WO2002050299A2 - Mikrobiologisches verfahren zur biosynthese der natürlichen blau-violetten farbstoffe violacein und desoxyviolacein und deren verwendung - Google Patents

Mikrobiologisches verfahren zur biosynthese der natürlichen blau-violetten farbstoffe violacein und desoxyviolacein und deren verwendung Download PDF

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dyes
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bacterium
blue
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Franz-Peter Montforts
Daniela Meyer
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    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
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    • C12P17/00—Preparation of heterocyclic carbon compounds with only O, N, S, Se or Te as ring hetero atoms
    • C12P17/16—Preparation of heterocyclic carbon compounds with only O, N, S, Se or Te as ring hetero atoms containing two or more hetero rings
    • C12P17/165—Heterorings having nitrogen atoms as the only ring heteroatoms
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12N—MICROORGANISMS OR ENZYMES; COMPOSITIONS THEREOF; PROPAGATING, PRESERVING, OR MAINTAINING MICROORGANISMS; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING; CULTURE MEDIA
    • C12N1/00—Microorganisms, e.g. protozoa; Compositions thereof; Processes of propagating, maintaining or preserving microorganisms or compositions thereof; Processes of preparing or isolating a composition containing a microorganism; Culture media therefor
    • C12N1/20—Bacteria; Culture media therefor
    • C12N1/205—Bacterial isolates
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12R—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBCLASSES C12C - C12Q, RELATING TO MICROORGANISMS
    • C12R2001/00—Microorganisms ; Processes using microorganisms
    • C12R2001/01—Bacteria or Actinomycetales ; using bacteria or Actinomycetales

