JP2008533994A - γ−グルタミルシステインの製造プロセス - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、γ-グルタミルシステインを製造するための酵素的プロセス、そのようなプロセスにより製造されたγ-グルタミルシステイン、およびその使用に関する。
全ての好気性生物は、呼吸のためおよび、エネルギー用の栄養素の酸化のために分子酸素を使用する。分子酸素から水への還元中に、遊離基としても公知の反応性酸素種が発生する。これらは極めて反応性があり、DNA、タンパク質および脂質を含む殆ど全ての細胞成分を攻撃して損傷を与え得る。老化、関節炎、動脈硬化、AIDS、癌、白内障、肝炎、心筋梗塞、アルツハイマー病および脳卒中を含む多くの種々の退行性疾患において、これらの反応性酸素種により誘発される酸化ストレスが関係していると見なされてきた。酸化ストレスに対抗するために、細胞は、酵素および、アスコルビン酸塩、α-トコフェロール、尿酸、β-カロテンおよびグルタチオンのような抗酸化剤を含む防御機構を開発してきた。主な細胞抗酸化剤として、グルタチオンの代謝および修飾が、酸化ストレスに対する保護において重要である。
グルタチオンの細胞合成(デノボ)
本発明は、酵素的合成を用いてγ-グルタミルシステインを製造するための、効率的で、比較的単純な、費用効率の高いプロセスを提供する。
システインと低分子量水溶性チオールとの混合ジスルフィド;
S-アセチルシステイン;
S-アセトアミドメチルシステイン;
S-メトキシカルボニルスルフェニルシステイン;
S-スルホシステイン;
シスチンジメチルエステル;および
シスチンモノメチルエステル。
γ-グルタミルエステル;
下記から選択されるシステイン誘導体:
システインと低分子量水溶性チオールとの混合ジスルフィド、
S-アセチルシステイン、
S-アセトアミドメチルシステイン、
S-メトキシカルボニルスルフェニルシステイン、
S-スルホシステイン、
シスチンジメチルエステル、および
シスチンモノメチルエステル;ならびに
γ-グルタミルトランスペプチダーゼ。
GGCの製造のための産業的に効果的なプロセスは利用できない。現存の非酵素的プロセスは、典型的には、複合的な多工程プロセスであり、高価な装置を必要とし、生成物の経費のかかる回収を含み、毒性化合物および有機溶媒の使用を含み、種々の廃液流を産生する。酵素的プロセスも記載されているが、それらは、典型的には、非効率的であり収率が低く、しばしば、高価なまたは取扱い困難な出発化合物または中間体を使用する。
本明細書において用いられる「含む(comprising)」という用語は、「主に含むが、必ずしも単独ではない」ことを意味する。「含む(comprise)」および「含む(comprises)」のような「含む(comprising)」という用語の変形は、対応して同様に意味を有する。
γ-グルタミル基をγ-グルタミルドナーからシステイン誘導体に転移することができる任意の酵素が、本発明で考えられる。多くの酵素の正常の生物学的機能は、タンパク質またはペプチドからアミノ酸を除去する、またはタンパク質またはペプチドを加水分解することであるが、これらの反応は適当な条件下に可逆性であることが多い。従って、熱力学的に好ましい反応が化合物からのγ-グルタミル基の除去である酵素が、熱力学的に好ましい反応が化合物へのγ-グルタミル基の付加または転移である酵素と共に、本発明の範囲内と考えられる。従って、本発明のプロセスにおいて用いられると考えられる酵素として、γ-グルタミルトランスペプチダーゼ(E.C.2.3.2.2)のようなトランスペプチダーゼ、およびγ-グルタミルヒドロラーゼ(E.C.3.4.19.9)のようなエステラーゼ活性を有する加水分解酵素、パパイン(E.C.3.4.22.2)、ブロメライン(E.C.3.4.22.32)、フィシン(E.C.3.4.22.3)、トリプシン(E.C.3.4.21.4)、キモトリプシン(E.C.3.4.21.1)、スブチリシン(E.C.3.4.21.62)およびエラスターゼ(E.C.3.4.21.37)のようなプロテアーゼまたはペプチダーゼ、およびブタ膵臓、カンジダ・ルゴサ(Candida rugosa)、サーモマイセス・ラヌギノサ(Thermomyces lanuginosa)またはリゾムコル・ミエヘイ(Rhizomucor miehei)からのリパーゼのようなリパーゼ(E.C.3.1.1.3)が挙げられる。システイン誘導体用の酵素の特異性が増加すると、反応の効率が良くなる。
天然には、γ-グルタミルトランスペプチダーゼ(γ-GT)は、水、アミノ酸またはジもしくはトリペプチドであってよい受容体への、グルタチオンのγ-グルタミル部分の転移を触媒する。これらの酵素は、加水分解よりもアミノ分解の可能性を増加させる特異的ドナーおよび受容体部位を有しており、水中で等モル濃度の基質を用いて比較的高い合成収率を得ることを可能にする。さらに、GGCの化学的合成に必須であると共に、一般的プロテアーゼを用いる時にしばしば必要とされる保護手段は、γ-GT触媒された反応を用いた場合、基質への高い特異性故に、不必要である。
γ-グルタミルヒドロラーゼは、プテロイルポリ-γ-グルタメートからポリ-γ-グルタメートまたはγ-グルタメートを除去してプテロイルグルタメート(葉酸)を除去することを触媒する。その酵素は、γ-グルタミル結合への特異性を有するので、逆にγ-グルタミル基を受容体分子に転移させることに用いることができる。
多くのプロテアーゼおよびペプチダーゼは、加水分解の性質を有するが、水ポテンシャルの低下(加水分解時の濃縮に好ましいように)および低温を含む適当な条件が提供されると、逆の合成反応を触媒するために用いることができる。本発明の範囲内で考えられるプロテアーゼおよびペプチダーゼには、パパイン(E.C.3.4.22.2)、ブロメライン(E.C.3.4.22.32)、フィシン(E.C.3.4.22.3)、トリプシン(E.C.3.4.21.4)、キモトリプシン(E.C.3.4.21.1)、スブチリシン(E.C.3.4.21.62)およびエラスターゼ(E.C.3.4.21.37)のようなエステラーゼ活性を有するプロテアーゼが挙げられる。これらの酵素に対して、γ-グルタミルトランスペプチダーゼを用いる主な利益は、これらの酵素のための反応環境が、合成反応に好ましいように水混和性溶媒(例えば、DMF)を高い割合で加えることを必要とすることであるが、γ-GTにより触媒された反応は、100%水において実施し得る。
プロテアーゼと同様に、加水分解の性質を有するが、リパーゼは、水濃度の低下(加水分解時の濃縮に好ましいように)および低温を含む適当な条件が提供されると、逆の合成反応を触媒するために用いることができる。プロテアーゼとは異なり、リパーゼはα-カルボキシルに対して限定された特異性を有さず、このことにより、グルタミン酸のγ-カルボキシルへの有用な活性が提供され得る。本発明の範囲内で考えられるリパーゼとして、ブタ膵臓、カンジダ・ルゴサ(Candida rugosa)、サーモマイセス・ラヌギノサ(Thermomyces lanuginosa)またはリゾムコル・ミエヘイ(Rhizomucor miehei)からのリパーゼのような任意の好適なリパーゼが挙げられる。これらの酵素に対して、γ-グルタミルトランスペプチダーゼを用いる主な利益は、これらの酵素のための反応環境が、合成反応に好ましいように水混和性溶媒(例えば、DMF)を高い割合で加えることを必要とすることであるが、γ-GTにより触媒された反応は、100%水において実施し得る。
本発明のプロセスで用いるための酵素は、当技術分野において公知と共に、例えば、Wiseman, A.(1995)Handbook of Enzyme Biotechnology(London, Ellis Horwood)に記載されているようなプロセスおよび材料を用いて、任意の適当な支持体に固定することができる。提案されたプロセスに関するマトリクス固定の主な基準には、
1.高い酵素結合性能を有すること、
2.反応条件下に酵素の安定性を維持し、再使用できること、
3.流動床反応に耐えるように十分に頑強であること、および
4.費用効率が高いこと、がある。
γ-グルタミルドナー
以下の基準を満たす任意の適当なγ-グルタミルドナーが、本発明により考えられる:
・溶媒系への適度の溶解性(>0.1M)、
・γ-グルタミルドナーとの酵素の適度の活性、および
・任意の誘導体化基を容易に除去して、遊離γ-グルタミルシステインを放出できなくてはならないこと。例えば、ベンジルオキシカルボニルのような誘導体化基は、γ-グルタミル受容体が一つまたは複数のチオール基を有する場合、この基の除去にチオール基により毒される白金触媒の使用を必要とするので、不適当である。
・グルタミン酸のγ-エチル、メチル、プロピルまたは他の水溶性のエステル
・グルタミン酸のγ-エチレングリコールエステル
・グルタミン酸のメトキシエタノールまたはエトキシエタノールエステル
・グルタミン酸のγ-p-クロロフェニルエステル
・グルタミン酸のγ-シアノメチルエステル
・グルタミン酸のα,γ-ジエチル(またはジメチル)エステル
・γ-グルタミルエチル、メチル、プロピルまたは他の水溶性アミド
が挙げられる。
a.γ-グルタミルエステル
グルタミン酸のγ-アルキルエステルは、酸性条件下でのグルタミン酸と適当なアルキルアルコールとの標準的エステル化反応により容易に調製することができる。例えば、グルタミン酸エステルは、触媒としての鉱酸(例えば、塩化水素または硫酸)の存在下に適切なアルコール(例えば、エチルエステルについてはエタノール)にアミノ酸を溶解するフィッシャーエステル化のような従来のプロセスに従って、合成することができる。グルタミン酸のγ-カルボキシル基は、α-カルボキシル基よりも塩基性であるので、エステル化するのが好ましい。長い反応時間および加熱の後に初めて、α,γ-ジエステルが形成される。
