ES2870566T3 - Síntesis de alquilglicósidos de cadena larga - Google Patents

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Abstract

Un proceso para el alargamiento de (un) alquilglicósido (s) mediante síntesis enzimática, que comprende: a) proporcionar un donador de glicosilo que tiene al menos 2 residuos de monosacárido y que comprende un compuesto seleccionado del grupo que consiste en carbohidratos cíclicos, oligosacáridos y polisacáridos lineales; b) proporcionar un alquilglicósido que contiene al menos 7 átomos de carbono en la cadena de alquilo como un aceptor de glicosilo; c) proporcionar una enzima capaz de catalizar la transferencia de al menos 2 residuos de monosacárido a la vez desde el donador de glicosilo al aceptor de glicosilo, seleccionándose la enzima del grupo que consiste en ciclomaltodextrina glucanotransferasa, número EC 2.4.1.19 y 4-alfa-glucanotranferasa, número EC 2.4.1.25; y d) permitir que el donador de glicosilo y el aceptor de glicosilo reaccionen entre sí en presencia de la enzima para producir un alquilglicósido que tiene una parte de carbohidrato alargada.

Description

DESCRIPCIÓN
Síntesis de alquilglicósidos de cadena larga
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
Campo de la invención
La presente invención se refiere en general a la síntesis enzimática de alquilglicósidos que tienen grupos de cabeza oligoméricos usando enzimas seleccionadas del grupo de ciclomaltodextrina glucanotransferasa (número EC 2.4.1.19) y 4-alfa-glucanotranserasa, (número EC 2.4.1.25).
Descripción de la técnica relacionada
Los tensioactivos se han utilizado durante muchos años en una plétora de formulaciones farmacéuticas, cosméticas, de cuidado personal, domésticas e industriales debido a su amplia variedad de aplicaciones, tales como formación de espuma, emulsificación, dispersión, detergencia, esparcimiento y humectación.
Los tensioactivos contienen una parte hidrofóbica y una parte hidrofílica. La parte hidrófoba es a menudo una o un par de cadenas de hidrocarburos. En cuanto a la parte hidrófila, existe una gran variedad de estructuras posibles. Esta parte puede estar cargada positivamente (tensioactivos catiónicos), cargada negativamente (tensioactivos aniónicos) o no cargada (tensioactivos no iónicos).
Para algunas de estas aplicaciones, existe la necesidad de tensioactivos que tengan tanto partes hidrofóbicas largas como partes hidrófilas largas. En muchos casos, tales como en productos farmacéuticos y de cuidado personal, también se requiere que el tensioactivo no sea tóxico ni irritante para la piel y las mucosas. Además, los productos deben tener una estabilidad aceptable y debido a la creciente conciencia de los efectos ambientales, preferiblemente deben ser biodegradables.
La OECD (Organization for Economic Cooperation and Development) ha establecido pruebas de detección fácilmente biodegradables (OECD 301) y en el Detergent Regulation (EC) No 648/2004 del Parlamento Europeo y del Consejo, de 31 de marzo de 2004, se han definido los criterios de biodegradabilidad de los tensioactivos.
Los alquilglicósidos son tensioactivos que se ajustan bastante bien a los criterios mencionados anteriormente. La parte hidrófila es típicamente un residuo de monosacárido, por ejemplo, glucosa (más frecuentemente), fructosa, manosa, galactosa, arabinosa, hexosas y algunas veces azúcares tales como digitalosa o cimarosa; o una cadena de residuos de monosacárido unidos mediante enlaces glicosídicos, y un alcohol de cadena larga se une mediante otro enlace glicosídico (Figura 1). Los ésteres de azúcares constituyen un grupo similar de las moléculas de tensioactivos, pero su estabilidad es mucho más pobre, especialmente en medios alcalinos, debido a la inestabilidad del enlace éster.
Las mezclas complejas de alquilglicósidos están disponibles comercialmente con el nombre de alquilpoliglicósidos, APGs. Estos productos se sintetizan mediante síntesis de una o dos etapas. En ambas variantes de síntesis, el carbohidrato se suspende en un exceso de alcohol (2-6 mol) y la reacción se lleva a cabo a una temperatura superior a 100°C en presencia de un catalizador ácido (generalmente un ácido sulfónico) [1]. En el proceso de dos etapas, el carbohidrato se acopla primero a un alcohol corto (generalmente butanol) produciendo un alquil poliglicósido, que posteriormente se usa como sustrato en la segunda etapa en la que el alcohol corto se intercambia por uno más largo.
Los alquilpoliglicósidos contienen un gran número de moléculas diferentes que difieren en el número de residuos de monosacáridos y en cómo se unen entre sí. Debido a las condiciones de reacción relativamente duras utilizadas en las reacciones de la técnica anterior y al catalizador ácido no selectivo, se producen varias reacciones secundarias y se forman productos secundarios tales como polímeros de glucosa, éteres e impurezas coloreadas [1]. Un inconveniente principal de los APGs es, por tanto, el elevado número de especies moleculares presentes, algunas de las cuales pueden tener efectos no deseados.
Los alquilglicósidos similares a los preparados en la presente invención también se pueden preparar mediante catálisis química. En esos métodos, se necesitan reacciones de protección/desprotección. Normalmente, todos los grupos hidroxilo del oligosacárido que se van a convertir en alquilglicósido se hacen reaccionar con un reactivo que los convierte en grupos éster menos reactivos. Un procedimiento común es dejar que los grupos hidroxilo reaccionen con anhídrido acético para poner grupos acetilo en todos los hidroxilos. Después, el oligosacárido protegido reacciona con un alcohol usando un catalizador ácido de Lewis. Los catalizadores típicos utilizados son FeCh [2] y SnCl4 [3]. Sin embargo, debido a la baja reactividad de los oligosacáridos protegidos, se han utilizado como catalizadores heteropoliácidos más activos, tales como el ácido fosfotúngstico o el ácido fosfomolíbdico [2]. En cualquier caso, se deben utilizar grandes cantidades de catalizador (50-100% en peso en comparación con la cantidad de oligosacárido), la temperatura de reacción debe ser alta (80°C) y los rendimientos son moderados (40-70%). Además, los productos contienen una mezcla de anómeros a y p, incluso cuando se utiliza como material de partida un anómero a puro del oligosacárido protegido [2]. Después de la reacción, los grupos protectores deben eliminarse en una etapa adicional.
