JPH02503053A - 所定の鏡像体純度を有する化合物の電気酵素的製造方法 - Google Patents
所定の鏡像体純度を有する化合物の電気酵素的製造方法Info
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Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
所定の鏡像体純度を有する化合物の電気酵素的製造方法。
本発明は、一般的には、電気化学反応と酵素触媒を組み合わせた方法、特に、所
定の鏡像体純度(エナンチオ純度)を有する化合物を電気酵素法(エレクトロエ
ンザイマテインク法)で製造する場合の有機分子の酸化−還元反応に関するもの
である。
生体中での電子の交換はオキ−シトリダクターゼ(酸化還元酵素)と呼ばれる酵
素を触媒として行われている。これらの酵素は部分的酸化反応または部分的還元
反応の触媒となるため、酵素技術において特に重要である。この酵素の例として
はデヒドド(以下、NADと表記)またはニコチンアミド アデニンジヌクレオ
チド ホスフェート(以下、NADPと表記)の型の補基質を有するデヒドロゲ
ナーゼが挙げられる。これらの酵素はその特異性と選択性が極めて性能の高い触
媒である。これらの酵素は下記形式の可逆反応を触媒する:これらの基質は、一
般的法則として、この反応によって変化する多かれ少なかれ酸素含有基を有して
いる。
上記形式の方法を実際に行わせる場合には、何れの方向に反応を起こさせる場合
でも、補基質が再循環できるということが前提になっている。すなわち、上記の
例では、上記の反応の1の方向を用いたいときには、NAD (P)が再循環さ
れて全体のバランスとして還元基質が酸化され、逆に上記の反応の2の方向を用
いたい場合にはNAD (P)Hが再循環されて全体のバランスとして酸化基質
が還元できるということが前提になっている。実際問題として、NADおよびN
ADPはコストが極めて高い分子であるので、経済的に許容な反応とするために
は、数千回以上これらを再生して再循環できることが必要である。
種々の再生方法(化学的、酵素的1.微生物学的および電気化学的再生方法)の
中で、酵素による再生が再利用能力に関する性能が最も高いと考えられている。
この酵素による再生では、別の基質と別の酵素を用して再生する。しかし、この
方法は複雑であり、特に、異なる複数の分離段階を含むという欠点がある。一方
、電気化学的再生方法は副産物が生成しないので、再利用という観点で有利であ
る。しかし、電気化学的再生方法はまだ性能が比較的低いと文献では考えられて
いる。
本発明に到る研究の過程で、この先入観に反して、NADHのNADへの電気化
学的酸化は極めて高い収率(99,99%以上)で実施することができ、少なく
とも10.000回の再生サイクルで実施することができることが分かった。従
って、デヒドロゲナーゼを用いて基質を酸化する直接経路(上記反応式の方向1
)は酵素法によって工業的に実施することができる。
しかし、NADからNADHへ直接電気化学的に還元した場合の再生サイクルの
回数は極めて低く、10回未満であるため、的な点から興味深いのは還元方向(
上記反応式の方向2)であ光学的に活性な化合物を高純度で作ることができるた
めである。
この例としては、非対称ケトンの化学的または電気化学的還元が挙げられ、この
還元反応では一般に等モル量のDとLの立体異性体からなるラセミ体混合物が生
成し、この混合物は、精製するのが難しい。
従って、本発明は、これらの光学的に活性な化合物の製造方法を提供する。以下
の説明では、出発原料である基質をSで表し、不斉炭素を有する最終精製物をP
で表す。Pには2つの光学的に活性な異性体があり、それらを各々D−Pおよび
L−Pで表す。これら2つの型の(ラセミ体)混合物はD/L−Pと表記する。
本発明が解決すべき問題点は、NADまたは使用したその他のオキシドリダクタ
ーゼの補基質の電気化学的還元をする必要がないような、Sヶら(またはD/L
−Pから、さらには、生成したいものとは反対の光学異性体から)、還元化合物
L−PまたはD−Pを所定の鏡像体純度で得ることにある。
本発明によって提供される解決法は、〔1〕基質Sを非立体特異的に電気化学的
還元して、ラセミ体のD/L−P混合物を生成させる反応と、〔2〕オキシドリ
ダクターゼを用いた立体特異的な電気化学的還元化により、上記非立体特異的な
電気化学的還元に再循環される基質Sを生成する反応とを同時に用い、酵素の捕
基質を電気化学的酸化によって再生するものである。
この条件下では、Sの各サイクルで立体特異的な酸化に関与しなかった異性体が