グルタミン酸の幾つかのγ-アミドは、ペプチド転移反応用の適当なドナーであり得る。例えば、実施例2で用いられるアミドであるL-γ-グルタミル-p-ニトロアニリドは、有効なγ-グルタミルドナーであることが示された。しかしながら、L-γ-グルタミル-p-ニトロアニリドおよび多くの他の類似のγ-グルタミルアミドを合成するために複雑な保護および脱保護化学が必要であるので、経済的観点でのそれらの有用性が損なわれる。幾つかの単純なγ-グルタミルアミドを保護基を必要とすることなく合成することができ、それらは、ピロリドンカルボン酸(グルタミン酸を180℃に加熱したときに水の損失により形成される環状誘導体)と反応させた時に自発的にγ-グルタミルアミドを形成することができる、メチルアミンおよびエチルアミンのような強度に塩基性のアミンである。例えば、Lichtenstein(Lichtenstein, N. Preparation of γ-alkylamides of glutamic acid. Journal of the American Chemical Society, 1942. 64 p.1021-1022)は、ピロリドンカルボン酸の水溶液を37℃で適切なアミンにより10日間処理することにより幾つかのγ-グルタミルアルキルアミド(メチルおよびエチル)を合成することを記載している。ピロリドンカルボン酸をアンモニア水溶液で処理することによりグルタミンは得られなかった。実施例3で用いられた最も単純なγ-グルタミルアミドであるグルタミンは、効果の無いγ-グルタミルドナーであることが示された。
システインはγ-グルタミルトランスペプチダーゼにより触媒される反応にとって乏しいγ-グルタミル受容体であり、この酵素は、受容体としてのシスチンに約100倍以上特異的である。しかしながら、シスチンは水溶性が乏しく(37℃およびpH9.1において約5g/Lであり、溶解性は、より低い温度およびpH値において低い)、その結果、シスチンは、産業的規模のプロセスのためのγ-グルタミル受容体として用いることに適していない。
・溶媒系への適度の溶解性(>0.1M)、
・γ-グルタミル受容体との酵素の適度の活性、および
・受容体上の任意の保護および/または可溶化基を、容易に除去して、遊離γ-グルタミル化誘導体(例えば、S-ベンジルシステインのような誘導体は、除去のために過酷な化学的条件を必要とするので、不適当である)を放出できなくてはならない。
・システインと低分子量水溶性チオールとの混合ジスルフィド
・S-アセチルシステイン
・S-アセトアミドメチルシステイン
・S-メトキシカルボニルスルフェニルシステイン
・S-スルホシステイン
・シスチンジメチルエステル
・シスチンモノメチルエステル。
システインのチオール基の効果的保護は、ペプチド化学における現時点での問題であり、Kudryavtsevaによって、誘導体化/保護基が十分に再検討されている(Kudryavtseva, E.V., et al. Peculiarities of synthesis of the cysteine-containing peptides. Uspekhi Khimii, 1998. 67(7): p.611-630)。しかしながら、この文献に記載されたシステイン誘導体の殆ど全ての主な不利益は、非極性有機溶媒に可溶性であるように設計されていることであり、それにより、水が選択される溶媒である本発明に不適切となる。システインの幾つかの水溶性誘導体が確認されており、以下に列挙する。
混合ジスルフィドの形成のために、以下のものを含む多くの選択肢が存在する。2-メルカプトエタノールによるS-スルホ-システイン中間体の還元(Stapleton, I.W., et al. Amino acids and peptides .9. Some unsymmetrical disulphides derived from cysteine. Australian Journal of Chemistry, 1962. 15(3):p.570);システインによるS-(2-ヒドロキシエチル)-メタンチオールスルホネート中間体の還元(Nagasawa, H.T., J.F.Cohen, and W.B. Rathbun, Mixed disulfides of L-cysteine and its derivatives with 2-mercaptoethanol. Organic Preparations and Procedures International(Briefs), 1996. 28(2):p.237-241)、およびジアクアコビンアミド(diaquacobinamide)で触媒した混合ジスルフィド形成(Budy, B., et al., A facile synthesis of homocysteine-cysteine mixed disulfide. Analytical Biochemistry, 2001. 291(2):p.303-305)。システインとチオグリコール酸との混合ジスルフィドは、例えば、Greenstein, J.P. and M.Winitz, Chemistry of the amino acids. Vol.3.1961, New York: John Wiley & Sons. p.1879-1928に記載のように調製することができる。混合ジスルフィドの形成のための他の方法としては、「Reaction of cysteine with excess mercaptoethanol and cyanogen bromide」(Abe, O., et al. Synthesis of mixed disulfides with cyanogen-bromide and its consequences for elucidation of protein structure. Journal of Organic Chemistry, 1974. 39(2):p.253-255)がある。システインまたはメルカプトエタノールを、塩化アルコキシカルボニルスルフェニルと反応させてS-アルキルオキシカルボニルスルフェニル誘導体を形成し、これが、チオールと容易に反応して混合ジスルフィドが形成される(Rietman, B. H., et al. A facile method for the preparation of S-(alkylsulfenyl)cysteines. Synthetic Communications, 1994. 24(9):p.1323-1332)。
R-SOH + R1SH → R-S-S-R1 + H2O
システインのS-アセトアミドアルキル誘導体は、希塩酸中で適切なN-(ヒドロキシアルキル)アセトアミドとシステイン塩酸塩とを反応させることにより最も都合良く調製される。例えば、Milkowskiは、N-(ヒドロキシメチル)アセトアミドを用いるS-アセトアミドメチルシステインの合成を記載(Milkowski, J.D., et al. Thiol protection with the acetamidomethyl group - S-acetamidomethyl-1-cysteine hydrochloride. Organic Syntheses, 1988. 6:p.5-8)しており、以下の反応スキームに示す。
S-スルホシステインの形成のために、以下のような幾つかの選択肢が存在する。大過剰の亜硫酸アンモニウムでのシステインのアンモニア溶液の処理(Clarke, H. T. Journal of Biological Chemistry, 1932. 97:p.235);第二銅イオンの存在下における亜硫酸ナトリウムによるシスチンまたはシステインの転化(Moore, W., et al. Inactivation of γ-glutamylcystine synthetase, but not glutamine synthetase, by S-sulphocystine and S-sulphohomocystine. The Journal of Biological Chemistry, 1987. 262:p.16771-16777);または、システインへのテトラチオン酸ナトリウムの作用(Maugras, I., et al. Peptide-synthesis using novel S-sulphocysteine derivatives. International Journal of Peptide and Protein Research, 1995. 45(2):p.152-156)。以下の反応スキームに示す後者の選択肢に従って、S-スルホシステインのモノナトリウム塩を大規模かつ優れた収率で調製することができる。
シスチンエステルは、触媒としての鉱酸(例えば、塩化水素または硫酸)の存在下に適切なアルコール(例えば、メチルエステルについてはメタノール)にシスチンを溶解するフィッシャーエステル化のような従来のプロセスに従って、合成することができる。大過剰のアルコール、および還流下の長い反応時間を用いると、結果として、シスチンジアルキルエステルが形成される。例えば、メタノールを用いるシステインジメチルエステル二塩酸塩の合成が、以下の反応スキームに示される。
システインのS-アルコキシカルボニルスルフェニル誘導体は、メタノール溶液中、適切な塩化アルコキシカルボニルスルフェニルと塩酸システインとを反応させることにより最も都合良く調製される。例えば、Rietmanは、塩化メトキシカルボニルスルフェニルを用いるS-(メトキシカルボニルスルフェニル)システイン・HClの合成を記載しており(Rietman, B. H. A facile method for the preparation of S-(alkylsulfenyl)cysteines. Synthetic Communications, 1994. 24(9):p.1323-1332)、以下の反応スキームに示す。
