JP2001521760A - L−カルニチンの製造法 - Google Patents
L−カルニチンの製造法Info
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Abstract
(57)【要約】
この発明はL(−)−カルニチンの製造法に関する。本発明の目的は、経済的に有利な方法により、大腸菌044K74の細胞を連続操作型細胞循環反応器内で固定化させることによって、L(−)−カルニチンをクロトノベタイン、クロトノベタイン塩またはこれらの誘導体から合成する方法を提供することである。大腸菌の成長細胞または休止細胞は、偏平膜モジュールまたは中空繊維モジュールとして配設された精密濾過膜または限外濾過膜によって連続操作型細胞循環反応器内に保持する。
Description
【0001】 (技術分野) この発明は、クロトノベタイン、クロトノベタインの塩およびクロトノベタイ
ンのその他の誘導体等からL−カルニチンを製造する方法に関する。
ンのその他の誘導体等からL−カルニチンを製造する方法に関する。
【0002】 (背景技術) 動植物界に汎存する化合物であるL−カルニチンが物質代謝、特に、長鎖脂肪
酸が生体内のミトコンドリア膜を経て輸送される際に重要な役割を果たすことが
知られている。真核生物の物質代謝におけるカルニチンの機能に起因して多数の
臨床的用途が誘導されている。このような用途としては、カルニチン欠乏症候群
の患者の処置、種々の心臓疾患の予防と治療および血液透析患者の処置等が例示
される。さらに、L−カルニチンは補助栄養分として重要であり、また、発酵培
地および酵母やバクテリアの増殖培地への添加成分としても必要である。このよ
うな用途やその他の用途における生活性なL−カルニチン鏡像体の需要量の増大
は、このベタインを光学的に純粋な形態でもたらす合成法の世界的な規模での研
究を誘発している。この理由は、化学的方法で合成されるラセミ体はカルニチン
アセチルトランスフェラーゼおよびカルニチン担体タンパク質の機能を阻害する
ので使用できないからである。
酸が生体内のミトコンドリア膜を経て輸送される際に重要な役割を果たすことが
知られている。真核生物の物質代謝におけるカルニチンの機能に起因して多数の
臨床的用途が誘導されている。このような用途としては、カルニチン欠乏症候群
の患者の処置、種々の心臓疾患の予防と治療および血液透析患者の処置等が例示
される。さらに、L−カルニチンは補助栄養分として重要であり、また、発酵培
地および酵母やバクテリアの増殖培地への添加成分としても必要である。このよ
うな用途やその他の用途における生活性なL−カルニチン鏡像体の需要量の増大
は、このベタインを光学的に純粋な形態でもたらす合成法の世界的な規模での研
究を誘発している。この理由は、化学的方法で合成されるラセミ体はカルニチン
アセチルトランスフェラーゼおよびカルニチン担体タンパク質の機能を阻害する
ので使用できないからである。
【0003】 L−異性体を分離するために今日まで利用されている方法は、光学的に活性な
酸を用いる分別結晶によってラセミ体を分割させることに基づくものであり[例
えば、米国特許第4,254,053号(1981年)明細書参照]、この場合、
D(+)−カルニチンが分解生成物として生成する。この問題は、低コストでアキ
ラルな前駆体に基づく種々の生物学的方法によって克服された[Adv.Biochem.
Eng.Biotechnol.第50巻、第21頁〜第44頁(1993年)参照]。特に 興味のある研究は、エシェリキア属の菌株[次の文献参照:ED0121444
(1984年);DD221905(1987年);EP0320460(19
89年)]またはプロテウス属の菌株[次の文献参照:Agric.Biol.Chem.第 52巻、第2415頁〜第2421頁(1988年);米国特許第5,300,4
30号(1994年)]を用いるトランス−クロトノベタインからL−カルニチ
ンへの立体特異的水和である。この方法の利点は、アキラルな前駆体が副生成物
D−カルニチンの化学的脱水によっても得られることである。
酸を用いる分別結晶によってラセミ体を分割させることに基づくものであり[例
えば、米国特許第4,254,053号(1981年)明細書参照]、この場合、
D(+)−カルニチンが分解生成物として生成する。この問題は、低コストでアキ
ラルな前駆体に基づく種々の生物学的方法によって克服された[Adv.Biochem.