富化する。
互いに部分的に拮抗する上記の2つの主な反応〔1〕および〔2〕と、使用した
酵素の補基質の電気化学的酸化反応の概略は以下のようになる(ここでは、酵素
として補基質がNADであるし一デヒドロゲナーゼを使用) :NADH−−−
−−→ NAD”+H”+2e−[3)この場合、D−P異性体は転化していな
いので、SのサイクルのたびにD−Pが豊化する。同様に、D−デヒドロゲナー
ゼを選択した場合には、その系はL−P異性体が豊化する。
従って、本発明の第1の対象は、対応する酸化型ラセミ体D/L−Pまたはその
ラセミ体D/L−P、さらには、目的とするものの逆の光学異性体からなる基質
Sから所定の鏡像体純度を有する各化合物D−PまたはL−Pを電気酵素的に製
造する方法において、上記基質S1そのラセミ体D/L−Pまたは目的とするも
のの逆の光学異性体の各々を、目的とするものの逆の光学異性体の酸化を触媒す
ることができるオキシドリダクタ=ゼ触媒と一緒に電気化学反応装置に導入し、
電極間に電位差を与えて所望の鏡像体純度を有する異性体が得られるまで基質S
を非立体特異的に陰極還元し、上記電気化学反応装置中で陽極酸化して上記酵素
の基質を再生することを特徴とする方法にある。
この方法は、下記の式によって表わされる光学活性な化合物の製造に特に適して
いる:
式(I)の化合物を得たい場合には、基質Sとして対応するα−ケトカルボキシ
ル酸(またはこの酸の塩)を導入する。また、式(11)の化合物を得たい場合
には、基質Sとして水性アンモニアの存在下で対応するα−ケトカルボキシル酸
(またはこの酸の塩)を導入する。そを還元すると、式(I)のα−アルコール
酸または式(11)のα−アミノ酸が生成する。この還元反応は下記で表わされ
る:
本発明によって製造することのできる化合物の例としては、式(1)の化合物で
ある乳酸、マレイン酸およびそれらの塩と、式(II)の化合物であるα−アラ
ニン等の各種α−アミノ酸が挙げられる。
本発明で製造できる化合物は無数にあり、その全てを挙げることは不可能である
。本発明方法の唯一の条件は本発明の基本である2つの拮抗する反応、すなわち
、非立体特異的な電気化学還元反応と立体特異的な酵素酸化反応とを以下の基本
的判断基準で組み合わせることのみである:
(1)製造したい目的物と逆の異性体Pの特異的酵素が入手でき且つ生体中に導
入できるか、
(2)酵素じ機能を発現できる物理化学的条件において基質Sの電気化学的還元
が可能か。
酵素としては、NADまたはNADP等の天然補基質を有するデヒドロゲナーゼ
、さらには、キノン、フェロセン、フェリシアニドおよび染料の中から選択され
た人工補基質(すなわち一般に、代謝連鎖の中には含まれない補基質)、例えば
、ジクロロフェノリントフェノールを有するオキシダーゼを導入することができ
る。
特に、D−またはL−ラクテートデヒドロゲナーゼ、L−マレートデヒドロゲナ
ーゼ、L−アラニンデヒドロゲナーゼおよびD−またはL−アミノ酸オキシダー
ゼを挙げることができる。
本発明の上記反応は溶媒中で実施することができる。特に、水中または酵素活性
を維持することができ且つ還元時にプロトンを供給することのできる有機溶媒中
で実施することができる。
水が特に好ましいが、水と有機溶媒との混合物を使用することもできる。
酵素は反応媒中に溶かした溶液状で用いるか、多孔質粒子または非多孔質粒子、
例えば、ブラウン(G、 Broun)、トーツス(D、 Thomas)、ゲ
ルフ(G、Ge1lf)、トムラド(D、 Domurado)、ベルジョンノ
ー(A、 M、 Ber jonneau)およびギイヨン(C,Gu i ]
Ion)の「バイオテクノロジー アンド バイオエンジニアリング」(Bi
otechnology and Bioengineering) 」、第
15号、第359〜375頁、1973年に記載の発泡体上に固定して、これを
反応媒中に浸して用いるか、さらには、酵素を陽極に固定して用いることができ
る。好ましくは、プルディオン(C,Bourdillon)、ブルジョワ(J
、P、 Bourgeois)およびトーツス(D、Thomas) rアメリ
カ化学学会誌」(Journal of American Chemistr
ySociety)、第102巻、第4231頁、1980年に記載の方法を用
いるのか好ましい。
酵素としてNADまたはNADP補基質を有するデヒドロゲナーゼを用いる場合
には、反応媒体のpHを6〜10の範囲(これは補基質NAD (H)およびN
ADP (H)に対して最も安定する範囲である)にし、陽極の作動電位を0.
