KR930002966B1 - 디펩티드의 제조방법 - Google Patents

디펩티드의 제조방법 Download PDF

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Abstract

내용 없음.

Description

디펩티드의 제조방법
본 발명은 고정화 효소 존재하의 유기용매계에서 하기식(II)의 N-보호(이하, L-치환이라고도 함) 아스파틱산과 하기식(III)의 페닐 알라닌 저급 알킬 에스테르를 축합 반응시켜 하기식(I)의 디펩티드를 합성하는 방법에 관한 것이다.
(식중, X는 보호기(치환기)이며, Y는 저급 알킬기이다)
프로테아제가 단백질 분해반응의 역반응인 펩티드결합형성을 촉진한다는 사실이 발견된 후 다수의 연구결과가 발표되었다.
먼저, 이소와(Isowa)등은 수성 매질에서 디펩티드와 아미노산 에스테르가 반응하여 수불용성 부가화합물을 형성하는 것을 개시하였다(미국특허 4,165,311). 그러나 이때의 반응계에는 단지 가용성의 효소만이 사용될 수 있을 뿐이다.
일반적으로 효소는 고가이며, 가용성 형태로는 불안정하고 회수가 어렵기 때문에 매우 제한된 산업적 용도로만 사용되어 왔으며, 이러한 한계를 극복하기 위한 연구가 다년간 활발히 진행되어 왔다. 그 결과, 고정화 기술에 의한 효소 안정성 개선의 방법이 개발되었으나, 상기 부가화합물 형성계에서는 효소분리의 어려움 때문에 고정화 효소의 적용자체가 실질적으로 불가능하였다.
한편 오야마(Oyama)등(1981)은 펩티드결합 형성이 수-불혼화성 유기용매에서 촉진된다는 사실을 밝혀내고(미국특허 4, 284, 721), 위 용매계에서는 반응 생성물이 수불혼화성 유기 용매쪽으로 신속히 이동하기 때문에, 평형수율 및 반응속도가 수성계의 경우보다는 낮지만 비교적 양호한 편이라고 주장하였다[J. Org. Chem. 46, 5241(1981)].
상기 특허에서는 유기 용매에서도 안정성이 높은 고정화효소가 사용되었지만, 이 경우 효소활성에 필요한 최소한의 수분은 존재해야 하므로 효소의 안정성을 위해서 상기 반응계가 수불혼화성 유기 용매와 수상의 2상계(two phase system)로 구성되는 것은 필수적이며, 이러한 2상계는 현재 고정화효소를 사용하는 펩티드합성에 주로 이용하고 있는 반응계이다.
그러나 2상계의 적용은 특히 충전탑 반응기(packed bed column reactor) 및 이와 유사한 반응기의 연속운전을 어렵게 하며, 더욱이 교반형반응기(stirred tank reactor)의 사용시는 효소의 마손이 불가피하다는 단점을 내포하고 있다. 또한, 효소는 고정화효소이어도 반드시 안정한 형태는 아니다.
따라서 이와 같은 수불혼화성 유기 용매를 이용한 2상계의 단점을 보완하기 위하여 수혼화성 유기 용매의 사용을 검토할 수 있다. 그러나, 이러한 고정화 효소를 둘러싸고 있는 물로부터 유기용매로의 미세환경적변화(micro environmental change)때문에 피이드 백 저해가 일어나서 반응속도가 감소하게 되는 단점이 있다. 한편 호만드버그(Homandberg)는 유기용매가 가역적 펩티드 형성 반응에서 합성쪽으로 반응을 유도 한다는 사실을 발표하였다(Biochem. 17(24)5220(1978)).
본 발명자는 앞서 제기된 문제점을 해결하기 위한 연구를 수행한 바, 수분을 함유한 고정화 메탈로프로테아제가 존재하는 수혼화성 유기용매계에서 N-보호 아스파틱산과 페닐알라닌 저급 알킬 에스테르를 반응시켜서, 3개월 동안 효소의 활성이 유지되면서, 디펩티드 합성 반응을 효율적으로 수행할 수 있다는 사실을 발견하였다.