S-アセチルシステインの調製は、2つの手順に従って行うことができる。チオ酢酸を用いる、システインの酸触媒したS-エステル化(Uotila, L. Preparation and assay of glutathione esters. Biochemistry, 1973. 12 p.3938-3943)、またはシステインのアミノ基を保護するための、溶媒としてトリフルオロ酢酸を用いるシステインへの塩化アセチルの作用による。以下の反応スキームに示す後者の選択肢は、高い収率および選択率でグルタチオンをS-アシル化するプロセスを記載しているGalzignaの特許に最初に示された(Galzigna, L. A process for the preparation of glutathione S-acyl derivatives. 1990. PCT/ EP91/ 01154)。
γ-グルタミルドナー(例えば、グルタミン酸γ-エステル)およびγ-グルタミル受容体/シスチン(システイン)誘導体(例えば、システイン-メルカプトエタノール混合ジスルフィド)を、選択された酵素の存在下に、シスチン(システイン)誘導体とγ-グルタミルドナーとの間のα,γ-アミド結合(ペプチド結合)の酵素で触媒された形成に好ましい条件下に、混合(例えば、等モル濃度で)することができる。γ-グルタミルドナーがグルタミン酸γ-エステルである場合、γ-グルタミルトランスペプチダーゼのような適当な酵素がエステラーゼ活性を示す。
反応環境は、対象酵素によるγ-グルタミル基のシステイン誘導体への転移に最適である約1〜2の範囲のpHを有すべきである。しかしながら、酵素が比較的平坦なpH活性プロフィールを有する場合、より広いpH範囲を適用することができる。反応pHは反応体濃度にも影響を与えることができ、これは決定的要因であり得、酵素の最適pHは、必ずしも、最適反応条件を提供することができない。一旦、塩基性酵素および反応体のパラメーターが知られると、pHの最適化は、当業者により、直接的手順およびモデリングにより容易に行うことができる。
通常、用いられる温度は最も早い反応速度を提供する温度であるが、これは、加熱費用に対して上昇した温度により得られるべき改良、酵素、反応体および/または産物の安定性によって左右され得る。反応温度は、塩基性酵素および反応体パラメーターが一旦知られると、当業者により直接的手順およびモデリングにより、容易に最適化することができる。
一般的に言って、反応体は、最大の反応速度を提供する濃度で、反応環境中に提供すべきである。しかしながら、バッチ式プロセスにおいては達成し得るまたは所望の最終的産物濃度により決められ連続式プロセスにおいては反応器中の滞留時間の制限の対象でもある、反応時間によっても濃度は影響を受ける。特に連続式反応については、溶出液流中の未反応成分の濃度を最少にするような最適化が必要であるが、これは、塩基性酵素パラメーターが一旦知られると直接的手順およびモデリングにより達成することができる、および/または、当業者により容易に決めることができる。
多くの酵素を用いた場合、水の存在が加水分解反応を促進することができる。これは、プロテアーゼ、ペプチダーゼ、γ-グルタミルヒドロラーゼおよびγ-グルタミルトランスペプチダーゼを用いた場合である。そのような状況において、反応(システイン誘導体へのγ-グルタミル基の転移)効率は、水濃度を低下させるために水混和性溶媒を含むことにより向上させることができる。γ-グルタミルトランスペプチダーゼを含む反応混合物中に水混和性溶媒を含ませることは、アミダーゼ反応(GGCからのγ-グルタミル部分の除去)を示し、有意なエステラーゼ活性を呈することが発見された。
反応時間は、バッチ式プロセスが利用されるか連続式プロセスが利用されるかに依存し、バッチ式プロセスにおける酵素の濃度および連続式プロセスにおけるカラム滞留時間が決定因子である。反応時間の最適化が、両方の場合に必要であり、当業者により標準的試行および実験により容易に決められる。
プロセスは、供給バッチ(fed-batch)もしくはバッチ式プロセス、またはγ-GT固定化反応カラムを利用する連続フロープロセスにおいて行うことができる。
図4および5に示すようなγ-GTを用いるGGCの産業的製造のためのバッチ式プロセスは、3つの主要な工程からなるが、本発明のプロセスの性質に影響を与えることなく広範囲の変更または適合を設け得ることが明らかである。
図4および5に示すようなγ-GTを用いるGGCの産業的製造のための連続式プロセスは、3つの主要な工程からなるが、本発明のプロセスの性質に影響を与えることなく広範囲の変更または適合が明らかに可能である。
反応生成物に結合している誘導体化基を除去することができ、ジスルフィド還元工程を用いるかどうかに依存して、純ビス-γ-グルタミルシスチン、γ-グルタミルシスチンまたはγ-グルタミルシステインを、イオン交換クロマトグラフィーを含む当技術分野において周知の種々のプロセス/化学により回収することができるが、分別結晶により回収することが最も好ましい。
γ-グルタミルドナーとしてグルタミン酸α,γ-アルキルエステルを用いる場合、α-エステル基が1M水酸化ナトリウムで鹸化することにより容易に除去され、精製選択肢としてジスルフィド交換反応(pHを12に調整)を用いると、同時に生じるはずである。
システイニル部分からの保護/可溶化基の除去は、用いられる特定の保護/可溶化基に依存する。しかしながら、通常、混合ジスルフィドは、化学的手段(すなわち、過剰のチオールの添加、ホウ水素化ナトリウムのような強力な還元剤の使用、または、酸溶解-金属反応により得られる発生したばかりの水素の使用)(Jocelyn, P. C. Chemical reduction of disulfides. Methods in Enzymology, 1987. 143:p.246-56)により、または既述した電気化学的手段(Genders, J. D., et al. High yield methods for electrochemical preparation of cysteine and analogues. 1988. US patent 5,106,463)により対応するチオールに還元することができる。別の選択肢は、希NaOHで処理することによりジスルフィド交換反応を誘発させることである。提案された反応スキームにおいて、反応混合物中の混合(非対称)ジスルフィドの全てが、その対称ジスルフィドに転化する。ジスルフィド交換反応は、微量のチオールの添加により、またはUV光を照射する(Eager, J. E., et al. Photolysis and photo-oxidation of amino acids and peptides .6. A study of the initiation of disulphide interchange by light irradiation. Photochemistry and Photobiology, 1963. 2(1):p.25-37)ことにより阻害することができ、この反応を、セレノール(Singh, R., et al. Selenols catalyze the interchange reactions of dithiols and disulfides in water. Journal of Organic Chemistry, 1991. 56(24):p.6931-6933)により、または遷移金属イオン(Choi, J. S., et al. Synthesis of disulfides by copper-catalyzed disproportionation of thiols. Journal of Organic Chemistry, 1995. 60(11):p.3266-3267)により触媒することができる。
R-S-S-R + 2H+ + 2e- → 2R-SH 陰極反応
2H2O → O2 + 4H+ + 4e- 陽極反応
保護/可溶化基の除去後、γ-グルタミルシステインまたはその誘導体を分別結晶により反応混合物から精製することができる。酵素プロセス後に、どの誘導体をプロセスで用いられるかに依り、反応混合物は、シスチン、グルタミン酸、グルタミン酸γ-エステル、ジスルフィド(例えば、2-ヒドロキシエチルジスルフィド)および無機塩のような種々の汚染物質を含み得る。反応混合物からの水の大部分を蒸発により除去した後、シスチンおよびグルタミン酸を、pH3での低い水溶性(それぞれ、0.1および8.6g/L)故に、結晶化により容易に除去する。大部分の低分子量ジスルフィドは、非極性であり、そのものとして、適当な非極性有機溶媒(酢酸エチル、酢酸ブチル、1-ブタノールまたは2-エチル-1-ヘキサノール)中に分液することにより除去することができる。γ-グルタミルシステインまたはその誘導体は高い水溶性(>50g/L)を有する可能性が高く、生成物の大部分を、水混和性有機溶媒(例えば、エタノール、アセトン)の添加により沈澱させ得ることが予想される。沈澱した生成物の純度に依り、最終的研磨工程を、イオン交換クロマトグラフィーにより行うことができる。
本発明のプロセスを用いて、システインとグルタミン酸部分との間にα,γ-アミド結合を含む広範囲の化合物を調製することができるが、本発明により特に考えられるのは、γ-グルタミルシステイン、その酸化ダイマーであるビス-γ-グルタミルシスチン、γ-グルタミルシスチンおよびγ-グルタミルシステインα-グルタミルアルキルエステルである(エステルは、γ-グルタミルシステインよりも効果的に細胞膜を通過して輸送されることが示され、抗酸化効果の向上が示され得る)。
実施例1
材料およびプロセス
1.1 HPLCサンプル調製
酸停止した酵素反応混合物(100μL)を0.1M K2HPO4(900μL)中に希釈し、その一部(250μL)を、同じ緩衝剤(250μL)中に0.2Mメルカプトエタノールを含むエッペンドルフ試験管に分注した。この試験管を、37℃で20分間インキュベーションして全てのジスルフィドを還元し、過剰のメルカプトエタノールを酢酸エチルの3分画(750μL)で抽出することにより除去した。サンプルをHPLC移動相中で適度に希釈し、HPLC上への注入の準備のために4℃で貯蔵した。