Eng.Biotechnol.第50巻、第21頁〜第44頁(1993年)参照]。特に 興味のある研究は、エシェリキア属の菌株[次の文献参照:ED0121444
(1984年);DD221905(1987年);EP0320460(19
89年)]またはプロテウス属の菌株[次の文献参照:Agric.Biol.Chem.第 52巻、第2415頁〜第2421頁(1988年);米国特許第5,300,4
30号(1994年)]を用いるトランス−クロトノベタインからL−カルニチ
ンへの立体特異的水和である。この方法の利点は、アキラルな前駆体が副生成物
D−カルニチンの化学的脱水によっても得られることである。
【0004】 連続操作型反応器内において固定化微生物を用いる多くの文献に記載されてい
る方法は次の利点を有する: (i)純粋な反応培地を使用することができるので、抽出と精製過程が容易に
なる。 (ii)生体触媒を比較的高濃度で反応培地中に添加することによって高い生産
性が得られると共に、汚染の可能性が低減される。 (iii)インヒビターに対する感受性と栄養分欠乏が低減される。 (iv)生体触媒の比較的高い安定性が得られる。 これらの利点は商業的に利用されている方法においても応用されている。
る方法は次の利点を有する: (i)純粋な反応培地を使用することができるので、抽出と精製過程が容易に
なる。 (ii)生体触媒を比較的高濃度で反応培地中に添加することによって高い生産
性が得られると共に、汚染の可能性が低減される。 (iii)インヒビターに対する感受性と栄養分欠乏が低減される。 (iv)生体触媒の比較的高い安定性が得られる。 これらの利点は商業的に利用されている方法においても応用されている。
【0005】 微生物が精密濾過膜もしくは限外濾過膜によって保持される連続操作型反応器
は固定化法を利用するものであって、該固定化法には、上記の利点のほかに、固
定化のコストを低くすると共に、大規模生産を極めて容易に可能とするという利
点がある。
は固定化法を利用するものであって、該固定化法には、上記の利点のほかに、固
定化のコストを低くすると共に、大規模生産を極めて容易に可能とするという利
点がある。
【0006】 (発明が解決しようとする技術的課題) この発明は、上記の連続操作型反応器内において特定の微生物を用いてクロト
ノベタインまたはその誘導体からL−カルニチンを製造する方法を提供するため
になされたものである。
ノベタインまたはその誘導体からL−カルニチンを製造する方法を提供するため
になされたものである。
【0007】 (その解決方法) 即ちこの発明は、連続操作型反応器内において、精密濾過膜もしくは限外濾過
膜によって偏平膜モジュールもしくは中空繊維モジュール内に保持された大腸菌
044K74(DSM 8828)の遊離状もしくは固定化された成長細胞もし
くは休止細胞を用いてクロトノベタイン、クロトノベタイン塩もしくはその他の
クロトノベタイン誘導体からL−カルニチンを製造する方法に関する。
膜によって偏平膜モジュールもしくは中空繊維モジュール内に保持された大腸菌
044K74(DSM 8828)の遊離状もしくは固定化された成長細胞もし
くは休止細胞を用いてクロトノベタイン、クロトノベタイン塩もしくはその他の
クロトノベタイン誘導体からL−カルニチンを製造する方法に関する。
【0008】 (発明を実施するための最良の形態) 大腸菌は上記の反応器内において、カルニチン−代謝性酵素の誘発に必要な嫌
気性条件で、温度20〜40℃、pH値6.0〜8.0の条件下で保持される。反
応培地としては、最少培地または複合培地が使用される。いずれの培地の場合も
、クロトノベタイン、クロトノベタイン塩またはその他のクロトノベタイン誘導
体は25mM〜1Mの濃度範囲で添加される。最少培地は異なる濃度のカゼイン