또한, 수불혼화성 유기용매계(2상계)와는 달리, 본 발명의 수혼화성 유기용매계에서는 반응물의 용해도가 훨씬 증가함으로써 생성물의 회수 및 기질의 제조면에서 반응공정이 훨씬 용이하게 수행될 수 있음을 알게 되었다.
본 발명의 목적은 하기식(II)의 N-치환 아스파틱산과 하기식(III)의 페닐 알라닌 저급 알킬 에스테르를 고정화 메탈로프로테아제의 존재하에, 수혼화성 유기용매계에서 반응시켜 하기식(I)의 디펩티드를 합성하는 방법을 제공하기 위한 것이다.
(식중, X는 치환기이며, Y는 저급 알킬기이다)
본 발명에 있어서, 아스파틱산의 N-치환기는 일반적으로 펩티드 합성에 이용되는 보호기로서, 벤질옥시카르보닐, P-메톡시벤질옥시카르보닐, t-부톡시카르보닐기 등의 우레탄형의 기와 벤조일기 등을 그 예로들 수 있으며, 페닐알라닌 저급 알킬 에스테르의 저급 알킬기로는 메틸, 에틸기등의 C1-C4의 알킬기가 사용된다. 한편 보호기가 붙은 아스파틱산과 페닐알라닌 저급 알킬 에스테르는 일반적인 방법으로 제조가 가능하다.
본 발명에 사용된 효소는 바씰러스 써브틸리스(Bacillus subtilis), 바씰러스 써모프로테오리티쿠스(Bacillus thermoproteolyticus), 바씰러스 스테아로써모필러스(Bacillus stearothermophilus)등의 바씰러스종에서 추출한 메탈로프로테아제를 고정화형태로 사용하며, 고정화기술로는 물리적 흡착, 이온결합, 공유결합, 포괄(inclusion), 가교결합 등의 방법이 적용 가능하다.
반응은 단일 유기용매 혹은 2종 이상의 유기용매를 섞은 혼합 유기용매의 비율이 최고 70%에 이르는 수성매질에서 진행되며, 유기용매로서는 메탄올, 에탄올등의 알칸올과 에틸렌글리콜 및 폴리에틸렌글리콜, 바람직하게는 분자량이 200 내지 2000인 폴리에틸렌글리콜, 이외에도 디메틸포름아미드, 디메틸설폭시드, 아세토니트릴, 테트라히드로퓨란 등이 사용된다.
한편, 상기 유기용매 1종 또는 2종 이상을 함유하는 수성 매질은 반응의 출발물질과 생성물을 양쪽 다 용해시킬 수 있어야 하며, 선택된 수성매질에서는 반응속도와 평형수율이 가능한 높도록 반응계가 성립됨과 동시에 효소의 안정이 유지되어야 한다.
그리고, 본 발명에 따라 사용되는 출발물질의 농도가 증가하면 반응속도가 빨라지기 때문에 본 발명에서는 출발물질 중 어느 한쪽의 농도를 높여 사용하는 것이 유리하며, 각 출발물질의 사용농도는 출발물질과 생성물의 용해도 범위내에서 임의로 정하였으며 통상 0.25-1.0M사이가 적당하다.
본 발명에 사용된 N-치환아스파틱산과 페닐알라닌 저급알킬에스테르의 양은 몰비로 1 : 1에서 1 : 5사이일 수 있으며, 이는 페닐알라닌 저급 에틸 에스테르가 N-치환 아스파틱산에 비해 반응속도를 더 빨리 증가시키기 때문이다.
본 발명에 사용되는 고정화 효소는 단지 전체 반응시간을 조절할 뿐이며 그 양에는 제한이 없다.
반응 혼합물의 pH는 선택된 반응 매질에서 효소활성이 최대를 나타내는 범위로 유지되어야 하며 대개 5-8, 특히 5.5-7.0의 범위가 좋은데 반응에 앞서 NaOH로 pH를 조절할 수 있다.