Alltima(Alltech製)C18, 5 μm(250×4.6mm)カラム(P/N 88057)を備えるShimadzu(Class VP)HPLCシステムを用いてチオールを分離した。85%(w/v)リン酸でH3.0に調整された、0.1Mリン酸二水素カリウム、0.35%アセトニトリル(v/v)からなる移動相を1ml/分の流速で用いて、定組成溶離を行った。+700mVに設定されたCoulochem II(ESA, Bedford, MA)検出器を用いて電気化学的検出によりチオールを測定した。典型的に20μLのサンプルまたは標準をHPLC系上に注入して、4〜25μMの濃度で移動相中でGGC標準溶液を調製した。
多くの以下の実施例で用いられるγ-GTはウシ腎臓からの粗製剤であり、γ-GTを最高濃度で含む組織は腎臓であるので、一般的に用いられるγ-GTの供給源である。しかしながら、ウシ乳がγ-GTの優れた供給源であると確認されており、比較的高い濃度(約4 U/mL)で見られるので、この酵素を特定した実施例において用いた。パパイン消化により汚染タンパク質を除去し、アセトン沈澱(等体積のアセトンを添加)させ、続いて凍結乾燥することにより、産業的製造に適したウシ乳からγ-GTを高収率で精製した。最終的凍結乾燥生成物は、初期活性に基づき30%の収率かつ167倍の精製係数で、γ-GTを23.3 U/g含んでいた。乳γ-GTを用いる反応条件における予備試験は、腎臓を供給源とする酵素に対して、活性およびGGC収率において著しい相違を示さなかった。精製の例を以下に示す。乳清を、まず、遠心分離により10倍に濃縮し、汚染タンパク質の大部分を、適当なプロテアーゼ、好ましくはパパインにより消化することにより除去する。37℃で数時間消化した後、混合物を水でダイアフィルトレーションし、2倍に濃縮する。濃厚物中のγ-GTを、硫酸アンモニウム(40% w/v)の添加により沈澱させ、形成された固形物を、遠心分離により集める。酵素沈澱を、1% Triton X100を含むpH8.5の0.5Mリン酸カリウム緩衝剤中に再懸濁し、任意の残りの不溶解固形物を濾過により除去する。濃厚物中のγ-GTを、等体積のアセトンの添加により沈澱させ、形成された固形物を遠心分離により集める。次に、固形物を凍結乾燥して、好ましくは少なくとも20 U/mgのγ-GTを含む乾燥粉末が得られる。
新鮮な低温殺菌していない4℃のウシ乳(10L、γ-グルタミルトランスペプチダーゼを約3 U/mL含む)に、強度混合下に、Triton X-100(10g)を加えた。乳の主要タンパク質含有物(カゼイン80%)を、以下の3つのプロセスのいずれかにより沈澱させることができる。
反応サンプルを、0.1M Tris緩衝剤(pH 8.0)中に希釈して、希釈サンプル中の0.02〜0.44単位/mLの範囲の最終的γ-グルタミルトランスペプチダーゼ濃度を得た。酵素濃度がこの範囲内であるサンプルは、0.060〜1.300吸光単位の補正吸光読み取り値(410nm)を呈し、これは、γ-グルタミル-p-ニトロアニリドアッセイ法の線形範囲であると認められた(データは示さず)。この一部(100μL)を、2mM L-γ-グルタミル-p-ニトロアニリド基質、0.1Mグリシルグリシン、10mM塩化ナトリウムおよび0.1M Tris緩衝剤を含むpH8.0に調整された反応混合物(900μL)に加え、37℃で10分間インキュベーションした。反応液を、1.5N酢酸(2.0mL)を添加することにより急冷し、410nmでの吸光度を測定した(p-ニトロアニリンに対するε410nmは8800M-1cm-1)。γ-グルタミルトランスペプチダーゼの1単位を、37℃およびpH8.0で1分間当たりp-ニトロアニリドの1μモルを放出する酵素の量であると定義した。研究で用いたSigma Chemical Co.から供給されるγ-グルタミルトランスペプチダーゼは、(Szewczuk, A. and T. Baranowski, Purification and Properties of γ-Glutamyltranspeptidase from Beef Kidney. Biochimische Zeitschrift, 1963. 338(338):p.317-329)に記載のように、ウシ腎臓(フラクション1)から抽出された粗凍結乾燥品であり、精製された酵素の最適pHはpH8.8〜9.0であった。酵素の活性は、7.2 U/mg固形物であると決められた。
出典(Lichtenstein, N. Preparation of γ-alkylamides of glutamic acid. Journal of the American Chemical Society, 1942. 64:p.1021-1022)
17%メチルアミン(30mL)の水溶液に、ピロリドンカルボン酸(2.5g)を溶解し、密閉瓶中にて37℃で10日間インキュベーションする。反応混合物を結晶化皿に移し、硫酸を含むデシケーター内に置き、減圧下に1日間濃縮する。得られるシロップを、エタノール(25mL)でこすり落とし、4℃で一晩放置する。得られる結晶性沈澱を、ブフナー漏斗内で濾過により集め、冷エタノールで洗う。フィルターケーキを、デシケーター内のシリカゲル上で減圧下に乾燥する。
1.6.1a シスチンチオスルホネートの合成
シスチン(9.6g)を、磁気攪拌器および温度計を備える500mL丸底フラスコ内に置き、蟻酸(88%、222mL)を混合しながら加えた。フラスコを、必要な場合、氷浴中に浸すことにより冷却して、溶液の温度を20℃に維持した。濃塩酸(36%、8mL)をゆっくり加え、続いて、過酸化水素(30%、10mL)を一定速度で攪拌しつつゆっくり加えた。
水(25mL)中にメルカプトエタノール(1.02g;13mmol)を含む溶液を、2M水酸化ナトリウムでpH6.3に調整した。水(70mL)中にシスチンチオスルホネート(4.17g;16.3mmol)を含む溶液を、2M水酸化ナトリウムでpH6.3に調整し、一定速度で攪拌しつつ10分間にわたって添加した。反応混合物を、室温で一晩攪拌し、次に、酢酸エチル3×50mLで抽出して、未反応メルカプトエタノールを除去した。次に、水相を、2M水酸化ナトリウムでpH5.2に調整し、溶媒を、60℃に設定された水浴を用いてロータリーエバポレーター上で減圧下で除去した。得られる残渣を、温水(50mL)に溶解し、ブフナー漏斗内でWhatman No.1ペーパーを通して濾過することにより清澄化した。温かいイソプロピルアルコール(約100mL)を、形成される濁りが消えなくなるまで、濾液に加えた。混合物を4℃で一晩放置し、得られる沈澱物を、ブフナー漏斗内で濾過することにより集め、冷たい30%(v/v)イソプロピルアルコール(30mL)で洗った。フィルターケーキを、デシケーター内にてシリカゲル上で減圧下で乾燥させた。
出典(Schoberl, A. Synthese und reaktions weise von unsymmetrischen disulfiden .6. Aminocarbonsauren und haarkeration mit unsymmetrisch eingebauten disulfidaustausches. Annalen Der Chemie-Justus Liebig, 1958. 617(1-3):p.71-88)およびNagasawa et al(「Mixed disulfides of L-cysteine and its derivatives with 2-mercaptoethanol」 Organic Preparations and Procedures International(Briefs), 1996. 28(2):p.237-241)
2-ヒドロキシエチルジスルフィド(メルカプトエタノールジスルフィド)(7.7g)を、磁気攪拌器および温度計を備える500mL丸底フラスコ内でメタノール(100mL)に溶解する。フラスコを、必要な場合、氷浴中に浸すことにより冷却して、溶液の温度を20℃に維持する。25%(w/v)酢酸(100mL)に溶解された過酢酸(3.8g)を、一定速度で攪拌しつつゆっくり加える。3時間攪拌後、溶媒を、60℃に設定された水浴を用いてロータリーエバポレーター上で減圧下に除去する。得られる2-ヒドロキシエチルチオスルフィネートの濃厚シロップに水(100mL)を加え、2M水酸化ナトリウムでpHを6.5に調整する。pH6.5に調節された水(150mL)中にシステイン(10g)を含む攪拌溶液に、10分間にわたって、2-ヒドロキシエチルチオスルフィネート溶液を加える。反応混合物を一晩攪拌し、次に、酢酸エチル3×100mLで抽出して未反応2-ヒドロキシエチルチオスルフィネートを除去する。次に、水相を、2M水酸化ナトリウムでpH5.2に調整し、溶媒を、60℃に設定された水浴を用いてロータリーエバポレーター上で減圧下で除去する。得られる残渣を、温水(200mL)に溶解し、ブフナー漏斗内でWhatman No.1ペーパーを通して濾過することにより清澄化する。イソプロピルアルコール(約300mL)を、形成される濁りが消えなくなるまで、濾液に加える。混合物を4℃で一晩放置し、得られる沈澱物を、ブフナー漏斗内で濾過することにより集め、冷たい30%(v/v)イソプロピルアルコール(30mL)で洗う。フィルターケーキを、デシケーター内にてシリカゲル上で減圧下に乾燥する。メルカプトエタノール基は、Jocelyn,P.C.により記載された標準的還元条件下で容易に除去される(Jocelyn, P. C., Chemical reduction of disulfides. Methods in Enzymology., 1987. 143:p.246-56)。
出典(Walti, M. Synthesis of isomers of mono- and di-hydroxy-analogues of cystine and comparison with metabolites excreted in urine. Journal of the Chemical Society C-Organic, 1971.(12):p.2326 -&)