Los inconvenientes de esta metodología anterior incluyen:
• Las reacciones implican varias etapas de reacción que incluyen la introducción y eliminación de grupos protectores, tales como la acetilación / desacetilación de los grupos hidroxilo de la parte de carbohidrato.
• Las reacciones implican el uso de reactivos agresivos, tales como anhídrido acético y disolventes orgánicos, tales como tolueno y metanol.
• Riesgos de reacciones secundarias debido al catalizador reactivo
• Riesgos del catalizador restante, tales como FeCh y SnCL en el producto
• Formación de anómeros tanto a como p del producto. El procedimiento de Katsuraya et al., genera principalmente el anómero p con un 10-31% del anómero a [2]. Se pueden utilizar diferentes tipos de enzimas como catalizadores para la síntesis de tensioactivos. Las lipasas se utilizan para la síntesis de ésteres de azúcares y las glicosilhidrolasas se utilizan para la síntesis de alquilglicósidos. La forma más sencilla de utilizar glicosil hidrolasas para la síntesis de alquil glicósidos es llevar a cabo una condensación directa de un carbohidrato y un alcohol. Estas reacciones se ven obstaculizadas por el hecho de que los dos sustratos son poco miscibles e incluso con la adición de disolventes es muy difícil alcanzar una concentración apreciable de los dos sustratos en la misma fase líquida. Estos problemas aumentan en gravedad al aumentar la longitud de los carbohidratos y del alcohol. [4]. Por tanto, los rendimientos alcanzables son bajos.
Una alternativa atractiva es sintetizar primero un alquilglicósido con una longitud moderada de la parte de carbohidrato y luego alargar la parte de carbohidrato. Las enzimas utilizadas para la reacción de elongación incluyen la dextransacarasa, que cataliza las reacciones de transferencia 1-6, y la alternansacarasa, que cataliza las reacciones de transferencia 1-3 y 1-6. Estas enzimas usan sacarosa como donador de glicosilo, y el grupo carbohidrato de los alquilglicósidos se puede alargar con un residuo de glucosa a la vez. [5]. Con este enfoque, se extendieron butil- y octila-D-glucopiranósido, pero se obtuvieron mezclas de productos bastante complejas que contenían alquilglicósidos con hasta 4 residuos de glucosa. La empresa japonesa Hayashibara Biochemical Laboratories Inc ha desarrollado recientemente una nueva enzima a partir de Bacillus stearothermophilus que se ha utilizado para la glicosilación de tensioactivos. La enzima se llama ciclodextrina glucanotransferasa (CGTasa) [67]. Usando esta enzima con laurato de sacarosa (un éster de azúcar) como aceptor, se formaron productos con 1 -3 residuos de glucosa adicionales [6]. Como se mencionó anteriormente, la estabilidad de tales compuestos es pobre debido a la presencia del enlace éster. En este estudio no se probaron aceptores con cadenas de hidrocarburos más largas [6]. También se han utilizado alquil maltósidos como aceptores en reacciones de glicosilación catalizadas por esta enzima con dextrina como donador de glicosilo [7]. Solo se agregaron uno o dos residuos de glucosa a los aceptores, produciendo así productos con un máximo de 4 residuos de glucosa. El principal problema con los métodos descritos anteriormente para sintetizar alquilglicósidos que contienen más de 7 residuos de monosacáridos es que implican etapas de protección y desprotección [3][2], lo que los hace costosos y lentos. Además, implican riesgos de reacciones secundarias: formación de isómeros y de otros productos debido a los catalizadores no selectivos. Además, generan grandes cantidades de residuos.
Por consiguiente, existe la necesidad de métodos nuevos y más eficaces para preparar alquilglicósidos de cadena larga. Por tanto, sería ventajoso proporcionar un método para la síntesis de dichos alquilglicósidos de cadena larga en el que se use una enzima como catalizador en condiciones de reacción suaves, para minimizar las reacciones secundarias y reducir las cantidades de residuos que se producen. Además, sería ventajoso evitar la generación de mezclas de anómeros en dichas reacciones. La presente invención satisface esta necesidad y también proporciona ventajas relacionadas.
COMPENDIO DE LA INVENCIÓN
La presente invención proporciona un proceso como se define en las reivindicaciones.
La presente invención expone la nueva idea de que los alquilglicósidos de cadena larga pueden sintetizarse mediante el método descrito en la presente memoria de una manera segura y eficaz. El método tiene las ventajas de que se puede realizar en una sola etapa, no se necesitan reacciones de protección / desprotección y se puede usar agua como disolvente en lugar de disolventes orgánicos. Para lograr esto, la presente invención usa una enzima como catalizador en condiciones de reacción suaves, lo que minimiza las reacciones secundarias y se producen cantidades mínimas de residuos. Otra ventaja más en comparación con los métodos descritos anteriormente es que no se generan mezclas de anómeros.
Según la invención de la presente memoria, la enzima es capaz de transferir partes de carbohidratos de al menos 2, típicamente 6-9, pero dependiendo de la enzima utilizada hasta al menos 26 residuos de monosacárido de un donador de glicosilo a un aceptor de glicosilo, que debería ser un alquilglicósido o una mezcla de alquilglicósidos. La parte de carbohidrato del aceptor se alarga así. La enzima se selecciona del grupo de ciclomaltodextrina glucanotransferasa (número EC 2.4.1.19) y 4-alfa-glucanotranserasa, (número EC 2.4.1.25).
La presente invención permite sintetizar alquilglicósidos con grupos de cabeza oligoméricos. Las cadenas de alquilo contienen preferiblemente al menos 7 átomos de carbono y los grupos de cabeza contienen preferiblemente al menos 3 residuos de monosacárido, aunque las mezclas de productos pueden contener moléculas fuera de estas especificaciones.
Los alquilglicósidos de la presente invención pueden tener partes hidrófobas e hidrófilas largas e incluyen compuestos de fórmula general G m+x- OR.
Se sintetizan según el siguiente esquema:
Gn Gm-OR —— Gn-x Gm+x-OR
en el que:
Gn es un donador de glicosilo, G es un residuo de monosacárido que tiene 5 o 6 átomos de carbono, n es el número de residuos de monosacárido en el donador de glicosilo, Gm-OR es un aceptor de glicosilo, m es el número de residuos de monosacáridos del aceptor, R es un radical monovalente o un grupo alquilo, y x es el número de residuos que la enzima transfiere desde el donador de glicosilo al aceptor de glicosilo.
