JP5107577B2 - 生体触媒の固定化 - Google Patents
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Description
本発明は、細胞を含むポリアクリルアミドビーズ、およびその製造方法を提供することを目的とする。
上記目的は、請求項12のポリアクリルアミドおよびクレーム1の方法により達成された。
(i) アクリルモノマー混合物の水溶液を提供する工程、
(ii) 過硫酸水溶液中の細胞懸濁液を提供する工程、
(iii) 任意に界面活性剤を含有し得る水非混和性液体中の、第三級アミン水溶液のエマルジョンを提供する工程、
(iv) 工程(i)で提供される溶液と工程(ii)で提供される懸濁液とを混合する工程、
(v) 工程(iv)で得られた混合物を工程(iii)で提供される攪拌エマルジョンに加える工程、
(vi) アクリルモノマーの混合物を重合すると同時に細胞を包込むことにより被包性細胞を含むポリアクリルアミドビーズを形成する工程、
を含む方法である。
R1はHまたはメチルであり、
R2はNH2、NHR3、N(R3)2、NH−(CH2)n−N(R3)2およびO−(CH2)n−N(R3)2からなる群から選択され、
R3各々はC1−4アルキルであり、
nは1乃至4の整数である。)
で表されるモノマーであり得る。
R1はHまたはメチルであり、
−X−は−(CH2)n−、または−(CH−OH)n−であり、
nは1乃至4の整数である。)
で表されるモノマーであり得る。
アクリルモノマー混合物/水の好ましい比率は、0.05:1〜0.5:1(w/w)である。より好ましくは、0.1:1〜0.3:1(w/w)であり、特に好ましくは、0.2:1〜0.28:1(w/w)である。
例1
ロドコッカス属菌株の培養
1.1 培養物前駆体(preculture)の調製
酵母抽出物:1.25%(w/w)、MgSO4・7H2O:0.05%(w/w)、CoCl2・6H2O:0.03%(w/w)、クエン酸ナトリウム:0.5%(w/w)、メタクリルアミド:0.75%(w/w)、およびKH2PO:0.2%(w/w)を含有する無菌培地(200mL、pH7.0)に、ロドコッカス属菌株の寒天プレート培養物を摂取した。培養物前駆体を三角フラスコ(500mL)中で48時間、28℃で120rpmにおいて培養した。
酵母抽出物:1.25%(w/w)、MgSO4・7H2O:0.05%(w/w)、CoCl2・6H2O:0.03%(w/w)、クエン酸ナトリウム:0.5%(w/w)、メタクリルアミド:0.75%(w/w)、およびKH2PO:0.2%(w/w)を含有する無菌培地(12L、pH7.0)に、例1.1の記載に従い得られたロドコッカス属菌株の培養物前駆体(200mL)を接種した。該培養物を発酵槽(12L)中で28℃、pH7.0、溶解酸素濃度>40%(1体積 空気/(体積 発酵培養液x分)における溶解酸素濃度に関して、28℃)、300−400rpmにおいて48時間培養した。細胞を遠心分離により摘出し、ホスフェートバッファー(50mM、pH7.0)で洗浄し、乾燥細胞濃度15〜20%(w/w)に濃縮し、−40℃にて保存した。
ロドコッカス属菌株のニトリルヒドラターゼ活性アッセイ
ロドコッカス属菌株の被包性細胞を含有するポリアクリルアミドビーズ(湿潤質量0.2g)を、25℃において3−シアノピリジン(1.59g)のホスフェートバッファー溶液(0.05M、pH7.0、30mL)に加えた。5分後および15分後のサンプル(1000μl)を採取した。これらサンプルを直ちにH2SO4(48%(w/w))20μlと混合し、メタノール/水=40:60(v/v)混合物で100倍(体積)に希釈し、濾過し(孔サイズ0.2μm)、HPLC(カラム:C8逆相、流速:1mL/分、移動相:メタノール/水=40:60(v/v)、波長:210nm、25℃)により分析した。湿潤生体触媒を55℃、20ミリバールにおいて4時間乾燥することにより、乾燥ポリアクリルアミドビーズを得た。