シスチン(10g)を、磁気攪拌器および温度計を備える500mL丸底フラスコ内で2N硫酸(100mL)に溶解する。フラスコを、氷浴中に浸すことにより冷却して、溶液の温度を0℃に維持する。酢酸(100mL)に溶解された1M過酢酸(83mL)の溶液を、一定速度で攪拌しつつゆっくり加える。混合物を、0℃で一晩維持し、次に、冷たいピリジンでpH4に調整する。混合物にエタノール(500mL)を加え、得られた沈澱物をブフナー漏斗内で濾過することにより回収し、まずメタノール(100mL)で洗い、次にエーテル(50mL)で洗う。フィルターケーキを、デシケーター内にてシリカゲル上で減圧下に乾燥する。生成されたシスチンチオールスルフィネートは、メルカプトエタノールとの混合ジスルフィドを調製するための以下の合成において用いることができる。
出典(Walti, M. Synthesis of isomers of mono- and di-hydroxy-analogues of cystine and comparison with metabolites excreted in urine. Journal of the Chemical Society C-Organic, 1971. (12):p.2326 -&)およびNagasawa et al(「Mixed disulfides of L-cysteine and its derivatives with 2-mercaptoethanol」 Organic Preparations and Procedures International(Briefs), 1996. 28(2):p.237-241)
水(25mL)中にメルカプトエタノール(3.9g;50mmol)を含む溶液を、2M水酸化ナトリウムでpH6.3に調整する。2M水酸化ナトリウムでpH6.3に調整された水(100mL)中に溶解された上記で調製されたシスチンチオールスルフィネート(6.5g;25mmol)の溶液を、一定速度で攪拌しつつ10分間にわたって添加する。反応混合物を、室温で一晩攪拌し、次に、酢酸エチル3×50mLで抽出して未反応メルカプトエタノールを除去する。反応生成物を前述の実施例に記載のように加工し:次に、水相を、2M水酸化ナトリウムでpH5.2に調整し、溶媒を、60℃に設定された水浴を用いてロータリーエバポレーター上で減圧下に除去する。得られる残渣を、温水(200mL)に溶解し、ブフナー漏斗内でWhatman No.1ペーパーを通して濾過することにより清澄化する。イソプロピルアルコール(約300mL)を、形成される濁りが消えなくなるまで、濾液に加える。混合物を4℃で一晩放置し、得られた沈澱物を、ブフナー漏斗内で濾過することにより回収し、冷たい30%(v/v)イソプロピルアルコール(30mL)で洗う。フィルターケーキを、デシケーター内にてシリカゲル上で減圧下に乾燥する。
2-ヒドロキシエチルジスルフィド(2-メルカプトエタノールジスルフィド)(23.3g)およびシステイン(12.1g)を、エルレンマイヤーフラスコ内で水(500mL)に溶解し、溶液のpHを、水酸化ナトリウム(2M)でpH8.5に調節した。フラスコを、37℃に温度調節した水浴中に置き、塩化銅(II)溶液(100mg/mL)の一部(100μL)を加えた。混合物を、ステンレススチールフリットを通して空気を18時間吹き込むことにより激しく空気に晒した。反応期間を通して、pHを時々確認し、必要であれば、希塩酸を添加することによりpH8.5に調整した。反応混合物中のチオールの濃度を、Ellman's試薬を用いて分光光度分析により便宜的にモニターした。反応混合物をEllman's試薬に添加したときに黄色形成が観察されなくなったとき、すなわち、全てのチオールがジスルフィドに酸化されたことが示されたときに、反応が完了したと考えた。得られる反応混合物中の銅イオンは、Chelex 100樹脂(Bio-Rad)のような銅イオンに高い選択性を有するキレート樹脂のカラム(1×3cm)を通して通過させることにより除去した。得られる反応混合物は0.2M Cys-Mercを含み、GGCまたはその誘導体の製造のためのその後の酵素触媒した反応において直接使用することができる、または、等体積のアセトンを添加すると共に反応混合物のpHを酢酸でpH5.2に調整することによりCys-Mercを単離することができる。自発的結晶化が起こり、混合物を4℃で一晩放置する。得られる結晶性懸濁液を、ブフナー漏斗内で濾過することにより回収し、冷たい50%アセトンで洗い、デシケーター内にてシリカゲル上で減圧下に乾燥した。乾燥させることにより、Cys-Merc(17.9g、理論的収率の91%)を得た。
無水塩化水素ガスの流れを、無水メタノール(50mL)中のシスチン(10g)の懸濁液中に迅速に散布し、磁気攪拌器で攪拌した。シスチンの全てが溶解した後、温かい溶液を氷浴中で冷却し、0〜5℃でHClの散布を飽和するまで続けた。反応混合物を、塩化カルシウム乾燥管を用いて環境中の湿分から保護し、室温で3時間放置した。溶媒を、50℃に設定された水浴を用いてロータリーエバポレーター上で減圧下に反応混合物から除去した。得られるシロップにメタノールの一部(50mL)を添加し、次に、ロータリーエバポレーターにより濃縮を繰り返した。乾燥シロップ状残渣に、無水エーテル(20mL)を加えると、自発的結晶化が生じた。混合物を4℃で一晩放置し、得られる結晶性懸濁液を、ブフナー漏斗内で濾過することにより回収し、冷たい無水エーテル(30mL)で洗った。フィルターケーキを、デシケーター内にて水酸化カリウムペレット上で減圧下に乾燥した。
1.8.1 S-アセトアミドアルキル誘導体
S-アセトアミドメチルシステイン塩酸塩の合成
出典(Milkowski, J. D. Thiol protection with the acetamidomethyl group -S-acetamidomethyl-L-cysteine hydrochloride. Organic Syntheses, 1988. 5:p.5-8)
1L丸底フラスコ中、N-(ヒドロキシメチル)アセトアミド(127g)およびシステイン塩酸塩一水和物(228g)を水(350mL)に溶解する。得られる溶液を回転攪拌し、濃塩酸(50mL)をゆっくりと加えつつ氷浴内で冷却する。フラスコを窒素でフラッシングし、窒素充填バルーンで蓋をし、室温で1〜2日間放置する。反応の進行を、展開溶媒として1-ブタノール、酢酸および水の10:2:3(v/v/v)溶液を用いて、シリカゲル60F-254予備被覆プレート(Merck)上で行うことができるTLCによりモニターする。スポットを、UV光を用いて、またはニンヒドリンを使用して視覚化することができる。システイン塩酸塩がもはや検出できなくなったときに、溶液を約40℃の浴温で減圧下で蒸発させる。残りの固形物を、少量の無水エタノール中に懸濁させ、混合物を、再び、突沸を避けるために注意深く蒸発させる。無水エタノールを用いる取り込み手順を繰り返して、微量の水を除去する。乾燥固形物を、最少量のメタノールに溶解し、曇点に達するまで無水ジエチルエーテルを加える。濁った溶液を4℃で1週間放置し、その間に、結晶性塊を数回破壊する。白色結晶性生成物を、ブフナー漏斗内にて濾過することにより回収し、冷たいエーテルで洗う。フィルターケーキを、デシケーター内にてシリカゲル上で減圧下に乾燥させる。S-アセトアミドメチルシステイン誘導体を、ペプチド転移反応において受容体として直接使用することができ、S-アセトアミドメチルを、ヨウ素またはHg(II)塩を用いる反応を含む種々の方法により除去することができる。
S-スルホシステインナトリウム塩二水和物の合成
出典(Maugras, I. Peptide-synthesis using novel S-sulfocysteine derivatives. International Journal of Peptide and Protein Research, 1995. 45(2):p.152-156)
水(100mL)中にシステイン塩酸塩二水和物(10.54g)を含む溶液に、1M水酸化ナトリウム(60mL)およびナトリウムテトラチオネート二水和物(18.38g)を順次添加する。室温で1時間攪拌後、反応を完了する(前述のようなTLCモニタリング)。反応混合物を、ロータリーエバポレーター上にて減圧下で、その体積の半分まで濃縮し、4℃で一晩放置する。得られた固形物を、濾過により除去し、廃棄する。4℃で数時間静置後、濾液から沈澱した硫黄を、濾過により除去する。濾液の体積を減圧下でロータリーエバポレーター上で100mLまで減少させ、エタノールを加える(800mL)。混合物を4℃で一晩静置し、得られた沈澱物をブフナー漏斗内にて濾過することにより回収し、冷たい70%(w/v)エタノールで洗う。フィルターケーキを、デシケーター内にてシリカゲル上で減圧下で乾燥させる。S-スルホシステイン誘導体は、ペプチド転移反応において受容体として直接用いることができる、または、Stapletonにより記載されているように所望のチオールと反応させることによりシステインの混合ジスルフィドを合成するために用いることができる(Stapleton, I. W. Amino acids and peptides .9. Some unsymmetrical disulphides derived from cysteine. Australian Journal of Chemistry, 1962. 15(3):p.570-&)。S-スルホ基は、Jocelyn,P.C.により記載されているように標準的還元条件下で容易に除去される(Jocelyn, P. C., Chemical reduction of disulfides. Methods in Enzvmology., 1987. 143:p.246-56)。
シスチンジメチルエステルの合成のために、以下の手順を、任意で規模拡大して用いることができる。メタノール(300mL)中にシスチン(20g)を含む還流下の懸濁液に、無水塩化水素ガスを一定割合で2時間吹き込む。室温でさらに1時間後、反応混合物を減圧下でロータリーエバポレーター上で濃縮し、メタノール(50mL)を加えて、乾燥するまで蒸発する操作を繰り返す。乾燥残渣をエーテル(50mL)で希釈し、4℃で一晩静置すると、結晶性懸濁液が得られ、これは、ブフナー漏斗内にて濾過し、エーテルで洗うことにより回収することができる。次に、フィルターケーキを、デシケーター内にてシリカおよび水酸化ナトリウムペレット上で減圧下に乾燥する。