Por tanto, se han esbozado, de manera bastante amplia, las características más importantes de la invención con el fin de que se pueda comprender mejor la descripción detallada de la misma y con el fin de que se pueda apreciar mejor la presente contribución a la técnica. Hay características adicionales de la invención que se describirán a continuación.
A este respecto, antes de explicar al menos una realización de la invención en detalle, debe entenderse que la invención no se limita en su aplicación a los detalles de construcción y a las disposiciones de los componentes que se establecen en la siguiente descripción o se ilustran en los dibujos. La invención es susceptible de otras realizaciones y de ser puesta en práctica y llevada a cabo de diversas formas. Además, debe entenderse que la fraseología y la terminología empleadas en la presente memoria son para el propósito de la descripción y no deben considerarse limitantes.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS
La Figura 1 representa dos tipos importantes de tensioactivos basados en carbohidratos: alquilglicósidos y ésteres de azúcares.
La figura 2 es una vista esquemática de las reacciones de acoplamiento y desproporción en la síntesis de alquilglicósidos que tienen grupos de cabeza oligoméricos. El tamaño del carbohidrato cíclico puede variar desde 6 hasta amilosas cíclicas que tienen hasta al menos 26 residuos de monosacárido. Asimismo, el tamaño de los sustratos no cíclicos puede variar desde oligosacáridos cortos hasta polisacáridos largos (o incluso ramificados). Estas reacciones son catalizadas por una enzima, tal como una ciclomaltodextrina glucanotransferasa (CGTasa) o una 4-alfa-glucanotransferasa (GTasa).
La Figura 3 es una vista esquemática del acoplamiento catalizado por CGTasa entre un alquilglicósido y aciclodextrina. La cadena de hidrocarburo puede tener una longitud variable (m > 3) y la parte de carbohidrato del aceptor puede tener una longitud variable, siendo n típicamente 0, 1 o 2. El producto de acoplamiento contiene 6 residuos de glucosa adicionales.
La Figura 4 es una vista esquemática de reacciones catalizadas por CGTasa y GTasa. Los círculos blancos representan la reducción de los residuos finales de glucosa, mientras que otros residuos de glucosa se muestran como cuadrados o círculos negros. La Figura 4A muestra un ejemplo de las reacciones de ciclación y acoplamiento usando alfa-ciclodextrina, pero las moléculas cíclicas de alfa-glucano varían en tamaño dependiendo de la enzima usada. La Figura 4B muestra la reacción de desproporción y 4C la reacción de hidrólisis. El tamaño de los sustratos no cíclicos puede variar desde oligosacáridos cortos hasta polisacáridos largos (o incluso ramificados).
La Figura 5 muestra el transcurso del tiempo de la reacción catalizada por CGTasa entre un exceso de a-ciclodextrina y dodecilmaltósido (triángulos rellenos), produciendo un producto de acoplamiento principal (cuadrados rellenos) y un producto de acoplamiento secundario (diamantes rellenos).
La Figura 6 muestra los cromatogramas de HPLC antes (a) y después de 10 minutos (b) de una reacción catalizada por CGTasa entre a-ciclodextrina (2) y una mezcla equimolar de dodecil-p-D-glucósido (5), dodecil-p-maltósido (1) y dodecil-p-maltotriosido (6). Se formaron todos los productos de acoplamiento principales (dodecil-p-maltoheptaósido (11), dodecil-p-maltooctaósido (3) y dodecil-p-maltononaósido (12)).
La Figura 7 muestra los cromatogramas de HPLC antes (a) y después de 10 minutos (b) de una reacción catalizada por CGTasa entre a-ciclodextrina y una mezcla equimolar de decil-p-maltósido (7), dodecil-p-maltósido (1) y tetradecil -p-maltósido (8). Los productos de acoplamiento principales (alquil-maltooctaósidos: 13, 3, 15) fueron los productos principales y también se formaron pequeñas cantidades de productos de acoplamiento secundarios (alquil maltotetradecaósidos: 14, 4, 16).
La Figura 8 muestra una comparación de dos CGTasas diferentes: cromatograma de HPLC después de 25 minutos (A, Figura 8a) y 1 h (B, Figura 8b) de reacción usando CGTasa de Bacillus macerans (DDM 50 mM; a-CD 400 mM; pH 5,5; 60°C). Cromatograma de HPLC después de 25 min (C, Figura 8c) y 1 h (D, Figura 8d) de reacción usando CGTase de Thermoanaerobacter (DDM 50 mM; a-CD 400 mM; pH 5,5; 60°C). Gn indica los dodecil glicósidos que tienen n residuos de glucosa.
La Figura 9 muestra un cromatograma de HPLC después de 20 minutos (a) y 5 h (b) de una reacción entre almidón y dodecil-p-maltósido usando CGTasa de Bacillus macerans como catalizador.
La Figura 10 muestra un cromatograma de HPLC de fase reversa de una mezcla de reacción de la reacción entre APG 600 UP y almidón soluble catalizada por CGTasa de Bacillus macerans. Se indican los componentes principales del material de partida, dodecil-D-glucósido (isómeros a y p; C12G1ap) y tetradecil-D-glucósido (isómeros a y p; C14G1ap). Además, la mezcla de reacción contiene una variedad de productos formados por elongación de estos materiales de partida con un número variable de residuos de glucosa que se originan a partir del almidón soluble.
La Figura 11 muestra un cromatograma de HPLC de fase reversa de una mezcla de reacción de la reacción entre APG 600 UP y almidón soluble catalizado por CGTasa de Thermoanaerobacter (Figura 11a) o por archaea GTasa similar al termococcus (Figura 11b). Se indican los componentes principales del material de partida, dodecil-D-glucósido (isómeros a y p; C12G1ap) y tetradecil-D-glucósido (isómeros a y p; C14G1ap). Además, la mezcla de reacción contiene una variedad de productos formados por elongación de estos materiales de partida con un número variable de residuos de glucosa que se originan a partir del almidón soluble.
DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN Y REALIZACIONES PREFERIDAS DE LA MISMA
La invención es un método para sintetizar alquilglicósidos que tienen grupos de cabeza oligoméricos y, en particular, aquellos que tienen tanto grupos hidrófobos como hidrófilos largos. Las propiedades de un tensioactivo dependen en gran medida del equilibrio entre sus partes hidrófilas e hidrófobas. Con respecto a los alquilglicósidos, esto significa que cuando por alguna razón se desea usar un grupo hidrófobo largo, entonces los grupos hidrófilos deben ser preferiblemente también largos, siendo así oligoméricos con respecto a los residuos de monosacáridos. Para los tensioactivos que entran en contacto con seres humanos, a menudo se desean grupos hidrófobos largos debido a su menor tendencia a causar irritación.
En resumen, la invención de la presente memoria es un proceso para la preparación de alquilglicósidos de cadena larga mediante síntesis enzimática, que comprende las etapas de proporcionar un donador de glicosilo; proporcionar un aceptor de glicosilo; y permitir que el donador de glicosilo y el aceptor de glicosilo reaccionen entre sí en presencia de una enzima seleccionada del grupo de ciclomaltodextrina glucanotransferasa (número EC 2.4.1.19) y 4-alfaglucanotranserasa, (número EC 2.4.1.25) para producir (un) alquilglicósido (s) que tienen una parte de carbohidrato alargada.
Aquí, se presenta un nuevo método para alargar la parte de carbohidratos de los alquilglicósidos. Varios residuos de monosacáridos, de 2 a 26, por ejemplo, de 4 a 26, y preferiblemente al menos 6, tal como 7, 8 o 9 residuos, dependiendo del donador de glicosilo utilizado, se pueden añadir en una sola etapa utilizando una enzima como catalizador y sin necesidad de protección de las moléculas del sustrato (Figuras 2-3). Debido a las suaves condiciones de reacción y al catalizador enzimático altamente selectivo, las reacciones secundarias no deseadas ocurren solo en un grado muy bajo. Además, solo se producen pequeñas cantidades de residuos. Después de la primera reacción de trans-glicosilación, la enzima puede catalizar reacciones secundarias de trans-glicosilación entre diferentes alquilglicósidos en la mezcla de reacción. Estas reacciones se denominan reacciones de desproporción y provocan la formación de un espectro de alquilglicósidos con longitud variable de la cadena de carbohidratos. Las reacciones enzimáticas mencionadas anteriormente pueden detenerse mediante la inactivación de la enzima mediante calor o adición de ácido, base u otros agentes o mediante la eliminación de la enzima. Para algunas aplicaciones, las mezclas de reacción pueden ser útiles sin procesamiento adicional, pero en la mayoría de los casos se llevará a cabo la purificación parcial o completa de un solo producto o una variedad de productos de la mezcla de reacción. La purificación se puede lograr mediante una variedad de métodos que incluyen cromatografía, extracción, precipitación, filtración y centrifugación como se conoce en la técnica.
El donador de glicosilo
Preferiblemente, el donador de glicosilo es un oligo- o polisacárido cíclico, lineal o ramificado o una mezcla de dichos compuestos. En la invención, al menos 2 y máximo 26, por ejemplo, de 4 a 26, y preferiblemente al menos 6, tal como 7, 8 o 9, residuos de monosacárido se transfieren en una sola etapa desde el donador de glicosilo al aceptor de glicosilo. El donador de glicosilo tiene la fórmula general Gn, en la que G se deriva de un sacárido reductor que tiene 5 o 6 átomos de carbono, es decir, G es un residuo de monosacárido que tiene 5 o 6 átomos de carbono, por ejemplo, glucosa, fructosa o hexosa, y n es el número de residuos de monosacárido en el donador de glicosilo y es al menos 2. En algunos casos, el donador de glicosilo puede tener hasta varios cientos de residuos de monosacárido, por ejemplo, en polisacáridos tales como almidones.
El donador de glicosilo comprende preferiblemente un compuesto seleccionado del grupo que consiste en carbohidrato cíclico, es decir, un carbohidrato en el que la cadena de residuos de monosacárido forma un bucle cerrado (tal como a-, p-, Y-ciclodextrina o alfa-glucanos cíclicos más grandes), oligosacáridos y polisacáridos lineales, tales como almidón, hemicelulosa, lactosa, maltosa, etc. La invención trabaja con diferentes donadores de glicosilo. Cuando se utilizan ciclodextrinas como donadores de glicosilo, se pueden obtener rendimientos muy altos de productos de acoplamiento. Sin embargo, los oligosacáridos y polisacáridos, tales como el almidón, también se pueden usar como donadores de glicosilo, lo cual es importante para reducir los costos de producción. También en estos casos, se obtienen productos de acoplamiento ya que la enzima puede sintetizar ciclodextrinas a partir de sacáridos lineales. Además, pueden producirse reacciones de desproporción. El donador de glicosilo puede consistir en una mezcla de carbohidratos cíclicos, oligo- o polisacáridos lineales o ramificados. Sin embargo, en general, preferiblemente solo se usa un tipo de compuesto como donador de glicosilo, ya que puede dar como resultado un rendimiento mayor, sin necesidad de purificación adicional de los diferentes alquilglicósidos alargados producidos.
El aceptor de glicosilo
En la invención, el aceptor de glicosilo es preferiblemente un alquilglicósido o una mezcla de alquilglicósidos. El aceptor tiene una cadena de hidrocarburo que contiene al menos 7 átomos de carbono para obtener mejores resultados. Con menos de 7-8 átomos de carbono se obtiene un bajo rendimiento de productos y la reacción no es eficiente, véase Ref. 10.
El aceptor en el contexto de la presente invención debería corresponder a la fórmula general Gm-OR, en la que m es el número de residuos de monosacáridos del aceptor; m es al menos 1 y convenientemente puede ser hasta 20, pero también podría ser un número mayor de residuos de monosacárido. R es el grupo alquilo o radical monovalente que contiene al menos 7 átomos de carbono y preferiblemente no más de 20, aunque también podrían ser adecuados para la presente invención alquilglicósidos más largos.