반응온도는 일반적으로 5-50℃이며 바람직하게는 30-50℃로 한다.
반응시간은 온도, 출발물질의 농도, 고정화 효소의 양에 따라 달라지며 0.5-10시간이면 충분하다.
본 발명의 방법은 수성용매 혼합물중에서 출발물질이 제조되도록 하면서 고정화 효소가 충전된 칼럼에서 실시할 수 있다. 이 방법은 반응이 연속적으로 일어나게 하므로 산업적 적용에 특히 유리하며, 고정화효소의 마손 가능성이 있는 교반형 반응기에도 적용할 수 있다.
한편 디펩티드 에스테르의 반응 생성물은 반응액으로부터 고상물(결정형태)로 회수되며, 부가적인 정제과정을 거치지 않아도 고순도로 얻어진다. 미 반응된 아미노산과 미회수된 디펩티드 생성물 및 고정화 효소는 회수, 재투입, 재사용의 과정을 거치며 특히 효소는 칼럼내에서 장시간 연속 사용이 가능하다.
또한, N-치환아스파틱산의 보호기는 팔라듐의 존재하에 수소화 촉매반응으로 디펩티드 에스테르에서 쉽게 제거될 수 있다.
본 발명에서는 특히 페닐 알라닌 저급 알킬 에스테르의 저급알킬기로 메틸기를 사용하면 아스파탐의 제조공정이 되는데, 아스파탐은 설탕의 약 200배의 단맛을 가지고 부작용이 거의 없어 세계적으로 그 사용량이 크게 증가하고 있는 물질이다.
본 발명의 제조방법을 실시예를 들어 설명하면 다음과 같다.
[실시예 1]
염화칼슘 100mM을 함유하는 pH 7.0의 트리스(Tris)완충액 20mM으로 XAD-7 수지(Rohm & Haas)를 세척하고 평형화시킨 뒤, 써모에이즈(Daiwa Kasei, 10,000[PU], 1유니트는 카제인 분해시 35℃에서 1분동안에 타이로신 1마이크로몰에 해당하는 660㎚에서의 흡광도를 갖는 물질로 정의한다) 12.5g을 수지 100ml에 가하고 5시간 동안 흡착시킨 후, 글루타르 알데히드 10% 용액으로 비이드를 고정시키고 완충액으로 세척한 후 고정화를 종결하였다.
N-벤조일-L-아스파틱산 1.19g(5.0mmol)과 L-페닐알라닌 메틸에스테르 1.79g(10.0mmol)을 염화칼슘 5mM을 함유하는 50% 수중 아세토니트릴 50ml가 주입되어 있는 플라스크에 가하고, 10M의 가성소다로 용액의 pH를 6.0으로 조절하였다. 상기와 같이 제조된 고정화 효소를 흡인 여과하여 4g을 취한 후 상기 용액에 혼합시키고, 40℃에서 4시간 교반하면서 반응시켰다. 반응 완결 후 용액을 여과하여 고정화 효소를 분리한 후, 10M 염산 용액으로 여액의 pH를 3.7로 조절하였다. 이때 생성되는 결정액을 여과, 수세하여 N-벤조일-L-아스파틸-L-페닐알라닌 메틸 에스테르를 얻었다.
이와 같이 수득된 결정을 고성능액체 크로마토그라피(HPLC)로 분석하여 상기 반응의 수율이 82.4%임을 확인하였는데 분석 조건은 다음과 같이 하였다.