S-メトキシカルボニルスルフェニルシステイン塩酸塩の合成
出典(Rietman, B. H. A facile method for the preparation of S-(alkylsulfenyl)cysteines. Synthetic Communications, 1994. 24(9):p.1323-1332)
無水メタノール(38mL)中にシステイン塩酸塩(4.46g)を含む溶液に、塩化水素を短時間吹き込む。混合物を、メタノール(40mL)中に塩化メトキシカルボニルスルフェニル(5mL)を含む溶液中にゆっくり滴下し、0℃で磁気的に攪拌する。1時間攪拌後、反応を完了し、溶媒を、減圧下にロータリーエバポレーター上で除去する。得られた残渣を、ブフナー漏斗内にて濾過することにより回収し、エーテルで洗う。フィルターケーキを、デシケーター内にてシリカゲル上で減圧下に乾燥する。S-メトキシカルボニルスルフェニルシステイン誘導体を、ペプチド転移反応において受容体として直接用いることができる、または、BroisおよびRietmanにより記載されているように所望のチオールとの反応によりシステインの混合ジスルフィドを合成するために使用することができる(Brois, S. J., et al. A new pathway to unsymmetrical disulfides. The thiol-induced fragmentation of sulfenyl thiocarbonates. Journal of the American Chemical Society, 1970. 92(26):p.7629)および(Rietman, B. H. A facile method for the preparation of S-(alkylsulfenyl)cysteines. Synthetic Communications, 1994. 24(9):p.1323-1332)。S-メトキシカルボニルスルフェニル基は、Jocelyn,P.C.により記載されているように標準的還元条件下で容易に除去される(Jocelyn, P. C., Chemical reduction of disulfides. Methods in Enzvmology., 1987. 143:p.246-56)。
S-アセチルシステインの合成
出典(Galzigna, L., et al. S-acetyl-glutathione and S-phenylacetyl-glutathione as glutathione precursors in rat plasma and tissue preparations. Enzyme & Protein. 1994. 48(2):p.98-104)
窒素雰囲気下に攪拌しつつ、塩化アセチル(9.57g)を、室温で、トリフルオロ酢酸(200ml)中にシステイン(6.09g)を含む溶液に滴下する。反応混合物を40℃に加熱し、約20分後、水(5ml)を加えて反応を停止する。さらに20分間40℃でインキュベーションした後、溶媒を減圧下にロータリーエバポレーター上で除去し、得られた油状物を、酢酸エチルに溶解する。混合物を4℃で一晩静置し、得られた沈澱物を、ブフナー漏斗内にて濾過することにより回収する。粗沈澱を、温かい(40℃)アセトン/水(2/1、200ml)に溶解する。氷水浴中で約2時間冷却後、得られた溶液を、さらなるアセトン(100ml)でさらに希釈し、形成された白色結晶性材料を、ブフナー漏斗内で濾過することにより回収し、冷たい溶媒混合物で洗う。フィルターケーキを、デシケーター内にてシリカゲル上で減圧下に乾燥する。S-アセチルシステイン誘導体は、ペプチド転移反応において受容体として直接用いることができ、S-アセチル基を、酸性またはアルカリ性加水分解により除去することができる。
システイン塩酸塩(158g)をジメチルホルムアミド(1.5L)に溶解し、0℃でカルバミン酸エチル(EtNCO, 78.3g)で処理し、20℃で70時間静置する。溶媒を、減圧下で除去し、粘性残渣をジエチルエーテルと研和し、pH6.5に調整された水(2L)に溶解し、減圧下で蒸発させることにより1.3Lまで濃縮する。濃厚物を0℃で一晩結晶化させると、S-エチルアミノカルボニル-L-システインが131g得られる。S-エチルアミノカルボニル基は酸性および中性条件下に安定であるが、塩基性試薬により容易に開裂し;システインの脱硫もラセミ化も観察されていない(出典:Guttmann, S., Synthesis of glutathione and oxytocin by using a new thiol protecting group, Helvetica Chimica Acta, 1965, 49, 83-96)。
グルタミン酸(70g)をエタノール(450mL)に懸濁させ、磁気攪拌器および温度計を備える丸底フラスコ(1L)中に仕込んだ。この懸濁液中に、反応混合物の温度を27℃に維持しつつ強力な混合しながら、硫酸(56g、96%(w/v))を滴下した。硫酸の添加が完了した後、反応液を室温に2時間維持した。次に、混合物を0℃に冷却し、そこに、水酸化カリウムの溶液(水230mL中に64g)を滴下した。中和中に、フラスコを冷却することにより温度を10℃未満に維持した。中和後に形成されたスラリーを濾去し、フィルターケーキを、エタノール(79mL)と水(40g)から構成される混合物で洗った。回収した固形物を乾燥させ、硫酸カリウム(99g)を得た。
1型ウシ腎臓γ-GT(100mg, Sigma-Aldrich)を、プラスチック管(容量20mL)中にてpH8.5の1Mリン酸カリウム緩衝液(6mL)に溶解した。Eupergit(登録商標)C250L活性化固定化用樹脂ビーズ(1g)を穏やかに混合しつつ加え、管を乱すことなく室温で3日間インキュベーションした。ビーズを、吸引下に焼結ガラスフィルター上に集め、pH8.5で0.1Mリン酸カリウム緩衝剤で広範囲に洗った。固定化された酵素を、0.5g/Lのp-ヒドロキシ安息香酸メチルを含む同じ緩衝剤中において4℃で貯蔵した。
アミド結合したγ-グルタミルドナーを用いるγ-グルタミルシステイン(GGC)の合成
シスチン(36mg, 3mM)を、温めつつ、pH8.5で50mMリン酸ナトリウム緩衝液(50mL)に溶解した。その一部(10mL)を、L-γ-グルタミル-p-ニトロアニリド(GPNA)(4mg, 1.5mM)を含む試験管に分注し、pHを、10%NaOHでpH8.5に調整した。試験管を37℃でインキュベーションし、γ-GT(3mg, 2.2U/mL)を添加することにより反応を開始した。サンプル(0.5mL)を、15、30および90分間隔で採取し、反応液を、等容積の4.5%(w/v)リン酸を添加することにより急冷した。サンプルは、HPLC解析の前は-20℃で貯蔵した。90分間のインキュベーション後、反応液は156mg/LのGGCを含み、理論的最大値に基づく収率はシスチンについて21%、GPNAについて42%であった。前述のような反応を、100mMリン酸塩緩衝剤中におけるpH8.5でのGPNAおよびシスチンの両方の溶解性限界に相当する基質の最初の濃度(シスチン;16.6mM、GPNA;8.4mM)の5.5倍の濃度で、繰り返した。30分間のインキュベーション後にGGCの最高濃度(1.4g/L)が達成され、収率はGPNAについて66.5%、シスチンについて34%であった。基質L-γ-グルタミル-p-ニトロアニリド$50.90/g(Sigma)の高いコスト故に、前記反応が経済的に実行する可能性が低い。高いコストは、基質の製造のために必要とされる複雑で多工程の合成プロセスに関する。
エステル結合したγ-グルタミルドナーを用いるγ-グルタミルシステイン(GGC)の合成
γ-グルタミルドナーとしてL-グルタミンおよびγ-グルタミルエステルを用いるGGCの合成を、水溶液中で行った。シスチン(50mg, 20mM)を、別々に、試験管中のグルタミン(14.6mg, 10 mM)およびグルタミン酸γ-メチルエステル(GME)(16mg, 10mM)に加えた。各試験管の内容物を、100mMリン酸ナトリウム緩衝液(10mL)に溶解し、2M NaOHでpH8.5に調整した。γ-GT(3mg, 2.2U/mL)の添加により反応を開始し、試験管を、サンプルを周期的に採取しつつ37℃で24時間インキュベーションした。GGCの収率は約5時間のインキュベーションで最高値となり、GMEを用いて生成されたGGCの78.4mg/Lで収率(γ-グルタミルドナーに基づく)が3.1%であり、グルタミンを用いて生成されたGGCの1.5mg/Lで収率が1%未満であった。
水混和性溶媒の反応混合物中への含有
以下の水混和性有機溶媒:アセトニトリル、ジメチルスルホキシド、ジオキサンおよびジメチルホルムアミド(DMF)を、まず、水との50:50の比で、シスチンを溶解するそれらの性能について試験した。溶媒DMFは、その優れた溶媒和特性故に、最適な有機共溶媒であると確認された。しかしながら、他の溶媒混合物中でのCys-Merc誘導体の溶解性は未知であり、研究する価値があるかもしれない。
シスチン(50mg, 20mM)およびγ-グルタミルメチルエステル(GME, 16mg, 10mM)を、秤量して試験管入れた。試験管の内容物を、まず、100mMリン酸ナトリウム緩衝液(5mL)に溶解し、等容積のジメチルホルムアミド(DMF)(5mL)加えた。γ-GT(3mg, 2.2U/mL)を添加することにより反応を開始し、サンプルを周期的に採取しつつ37℃で24時間インキュベーションした。約9時間のインキュベーションでGGCピーク収率になり465mg/LのGGCで、GMEについて18.6%の収率、およびシスチンについて9.3%の収率であった。前記反応を繰り返し、pH9.0を超えると、シスチン溶解性が劇的に増加するので、シスチン(約30mM)の最高の可能な濃縮(飽和溶液)をpH9.1で行った。リン酸塩緩衝剤はpH9.1で非効果的であるので、ジエタノールアミン(DEA)緩衝剤で置換した。GGCの収率の著しい増加が観察されず、実用的価値のある反応のために、シスチンの可溶性をかなり向上させる必要があることが示された。