Los aceptores útiles incluyen alquil glucósidos, alquil maltósidos y alquil poliglicósidos que son mezclas complejas de alquil glicósidos, que difieren con respecto al número de residuos de monosacáridos, los enlaces entre ellos y la longitud de la cadena de hidrocarburo. En general, los aceptores preferidos son aquellos con grupos alquilo (R) lineales o ramificados, saturados o insaturados con 8, 10, 12, 14, 16 y 18 átomos de carbono y que contienen, por ejemplo, hasta 3 dobles enlaces.
Los alquilglicósidos anoméricamente puros para su uso como aceptores en la presente invención están disponibles comercialmente o pueden sintetizarse usando métodos enzimáticos. El octil-p-D-glucósido se puede preparar, por tanto, mediante condensación directa entre glucosa y octanol [11] y mediante transglicosilación a partir de p-nitrofenilp-D-glucopiranósido y octanol [12].
La enzima
La enzima utilizada como catalizador en la invención es capaz de transferir al menos dos residuos de monosacárido a la vez desde el donador de glicosilo al aceptor de glicosilo, que debería ser un alquilglicósido o una mezcla de alquilglicósidos. La enzima se selecciona del grupo de ciclomaltodextrina glucanotransferasa (número EC 2.4.1.19) y 4-alfa-glucanotranserasa, (número EC 2.4.1.25), pudiendo transferir al menos dos residuos de monosacárido a la vez desde el donador de glicosilo al aceptor de glicosilo. Además de las reacciones de hidrólisis, las enzimas glicósido hidrolasa a menudo pueden catalizar varios tipos de reacciones de transglicosilación. Muchas enzimas adecuadas para la invención pertenecen a la familia de la a-amilasa (familia 13 de la glicósido hidrolasa) [8], pero también se pueden usar glicósido hidrolasas de otras familias (tal como la familia de glicósido hidrolasa 57) que catalizan las reacciones descritas aquí. La enzima utilizada en la presente invención es una ciclomaltodextrina glucanotransferasa (número EC 2.4.1.19) ((1-4)-alfa-D-glucano: (1-4)-alfa-D-glucano 4-alfa-D [(1-4)-alfa-D-glucano]-transferasa; CGTasa). Este tipo de enzima a veces se denomina ciclodextrina glicosiltransferasa, ciclodextrina glucanotransferasa o ciclodextrina glucaniltransferasa (también abreviada CGTasa). La reacción más conocida de las CGTasas es la producción de ciclodextrinas a partir del almidón (Figura 4). Sin embargo, también pueden usar ciclodextrinas como sustratos y añadirlas a aceptores adecuados que tengan una naturaleza de carbohidrato. Esta reacción en particular se llama reacción de acoplamiento. Además, las CGTasas pueden transferir oligosacáridos de un oligosacárido lineal a un aceptor (reacción de desproporción) y, hasta cierto punto, también hidrolizar ciclodextrinas y sustratos lineales. La reacción de acoplamiento normalmente utiliza carbohidratos puros como aceptores, con elongación de maltosa a maltooctaosa, maltotetradecaosa, etc., como ejemplo típico [9]. Sin embargo, se ha demostrado que también algunos carbohidratos derivatizados funcionan como aceptores en reacciones de acoplamiento catalizadas por CGTasa. Recientemente, se optimizaron las reacciones de acoplamiento entre a-ciclodextrina y metil-D-glucopiranósidos (a y p) y fenil-D-glucopiranósidos (a y p). Sin embargo, los rendimientos de los productos de acoplamiento principales, metil maltoheptaósidos, estuvieron por debajo del 5% y para los fenil maltoheptaósidos por debajo del 2% [10].
La ciclodextrina glucanotransferasa (CGTasa) de Bacillus stearothermophilus se ha utilizado para la glicosilación de tensioactivos, pero no produce productos de acoplamiento como los producidos en la presente invención [67]. Usando esta enzima con laurato de sacarosa (un éster de azúcar) como aceptor, se formaron productos con 1-3 residuos de glucosa adicionales [6]. También se han utilizado alquil maltósidos como aceptores en reacciones de glicosilación catalizadas por esta enzima con dextrina como donador de glicosilo [7]. Solo se añadieron uno o dos residuos de glucosa a los aceptores, produciendo así productos con un máximo de 4 residuos de glucosa, lo que demuestra que no se produjo ninguna reacción de acoplamiento.
Las CGTasas no se han usado previamente para alargar la parte de carbohidrato de los alquilglicósidos que tienen cadenas de hidrocarburos largas (es decir, > 6 átomos de carbono) mediante la transferencia de más de 3 residuos de glucosa.
Un ejemplo de una enzima particularmente útil para la presente invención es la CGTasa de Bacillus macerans disponible comercialmente en Amano Enzyme Europe, U.K. Esta enzima cataliza la reacción de acoplamiento entre a-ciclodextrina y una variedad de aceptores. Para combinaciones especiales de sustratos aceptores y donadores, son más adecuadas otras enzimas. Cuando se desea una distribución de producto más amplia (una gama de productos que varían en la longitud de la cadena de carbohidratos), es beneficiosa una enzima con alta actividad de desproporción. La CGTasa de Thermoanaerobacter (Toruzyme® 3.0 L) de Novozymes A / S, Denmark es un ejemplo de dicha enzima.
La invención de la presente memoria también se lleva a cabo usando glicósido hidrolasas clasificadas en la familia 57, clasificadas como 4-alfa-glucanotranserasa, número E.C. 2.4.1.25; nombre sistemático: (1-4)-alfa-D-glucano; (1-4)-alfa-D-glucano 4-alfa-D-glicosiltransferasa; GTasa), catalizan reacciones similares (aunque con alfa-glucanos cíclicos de mayor tamaño de anillo que las ciclodextrinas tradicionales, que tienen 6-8 residuos de glucosa) y son catalizadores adecuados. También son capaces de transferir al menos 6-9 residuos de glucosa a la vez desde el donador de glicosilo al aceptor de glicosilo y hasta 26 residuos. La archaea GTasa similar al termococcus con una secuencia depositada con el número de acceso de GeneBank EU138451, es un ejemplo de dicha enzima.