5〜0.9−V/塩化第1水銀(カロメル)−飽和KCI電極(SCE)とし、
陰極作動電極を−0,7〜−1,5V/SCEの範囲にする。
陽極の作動電位はNADHだけが酸化されるように選択する。
一般に、生成物のOH基またはNH2基は1.5V/SCE以上でのみ酸化され
るので、このように選択しても問題はない。
陰極の作動電位も同様に選択される。NADHの寄生(バラサイト)還元は下記
の反応によって一〇、9V/SCEから始まる:
2NAD4+2e−−−NAD−NAD(酵素的に不活性なダイマー)
従って、この作動電位は基質Sの還元速度が、NADのダイマー化より速くなる
ように選択する。しかし、このダイマーは陽極で約0.2V/SCEで酵素活性
のあるモノマーに簡単に再酸化することができるので、ダイマーが生成してもよ
い。このダイマーの生成によってエネルギー消費量は増大するが、必要に応じて
一〇、9V/SCE以下の電位で基質を還元することができる。
酵素として電子受容体の補基質を有するオキシダーゼを用いる場合には、反応媒
のpH範囲を4〜8とし、陽極の作動電位を0.1〜0.9V/SCEとし、陰
極の作動電位を−0,7〜−1,5V/SCEの範囲にする。
また、本発明では、金属、例えば、水銀およびニッケルおよび炭素の中から選択
された材料で作られた陰極と、炭素および金属、例えば、プラチナ被覆チタンの
ような貴金属の中から選択された材料で作られた陽極を使用することかできる。
添付図面の第1図は、酵素としてL−ラクテートデヒドロゲナーゼを用い、基質
としてピルビエートを使用した場合の本発明方法の反応概略図である。
この図面には上記方法で使用可能な3つのルートが図示されている。すなわち、
基質Sを導入してD−Pへ完全に転化するルートの他に、ラセミ体L/D−Pを
導入してこのラセミ体をL−Pへ分離するルートと、異性体L−Pを導入してそ
の配置の反転させるルートが示されている。
全体のバランスとしては、Sおよび/またはL−Pが減少・消滅し、電気エネル
ギーとNADおよび酵素の触媒量だけが消費される。
第2図は、本発明の方法を極めて簡単iこ実権することのできる第1の電気化学
反応装置1の概念図である。この反応装置1は単一のコンパートメント (区画
)を有し、その底部には陰極として用いられる水銀層2が収容されている。この
コンパートメントには電解質の役目をする酸/塩基緩衝液と、酵素と、転化され
る基質とを含む溶液3が収容されている。この溶液3中には炭素(またはプラチ
ナ被覆チタン)からなる陽極4と撹拌機5とが浸されている。
反応は、基質が完全に転化するまで、2つの電極2と4の間に電位差を印加する
ことによって非連続的に行われる。
第3図は、本発明の方法を実施するために使用することができる、再循環ループ
を備えた第2の反応装置100の概念図である。
この反応装置100は、炭素バッキング〔カーボン ロレンヌ(Carbone
Lorraine)社から市販されているr RG V 4000J )から
なる陰極102と、同じく炭素バッキングからなる陽極104とを取り囲んだ外
側容器100aを備えている。使用される酵素はこの炭素バッキング上に(後述
する方法によって)固定されており、陰極と陽極は2つのコンパートメントの間
を分離する役目をしているイオン交換膜106によって分離されている。
各電極は電流コレクタ102aと104aに接続されている。
処理すべき溶液はライン107を介して陽極コンパートメントに入り、このコン
パートメントからライン108を介して抜き出されて陰極コンパートメント10
2に戻され、この陰極コンパートメントからライン109を介して抜き出される
。このライン109は生成物抜き出しラインである第1の分岐路109aと、上