システイン誘導体を用いるγ-グルタミルシステイン(GGC)の合成
提案された酵素のバイオプロセスについての単位体積当たりの生産性は、反応が実用的価値があるかを決めるのに重要であり、シスチン溶解性限界が既に約30mM(9g/L)に達しているので、基質濃度を著しく増加させる必要がある。以下の判断基準を満たす必要があるシスチンの一連の化学的誘導体を評価した。
・溶媒系中への増加した溶解性
・受容体への酵素活性の有意な損失がないこと
・化学的誘導体が容易に除去されて遊離GGCを放出しなくてはならないこと
グルタミン酸γ-メチルエステル(GME, 161 mg, 100 mM)を、別々に、試験管中のシスチンジメチルエステル・HCl(CDME)(343mg, 100mM)およびシステイン-メルカプトエタノール混合ジスルフィド(Cys-Merc)(199mg, 100mM)に添加した。各試験管の内容物を、まず、200mMジエタノールアミン(DEA)(5mL)に溶解し、等容積のDMF(5mL)を添加した。反応混合物のpHを、5M HClで9.0に調整し、γ-GT(12.5mg, 9U/mL)を添加することにより反応を開始した。試験管を、サンプルを周期的に採取しつつ、37℃で21時間にわたりインキュベーションした。メチルエステル基を除去するために、CDME反応液(250μL)から採取したサンプルを、1M NaOH(250μL)を含むエッペンドルフ試験管に分注し、60℃で15分間インキュベーションしてからHPLC解析を行った。
Cys-Mercとの1:1および1:2の割合のグルタミン酸のγ-メチルおよびγ-エチルエステルの、GGCの収率に対する効果
受容体およびドナー基質の割合の変化の、GGCの収率およびエステル置換基に対する効果を研究した。誘導体Cys-Merc(796mg, 100mM)を、200mM DEAを含む50:50 DMF/水(40mL)に溶解した。その一部(1OmL)を4本の試験管に分注し、以下のγ-グルタミルエステル基質を各試験管に溶解した;GME(80mg, 50mM)、GME(161mg, 100mM)、グルタミン酸γ-エチルエステル(GEE)(88mg, 50mM)およびGEE(175mg, 100mM)。反応混合物のpHを、5M HClまたは2M NaOHでpH9.0に調整し、γ-GT(7mg, 5U/mL)を添加することにより反応を開始した。試験管を、サンプルを周期的に採取しつつ、37℃で10時間インキュベーションした。10時間サンプルについて、γ-GT酵素活性アッセイ法(実施例1)を行って、酵素の安定性を決めた。
GGCの合成およびγ-GTの安定性に対する、反応pHの影響
グルタミン酸γ-メチルエステル(85mg, 100mM)およびCys-Merc(0.1g, 100mM)を、3つの別々の試験管に秤量して入れた。一つの試験管の内容物を、0.4M NaH2PO4(2.5mL)の一定量に溶解し、等容積のDMF(2.5mL)を添加した。混合物のpHを、2M NaOHでpH7.5に調整した。他の2本の試験管の内容物を各々、0.4M DEA(2.5 mL)の一定量に溶解し、等容積のDMF(2.5mL)を添加した。試験管のpHを、5M HCLでpH8.3またはpH9.0に調整した。γ-GT(12mg, 17.2 U/mL)を添加することにより反応を開始し、試験管を、サンプルを周期的に採取しつつ、37℃で20時間インキュベーションした。サンプル(100μL×2)を、HPLC解析のために採取し(直ちに、4.5%(w/v)リン酸(100μL)を含むエッペンドルフ試験管中に分注)、γ-GT酵素活性アッセイ法のために、両方を-20℃で貯蔵した。
GGCの合成および、γ-GTの固定化製剤を用いた安定性
吸引乾燥した固定化されたγ-GT酵素(200mg)(実施例1)を、2本のエッペンドルフ試験管(容積2mL)に秤量して入れた。200mMのDEAおよび、100mMのCys-MercとGEEを含む50:50=DMF/水の溶液(pH9.0)からなる反応混合物(1.5mL)を、各試験管に添加した。試験管を、37℃のインキュベーター中、10rpmで回転しているホイール上でインキュベーションした。試験管を、数秒間遠心分離してから、サンプリングして、固定化酵素をペレット化した。上清のサンプル(100μL)を、30時間周期的に採取し、1本の試験管に、各採取後に、等容積の新しい反応混合物を補給した。200mM DEA中に固定化酵素(200mg)を含むpH9.0の陰性対照試験管(1.5mL)も調製し、反応試験管と並べてインキュベーションした。30時間のインキュベーション後、3本の全ての試験からの使用した固定化酵素を、焼結ガラスフィルター上に集め、pH8.5で0.5M Tris緩衝剤で広範囲に洗った。実施例1に記載のように、使用した固定化酵素上で、γ-GT活性アッセイ法を行った。
γ-GT安定性に対する、DMF濃度の影響
グルタミン酸γ-エチルエステル(43mg, 100mM)およびCys-Merc(50mg, 100mM)を、4本の別々の試験管に秤量して入れた。各試験管の内容物を、0、10、25および50%の濃度のDMFを含む200mM DEA(2.5mL)の一定量に溶解した。反応混合物のpHを、2M NaOHまたは5M HClで8.5に調整した。γ-GT(1mg, 7.2U/mL)を添加することにより反応を開始した。試験管を、サンプルを周期的に採取しつつ、37℃で24時間インキュベーションした。
水混和性溶媒を使用しないpH8.0におけるGGC-メルカプトエタノールジスルフィドの酵素的合成
磁気攪拌器、温度計およびpHプローブを備える平底反応器(500mL)に、R.O.水(150mL)を仕込んだ。容器を、37℃に温度調節された水浴中に置き、内容物が37℃になるまで攪拌した。次に、Cys-Merc(5.9g, 0.2M)および凍結乾燥したウシ乳γ-グルタミルトランスペプチダーゼ(6単位/mL)の両方を加え、溶解するまで混合した。pH-Stat(Radiometer, PHM 290)を作動し、水酸化ナトリウム(2M)の添加によりpHを8.0に制御した。溶液が一旦pH8.0に達すると、グルタミン酸γ-エチルエステル(5.3g, 0.2M)を、少しずつ(約1g)、10分間で加えた。サンプルを一定間隔で採取し、GGC-Mercの生成およびNaOHの添加をモニターした(図4参照)。
GGC-Mercの精製
反応生成物(GGC-Merc, pI=3.0)と基質(Cys-Merc, pI=5.3およびGEE pI=5.8)との間の等電点(pI)の大きな相違により、イオン交換クロマトグラフィー、イオン排除クロマトグラフィーおよび電気透析のようなイオン電荷に基づく精製系を容易に実施することができる。さらに、イオン交換および電気透析法は、酵素反応と同時に行う場合、形成されたばかりの生成物を効果的に除去(または捕捉)し、それにより平衡を生成物形成の方向に移動させることにより、生成物収率を向上させることができる。例えば、実施例10に記載の酵素反応に水酸化ナトリウムを添加して酸性生成物GGC-Mercを中和する代わりに、OH-型のアニオン交換樹脂を添加してpHを維持すると共に反応生成物を選択的に除去することができる。同様に、電気透析セル中で酵素反応を行い、それにより、GGC-Mercの連続的除去を容易にすることができる。
イオン排除クロマトグラフィーにおいては、酵素プロセスからの反応混合物をpH5〜7に調節し、Na+型のカチオン交換樹脂(スルホン酸型)のカラム上に乗せる。GGC-Mercは他の反応成分より強力な酸であるので、Donnan排除と呼ばれるプロセスにより樹脂ビーズに入らないようにされ、それにより空隙体積に入る。他の成分(例えば、Cys-Merc混合ジスルフィド)は、非帯電であるか、僅かに陽性の電荷を有し、樹脂ビーズ内で拡散することができ、それにより遅れて溶離する。この技術の主要な利点は、純水が移動相として用いられ、生成物の溶離に塩またはpHグラジエントが必要でないことである。タンパク質加水分解物からのL-グルタミン酸の分離のために(Eisenbraun, 「Separation of amino acids by ion exclusion」, 1962, 米国特許第3,045,026号)に記載されているように、分離のこのタイプのランを連続式に行うこともできる。カラム上への水と反応混合物の選択的供給のタイミングを図ることにより、反応混合物の新しいバッチを、最初の溶離の前にカラム上に乗せることができる(図5参照)。クロマトグラフィー条件を制御して、初期pHを変えることによりGGC-Mercから塩を分離することもできる。
GGC-Mercの電気化学的還元
幾何学的陰極面積が50cm2であり、電解液の流れ方向が10cmであり幅(電流の方向)が0.5cmである電解液チャンネルを備える平行プレートフィルタープレスフローセル(図7参照)を、既に記載されているように組み立てた(Ralph, et al., Evaluation of a reactor model and cathode materials for batch electrolysof L-cystine hydrochloride, Journal of Electroanalvtical Chemistry, 1999, 462, 97-110)。Nafion(登録商標)117カチオン交換膜を用いて、陰極液と陽極液の分室を分けた。セルハウジング、末端プレートおよびセル枠はポリプロピレンで構成した。完成した組み立て体を、ネオプレンガスケットで密封し、ねじプレスで締めた。電解液フローループは、陰極液と陽極液の両方のためのバッチリサイクル操作を提供した。鉛陰極、および、貯蔵部内で一定温度およびpHがそれぞれ25℃およびpH7に維持された0.2MまでのGGC-Mercジスルフィドを含む陰極液(200mL)を用いて、バッチ電気分解を行った。陽極は白金メッキしたチタンであり、陽極液(200mL)は2M硫酸であった。電気分解の前に、両電極を、1200グレード炭化シリコン紙で湿潤研磨した。陰極液および陽極液流量を、ぜん動ポンプを用いて20mL/分に設定し、3Vで1Aの定電流を電池にかけた。周期的に、HPLC解析のためにサンプルを陽極液貯蔵部から除去し、pH7を維持するためのpH-Statにより添加される1M水酸化ナトリウムの体積を記録した。電気化学的還元を、未反応酵素反応混合物および、精製GGC-Mercの貯留フラクションの両方において行った。両混合物について、電気分解から数時間以内に全てのジスルフィド結合の完全な還元を達成した。遊離チオール基が酸性であるので、ジスルフィドの還元速度と、陰極液中でpH7を維持するための水酸化ナトリウムの添加速度との密な結合を観察した(図8を参照)。未処理/未分離酵素反応混合物から調製された陰極液のGGC内容物を、実施例11に記載のプロセスと同様にして行われる、同程度の効率であるが、GGCの再酸化を防止するために特別の注意が必要である、イオン排除クロマトグラフィーに付することができる。