ポリアクリルアミドビーズ中のロドコッカス属菌株の細胞の被包
アクリルアミド(42.25g、594mmol)、N,N´−メチレンビスアクリルアミド(3.75g、24mmol)および2−(ジメチルアミノ)エチルメタクリレート(1.5g、9mmol)をホスフェートバッファー(37.5g、50mM、pH7.0)中に溶解し、溶液のpHを7.0に調整した。過硫酸アンモニウム(0.465g、2mmol)の蒸留水(5g)溶液を、前記例1で得られたロドコッカス属菌株の細胞の懸濁液(20%(w/w)乾燥細胞、165g)に加えた。N,N,N´,N´−テトラメチルエチレンジアミン(0.232g、2mmol)の蒸留水(5g)溶液を、350rpmにおいて反応器(1L)中の鉱油(Exxsol D100、350g)中に分散した。モノマー溶液、細胞懸濁液および油を別々に15分間窒素にかけた。モノマー溶液(流速:2.5g/分)および細胞懸濁液(流速:5g/分)を別々に2.5mLミキシングフラスコにポンピングした。得られた混合物を直ちに20℃において攪拌油(350rpm、ビスコ−ジェット(登録商標)スターラー)中に滴下した。全部を添加した後、反応混合物を20℃において更に3.5時間攪拌した。得られたロドコッカス属菌株の被包性細胞を含むポリアクリルアミドビーズを濾過により分離し、蒸留水で洗浄し、水中で膨潤させた。ポリアクリルアミドビーズを体積で2倍量の貯蔵バッファー(硫酸ナトリウム3.55g/L、デヒドロ酢酸0.25%(w/w)、ナトリウム塩、ニコチンアミド0.05%(w/w)、pH7.0)中に4℃において貯蔵した。湿潤ビーズは、サイズ200μm〜1200μmの規則的な球状をしており、破壊力は>300mNであった。乾燥ポリアクリルアミドビーズ/湿潤ポリアクリルアミドビーズの比は、0.11:1(w/w)であった。比活性は、9.5μmolニコチンアミド/(分×mg 乾燥ポリアクリルアミドビーズ)であった。
3−シアノピリジンからニコチンアミドへの転化、バッチ反応
上記例3で得られたロドコッカス属菌株の被包性細胞を含むポリアクリルアミドビーズ(100g湿潤質量)を、25℃において、ゆるやかに攪拌された3−シアノピリジン(40g、3.8mol)のホスフェートバッファー(0.05M、pH7.0、400mL)溶液に加えた。15分後、99%の3−シアノピリジンがニコチンアミドに転化し、30分後、99%の3−シアノピリジンがニコチンアミドに転化していた。
3−シアノピリジンからニコチンアミドへの転化、連続反応
上記例3で得られたロドコッカス属菌株の被包性細胞を含むポリアクリルアミドビーズ(100g湿潤質量)を、25℃において、3−シアノピリジン(40g、3.8mol)のホスフェートバッファー(0.05M、pH7.0、400mL)溶液に加えた。3−シアノピリジンのホスフェートバッファー(0.05M、pH7.0)溶液(19%(w/w))を、ゆるやかに攪拌された反応混合物に連続的に加え、反応混合物(ポリアクリルアミドビーズなし)を連続的に除去した。連続転化を、25℃において5週間、保持時間3.1時間において行った。5週間後、ビーズの磨砕は観察されなかった。3−シアノピリジンおよびニコチンアミド濃度を決定し(図1および2を参照)、転化率を計算した(図3を参照)。
ポリアクリルアミドビーズにおけるロドコッカス属菌株の細胞の被包