Las enzimas generalmente convierten las moléculas de sustrato disueltas en el medio de reacción y, por lo tanto, la concentración de sustrato disuelto determina la velocidad de conversión enzimática. Cuando los tensioactivos se disuelven en agua, se disuelven como moléculas separadas hasta una concentración llamada "concentración micelar crítica" (CMC). Cuando la concentración total de sustrato excede la CMC, la concentración de moléculas de tensioactivo disueltas por separado no aumenta más. En cambio, las moléculas de tensioactivo adicionales forman micelas y, en esta forma, las enzimas normalmente no las convierten. El octil-a-D-glucopiranósido tiene una CMC de 17-19 mM en agua [13], lo que hace que sea razonable esperar que se pueda convertir enzimáticamente de manera eficiente. Sin embargo, el dodecil-p-D-glucósido y el dodecil-p-maltósido tienen CMCs más de dos órdenes de magnitud más bajas (0,11-0,13 mM para el glucósido y 0,12-0,14 para el maltósido [13]), y por lo tanto no se espera que se alarguen fácilmente en una reacción enzimática de este tipo, lo que hace que sea muy sorprendente que realmente puedan alargarse enzimáticamente en solución acuosa. Aún más sorprendente es que el tetradecil-pmaltósido, el hexadecil-p-maltósido y el oleil-p-maltósido, que se puede predecir que tienen una CMC aún menor, se pueden alargar, así como se muestra en los Ejemplos 1 y 2.
Para optimizar el rendimiento de un determinado producto según la invención, es importante detener las reacciones enzimáticas en una etapa adecuada. Esto se puede hacer inactivando la enzima o eliminándola. Una forma particularmente atractiva de separar la enzima del producto es usar la enzima en forma inmovilizada, típicamente unida covalentemente a un material de soporte sólido. La enzima inmovilizada se puede filtrar fácilmente después de la reacción en un reactor discontinuo, o se puede usar en un reactor de lecho compacto a través del cual se hace pasar la solución reaccionante. En este último caso, el tiempo de residencia en el reactor se ajusta para lograr una conversión adecuada en la reacción enzimática.
Otra ventaja de la presente invención es que no generan mezclas de anómeros. El enlace glicosídico formado entre el aceptor y la parte de carbohidrato añadida será a o p dependiendo de la enzima utilizada. Las CGTasas, por ejemplo, dan enlaces a. La distribución de anómeros del aceptor se reflejará en el producto, aunque podría cambiar algo debido a la especificidad del aceptor de la enzima. Es una ventaja importante que la invención proporcione productos anoméricamente puros, cuando el aceptor es anoméricamente puro. Los productos anoméricamente puros no se pueden obtener mediante los métodos de síntesis descritos anteriormente utilizando catalizadores ácidos, incluso con materiales de partida anoméricamente puros [2].
EJEMPLO 1
Materiales
Enzimas. CGTasa de Bacillus macerans (EC. 2.4.1.19) se adquirió de Amano Enzyme Europe Ltd. (Milton Keynes, U.K.) y CGTasa de Thermoanaerobacter (Toruzyme® 3,0 L) fue de Novozymes A / S (Bagsvaerd, Denmark).
Productos químicos. El dodecil-p-maltósido (DDM) se obtuvo de Anatrace Inc., Maumee Ohio, USA, la alfaciclodextrina (a-CD) fue de Wacker Chemie AG (Stuttgart, Germany) y otros productos químicos fueron de grado pro­ análisis de VWR International.
Síntesis de dodecil-p-maltooctaósido (DDMO). Los sustratos (DDM 50 mM y a-CD 400 mM) se disolvieron en 8 ml de tampón citrato de sodio 10 mM, pH 5,5, en un matraz de fondo redondo de 100 ml. El matraz se colocó en un baño de agua con temperatura controlada a 60°C y la reacción se inició añadiendo 40 pl de CGTasa de Bacillus macerans (concentración final 0.0219 g ■ L-1). La reacción se terminó después de un tiempo de reacción de 25 minutos mediante tratamiento térmico en agua hirviendo durante 2 minutos. Después, la mezcla se diluyó directamente con 60 ml de solución de metanol: agua (20:80) y se aplicó sobre una columna flash C-18 RP pre-acondicionada con una solución de metanol: agua (20:80). Posteriormente, los carbohidratos se eluyeron con una solución de metanol: agua (20:80).
A continuación, se eluyó el DDMO aumentando el contenido de metanol al 75% v / v. A partir de esas fracciones, se evaporó el disolvente (metanol: agua 75:25) en un evaporador rotatorio a 45°C, después de lo cual los sólidos se dispersaron en 50 ml de metanol para extraer más humedad de la preparación. Finalmente, el producto se recuperó mediante la evaporación del disolvente seguido de precipitación utilizando 30 ml de acetona. Los cristales blancos de DDMO se aislaron y se colocaron a secar en un desecador de vacío equipado con tamices moleculares (3Á). La pureza del producto se estimó en aproximadamente 86% por HPLC. El rendimiento global basado en el peso del sustrato DDM y el producto fue 54% mol de DDMO / mol de DDM. El transcurso del tiempo durante 60 minutos de una reacción entre a-ciclodextrina y DDM se muestra en la Figura 5. El producto de acoplamiento secundario comienza a aparecer después de un tiempo de reacción de 25 minutos.
Análisis por HPLC. Las muestras recolectadas durante el trabajo de desarrollo se analizaron utilizando un sistema de HPLC de Merck Hitachi (Lachrom (bomba L-7100, interfaz L-7000, muestreador automático L-7250 con un circuito de inyección de 20 pl), Hitachi, Ltd. Tokio, Japan) provisto de una columna C-18 RP (Kromasil 100-5C18, L: 25 cm, i.d.: 4,6 mm, Eka Chemicals AB, Separation Products, Bohus, Sweden) conectada a un detector de dispersión de luz evaporativa (ELSD) (Alltech 500 ELSD, Alltech Associates, Inc., Deerfield, USA) que opera a 99°C con un flujo de gas nebulizador de 2,73 SLPM (litros estándar por minuto). La elución (1 ml / min) implicó un gradiente lineal de 35:65 a 60:40 acetonitrilo: agua (con ácido acético al 0,1% v / v) durante 23 minutos con un tiempo de retención final de 1 minuto a 60:40 acetonitrilo: agua. Se hicieron curvas estándar para DDM y DDMO.
