoholextrakten von Kartoffelknollen handelt es sich bei der ersten Temperatur um 70 °C und bei der zweiten Temperatur handelt es sich um 50 °C. Dies ergibt eine Herstellung, die Protease-Inhibitor II enthält. In einer anderen Ausführungsform unter Verwendung desselben Alkoholextrakts von Kartoffelknollen handelt es sich bei der ersten Temperatur um 50 °C und bei der zweiten Temperatur handelt es sich um Raumtemperatur. Dies ergibt ein Gemisch, das drei unterschiedliche Inhibitoren enthält – Protease-Inhibitor II und zwei Kunitz-Protease-Inihibitoren, einer am aktivsten gegen Trypsin und der andere am aktivsten gegen Chymotrypsin.
  • Das Verfahren erlaubt es, die Auswahl der ersten und zweiten Temperaturen für den Erwärmungsschritt so zu modifizieren, wie es benötigt wird, um die besten Ausbeuten bestimmter Typen von Protease-Inhibitor-Proteinen und für bestimmte Arten von Pflanzengewebe zu erhalten. Zum Beispiel können in einer Ausführungsform Alkoholextrakte aus einem bestimmten Pflanzengewebe mit einer Reihe unterschiedlicher erster und zweiter Temperaturen behandelt werden. Nach dem Abzentrifugieren der Trümmer bestimmt eine Messung der Proteinspiegel und spezifischen Protease-Inhibitor-Aktivitäten im Überstand die Wärmebehandlung, welche die höchste spezifische Aktivität ergibt.
  • Der Alkohol kann nach der Wärmebehandlung des Alkoholextrakts aus der löslichen Phase wiedergewonnen werden. In einer Ausführungsform kann der Ethanol durch Verdampfen bei der zweiten Temperatur, auf die der Alkoholextrakt abgekühlt wurde, wiedergewonnen werden. In einer anderen Ausführungsform muss der Alkohol nicht wiedergewonnen werden. In beiden Fällen wird die Anwesenheit oder Abwesenheit des Alkohols keine anschließenden Schritte im Verfahren bewirken.
  • Im dritten Schritt des Verfahrens werden Protease-Inhibitoren aus der löslichen Phase durch Präzipitation mittels Dialyse gegen ein Medium gewonnen, das die Präzipitation der Inhibitoren fördert, vorzugsweise eine saure Dialyselösung, die eine protische Säure, wie zum Beispiel eine organische Säure, und stärker bevorzugt Ameisensäure einsetzt. Die Dialyse fördert nicht nur die Präzipitation zum Gewinnen der Proteine, sondern eliminiert auch kleinere Moleküle und andere Moleküle, die von früheren Schritten übertragen wurden. Die Auswahl des Dialysemediums wird teilweise durch die zu isolierenden Protease-Inhibitoren bestimmt. In einer Ausführungsform wird verdünnte Ameisensäure bei etwa 0,22% verwendet, um den Protease-Inhibitor II aus Kartoffelknollen zu gewinnen. In einer anderen Ausführungsform wird Leitungswasser bevorzugt, um ein Gemisch von drei Protease-Inhibitoren aus Kartoffelknollen zu gewinnen. Wenn Leitungswasser als Dialysemedium verwendet wird, können die Proteine durch die anschließende Zugabe von Ameisensäure auf etwa 0,88% gewonnen werden. In beiden Fällen findet die Dialyse über eine Membran mit einem Molekulargewichtsausschluss von 12.000–14.000 Dalton statt. Indem Salz, restlicher Alkohol und andere kleine Moleküle, die im löslichen Extrakt vorliegen, entfernt werden, bildet sich ein weißes Präzipitat, das die Protease-Inhibitoren enthält. In einer Ausführung im Labormaßstab sind zwölf bis 24 Stunden Dialyse zur vollständigen Präzipitatbildung ausreichend. Sie kann jedoch durch andere Dialyseverfahren, Austausch der gelösten Stoffe oder Präzipitation, die eine bessere oder schnellere Gewinnung der Protease-Inhibitoren ergeben mögen, ersetzt werden.