水解物および塩[(NH4)2SO4、KH2PO4、K2HPO4、MgSO4・7H 2 O、MnSO4・4H2O、FeSO4・7H2O]を含有し、複合培地は異なる 濃度の膵臓ペプトンおよびNaClを含有する。大腸菌の成長を改善するために
はグリセリン、グルコース、リボース、サッカロースまたはラクトースを添加す
る。さらに、培地には、クロトノベタインからγ−ブチロベタインへの変換を阻
止するインヒビター(例えば、フマル酸塩、グルコースまたは硝酸塩)および誘
発剤であるカルニチン−代謝性酵素(例えば、D−カルニチン、L−カルニチン
、DL−カルニチン、これらの塩もしくはその他の誘導体あるいはクロトノベタ
イン、その塩もしくはその他の誘導体)が添加される。
気性条件で、温度20〜40℃、pH値6.0〜8.0の条件下で保持される。反
応培地としては、最少培地または複合培地が使用される。いずれの培地の場合も
、クロトノベタイン、クロトノベタイン塩またはその他のクロトノベタイン誘導
体は25mM〜1Mの濃度範囲で添加される。最少培地は異なる濃度のカゼイン
水解物および塩[(NH4)2SO4、KH2PO4、K2HPO4、MgSO4・7H 2 O、MnSO4・4H2O、FeSO4・7H2O]を含有し、複合培地は異なる 濃度の膵臓ペプトンおよびNaClを含有する。大腸菌の成長を改善するために
はグリセリン、グルコース、リボース、サッカロースまたはラクトースを添加す
る。さらに、培地には、クロトノベタインからγ−ブチロベタインへの変換を阻
止するインヒビター(例えば、フマル酸塩、グルコースまたは硝酸塩)および誘
発剤であるカルニチン−代謝性酵素(例えば、D−カルニチン、L−カルニチン
、DL−カルニチン、これらの塩もしくはその他の誘導体あるいはクロトノベタ
イン、その塩もしくはその他の誘導体)が添加される。
【0009】 ここで使用する連続操作型の細胞循環反応器内における反応過程は2つの段階
に分けることができる。1つの段階は、反応器のタンク内において、大腸菌の細
胞が反応培地と協働してクロトノベタインの大部分をL−カルニチンに変換させ
る段階である。この反応器タンクはpH−値、温度および攪拌速度を制御する手
段並びに酸素濃度の制御修正手段を具有する。反応器内への反応培地の補給は配
量ポンプを用いておこなう。必要な場合には、反応器タンク内から過剰の培地を
排出させなければならない。第2の段階は外部の循環路内での段階である。該循
環路は反応器タンクに連結され、反応器内の内容物をポンプ経由でフィルターユ
ニットを通して輸送する。反応生成物からL−カルニチンを分離するために濾液
を捕集する間に濾過残渣を反応器へ再び戻す。細胞懸濁液を濾過するためには、
大腸菌の細胞の大きさよりも小さな孔径を有する種々のメーカーから市販されて
いるフィルターシステムを使用することができる。最良の濾過速度を得ると共に
、濾過過程中の偏光膜の形成を最小限にするためには循環ポンプの送給速度は一
定に保維する。
に分けることができる。1つの段階は、反応器のタンク内において、大腸菌の細
胞が反応培地と協働してクロトノベタインの大部分をL−カルニチンに変換させ
る段階である。この反応器タンクはpH−値、温度および攪拌速度を制御する手
段並びに酸素濃度の制御修正手段を具有する。反応器内への反応培地の補給は配
量ポンプを用いておこなう。必要な場合には、反応器タンク内から過剰の培地を
排出させなければならない。第2の段階は外部の循環路内での段階である。該循
環路は反応器タンクに連結され、反応器内の内容物をポンプ経由でフィルターユ
ニットを通して輸送する。反応生成物からL−カルニチンを分離するために濾液
を捕集する間に濾過残渣を反応器へ再び戻す。細胞懸濁液を濾過するためには、
大腸菌の細胞の大きさよりも小さな孔径を有する種々のメーカーから市販されて
いるフィルターシステムを使用することができる。最良の濾過速度を得ると共に
、濾過過程中の偏光膜の形成を最小限にするためには循環ポンプの送給速度は一