アクリルアミド(422.5g、5940mmol)、N,N’−メチレンビスアクリルアミド(37.5g、240mmol)および2−(ジメチルアミノ)エチルメタクリレート(15g、90mmol)をホスフェートバッファー(375g、50mM、pH7.0)に溶解し、溶液のpHを7.0に調整した。過硫酸アンモニウム(4.65g、20mmol)の蒸留水(25g)溶液を、上記例1に従い得られたロドコッカス属菌株の細胞の懸濁液(16%(w/w)乾燥細胞、1650g)に加えた。N,N,N’,N’−テトラメチルエチレンジアミン(2.32g、20mmol)の蒸留水(25g)溶液を反応器(10L)中で鉱物油(Exxsol D100)に分散させた。モノマー溶液、細胞懸濁液および油を別々に窒素に15分間かけた。モノマー溶液(流速:13.5g/分)および細胞懸濁液(流速27g/分)を別々に一般的なパイプにポンピングした。得られた混合物を20℃において攪拌油(215rpm、ビスコ−ジェット(登録商標)スターラー)中にポンピングした。全部を添加した後、反応混合物を20℃において更に3.5時間攪拌した。得られた、ロドコッカス属菌株の被包性細胞を含むポリアクリルアミドビーズを分離し、洗浄し、上記例3に従い貯蔵した。湿潤ビーズはサイズ200μm〜1200μmの規則的な球形をしており、破壊力は>400mNであった。乾燥ポリアクリルアミドビーズ/湿潤ポリアクリルアミドビーズの比は、0.09:1(w/w)であった。比活性は7.3μモル ニコチンアミド/(分×mg 乾燥ポリアクリルアミドビーズ)であった。
ロドコッカス属菌株の被包性細胞を含むポリアクリルアミドビーズの貯蔵安定性
例5に従い得られたロドコッカス属菌株の被包性細胞を含むポリアクリルアミドビーズを、貯蔵水溶液(硫酸ナトリウム3.55g/L、デヒドロ酢酸0.25%(w/w)、ナトリウム塩、ニコチンアミド0.05%(w/w)、pH7.0)中に4℃において50週間貯蔵した。サンプルを5週間毎に取り出した。ポリアクリルアミドビーズを分離し、蒸留水で洗浄し、新鮮な貯蔵液(硫酸ナトリウム3.55g/L、デヒドロ酢酸0.25%(w/w)、ナトリウム塩、ニコチンアミド0.05%(w/w)、pH7.0)中で25℃において1時間分散させた。ニトリルヒドラターゼ活性を例2に従い決定した。乾燥ポリアクリルアミドビーズ/湿潤ポリアクリルアミドビーズの比を決定した。乾燥ポリアクリルアミドビーズは湿潤ポリアクリルアミドビーズを55℃、20ミリバールで4時間乾燥した後に得た。
ポリアクリルアミドビーズ中のロドコッカス属菌株細胞の被包
被包は、過硫酸アンモニウム(1.86g、8mmol)の蒸留水(7.0g)溶液およびN,N,N’,N’−テトラメチルエチレンジアミン(0.928g、8mmol)の蒸留水(5g)溶液を使用したことを除き、例3に記載の被包と類似の態様で実施した。得られた、ロドコッカス属菌株の被包性細胞を含むポリアクリルアミドビーズを分離し、洗浄し、例3に従い貯蔵した。膨潤ビーズは、サイズ250μm〜1300μmの規則的な球形をしており、破壊力は>400mNであった。乾燥ポリアクリルアミドビーズ/湿潤ポリアクリルアミドビーズの膨潤比は、0.12:1(w/w)であった。比活性は、7.8μmol ニコチンアミド/(分×mg ポリアクリルアミドビーズ)であった。
ポリアクリルアミドビーズ中のロドコッカス属菌株細胞の被包
被包は、ロドコッカス属菌株の細胞懸濁液(16%(w/w)、乾燥細胞)を使用し、重合を10℃で9時間行ったことを除き、例3に記載の被包と類似の態様で実施した。得られた、ロドコッカス属菌株の被包性細胞を含むポリアクリルアミドビーズを分離し、洗浄し、例3に従い貯蔵した。膨潤ビーズは、直径250μm〜1300μmの規則的な球形をしており、破壊力は>400mNであった。乾燥ポリアクリルアミドビーズ/湿潤ポリアクリルアミドビーズの比は、0.09:1.00(w/w)であった。比活性は、7.3μmol ニコチンアミド/(分×mg 乾燥ポリアクリルアミドビーズ)であった。