記導入ライン107へ再循環するための分岐路109bに分かれ、この分岐路1
09bの通路には再循環ポンプ110が配置されている。
以下、本発明方法の2つの実施例を示す。
実施例1:
ピルビエートからのD−ラクテートの製造反応式は下記の通りである:
D−およびL−ラクテートのラセミ体混合物第2図に図示した型の反応装置にP
H8の0.5Mホスフェート緩衝液100clrと、L−ラクテートデヒドロケ
ナーゼ2 wrg (E。
C,1,1,1,27) (シダ? (Sigma)社製のタイプ2)と、NA
D 7■とを収容し、この中に濃ビルビニ−) (3M)を0.6cII/時の
流量で導入する。
それと同時に、172時間・かけて陽極と陰極との間の電位差を徐々に1.8v
まで上げる。反応装置を約1時間そのままの状態に維持した後、デヒドロゲナー
ゼの逆反応を抑制するためにピルビエート濃度が常に10−’Mとなるようにビ
ルビエートを供給し且つ電位差を維持する。この反応を30時間行った後、電流
を徐々に240から140mAに減少させる。ビルビエートの導入は反応装置を
停止させる1時間前に停止する。
第4図は、時間の関数として、反応装置内のD−ラクテートの濃度変化を示した
グラフである。反応装置の停止時にはD−ラクテートの濃度は45g/Ilに達
しており、残留L−ラクテートとビルビエートは1%未満である。
上記の実験条件では、1モルのビルビエートをD−5クテートへ転化するのに4
XFクーロンを消費した(反応装置へ供給した電力)。
実施例2ニ
ラセミ体のD+LラクテートからD−ラクテートの製造ピルビエートの代わりに
ラセミ体のラクテートを導入する以外は実施例1と同様に操作する。実施例1と
同じD−ラクテート濃度が得られるまでに19時間かかり、約160mAの電流
が流れた。上記のように、NADは約10.000回再生できた。
上記の実験条件で1モルのラセミ体を転化するのに2XFクーロンを消費した。
反応式は下記の通りである:
オキザロアセテ−)+NADH
D+L−マレートラセミ体
この反応は第3図に示した溶液をパーコレートする形式の反応装置で実施する。
酵素の固定化は、蛋白質をNADを再生する電極(陽極)上に直接グラフト化さ
せることによって行うことができる。この形式は熱力学的均衡が移動を確実にす
るのに特に有利である。これはオキザロアセテ−トの生成には不利である。
酵素の固定法(前記方法による) :
先ず、陰極を構成する炭素(グラファイト)バッキングを濃HNO,で105℃
で化学処理することによって表面を酸化する。
次いで、反応装置に入れ、pHが中性になるまで水を循環させて洗う。固定化用
の溶液40cafをバッキングを通して循環させた後、12時間放置して重合を
完遂させる。固定化用の溶液はpH7,5の0、02Mホスフェート緩衝液40
cnf中にL−マレートデヒドロゲナーゼ(B、 C,1,1,1,37)(シ
ダ? (Sig+na)社製)10■と1−シクロへキシル−3−(2−エチル
モルフォリノ)カルボジイミドメトキシ−p−トルエンスルホネート10■とを
含んでいる。
作動用の緩衝液(pH8,5の0.5Mホスフェート緩衝液)を用い1時間洗っ
た反応装置は直ちに使用できる状態にある。
定常状態での反応装置の操作は下記のパラメータに対応している:
(1) 反応装置のループを循環する作動緩衝液の量は100ca?である。
(2) 再循環ポンプ110の循環量は0.517時である。
(3) 作動緩衝液中に11当たり1モルのマレイードと1O−4モルのNA
Dとを含むラセミ体混合物をライン107を介して、5d/時の割合で導入する
。
(4)陽極と陰極との間の電位差を1.7Vに維持した場合の電流は約0.3ア