  • Die präzipitierten Proteine können durch Filtration, Zentrifugation oder andere Verfahren gewonnen werden. Die präzipitierten Proteine enthalten ein Gemisch von Protease-Inhibitor-Proteinen in einer Vielfalt von Reinheitsgraden. Ein oder mehrere Protease-Inhibitor-Proteine können > 90% des Gesamtproteins im Präzipitat ausmachen. Ein derartiges Präzipitat kann als ein im Wesentlichen reines Gemisch von Protease-Inhibitor-Proteinen betrachtet werden. Das Präzipitat kann in einem für eine beabsichtigte Verwendung oder anschließende Formulierung der Protease-Inhibitoren geeigneten Lösungsmittel aufgelöst werden. In den hierin vorgelegten Ausführungsformen werden die Präzipitate in 0,1 M Ammoniumbicarbonat gelöst, das zur Solubilisierung und anschließenden Lyophilisierung – einem bekannten Verfahren zur stabilen Lagerung von Protease-Inhibitoren – geeignet ist.
  • Die allgemeine, hierin beschriebene Methodik ist für die Herstellung einer Vielfalt von wärmebeständigen Protease-Inhibitor-Proteinen aus einer Vielfalt von Pflanzengeweben geeignet, vorausgesetzt, dass die Inhibitoren gegen irreversible Denaturierung in Anwesenheit von Alkohol und Wärme resistent sind. Dieses Verfahren ergibt Gemische von Protease-Inhibitor-Proteinen mit verschiedenen Reinheitsgraden, je nach dem spezifischen verwendeten Gewebe, den vorliegenden Protease-Inhibitoren und den besonderen Alkoholen, Temperaturen und dem Dialysemedium, die für das Verfahren eingesetzt werden. Wenn sie für ein gegebenes Gewebe optimiert sind, können hohe Ausbeuten im Wesentlichen reiner Zusammensetzungen von Protease-Inhibitoren erhalten werden, wie durch die nachstehend beschriebenen Beispiele für Kartoffelknollen-Protease-Inhibitoren gezeigt wird. Zu diesem Zweck werden die folgenden Beispiele zu Zwecken der Veranschaulichung, nicht der Beschränkung, vorgelegt.
  • BEISPIELE
  • BEISPIEL 1
  • HERSTELLUNG VON KARTOFFEL-PROTEASE-INHIBITOR II
  • Ein Pfund (Ib.) Russet-Burbank-Kartoffeln wurde in Anwesenheit von 100 ml 0,88% Ameisensäure und 1,5 M NaCl 2 Minuten lang in einem Mixer homogenisiert. Während des Mischens wurden 125 ml 95% Ethanol langsam zu dem Homogenat gegeben, um die Endkonzentration an Alkohol auf etwa 20% zu bringen. Dies änderte das Homogenat von einer Paste zu einem flüssigen Gemisch, was die Filtration erleichtert. Grobe unlösliche Trümmer wurden durch Pressen der Flüssigkeit durch 8 Lagen Seihtuch entfernt. Das flüssige Filtrat wurde als Alkoholextrakt gesammelt.
  • Der Alkoholextrakt wude in einen Abdampfkolben übertragen und durch Tauchen des Kolbens in ein kochendes Wasserbad unter Rühren erwärmt, bis die Temperatur 70 °C erreichte. An diesem Punkt wurde der Kolben an einen Entspannungsverdampfer mit einer Badtemperatur von 50 °C angeschlossen. Der Verdampfer wurde verwendet, um den Ethanol zurückzugewinnen, es war jedoch nicht nötig, den Ethanol zu entfernen, um mit dem Verfahren fortzufahren. Die so erhaltene Flüssigkeit wurde bei 4000 × g zentrifugiert, um überschüssige Stärke und die präzipitierte unlösliche Phase, die sich bildete, zu entfernen, der klare Überstand, der die lösliche Phase darstellt, wurde gesammelt.