ポリアクリルアミドビーズ中のロドコッカス属菌株細胞の被包
N,N−ジメチルアクリルアミド(42.25g、426mmol)、N,N’−メチレンビスアクリルアミド(3.75g、24mmol)および2−(ジメチルアミノ)エチルメタクリレート(1.5g、9mmol)をホスフェートバッファー(37.5g、50mM、pH7.0)に溶解し、該溶液のpHを7.0に調整した。過硫酸アンモニウム(1.86g、8mmol)の蒸留水(7g)溶液を、例1に従い調製したロドコッカス属菌株の細胞懸濁液(18%(w/w)乾燥細胞、1.65g)に加えた。N,N,N’,N’−テトラメチルエチレンジアミン(0.928g、8mmol)の蒸留水(7g)溶液を反応器(1L)中で鉱物油(Exxsol D100、350g)に分散させた。モノマー溶液、細胞懸濁液および油を別々に窒素に15分間かけた。モノマー溶液(流速:2.5g/分)および細胞懸濁液(流速:5g/分)を別々にミキシングフラスコ2.5mLにポンピングした。得られた混合物を直ちに攪拌油(350rpm、ビスコ−ジェット(登録商標)スターラー)中に20℃において滴下した。全部を添加した後、反応混合物を20℃において更に3.5時間攪拌した。得られた、ロドコッカス属菌株の被包性細胞を含むポリアクリルアミドビーズを濾過により分離し、洗浄し、例3に従い貯蔵した。膨潤ビーズは、サイズ200μm〜700μmの規則的な球形をしており、破壊力は>400mNであった。乾燥ポリアクリルアミドビーズ/湿潤ポリアクリルアミドビーズの比は、0.21:1(w/w)であった。比活性は、5.4μmol ニコチンアミド/(分×mg 乾燥ポリアクリルアミドビーズ)であった。
ポリアクリルアミドビーズ中のロドコッカス属菌株細胞の被包
被包は、N,N−ジメチルアクリルアミド(42.25g、426mmol)に替えてアクリルアミド(42.25g、594mmol)を、2−(ジメチルアミノ)エチルメタクリレート(1.5g、9mmol)に替えてN−[3−(ジメチルアミノ)プロピル]メタクリルアミド(1.5g、9mmol)を使用したことを除き、例10に記載の被包と類似の態様で実施した。得られた、ロドコッカス属菌株の被包性細胞を含むポリアクリルアミドビーズを分離し、洗浄し、例3に従い貯蔵した。膨潤ビーズは、サイズ150μm〜1200μmの規則的な球形をしており、破壊力は>400mNであった。乾燥ポリアクリルアミドビーズ/湿潤ポリアクリルアミドビーズの比は、0.13:1(w/w)であった。比活性は、5.9μmol ニコチンアミド/(分×mg 乾燥ポリアクリルアミドビーズ)であった。
ラムノースプロモータの転写調節下にアミダーゼをコードする遺伝子を有するプラスミドを含む大腸菌種菌株の培養
12.1 培養物前駆体の前駆物質(pre-preculture)の調製
トリプトン:1.6%(w/w)、酵母抽出物:1.0%(w/w)、NaCl:0.5%(w/w)、アンピシリン:0.01%(w/w)を含有する無菌培地(5mL、pH7.0)に、ラムノースプロモータの転写調節下にアミダーゼをコードする遺伝子を有するプラスミドを含む大腸菌種菌株の寒天プレート培養物を摂取した。培養物前駆体の前駆物質を37℃において震盪器上で12時間培養した。