이동상 : 사에토니트릴 25%, 메탄올 12%를 함유한 0.1M, pH 3.5의 인산염 완충액
유 속 : 1.0ml/min
흡광파장 : UV 254㎚
컬 럼 : ECONOSPHERE C 18, 150㎜×4.6㎜, 5micron
온 도 : 25℃
[실시예 2]
아세토니트릴 대신 디메틸설폭시드를 사용하고 N-벤조일-L-아스파틱산 2.38g(10.0mmol)을 사용한것 외에는 실시예 1과 같이 시행하여, N-벤조일-L-아스파틸-L-페닐알라닌 메틸에스테르를 얻었다(수율 52.1%)
[실시예 3]
pH 6.5, 30℃에서 8시간 동안 반응시킨 것 외에는 실시예 2와 동일한 방식으로 반응시켜 N-벤조일-L-아스파틸-L-페닐알라닌 메틸 에스테르를 얻었다(수율 46.7%)
[실시예 4]
N-벤질옥시카르보닐-L-아스파틱산을 1.34g(5.0mmol) 취하고, 반응시간을 3시간으로한 것외에는 실시예 1과 같이 시행하였다. 이때 N-벤질옥시카르보닐-L-아스파틸-L-페닐알라닌메틸에스테르의 수율은 83.5%였다.
[실시예 5]
써모에니즈 5g을 가하고 반응 시간을 13시간으로 한 것외에는 실시예 1과 같이 시행하였으며 이때 N-벤조일-L-아스파틸-L-페닐알라닌 메틸 에스테르의 수율은 78.9%였다.
[실시예 6]
실시예 1의 아세토니트릴 대신 50% 디메틸 포름아미드를 사용하고 반응시간을 6시간으로 한 것외에는 실시예 1과 같이 시행한 결과 N-벤조일-L-아스파틸-L-페닐알라닌 메틸에스테르의 수율은 65.7%였다.
[실시예 7]
실시예 1의 아세토니트릴 대신 40% 디메틸포름아미드와 15% 에틸렌글리콜을 사용사여 pH를 5.8로 하고 반응시간을 6시간으로 한 것외에는 실시예 1과 같이 시행하였다.
이때 N-벤조일-L-아스파틸-L-페닐알라닌-메틸에스테르의 수율은 57.6%였다.
[실시예 8]
아세토니트릴 대신 45% 디메틸설폭시드와 15% 폴리에틸렌글리콜 400을 사용하였으며, pH 6.2에서 반응시간을 5시간으로 한 것외에는 실시예 4와 같이 시행하였다. 이때 N-벤질옥시카르보닐-L-아스파틸-L-페닐알라닌 메틸에스테르의 수율은 85.1%였다.
[실시예 9]
아세토니트릴 대신 30% 아세토니트릴과 25% 폴리에틸렌글리콜 600을 사용하였으며 pH 6.5에서 반응 시간을 6시간으로 한 것외에는 실시에 1과 같이 시행하였다. 이때 N-벤조일-L-아스파틸-L-페닐알라닌 메틸 에스테르의 수율은 78.5%였다.
[실시예 10]
N-벤조일-L-아스파틱산 2.85g(10mmol)과 L-페닐알라닌 메틸에스테르 2.69g(15mmol)을 취하고 실시예 9의 폴리에틸렌 글리콜 600 대신 폴리에틸렌 글리콜 200을 사용한 것외에는 실시예 9와 같이 시행하였다.
이때 N-벤조일-L-아스파틸-L-페닐알라닌 메틸 에스테르의 수율은 64.2%였다.
[실시예 11]
아세토니트릴 대신 디메틸 포름아미드를 사용하고 반응 시간을 5시간, pH를 6.2로 한 것외에는 실시예 10과 같이 시행하였다. 이때 N-벤조일-L-아스파틸-L-페닐 알라닌 메틸 에스테르의 수율은 52.4%였다.
[실시예 12]
하기 사항을 제외한 나머지는 실시예 11과 동일하였다.
교반 반응기 대신 실시예 1에서 준비한 고정화 효소를 충전한 칼럼을 사용하였다. 투입물은 실시예 11과 같은 농도로 하였으며, 투입물이 SV 0.9(H-1)의 유속으로 칼럼을 연속통과하도록 하였다. 이때 생성액에서의 N-벤조일-L-아스파틸-L-페닐알라닌 메틸에스테르 농도는 115mM이었고, 미반응 출발물질은 실시예 1과 동일한 방법으로 반응 생성물로부터 분리하여 다음 운전과정으로 재투입하였다. 이때, 반응기의 연속 운전은 1개월간 지속되었으며 N-벤조일-L-아스파틸-L-페닐알라닌 메틸에스테르의 수율은 71.a%였다.