EJEMPLO 2
Otros aceptadores
La reacción de acoplamiento con a-ciclodextrina como donador de glicosilo descrita en el EJEMPLO 1 funciona con diferentes sustratos aceptores. El uso de decil-p-maltósido, tetradecil-p-maltósido, hexadecil-p-maltósido u oleil-pmaltósido como aceptores produce, por tanto, decil-p-maltooctaósido, tetradecil-p-maltooctaósido, hexadecil-pmaltooctaósido y olcil-p-maltooctaósido como productos de acoplamiento principales en las condiciones descritas en el EJEMPLO 1 (Figura 6). Asimismo, el dodecil-p-D-glucósido y el dodecil-p-maltotriosido funcionan como sustratos produciendo dodecil-p-maltoheptaósido y dodecil-p-maltononaósido como productos de acoplamiento principales (Figura 7). Además, los alquil-a-glicósidos pueden alargarse de la misma forma que los p-isómeros. Además, las mezclas complejas de alquilglicósidos, tales como alquilpoliglicósidos disponibles comercialmente, pueden usarse como sustratos aceptores en las reacciones de acoplamiento con a-ciclodextrina como donador de glicosilo, produciendo las correspondientes mezclas de productos complejas en las que la parte de carbohidrato se ha alargado con 6 residuos de glucosa. Los resultados muestran que el método funciona bien para el alargamiento del grupo carbohidrato de una amplia gama de alquilglicósidos.
EJEMPLO 3
Productos de acoplamiento múltiple
Siempre que se use un exceso de a-ciclodextrina como donador de glicosilo, las reacciones descritas en los EJEMPLOS 1 y 2 pueden continuar para producir productos de acoplamiento secundarios y adicionales. En cada etapa, la cadena de carbohidratos se alarga con 6 residuos de glucosa. Los productos de acoplamiento secundarios se muestran en la Figura 7. Los resultados muestran que son posibles múltiples adiciones de residuos de glucosa de a-ciclodextrina a alquilglicósidos. Esto hace posible sintetizar alquilglicósidos con cadenas de carbohidratos muy largas bajo un buen control, aunque habrá una distribución de productos que han pasado por un número variable de etapas de acoplamiento.
EJEMPLO 4
Otras ciclodextrinas y alfa-glucanos cíclicos de diferentes tamaños de anillo.
Las reacciones descritas en los EJEMPLOS 1-3 se pueden llevar a cabo utilizando diferentes ciclodextrinas como donadores de glicosilo. Cuando se usa p-ciclodextrina como donador de glicosilo, cada etapa de acoplamiento añade 7 residuos de glucosa a la cadena de carbohidratos. Cuando se usa Y-ciclodextrina como donador de glicosilo, cada etapa de acoplamiento añade 8 residuos de glucosa a la cadena de carbohidratos. Estos resultados muestran que es posible no solo añadir múltiplos de 6 residuos de glucosa, sino también múltiplos de 7 y 8 residuos a la parte de carbohidratos del aceptor (Figura 6). Mediante una combinación adecuada de la longitud de la parte de carbohidrato del aceptor, el tipo de ciclodextrina utilizada y el número de etapas de acoplamiento, es posible sintetizar así, productos con cualquier longitud de la cadena de carbohidratos. Además, las GTasas puede añadir alfa-glucanos cíclicos grandes, lo que hace posible lograr un alargamiento con hasta al menos 26 residuos de monosacáridos en una sola etapa.
EJEMPLO 5
Ampliación del patrón del producto mediante reacciones de desproporción.
La actividad relativa de diferentes CGTasas en reacciones de acoplamiento y desproporción varía. Al elegir una enzima con una actividad de desproporción relativamente alta y/o al prolongar el tiempo de reacción, se puede obtener una gran cantidad de productos de desproporción. Estos productos solo se diferencian en lo que respecta al número de residuos de glucosa que contienen. Un ejemplo de una CGTasa que da una gran cantidad de reacciones de desproporción en una etapa temprana es una de Thermoanaerobacter (Figura 8). Estos productos son atractivos para aplicaciones en las que resultan eficaces mezclas de tensioactivos estrechamente relacionados.
EJEMPLO 6
Almidón como donador de glicosilo
Las reacciones descritas en los EJEMPLOS 1-2 se pueden llevar a cabo utilizando oligosacáridos o almidón como donador de glicosilo. En estas reacciones, se forman ciclodextrinas como productos intermedios. Después de un tiempo de reacción corto, dominan los productos de acoplamiento y después de un tiempo de reacción más largo se forman cantidades crecientes de productos de desproporción (Figura 9). Dado que el almidón es considerablemente más barato que las ciclodextrinas, esto abre la posibilidad para la producción de productos más baratos.
EJEMPLO 7
Alquil poliglicósidos como aceptores y almidón como donador de glicosilo
Las reacciones descritas en los EJEMPLOS 1-2 y 6 pueden combinarse y llevarse a cabo usando alquilpoliglicósidos como aceptores y oligosacáridos o almidón como donadores de glicosilo. Como en el EJEMPLO 6, las ciclodextrinas se forman inicialmente como productos intermedios. Por lo tanto, después de un tiempo de reacción corto, dominan los productos de acoplamiento y, posteriormente, se forman cantidades crecientes de productos de desproporción (Figura 10).
Alargamiento de APG 600 UP (APG). APG 600 UP (APG) se obtuvo de Cognis GmbH (Düsseldorf, Germany), el almidón soluble fue de BDH Chemicals Ltd. (Poole, England), y otros productos químicos fueron de grado pro-análisis de VWR International (West Chester, PA, USA). Se disolvió almidón soluble (250 g / l) en 20 ml de tampón citrato de sodio 10 mM, pH 6, en un matraz de fondo redondo de 100 ml. El matraz se colocó en un baño de agua con temperatura controlada a 60°C y la reacción se inició añadiendo 100 gl de CGTasa de Bacillus macerans (concentración final de 0.0438 g ■ L-1). Después de 90 minutos, se añadió el aceptor (APG, 25 g / l) a la mezcla de reacción. Se añadió enzima fresca (100 gl cada vez) 30 y 90 minutos después de que se añadió el aceptor. La reacción se terminó después de un tiempo de reacción de 4 horas mediante tratamiento térmico en agua hirviendo durante 5 minutos. A continuación, la mezcla se diluyó directamente con una solución de metanol: agua (20:80) y se aplicó sobre una columna flash C-18 RP pre-acondicionada con una solución de metanol: agua (20:80). Posteriormente, los carbohidratos se eluyeron con una solución de metanol: agua (20:80). A continuación, el APG modificado se eluyó con metanol al 100% v / v. A partir de esta fracción, se evaporó el disolvente en un evaporador rotatorio a una temperatura de 45 a 55°C, después de lo cual los sólidos se dispersaron en 50 ml de metanol para extraer más humedad de la preparación. Finalmente, el producto se recuperó mediante evaporación del disolvente seguido de precipitación utilizando 30 ml de acetona. Los cristales de producto blanco se aislaron y se colocaron para secar en un desecador de vacío equipado con tamices moleculares (3Á).