  • Die lösliche Phase wurde in einen Dialyseschlauch mit Molekulargewichtsausschluss bei 12.000–14.000 gegeben und gegen 10 Liter 0,22% Ameisensäure mindestens 12 Stunden lang mit mehrfachem Wechseln der Ameisensäurelösung dialysiert. Zu diesem Zeitpunkt bildete sich in dem Beutel ein weißes Präzipitat. Bei dem Präzipitat handelte es sich um reinen Protease-Inhibitor II, der durch 5 Minuten lange Zentrifugation bei 4000 × g gewonnen wurde. Das Präzipitat wurde in 0,1 M Ammoniumbicarbonat gelöst und lyophilisiert. Die Ausbeute betrug ungefähr 57 mg Inhibitor pro Pfund (Ib.) Kartoffeln. Bessere Ausbeuten können durch Starten mit frisch ausgegrabenen Kartoffeln oder Kartoffelsorten mit höheren Spiegeln von Protease-Inhibitor II erreicht werden.
  • Die 1 und 2 zeigen HPLC-Analysen der Materialien, die aus diesem Verfahren gewonnen werden. Beide Abbildungen zeigen die spektrophotometrische Absorption bei 280 nm von Materialien, die von einer semipräparativen C18-Säule (Vydac, Katalog # 218TP510, 5, 10 × 250 mm) eluiert wurden, die bei 2 ml/min über 45 Minuten hinweg mit einem linearen Gradienten von 20% Lösungsmittel A (0,1% Trifluoressigsäure) bis 50% Lösungsmittel B (0,1% Trifluoressigsäure/Azetonitril) entwickelt wurde. 1 zeigt das lösliche Material, das in der klaren löslichen Phase vorlag, die nach Wärmedenaturierung des Alkoholextrakts in Schritt 2 vor der Dialyse gewonnen wurde. 2 zeigt das in dem Präzipitat vorliegende Material, das nach der Dialyse in Schritt 3 gebildet wurde. Das Präzipitat wurde zur Analyse in Lösungsmittel A aufgelöst.
  • 3 zeigt eine Gelelektrophorese-Analyse des Materials in Peak #1 aus der HPLC-Analyse von 2. Bei Spur 1 handelt es sich um eine Probe des anfänglichen Kartoffelhomogenats vor der Zugabe von Ethanol. Bei den Spuren 2, 3 und 4 handelt es sich um Proben der vorderen, mittleren bzw. hinteren Fraktionen von Peak #1. Peak 1 wurde ferner immunologischen Analysen unterworfen, die das Material als Kartoffel-Protease-Inhibitor II identifizierten.
  • 4 zeigt die Protease-Inhibitor-II-Aktivität des Peaks #1 aus 2. Es wurde gezeigt, dass es sich bei dem Material um einen starken Inhibitor von sowohl Trypsin (T) als auch Chymotrypsin (C) handelte. Für die Trypsininhibition hemmten 4,0 μg Material 2 μg Trypsin. Für die Chymotrypsininhibition hemmten 1,4 μg 1,5 μg Chymotrypsin. Diese Inhibitor-Aktivität mit zwei aktiven Zentren (double-headed) ist für Protease-Inhibitor II charakteristisch.
  • BEISPIEL 2
  • HERSTELLUNG EINES GEMISCHES VON KARTOFFEL-PROTEASE-INHIBITOREN AUS KARTOFFELN
  • Ein Alkoholextrakt wurde wie vorstehend in Beispiel 1 beschrieben hergestellt. Der Alkoholextrakt wurde durch Tauchen des Kolbens in ein kochendes Wasserbad unter Rühren erwärmt, bis die Temperatur 50 °C erreichte. An diesem Punkt wurde der Kolben in ein Bad mit kaltem, fließendem Wasser getaucht, so dass die Temperatur auf Raumtemperatur reduziert wurde. Die so erhaltene Flüssigkeit wurde bei 4000 × g zentrifugiert, um überschüssige Stärke und die präzipitierte unlösliche Phase, die sich bildete, zu entfernen, der klare Überstand, der die lösliche Phase darstellt, wurde gesammelt.