[실시예 13]
하기 사항을 제외한 나머지는 실시예 12와 동일하였다. 디메틸 포름아미드 대신, 40% 디메틸 설폭시드를 사용하였고 이때 유속은 SV 1.2(H-1)였으며, N-벤조일-L-아스파틱산과 L-페닐알라닌 메틸 에스테르의 농도는 각각 100mM, 200mM이었다.
반응생성액에서의 N-벤조일-L-아스파틸-L-페닐알라닌 메틸 에스테르의 농도는 75mM이고, 수율은 74.5%이었으며, 반응기 연속운전은 2개월간 지속되었다.

Claims (15)

  1. 수혼화성 유기 용매와 물의 혼합액에서 고정화 메탈로-프로테아제의 존재하에 하기식(II)의 N-치환-L-아스파틱산과 하기식(III)의 페닐 알라닌 저급 알킬 에스테르를 축합 반응시키는 것을 특징으로 하는 하기식(I)의 N-치환-L-아스파틸-L-페닐 알라닌 저급 알킬에스테르의 디펩티드의 제조방법.
    (식중, X는 치환기이며, Y는 저급 알킬기이다)
  2. 제 1 항에 있어서, N-치환-L-아스파틱산의 치환기가 벤조일, 벤질옥시카르보닐, P-메톡시벤질옥시카르보닐 및 t-부톡시카르보닐로 이루어진 군으로부터 선택된 것인 방법.
  3. 제 1 항에 있어서, 페닐알라닌 저급알킬에스테르의 저급 알킬기는 메틸, 에틸, 프로필 또는 부틸기인 방법.
  4. 제 1 항에 있어서, 페닐알라닌 저급 알킬 에스테르는 L-또는 DL-구조인 방법.
  5. 제 1 항에 있어서, 수혼화성 유기 용매는 메틸알콜, 에틸알콜, 아세토니트릴, 디메틸포름아미드, 디메틸 설폭시드, 테트라히드로퓨란, 에틸렌글리콜 및 폴리에틸렌 글리콜로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 또는 2종 이상의 혼합물인 방법.
  6. 제 5 항에 있어서, 에틸렌 글리콜 또는 폴리에틸렌 글리콜과 이 글리콜류 이외의 다른 수혼화성 유기용매 1 또는 2종과의 혼합물을 물과 섞어서 사용하는 방법.
  7. 제5 또는 6항에 있어서, 폴리에틸렌 글리콜은 분자량이 200 내지 2,000인 방법.
  8. 제 1 항에 있어서, 수혼화성 유기 용매의 반응매질내 총 농도가 10 내지 70%인 방법.
  9. 제 6 항에 있어서, 에틸렌 글리콜 또는 폴리에틸렌 글리콜의 반응 매질내 농도가 5 내지 40%인 방법.
  10. 제 1 항에 있어서, 메탈로-프로테아제는 바씰러스 써브틸리스(Bacillus subtilis), 바씰러스 써모프로 테오리티쿠스(Bacillus thermoproteolyticus) 또는 바씰러스 스테아로써모필러스(Bacillus stearothermophilus)의 바씰러스종의 배양물로부터 추출한 효소인 방법.
  11. 제 1 또는 10항에 있어서, 메탈로-프로테아제는 써모라이신(thermolysin) 또는 써모에니즈(thermoase)인 방법.
  12. 제 1 항에 있어서, N-치환-L-아스파틱산 : 페닐알라닌 저급 알킬 에스테르의 몰비가 1 : 1 내지 1 : 5인 방법.
  13. 제 1 항에 있어서, 반응기로서 충전탑 반응기 또는 교반형 반응기를 이용하는 방법.
  14. 제 1 항에 있어서, 반응 온도를 5 내지 55℃의 범위내로 하는 방법.
  15. 제 1 항에 있어서, 반응 혼합물의 pH를 5 내지 8의 범위내로 하는 방법.
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