GGCからのメルカプトエタノールの分離
実施例12に記載のような電気化学的還元により生成する2-メルカプトエタノールを、有機溶媒中に分液することにより効果的に除去した。電気化学的還元(実施例12)からの陰極液の幾つかのバッチを、1-ブタノール、酢酸エチル、酢酸ブチルまたは2-エチル-1-ヘキサノールのいずれかの50容積%で3回抽出した。チオールの再酸化を防止するために、全ての操作を、窒素雰囲気下に行った。2-メルカプトエタノールを、4種類の全ての試験した溶媒により、水相中で最初の濃度の5%未満まで効果的に減少させた。
GGCの製造のための商業的バイオプロセス
これらの研究の成果から、図9に示すようなγ-GTを用いるGGCの製造のための商業的バイオプロセスを開発することができる。最初の2つの工程は、2つのアミノ酸基質の化学的誘導体化からなる。その次のγ-GT触媒した合成は、固定化酵素を用いて、バッチプロセスで、またはより有利なことに、連続プロセスで行うことができる。ウシ乳は、5 U/mLまで含むγ-GTの優れた供給源であると確認された。産業的製造に適した、ウシ乳からのγ-GTの適当な精製プロセスは、既に実施例1.3に記載した。理想的には、固定化γ-GTをカラムに充填し、新しい基質を一方の端部にポンプで連続して送りこみ、GGCを含む反応混合物を、他の端部から引き出す。共溶媒として50%DMFを使用しない場合、任意の有意な2次的加水分解が起こる前にGGCを捕捉するための最適速度(または、連続プロセスにおける滞留時間)を決めるためのモニタリングが反応に必要である。あるいは、反応を約8.0のpHで行うことができるが、これでは、γ-GTのアミダーゼ活性が有意に低下し、γ-GGC誘導体生成物の加水分解が低下すると分かっている。
一つの選択肢は、過剰のメルカプトエタノールを添加することにより、または下記電気化学的還元により、反応混合物中の全てのジスルフィド結合を最初に還元することである。
R1-S-S-R2 + 2H+ + 2e- → R1-SH + R2-SH (電気化学的還元)
CGCの最終型は、γ-グルタミルシステインのような還元状態またはビス-γ-グルタミルシスチンのようなジスルフィド形態であるが、ジペプチドの最終的用途に依存する。マウスにおけるGGCの利用についての先の研究は、GGCの還元型態のものの投与とジスルフィド形態のものの投与の両方が、グルタチオン水準を著しく上昇させることを示した。ビス-γ-グルタミルシスチンの酸化型態は、スルフィドリルの酸化を防止するための特別の注意が必要無いので、栄養補給食品の用途に適する可能性がより高いが、中毒の治療または食品もしくは化粧品における抗酸化剤としての用途には、γ-グルタミルシステインのスルフィドリルを還元する力が必要である。所望の形態が何であれ、いずれも、化学的(Jocelyn, P. C., Chemical reduction of disulfides. Methods in Enzvmology, 1987. 143:p.246-56)または電気化学的(Genders, J.D., N.L. Weinberg,and D.J.Mazur, High yield methods for electrochemical preparation of cysteine and analogues. 1988, 米国特許第5,106,463号、The Electrosynthesis Company, Inc.)に達成することができる還元により比較的容易に相互交換される、あるいは、反応を触媒するために加えられた微量の銅または鉄塩と共に、溶液を空気(酸素)に晒すだけで、簡単にジスルフィド形態に酸化される。
カチオンとの塩:Na、K、Ca、Mg、塩基性アミノ酸、例えば、ロイシン、アルギニンとの塩ダイマー、およびキトサンのようなポリアミンとの塩;または、
アニオンとの塩:HCl、メタンスルホン酸、酢酸塩、およびカルボキシメチルセルロースのようなポリカチオン
として、提供することもできる。
Claims (34)
- システイン部分とグルタミン酸部分との間にα,γアミド結合を含む化合物を調製するプロセスであって、γ-グルタミル基のシステイン誘導体への転移を促進する反応環境中に、システイン誘導体と、γ-グルタミルドナーと、γ-グルタミル基をシステイン誘導体に転移させることができる酵素とを提供することを含むプロセス。
- 酵素がγ-グルタミルエステラーゼまたはγ-グルタミルアミダーゼ活性を有する、請求項1記載のプロセス。
- 酵素がγ-グルタミルトランスペプチダーゼである、請求項2記載のプロセス。
- γ-グルタミルドナーがグルタミン酸のγ-エステルまたはγ-アミドである、請求項1記載のプロセス。
- γ-グルタミルドナーがγ-グルタミル-エステルである、請求項4記載のプロセス。
- γ-グルタミルドナーがグルタミン酸のγ-アルキル、α,γ-ジアルキル、γ-p-クロロフェニルまたはγ-シアノメチル-エステルである、請求項4記載のプロセス。
- γ-グルタミルドナーがグルタミン酸のγ-メチル、γ-エチル、α,γ-ジメチルまたはα,γ-ジエチル-エステルである、請求項6記載のプロセス。
- γ-グルタミルドナーがγ-グルタミル-エチルエステルである、請求項7記載のプロセス。
- システイン誘導体が水溶性である、請求項1記載のプロセス。
- システイン誘導体が、
システインと低分子量水溶性チオールとの混合ジスルフィド;
S-アセチルシステイン;
S-アセトアミドメチルシステイン;
S-メトキシカルボニルスルフェニルシステイン;
S-スルホシステイン;
シスチンジメチルエステル;および
シスチンモノメチルエステル
から選択される、請求項9記載のプロセス。 - γ-グルタミル受容体がシステイン-メルカプトエタノール混合ジスルフィドである、請求項10記載のプロセス。
- 反応環境が水性である、請求項1記載のプロセス。
- 水混和性溶媒が反応環境に含まれる、請求項12記載のプロセス。
- 反応環境が約30%〜約60%v/vの水混和性溶媒を含む、請求項13記載のプロセス。
- 水混和性溶媒がジメチルホルムアミドを含む、請求項14記載のプロセス。
- 水混和性溶媒がジメチルホルムアミドである、請求項15記載のプロセス。
- 反応環境が約50%v/vのジメチルホルムアミドを含む、請求項16記載のプロセス。
- 酵素がウシγ-グルタミルトランスペプチダーゼである、請求項1記載のプロセス。
- 酵素がウシ腎臓またはウシ乳から得られる、請求項18記載のプロセス。
- 反応環境が、約8.0〜約9.0のpHに維持される、請求項18記載のプロセス。
- 酵素が固定相の上に固定化される、請求項1記載のプロセス。
- 酵素が樹脂の上に固定化される、請求項21記載のプロセス。
- バッチ式プロセスである、請求項1記載のプロセス。
- 連続プロセスである、請求項1記載のプロセス。
- γ-グルタミルドナーおよびシステイン誘導体を、固定化された酵素を含む反応器の入口に連続的に供給し、生成物化合物を含む溶出液を出口から連続的に回収する、請求項24記載のプロセス。
- γ-グルタミルシステイン誘導体を調製するための請求項1記載のプロセス。
- γ-グルタミル基のγ-グルタミルトランスペプチダーゼによるγ-グルタミルエステルからシステイン誘導体への転移を促進する反応環境中に、
γ-グルタミルエステル;
下記から選択されるシステイン誘導体:
システインと低分子量水溶性チオールとの混合ジスルフィド、
S-アセチルシステイン、
S-アセトアミドメチルシステイン、
S-メトキシカルボニルスルフェニルシステイン、
S-スルホシステイン、
シスチンジメチルエステル、および
シスチンモノメチルエステル;ならびに
γ-グルタミルトランスペプチダーゼを提供することを含む、請求項26記載のプロセス。 - γ-グルタミルエステルが、グルタミン酸のγ-メチル、γ-エチル、α,γ-ジメチルおよびα,γ-ジエチル-エステルから選択され、
γ-グルタミル受容体が、システインとチオグリコール酸またはシスタミンまたは他の低分子量水溶性チオールとの混合ジスルフィドから選択される、請求項27記載のプロセス。 - γ-グルタミルエステルがγ-グルタミル-エチルエステルであり、γ-グルタミル受容体がシステイン-メルカプトエタノール混合ジスルフィドである、請求項27記載のプロセス。
- 電気透析またはイオン排除クロマトグラフィーによりγ-グルタミルシステイン誘導体を精製するさらなる工程を含む、請求項26記載のプロセス。
- γ-グルタミルシステイン誘導体がγ-グルタミルシステイン-メルカプトエタノールジスルフィドである、請求項26記載のプロセス。
- システイン部分とグルタミン酸部分との間にα,γアミド結合を含む化合物から誘導体化基を開裂してγ-グルタミルシステインを提供するさらなる工程を含む、請求項1記載のプロセス。
- 誘導体化基が電気化学的還元により開裂される、請求項32記載のプロセス。
- 請求項32記載のプロセスであって、次にγ-グルタミルシステインが単離され、任意で、還元または酸化型として精製される、プロセス。
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