  • Die lösliche Phase wurde in einen Dialyseschlauch mit Molekulargewichtsausschluss bei 12.000–14.000 gegeben und 24 Stunden lang gegen fließendes Leitungswasser dialysiert. Nach dieser Zeit wurde entweder die Lösung im Beutel auf 0,88% Ameisensäure eingestellt oder alternativ dazu wurde die Dialyselösung auf 0,88% Ameisensäure eingestellt und die Dialyse über 4 zusätzliche Stunden lang fortgesetzt. Zu diesem Zeitpunkt bildete sich ein weißes Präzipitat in dem Beutel. Das Präzipitat enthielt ein Gemisch von Protease-Inhibitor II und zwei Protease-Inhibitoren der Kunitz-Familie, wie nachstehend in den 5 und 6 gezeigt wird. Das Präzipitat wurde wie in Beispiel 1 gewonnen, aufgelöst und lyophilisiert. Die Ausbeute betrug ungefähr 300 mg Inhibitoren pro Pfund (Ib.) Kartoffeln. Wieder können bessere Ausbeuten durch Starten mit frisch ausgegrabenen Kartoffeln oder Kartoffelsorten mit höheren Spiegeln von Protease-Inhibitor II möglich sein.
  • 5 zeigt die Protease-Inhibitor-Aktivität des gewonnenen präzipitierten Gemisches. Es wurde festgestellt, dass das Material sowohl Trypsin (T) als auch Chymotrypsin (C) stark hemmte. Für die Trypsininhibition hemmten 3,2 μg Material 2,0 μg Trypsin. Für die Chymotrypsininhibition hemmten 2,2 μg 1,5 μg Chymotrypsin.
  • 6 zeigt eine HPLC-Analyse des präzipitierten Endmaterials, das aus diesem Verfahren gewonnen wurde. Die Bedingungen waren dieselben, wie sie in 2 beschrieben wurden. Die drei identifizierten Peaks wurden einer Gelelektrophorese-Analyse unterworfen, wie in 7 gezeigt wird. Bei den Spuren 1, 2 und 3 handelt es sich um die Materialien aus den Peaks #1, #2 bzw. #3 von 6. Wie vorher identifizierten immunologische Analysen das Material in Peak #1 als Kartoffel-Protease-Inhibitor II. Die Materialien aus den Peaks 2 und 3 wurden einer Aminosäuresequenzanalyse unterworfen. Die Analyse identifizierte Peak 2 als einen Inhibitor der Kunitz-Familie mit einer starken Chymotrypsin-inhibitorischen Akitivät und einem schwachen Trypsin-Inhibitor. Peak 3 wurde als Inhibitor der Kunitz-Familie mit einer starken Trypsin-Inhibitor-Aktivität identifiziert.

Claims (7)

  1. Verfahren zum Erhalten eines wärmebeständigen Protease-Inhibitor-Proteins aus Kartoffelknollen, Knollen von Süßkartoffeln oder Maniok, Blättern und Früchten von Kartoffeln, Tomaten und Leguminosen, Samen aller Pflanzenarten oder aus genetisch veränderten Organismen, die Protease-Inhibitor-Gene exprimieren, umfassend die Schritte: Extrahieren des Protease-Inhibitor-Proteins aus den Geweben in einem wässrigen/alkoholischen Lösungsmittel, um einen Alkoholextrakt zu bilden, der ein solubilisiertes Protease-Inhibitor-Protein enthält; Erwärmen des Alkoholextrakts auf eine erste Temperatur, gefolgt von Abkühlen auf eine zweite Temperatur, um eine unlösliche präzipitierte Phase und eine lösliche Phase zu bilden; und Präzipitieren des Protease-Inhibitor-Proteins aus der löslichen Phase durch Dialyse gegen eine saure Dialyselösung.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei es sich bei den Geweben um Kartoffelknollen handelt.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei es sich bei dem Protease-Inhibitor-Protein um den Protease-Inhibitor II aus der Kartoffel handelt.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Protease-Inhibitor-Protein ein Gemisch aus dem Protease Inhibitor II aus der Kartoffel, einem Chymotrypsin/Trypsin-Inhibitor der Kunitz-Familie mit einer dominanten Chymotrypsin-inhibitorischen Aktivität und einem Trypsin/Chymotrypsin-Inhibitor der Kunitz-Familie mit einer dominanten Trypsin-inhibitorischen Aktivität ist.