EJEMPLO 8
Uso de diferentes enzimas.
Pueden usarse diferentes enzimas como catalizadores en esta invención. La reacción descrita en el EJEMPLO 7 fue así catalizada por la CGTasa de Thermoanaerobacter (véase EJEMPLO 1) o la archaea GTasa similar al termococcus, que se clonó para su expresión en nuestro laboratorio. Ambas enzimas catalizaron el alargamiento de la parte de carbohidrato del alquilpoliglicósido APG 600 UP. Las proporciones de los diferentes productos de elongación fueron diferentes dependiendo de la enzima utilizada. La enzima de Thermoanaerobacter producía principalmente productos que eluían bastante tarde en el cromatograma de fase reversa (Figura 11a), representando, por tanto, productos con un alargamiento moderado de la cadena de carbohidratos, mientras que la archaea GTasa similar al Thermococcus produjo varios productos de alquil glicósidos que eluían bastante temprano en el cromatograma (Figura 11b) y por lo tanto tenían partes de carbohidratos muy largas.
EJEMPLO 9
Enzima inmovilizada
Para separar fácilmente la enzima y el producto, la enzima se puede inmovilizar sobre un material de soporte adecuado antes de su uso en la invención. Esto también facilita la reutilización de la enzima, reduciendo así el coste de la enzima por kg de producto. Un método de inmovilización típico, que se ha utilizado con éxito con la CGTasa del Bacillus macerans es un acoplamiento covalente a Eupergit C disponible comercialmente.
En cuanto a la forma de uso y funcionamiento de la presente invención, lo mismo debería resultar evidente a partir de la descripción anterior. Por consiguiente, no se proporcionará ninguna discusión adicional relacionada con la forma de uso y funcionamiento.
REFERENCIAS
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[13] Ribosa, J. Sánchez Leal, F. Comelles, M. T. García, Journal of Colloid and Interface Science 1997, 187, 443.

Claims (15)

REIVINDICACIONES
1. Un proceso para el alargamiento de (un) alquilglicósido (s) mediante síntesis enzimática, que comprende: a) proporcionar un donador de glicosilo que tiene al menos 2 residuos de monosacárido y que comprende un compuesto seleccionado del grupo que consiste en carbohidratos cíclicos, oligosacáridos y polisacáridos lineales;
b) proporcionar un alquilglicósido que contiene al menos 7 átomos de carbono en la cadena de alquilo como un aceptor de glicosilo;
c) proporcionar una enzima capaz de catalizar la transferencia de al menos 2 residuos de monosacárido a la vez desde el donador de glicosilo al aceptor de glicosilo, seleccionándose la enzima del grupo que consiste en ciclomaltodextrina glucanotransferasa, número EC 2.4.1.19 y 4-alfa-glucanotranferasa, número EC 2.4.1.25; y d) permitir que el donador de glicosilo y el aceptor de glicosilo reaccionen entre sí en presencia de la enzima para producir un alquilglicósido que tiene una parte de carbohidrato alargada.
2. El proceso según la reivindicación 1, en el que dicha enzima se selecciona del grupo de ciclomaltodextrina glucanotransferasa, número EC 2.4.1.19.
3. El proceso según la reivindicación 2, en el que dicha ciclomaltodextrina glucanotransferasa es de Bacillus macerans o Thermoanaerobacter.
4. El proceso según la reivindicación 1, en el que dicha 4-alfa-glucanotranferasa es de Thermococcus sp.
5. El proceso según una cualquiera de las reivindicaciones 1 -4, en el que la enzima usada está en forma inmovilizada, preferiblemente unida covalentemente a un material de soporte sólido.
6. El proceso según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, en el que el o los alquilglicósidos contienen como máximo 20 átomos de carbono en la cadena de alquilo.
7. El proceso según una cualquiera de las reivindicaciones 1 -6, en el que el o los alquilglicósidos contienen 8, 10, 12, 14, 16 o 18 átomos de carbono en la cadena de alquilo, preferiblemente los grupos alquilo (R) son lineales o ramificados, saturados. o insaturado.
8. El proceso según una cualquiera de las reivindicaciones 1 -7, en el que los alquilglicósidos se seleccionan del grupo que consiste en alquilglucósidos, alquilmaltósidos y alquilpoliglicósidos, preferiblemente del grupo que consiste en alquilglucósidos y alquilpoliglicósidos.
9. El proceso según una cualquiera de las reivindicaciones 1 -8, en el que se usa una mezcla de alquilglicósidos.
10. El proceso según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el donador de glicosilo se selecciona del grupo que consiste en ciclodextrina, maltodextrinas, almidón y almidón parcialmente degradado; preferiblemente se selecciona del grupo que consiste en a-ciclodextrina, maltodextrinas, almidón y almidón parcialmente degradado; preferiblemente se selecciona del grupo que consiste en maltodextrinas, almidón y almidón parcialmente degradado.
11. El proceso según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el donador de glicosilo proporciona hasta 26 residuos de monosacárido al alquilglicósido.
12. El proceso según la reivindicación 11, en el que el donador de glicosilo proporciona 2-26 residuos de monosacárido al alquilglicósido, preferiblemente 4-26 residuos de monosacárido al alquilglicósido.
13. El proceso según la reivindicación 11, en el que el donador de glicosilo proporciona al menos 6 residuos de monosacárido al alquilglicósido.
14. El proceso según la reivindicación 11, en el que el donador de glicosilo proporciona 7, 8 o 9 residuos de monosacárido al alquil glicósido.
15. El proceso según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el alquilglicósido que tiene una parte de carbohidrato alargada obtenido tiene al menos 7 átomos de carbono en la cadena de alquilo y los grupos de cabeza de la misma contienen al menos 3 residuos de monosacárido.
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