例12.1に記載の無菌培地(100mL)に、例12.1に従い得られた大腸菌種菌株の培養物前駆体の前駆物質5mLを接種した。培養物前駆体を震盪器上で37℃において培養した。OD6000.25において、L−ラムノース0.2%(w/w)を培養物に加えた。OD6005において、細胞を遠心分離により摘出し、バッファー(エチレンジアミンテトラ酢酸1.80g/L、二ナトリウム塩/酢酸ナトリウムバッファー2.65g/L、pH7.0)で2回洗浄し、乾燥細胞濃度15〜20%(w/w)において同じバッファー中で再分散させた。該細胞懸濁液を−40℃で貯蔵した。
アミダーゼアッセイ
アミダーゼを含有するエシェリキア属菌株の被包性細胞を含むポリアクリルアミドビーズ(0.4g湿潤質量)を、37℃において2−ヒドロキシ−2−メチル−3,3,3−トリフルオロプロピオンアミド(1.0g)のホスフェートバッファー(0.1M、pH8.0、0.9mL)攪拌溶液に加えた。0分、30分後、および60分後にサンプル(200μl)を取った。形成されるアンモニアのモル量を測定した。形成されるアンモニアのモル量は、形成される2−ヒドロキシ−2−メチル−3,3,3−トリフルオロプロピオン酸のモル量に等しい。
ポリアクリルアミドビーズ中のラムノースプロモータの転写調節下にアミダーゼをコードする遺伝子を有するプラスミドを含む大腸菌種菌株の被包
被包は、例12に従い得られた大腸菌種菌株の細胞懸濁液(19%(w/w)、過硫酸アンモニウム(1.86g、8mmol)の蒸留水(7.0g)溶液およびN,N,N’,N’−テトラメチルエチレンジアミン(0.928g、8mmol)の蒸留水(5g)溶液を使用し、重合を400rpm(ビスコ−ジェット(登録商標)スターラー)において行ったことを除き、例3に記載の被包と類似の態様で実施した。得られた大腸菌種菌株の被包性細胞を含むポリアクリルアミドビーズを分離し、例3に従い洗浄し、4℃においてホスフェートバッファー(0.1M、pH7.0)中で貯蔵した。湿潤ビーズは、サイズ200μm〜2000μmの不規則な球形をしており、破壊力は>200mNであった。乾燥ポリアクリルアミドビーズ/湿潤ポリアクリルアミドビーズ比は0.21:1(w/w)であった。比活性は、0.029μm 2−ヒドロキシ−2−メチル−3,3,3−トリフルオロプロピオンアミド/(分×mg 乾燥ポリアクリルアミドビーズ)であった。
2−ヒドロキシ−2−メチル−3,3,3−トリフルオロプロピオンアミドから2−ヒドロキシ−2−メチル−3,3,3−トリフルオロプロピオン酸への転化、バッチ反応
例14に従い得られたアミダーゼをコードする遺伝子を有するプラスミドを含有する大腸菌種菌株の細胞を含むポリアクリルアミドビーズ(0.4g湿潤質量)を、2−ヒドロキシ−2−メチル−3,3,3−トリフルオロプロピオンアミド(1.0g、6.366mmol)のホスフェートバッファー(0.1M、pH8.0、10mL)溶液に37℃において1時間加えた。2−ヒドロキシ−2−メチル−3,3,3−トリフルオロプロピオン酸(2%)が形成された。
ポリアクリルアミドビーズ中のラムノースプロモータの転写調節下にアミダーゼをコードする遺伝子を有するプラスミドを含有する大腸菌種菌株の被包
アクリルアミド(21.13g、297mmol)、N,N’−メチレンビスアクリルアミド(1.88g、12mmol)および2−(ジメチルアミノ)エチルメタクリレート(0.75g、4.8mmol)をホスフェートバッファー(18.75g、50mM、pH7.0)中に溶解し、溶液のpHを7.0に調整した。過硫酸アンモニウム(0.93g、4mmol)の蒸留水(2.5g)溶液を、例12に従い得られた大腸菌種菌株の細胞懸濁液(19%(w/w)感想細胞、82.5g)中に加えた。N、N,N’,N’−テトラメチル−エチレンジアミン(0.928g、8mmol)の蒸留水(5g)を450rpmにおいて反応器(1L)中で鉱物油(Isopar M、350g)中に分散させた。