定に保維する。
【0010】 大腸菌の遊離細胞という表現は、排出液による細胞流出が阻害されることなく
、全細胞が反応培地中に懸濁された状態を意味する。「固定化細胞」という表現
は、全細胞が可溶性ポリマーもしくは不溶性担体に結合した状態あるいは全細胞
が膜システム内に包囲された状態を意味する[Methods in Enzymol.、第135
巻、第3頁〜第30頁(1987年)参照]。
、全細胞が反応培地中に懸濁された状態を意味する。「固定化細胞」という表現
は、全細胞が可溶性ポリマーもしくは不溶性担体に結合した状態あるいは全細胞
が膜システム内に包囲された状態を意味する[Methods in Enzymol.、第135
巻、第3頁〜第30頁(1987年)参照]。
【0011】 成長条件という概念は、全細胞がそれらの生存サイクル中に培養基を消費して
生産物を生成する状態として定義される。休止細胞は完全であるが成長性のない
細胞であって、一定の条件下で特定の物質代謝能を発揮する細胞を意味する[「
バイオテクノロジー」、キースリッヒK.著;レームH.J.およびリードG.
編;フェアラーク・ヘミー、バインハイム(ドイツ)、第6a巻、第5頁〜第3
0頁(1984年)参照]。
生産物を生成する状態として定義される。休止細胞は完全であるが成長性のない
細胞であって、一定の条件下で特定の物質代謝能を発揮する細胞を意味する[「
バイオテクノロジー」、キースリッヒK.著;レームH.J.およびリードG.
編;フェアラーク・ヘミー、バインハイム(ドイツ)、第6a巻、第5頁〜第3
0頁(1984年)参照]。
【0012】 本発明を以下の実施例によって詳述する。 実施例1 縁部まで内容物を充填して気密状に閉鎖したエーレンマイヤーフラスコ内での
嫌気性条件下において、大腸菌044K74を37℃で培養した。この場合、該
フラスコは回転振盪機(150r.p.m.)上に載置した。複合培地としては次 の組成を有するものを使用した:50mMクロトノベタイン、50mMフマル酸
塩、5g/l NaClおよび種々の濃度(0.5〜10g/l)の膵臓ペプト ン。pHはKOHを用いて7.5に調整した。ペプトン濃度が相違する場合の比
成長速度を表1にまとめて示す。
嫌気性条件下において、大腸菌044K74を37℃で培養した。この場合、該
フラスコは回転振盪機(150r.p.m.)上に載置した。複合培地としては次 の組成を有するものを使用した:50mMクロトノベタイン、50mMフマル酸
塩、5g/l NaClおよび種々の濃度(0.5〜10g/l)の膵臓ペプト ン。pHはKOHを用いて7.5に調整した。ペプトン濃度が相違する場合の比
成長速度を表1にまとめて示す。
【0013】
【表1】
【0014】 上記の条件下において、大腸菌の成長性細胞は実験の終了までに20〜30m
MのL−カルニチンを生産した。 ペプトンの濃度が5g/lよりも高い場合には、類似の成長パラメーター、速
度パラメーターおよびバイオマス含有量[OD(600nm)]が得られた。こ
れに対して、ペプトン濃度が比較的低い場合には、より小さな成長パラメーター
が得られた。
MのL−カルニチンを生産した。 ペプトンの濃度が5g/lよりも高い場合には、類似の成長パラメーター、速
度パラメーターおよびバイオマス含有量[OD(600nm)]が得られた。こ
れに対して、ペプトン濃度が比較的低い場合には、より小さな成長パラメーター
が得られた。
【0015】 実施例2 縁部まで内容物を充填して気密状に閉鎖したエーレンマイヤーフラスコ内での
嫌気性条件下において、大腸菌044K74を37℃で培養した。この場合、該
フラスコは回転振盪機(150r.p.m.)上に載置した。次の組成を有する複 合培地を使用した:50mMクロトノベタイン、5g/l膵臓ペプトン、5g/
l NaClおよび種々の濃度(0〜75mM)のフマル酸塩。pHはKOHを