ンペアである。
(5) 定常状態での反応装置内のサンプル濃度は、オキザロアセテート+L
−マレートの合計が10−”MSNAD+NADHが10−’M、 D−マレー
トがIMである。
これらの濃度は抜き出しラインイ109aで得られたものである。
この実験では、D−マレートの純度は1%程度である。この純度は、再循環ポン
プ110の処理能力を調節することによって高くしたり低くしたりすることがで
きる。
ピルベート
補正書の翻訳文提出書(特許法第184条の8)1、国際出願番号 PCT/
FR8810O1893、特許出願人
住 所 フランス国75007 パリケアナトールフランス15
名 称 サントルナシオナルドラルシエルシュシアンティフィク (モー。
ニス、エール、ニス、)代表者ウエルニョン、ビニール
国 籍 フランス国
4、代理人
住 所 ■101東京都千代田区東神田1−10−7篠田ビル7階 電話(
03) 864−94616、添付書類の目録
(1)補正書の翻訳文 〔1通〕(1)対応する酸化型
ラセミ体D/L−Pまたは対応するラセミ体D/L−P、さらには、目的とする
ものの逆の光学異性体からなる基質Sから所定の鏡像体純度を有する各化合物D
−PまたはL−Pを電気酵素的に製造する方法において、上記基質S1そのラセ
ミ体D/L−Pまたは目的とするものの逆の光学異性体の各々を1.目的とする
ものの逆の光学異性体の酸化を触媒することができるオキシドリダクターゼ触媒
と一緒に電気化学反応装置に導入し、電極間に電位差を与えて所望の鏡像体純度
を有する異性体が得られるまで基質Sを非立体特異的に陰極還元し、上記電気化
学反応装置中で陽極酸化して上記酵素の基質を再生することを特徴とする方法。
(2)α−ケトカルボキシル酸または水性アンモニウアの存在下でα−ケトカル
ボキシル酸を基質Sとしてに導入することを特徴とする請求項1に記載の方法。
(3)α−アルコールまたはα−アミノ酸をラセミ体D/L−Pとして導入する
ことを特徴とする請求項1に記載の方法。
(4)デヒドロゲナーゼまたはオキシダーゼを酵素として導入することを特徴と
する請求項1から3のいずれか一項に記載の方法。
(5) ?i4基質がニコチンアミド アデニン ジヌクレオチドまたはニコ
チンアミド アデニン ジヌクレオチド ホスフェート型の天然の補基質である
デヒドロゲナーゼを選択することを特(6) ?!基質が、キノン、フェロセ
ン、フェリシアニドおよび電子受容体染料の中から選択された人工捕基質である
オキシダーゼを選択することを特徴とする請求項4に記載の方法。
(7)上記反応を溶媒、特に、水、有機溶媒または水と有機溶媒との混合物の中
で実施し、この有機溶媒は、酵素が活性を維持し且つ還元中にプロトンを供給す
ることができるものであることを特徴とする請求項lから6のいずれか一項に記
載の方法。
(8)上記酵素が反応媒中に溶解した溶液状であることを特徴とする請求項1か
ら7のいずれか一項に記載の方法。
(9)上記酵素が反応媒体に浸された多孔質または非多孔質粒子上に固定されて
いることを特徴とする請求項1から7のいずれか一項に記載の方法。
OB 酵素として補基質がNADまたはNADPであるデヒドロゲナーゼを用
い、反応媒体のpHを6〜10の範囲とし、陽極の作動電位を0.5〜0.9V
/カロメル−飽和KCI電極(SCE)の範囲とし、陰極の作動電位を−0,7
〜−1,5V/SCEの範囲とすることを特徴とする請求項1から10のいずれ
か一項に記載の方法。
0の 酵素として補基質が電子受容体であるオキシダーゼを用い、反応媒体のp
Hを4〜8の範囲にし、陽極の作動電位を0.1〜0.9v/SCEの範囲にし
、陰極の作動電位を−0,7〜−1,5V/SCEの範囲とすることを特徴とす