モノマー溶液、細胞懸濁液、および油相を別々に窒素に15分間かけた。モノマー溶液(流速:2.5g/分)および細胞懸濁液(流速:5g/分)を別々にミキシングフラスコ2.5mLにポンピングした。得られた混合物は直ちに攪拌油(450rpm、ビスコ−ジェット(登録商標)スターラー)中に20℃において滴下した。全部添加した後、反応混合物を20℃において更に3.75時間攪拌した。得られた大腸菌種菌株の被包性細胞を含むポリアクリルアミドビーズを分離し、例3に従い洗浄し、4℃においてホスフェートバッファー(0.1M、pH7.0)中で貯蔵した。膨潤ビーズは、サイズ1000μm〜2000μmの不規則な球形をしており、破壊力は>200mNであった。乾燥ポリアクリルアミドビーズ/湿潤ポリアクリルアミドビーズ比は、0.25:1.00(w/w)であった。比活性は、0.016μmol ニコチンアミド/(分×mg 乾燥ポリアクリルアミドビーズ)であった。
ニトリルヒドラターゼ含有ロドコッカス属の被包性細胞を含むポリアクリルアミドビーズの、ニトリルからアミドへの転化のための生体触媒としての使用
例7に従い得られたロドコッカス属の被包性細胞を含むポリアクリルアミドビーズ(25g 湿潤質量)を、ニトリルのホスフェートバッファー(0.05M、pH7、100mL)攪拌溶液、またはホスフェートバッファー(0.05M、pH7、100mL)およびメタノール攪拌混合物中に25℃において徐々に加えた。5分後、15分後、60分後にサンプル(3mL)を取り、直ちにH2SO4(48%(w/w)、0.03mL)と混合した。反応混合物をHPLC又はGCにより分析した。比活性を決定した。結果を表2に示す。
Claims (11)
- 下記工程:
(i) アクリルモノマー混合物の水溶液を提供すること;
(ii) 過硫酸塩水溶液中の細胞懸濁液を提供すること;
(iii) 水非混和性液体中の、第三級アミン水溶液のエマルジョンを提供すること;
(iv) 工程(i)で提供される前記溶液と工程(ii)で提供される前記懸濁液を混合すること;
(v) 工程(iv)で得られる前記混合物を工程(iii)で提供される攪拌エマルジョンに加えること;
(vi) アクリルモノマー混合物を重合すると同時に細胞を被包し被包性細胞を含むポリアクリルアミドビーズを形成すること;
を含む被包性細胞含有ポリアクリルアミドビーズの製造方法であって、該ポリアクリルアミドビーズの破壊力が200mN以上である製造方法。 - ポリアクリルアミドビーズのサイズが0.05〜3mmである請求項1に記載の方法。
- ポリアクリルアミドビーズのサイズが0.1〜1.5mmであり、破壊力が300mN以上である請求項2に記載の方法。
- 乾燥細胞/アクリルモノマー混合物比が0.001:1〜1:1(w/w)である請求項1乃至3のいずれか1項に記載の方法。
- 乾燥細胞/アクリルモノマー混合物比が0.2:1〜0.9:1(w/w)である請求項1乃至4のいずれか1項に記載の方法。
- 細胞が細菌性細胞である請求項1乃至5のいずれか1項に記載の方法。
- 細胞がノカルジア状放線菌類属または腸内細菌科の細菌性細胞である請求項6に記載の方法。
- 第三級アミンがN,N,N´,N´−テトラメチルエチレンジアミン又は3−(ジメチルアミノ)プロピオニトリルである請求項1乃至7のいずれか1項に記載の方法。
- 水非混和性液体が鉱物油である請求項1乃至8のいずれか1項に記載の方法。
- 界面活性剤が使用されていない請求項1乃至9のいずれか1項に記載の方法。
- 工程(vi)で形成されるポリアクリルアミドビーズが分離される請求項1乃至10のいずれか1項に記載の方法。
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