用いて7.5に調整した。
嫌気性条件下において、大腸菌044K74を37℃で培養した。この場合、該
フラスコは回転振盪機(150r.p.m.)上に載置した。次の組成を有する複 合培地を使用した:50mMクロトノベタイン、5g/l膵臓ペプトン、5g/
l NaClおよび種々の濃度(0〜75mM)のフマル酸塩。pHはKOHを
用いて7.5に調整した。
【0016】 以下の表2から明らかなように、フマル酸塩の添加によって大腸菌044K7
4の高い成長速度と約1.0のOD(600nm)が定常状態において得られた 。さらに、フマル酸塩は実験の終了までに20〜30mMのL−カルニチンの生
成をもたらした。、フマル酸塩の不存在下では、得られたカルニチンの濃度はわ
ずかに5mMであった。
4の高い成長速度と約1.0のOD(600nm)が定常状態において得られた 。さらに、フマル酸塩は実験の終了までに20〜30mMのL−カルニチンの生
成をもたらした。、フマル酸塩の不存在下では、得られたカルニチンの濃度はわ
ずかに5mMであった。
【0017】
【表2】
【0018】 実施例3 クロトノベタインからL−カルニチンを生成する大腸菌044K74の特性は
クロトノベタインによって誘発される。この誘発実験は、休止細胞を使用する条
件下において、5〜75mMのクロトノベタインを用いておこなった。クロトノ
ベタインの濃度が高い場合には、60%よりも高い変換率でL−カルニチンが得
られた(以下の表3参照)。
クロトノベタインによって誘発される。この誘発実験は、休止細胞を使用する条
件下において、5〜75mMのクロトノベタインを用いておこなった。クロトノ
ベタインの濃度が高い場合には、60%よりも高い変換率でL−カルニチンが得
られた(以下の表3参照)。
【0019】
【表3】
【0020】 実施例4 縁部まで内容物を充填して気密状に閉鎖したエーレンマイヤーフラスコ内での
嫌気性条件下において、大腸菌044K74を37℃で培養した。この場合、該
フラスコは回転振盪機(150r.p.m.)上に載置した。次の組成を有する複 合培地を使用した:50mMクロトノベタイン、5g/l膵臓ペプトン、5g/
l NaClおよび50mMフマル酸塩。pHはKOHを用いて7.5に調整し た。
嫌気性条件下において、大腸菌044K74を37℃で培養した。この場合、該
フラスコは回転振盪機(150r.p.m.)上に載置した。次の組成を有する複 合培地を使用した:50mMクロトノベタイン、5g/l膵臓ペプトン、5g/
l NaClおよび50mMフマル酸塩。pHはKOHを用いて7.5に調整し た。
【0021】 反応器内の生体触媒の濃度を高めると共に、種々の希釈率におけるL−カルニ
チンの生成速度を最大比成長速度よりも高くするために、膜反応器を使用した。
細胞は、排除限界が0.1μmのポリスルホン−精密濾過膜を用いて回収して再 使用に供した。このような膜は偏平モジュール内に配設した。以下の表4にはバ
イオマス含有量に関するデータを示し、表5にはカルニチンの生産率、クロトノ
ベタインの変換率および生産性に関するデータを示す。
チンの生成速度を最大比成長速度よりも高くするために、膜反応器を使用した。
細胞は、排除限界が0.1μmのポリスルホン−精密濾過膜を用いて回収して再 使用に供した。このような膜は偏平モジュール内に配設した。以下の表4にはバ
イオマス含有量に関するデータを示し、表5にはカルニチンの生産率、クロトノ
ベタインの変換率および生産性に関するデータを示す。
【0022】
【表4】
【0023】
【表5】
【0024】 これらの表から明らかなように、細胞循環反応器内において、大腸菌044K
74の固定化細胞使用することによって、代謝率約40%でクロトノベタインか
らL−カルニチンを6.5/l/hの生産性で得ることができる。
74の固定化細胞使用することによって、代謝率約40%でクロトノベタインか