  5. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das wässrige/alkoholische Lösungsmittel aus einer Endkonzentration von etwa 0,2% Ameisensäure, etwa 0,3 M NaCl und etwa 20% Ethanol besteht, die erste Temperatur etwa 70 °C oder höher ist, die zweite Temperatur etwa 50 °C oder niedriger ist und die wässrige Dialyselösung etwa 0,22% Ameisensäure enthält.
  6. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das wässrige/alkoholische Lösungsmittel aus einer Endkonzentration von etwa 0,2% Ameisensäure, etwa 0,3 M NaCl und etwa 20% Ethanol besteht, die erste Temperatur etwa 50 °C ist, die zweite Temperatur etwa 27 °C oder niedriger ist und die wässrige Dialyselösung anfänglich aus Wasser besteht, und wobei nach einem Dialysezeitraum gegen Wasser mindestens eine von der löslichen Phase oder der wässrigen Dialyselösung so eingestellt wird, dass sie etwa 0,88% Ameisensäure umfasst.
  7. Verfahren zum Erhalten von wärmebeständigem Protease-Inhibitor-Protein aus Kartoffelknollen, die dasselbe enthalten, umfassend die Schritte: Extrahieren der Kartoffelknollen durch Homogenisieren der Kartoffelknollen in einem Medium, umfassend etwa 0,2% Ameisensäure und ungefähr 0,3 M NaCl, um einen Rohextrakt zu bilden; Zugeben etwa eines Volumens Ethanol auf vier Volumen Rohextrakt, um einen Alkoholextrakt zu bilden; Filtrieren des Alkoholextrakts, um einen filtrierten Extrakt zu bilden; Erwärmen des filtrierten Extrakts auf eine erste Temperatur von 50 °C oder höher, gefolgt von Abkühlen auf eine zweite Temperatur von 50 °C oder niedriger, um einen wärmebehandelten Extrakt zu bilden, der eine unlösliche präzipitierte Phase und eine lösliche Phase enthält; Trennen der unlöslichen präzipitierten Phase von der löslichen Phase durch mindestens eins der Folgenden: Filtrieren des wärmebehandelten Extrakts durch einen porösen Filter oder etwa 5 Minuten langes Zentrifugieren des wärmebehandelten Extrakts bei etwa 4000 × g, um eine geklärte lösliche Phase zu bilden; Entfernen von Verunreinigungen aus der geklärten löslichen Phase durch Dialyse unter Verwendung einer Dialysemembran mit einem Molekulargewichtsausschluss von ungefähr 12.000 Dalton gegen ein Dialysemedium, das entweder Leitungswasser oder etwa 0,2% Ameisensäure umfasst, um einen dialysierten Extrakt zu bilden; Präzipitieren der Protease-Inhibitor-Proteine aus dem dialysierten Extrakt durch mindestens eins der Folgenden: Einschließen von etwa 0,22% Ameisensäure in das Dialysemedium oder Zugeben von Ameisensäure auf etwa 0,88%, um ein Präzipitationsgemisch zu bilden; Gewinnen der präzipitierten Protease-Inhibitor-Proteine durch mindestens eins der Folgenden: Filtrieren des Präzipitationsgemisches durch einen porösen Filter oder etwa 5 Minuten langes Zentrifugieren des Präzipitationsgemisches bei etwa 4000 × g, um ein Gemisch von Protease-Inhibitor-Protein zu erhalten.
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