る請求項1から10のいずれか一項に記載の方法。
03 金属および炭素から選択した材料からなる陰極と、炭素および金属から選
択した材料からなる陽極とを用いることを特徴とする請求項1から12のいずれ
か一項に記載の方法。
国際調査報告
国際調査報告
Claims (14)
- (1)対応する酸化型ラセミ体D/L−Pまたは対応するラセミ体D/L−P、 さらには、目的とするものの逆の光学異性体からなる基質Sから所定の鏡像体純 度を有する各化合物D−PまたはL−Pを電気酵素的に製造する方法において、 上記基質S、そのラセミ体D/L−Pまたは目的とするものの逆の光学異性体の 各々を、目的とするものの逆の光学異性体の酸化を触媒することができるオキシ ドリダクターゼ触媒と一緒に電気化学反応装置に導入し、電極間に電位差を与え て所望の鏡像体純度を有する異性体が得られるまで基質Sを非立体特異的に陰極 還元し、上記電気化学反応装置中で陽極酸化して上記酵素の基質を再生すること を特徴とする方法。
- (2)α−ケトカルボキシル酸または水性アンモニウアの存在下でα−ケトカル ボキシル酸を基質Sとしてに導入することを特徴とする請求項1に記載の方法。
- (3)α−アルコールまたはα−アミノ酸をラセミ体D/L−Pとして導入する ことを特徴とする請求項1に記載の方法。
- (4)デヒドロゲナーゼまたはオキシダーゼを酵素として導入することを特徴と する請求項1から3のいずれか一項に記載の方法。
- (5)補基質がニコチンアミドアデニンジヌクレオチドまたはニコチンアミドア デニンジヌクレオチドホスフェート型の天然の補基質であるデヒドロゲナーゼを 選択することを特徴とする請求項4に記載の方法。
- (6)補基質が、キノン、フェロセン、フェリシアニドおよび電子受容体染料の 中から選択された人工補基質であるオキシダーゼを選択することを特徴とする請 求項4に記載の方法。
- (7)上記反応を溶媒、特に、水、有機溶媒または水と有機溶媒との混合物の中 で実施し、この有機溶媒は、酵素が活性を維持し且つ還元中にプロトンを供給す ることができるものであることを特徴とする請求項1から6のいずれか一項に記 載の方法。
- (8)上記酵素が反応媒中に溶解した溶液状であることを特徴とする請求項1か ら7のいずれか一項に記載の方法。
- (9)上記酵素が反応媒体に浸された多孔質または非多孔質粒子上に固定されて いることを特徴とする請求項1から7のいずれか一項に記載の方法。
- (10)上記酵素が陽極上に固定されていることを特徴とする請求項1から7の いずれか一項に記載の方法。
- (11)酵素として補基質がNADまたはNADPであるデヒドロゲナーゼを用 い、反応媒体のpHを6〜10の範囲とし、陽極の作動電位を0.5〜0.9V /カロメルー飽和KC1電極(SCE)の範囲とし、陰極の作動電位を−0.7 〜−1.5V/SCEの範囲とすることを特徴とする請求項1から10のいずれ か一項に記載の方法。
- (12)酵素として補基質が電子受容体であるオキシダーゼを用い、反応媒体の pHを4〜8の範囲にし、陽極の作動電位を0.1〜0.9V/SCEの範囲に し、陰極の作動電位を−0.7〜−1.5V/SCEの範囲とすることを特徴と する請求項1から10のいずれか一項に記載の方法。
- (13)金属および炭素から選択した材料からなる陰極と、炭素および金属から 選択した材料からなる陽極とを用いることを特徴とする請求項1から12のいず れか一項に記載の方法。
- (14)請求項1から13のいずれか一項に記載の方法によって得られる純粋な 鏡像体化合物。
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