らL−カルニチンを6.5/l/hの生産性で得ることができる。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 マヌエル・カノバス−ディアス スペイン、エ−30001サント・アンヘル− ムルシア、ウルバニサシオン・アサール・ デ3、クエスタ・デ・ラ・ルス31番 (72)発明者 ホセ・マリア・オボン スペイン、エ−30009ムルシア、リベルタ ッド1.7ア番 (72)発明者 ホセ・ルイス・イボラ スペイン、エ−30008ムルシア、ヌエスト ラ・セドラ・デ・ロス・ブエノサ・リブロ ス5.4エフェ番 Fターム(参考) 4B064 AE01 CA02 CC03 CC08 CD12 CE06 DA01
Claims (14)
- 【請求項1】 連続操作型細胞反応器内において、出発物質としてのクロト
ノベタイン、その塩またはこれらの誘導体を固定化微生物によってL−カルニチ
ンに変換させることを特徴とする、クロトノベタインからのL−カルニチンの製
造法。 - 【請求項2】 微生物が大腸菌044K74(DSM 8828)である請
求項1記載の方法。 - 【請求項3】 大腸菌が、その生存能力を損うことのない担体上に固定され
る請求項1または2記載の方法。 - 【請求項4】 担体としてセラミック、ガラスビーズまたはポリウレタン製
ディスクを使用する請求項3記載の方法。 - 【請求項5】 微生物を担持するセラミックによって反応混合物を濾過した
後、既知の方法でL−カルニチンを分離させ、次いでクロトノベタインを循環さ
せる請求項1から4いずれかに記載の方法。 - 【請求項6】 反応培地中のクロトノベタインの濃度が25mM〜1Mであ
る請求項1から5いずれかに記載の方法。 - 【請求項7】 反応器内へ流入する常套の市販の複合培地または適当に調製
された大腸菌用最少培地に、クロトノベタインのγ−ブチロベタインへの水素化
を阻害するインヒビターである呼吸に係る電子受容体、例えば、フマル酸塩、硝
酸塩、酸素、N−オキシドまたはグルコースを添加する請求項1から6いずれか
に記載の方法。 - 【請求項8】 最少培地中にカルニチン代謝酵素である誘導剤、例えば、L
−カルニチン、D−カルニチンもしくはDL−カルニチン、これらの誘導体およ
び塩並びにクロトノベタイン、その誘導体および塩を添加する請求項1から7い
ずれかに記載の方法。 - 【請求項9】 フマル酸塩の濃度を50mMに維持して大腸菌044K74
を複合培地上で嫌気性もしくは部分嫌気性条件下で培養する請求項1記載の方法
。 - 【請求項10】 クロトノベタイン(50mM)、膵臓ペプトン(5g/l
)、NaCl(5g/l)およびフマル酸塩(5mM)を含有し、pHが7.5
の複合培地上で大腸菌044K74を嫌気性もしくは部分嫌気性条件下で培養し
、反応を連続操作型膜反応器内でおこなう請求項1記載の方法。 - 【請求項11】 異なる化学組成、例えば、セルロース製、ポリスルホン製
またはポリサルホン化ポリスルホン製の既知の限外濾過膜または、精密濾過膜(
排除限界:330kDaもしくは0.2μ)から構成される市販の逆流濾過モジ
ュールまたは中空繊維モジュールを使用することによって、反応器内での微生物
の循環を連続的におこなう請求項1から8いずれかに記載の方法。 - 【請求項12】 合成を嫌気性または部分嫌気性条件下でおこなう請求項1
から10いずれかに記載の方法。 - 【請求項13】 連続操作型反応器内でのカルニチンの製造を、2台のポン
プ(配量用ポンプおよび濾過用ポンプ)によって調整される異なる希釈率および
種々の攪拌速度とバイオマス濃度の条件下においておこなう請求項1記載の方法
。 - 【請求項14】 濾過液の流出速度をプロセスパラメーターによって調整す
る請求項13記載の方法。
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