Definitions

  • the invention relates to a microbiological process for the biosynthesis of the natural blue-violet dyes violacein and deoxyviolacein from a pigment-forming bacterium by cultivating the bacterium, centrifuging the cell mass, extracting a crude dye extract from the cell mass and isolating the dyes from the crude dye extract, and a use of the dyes produced using the microbiological process.
  • Dyes are of interest to microbiology and chemistry in more ways than one. Since the ability to produce pigments is genetically fixed, the formation of dyes is also a first indication of the formation of antibiotic agents. Microbial pigments have a large structural diversity. So it can be derivatives from the classes of carotenoids, phenazine dyes, pyrrole dyes, azaquinones, etc.
  • thermophilic bacteria from deep-sea vents and symbiotic bacteria from invertebrates and vertebrates have been looking for bioactive natural substances that can be used biotechnologically for about 20 years.
  • the usability of marine organisms for the pharmaceutical industry, for aquaculture, for microbial cleaning of oil-contaminated marine regions and for processes in the formation of biofilms and bioadhesions has been recognized. Only for 3 years, however, projects with marine microorganisms in a more application-oriented research direction in Germany have been increasingly conceived.
  • dyes used In recent years, there has been a clear trend among consumers to favor products that contain natural dyes.
  • Yellow and red dyes are already obtained on an industrial scale from vegetable raw materials.
  • the search for a dye from this spectrum is of particular importance due to the food law ban on the red-blue dye Monascin, isolated from Monascus purpureus. It is not possible to classify Monascin as a coloring food because of allergic problems.
  • a microbiologically obtained blue-violet dye can thus help to close the gap that has arisen and to take economically very interesting paths.
  • Pigments from the blue-violet spectrum are formed, among other things, by microorganisms.
  • the azaquinone indigoidin is formed by several organisms (Pseudomonas indigofera, Corynebacterium insidiosum, Arthrobacter arthrocyaneus and Arthrobacter polychromogenes) and excreted in the surrounding medium. This is advantageous for continuous process control and for simplified product processing. This means that the cell disruption step can be dispensed with.
  • Indigoidin has already been approved under food law (E 132).
  • Other approved food colors from the blue color spectrum are Patent Blue V (E 131), Brilliant Blue FCF and Brilliant Black (E 151). These compounds have absorption spectra in the range from 570 nm to 638 nm and are therefore very suitable for use in processes in food technology.
  • violacein an indole derivative
  • a purple dye was isolated from a bacterium known today as Chromobacterium violaceum.
  • violacein can be derived from the bacterial strains Janthinobacte um lividum, Chromobacterium lividum and Alteromonas luteoviolacea (see H. Laatsch et al., "Spectroscopic Properties of Violacein and Related Compounds: Crystal Structure of Tetramethylviolacein", J. Chem. Soc. Perkin Trans 2., 1984, pp. 13331-1339).
  • violacein is 3- [1,2-dihydro-5- (5-hydroxy-1H-indol-3-yl) -2-oxo-3-H-pyrrol-3-ylidene] -1, 3- Characterized dihydro-2H-indol-2-one with the molecular formula C20-H13-N3-O3 (molecular weight 343.33).
  • the maximum absorption band in methanolic solution is 570 nm.
  • Violacein is almost insoluble in water, but soluble in acetone, Ethanol and dioxane.Violacein is the main component of a blue-violet pigment in Chromobacterium violaceum, a microorganism available from earth and waters of tropical areas, with deoxyviolacein as a secondary component with an identical structural structure but one oxygen atom less than violacein (formula C20-H13-N3-O2) So-called "native violacein" exists t from a mixture of violacein with up to 10% deoxyviolacein. The violacein serves to protect the cell from radiation and to regulate the tryptophan concentration below the toxic level.
  • Violacein has antibiotic, antiviral and antitumor properties, but shows no cytotoxic or pathogenic effects.
  • violacein has also been used for dyeing textiles, with good dyeing results being achieved not only on natural substances such as silk, wool and cotton, but also on synthetic fibers such as nylon (cf. Shirata et al. "Isolation of Bacteria Producing Bluish-Purple Pigment and Use for Dyeing ", Jpn. Agr. Res. Q 2000, 34 (2), pp. 131-140, with pigment extraction from Janthinobacterium lividum).
  • DE3935066 describes a method for producing native violaceins, starting from the pigment-forming bacterium Chromobacterium violaceum, for use in the treatment of viral diseases.
  • the biosynthesis is based on the process steps "culturing the bacterium”, “centrifuging off the cell mass”, “extracting a crude dye extract from the cell mass” and “isolating the dye from the crude dye extract ".
  • the bacteria used as starting material are cultivated on solid or liquid nutrient media.
  • the bacteria are preferably grown in liquid nutrient media since they can then be easily separated from the nutrient medium by centrifugation.
  • the bacterial cultivation can be carried out in fermenters with different process parameters.
  • the bacterial turf grown after incubation is detached and freeze-dried.
  • the crude violacein is extracted with ethanol in a sox.
  • the ethanol is distilled off in vacuo.
  • To isolate the violacein the crude violacein is extracted twice with n-heptane and then The residue is dissolved in a mixture of chloroform / acetone / pyridine 50:40:10 and the dye mixture is then separated by means of silica gel thin layer chromatography and purified.
  • the Carbon backbone of the pyrrolinone ring is formed by the condensation of the side groups of two tryptophan molecules under 1, 2-shift of the indole ring.
  • the addition of L-tryptophan to the suspension culture can increase the yield by approximately 1.5 times.
  • the process according to the invention is used to produce two blue-violet dyes using this sediment bacterium and to use it in Industries (pigment and food industries) with a high demand for natural blue dyes. According to the applicant, it is the first time that a marine microorganism is used for such purposes. Dyes are from marine bacteria So far, hardly any research has been carried out, so that there is greater potential for natural product chemistry.
  • the yield of violacein with the marine sediment bacterium Pseudoalteromonas species strain "Black Beauty” which can be achieved with the method according to the invention is in a range of thirteen times higher than with Chromobacterium violaceum.
  • 38.97 g of "Black Beauty" bacteria moist mass are obtained by repeated use Extraction with hot methanol a violet colored solution, from which 2.10 g of a deep black crude extract can be isolated after removal of the solvent.
  • the process according to the invention which is based on the biosynthesis of the blue dyes from "Black Beauty" has a very high yield factor.
  • the marine sediment bacterium "Black Beauty” therefore has a very high pigment content, which it uses to produce natural blue-violet dyes make violacein and deoxyviolacein particularly suitable.
  • the pigment yield can also be increased by optimizing parameters in the various process steps (residence times, solvent ratios etc.), especially when cultivating the bacteria (nutrient medium, shaking frequency, oxygenation, pH value, salinity, temperature etc.).
  • the method according to the invention results in great economic advantages, in particular with regard to large-scale uses, with moderate process control and a relatively short expenditure of time. Due to the human-friendly properties of violacein, it makes particular sense in this context if the biotechnologically produced dyes are used in industries with a great need for environmentally friendly blue dyes, in particular the food, toy and textile industries.
  • the yellow dye is not the subject of the present invention and requires further structural studies. It is important for the invention that its share in the raw material extract is only very small, so that it hardly reduces the yield of the blue-violet dyes, and that it is easy to remove from the raw material extract in order to easily obtain the two blue-violet dyes can.
  • the starting culture for the synthesis of the biomass was a permanent bacterial culture that had been stored at -80 ° C at the Alfred Wegener Institute for Polar and Marine Research, Bremerhaven, Germany, since 1985 (find in this case thawed from the Borkum Watt) and cultivated in marine culture broth in four 2 l Erlenmeyer flasks each with 1 l nutrient solution at 25 ° C on a rotary shaker (100 to 110 rpm). After four days, the cells were harvested by centrifugation and the cell mass obtained was used for dye extraction.

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Abstract

Bekannte mikrobiologische Verfahren basieren auf dem Einsatz pigmentbildender Bakterien, insbesondere Chromobacterium violaceum. Diese Verfahren haben jedoch nur einen geringen Ausbeutegrad, sodass großtechnische Anwendungen nicht möglich sind. Der Bedarf an natürlichen, blauen Farbstoffen, die weitgehend humanverträglich sind, ist jedoch in vielen Industriezweigen groß und wird derzeit nicht gedeckt. Das erfindungsgemäße Verfahren ist deshalb dadurch gekennzeichnet, dass als pigmentbildendes Bakterium das marine Sedimentbakterium Pseudoalteromonas spezies Stamm 'Black Beauty' eingesetzt wird. Mit diesem marinen Sedimentbakterium wird eine Ausbeutesteigerung um ca. das Dreizehnfache gegenüber den bekannten Verfahren erreicht.

Description

Mikrobiologisches Verfahren zur Biosynthese der natürlichen blau-violetten Farbstoffe Violacein und Desoxyviolacein und deren Verwendung.
Beschreibung
Die Erfindung bezieht sich auf ein mikrobiologisches Verfahren zur Biosynthese der natürlichen blau-violetten Farbstoffe Violacein und Desoxyviolacein aus einem pigmentbildenden Bakterium durch Kultivieren des Bakteriums, Abzentrifugieren der Zellmasse, Extrahieren eines Farbstoffrohextraktes aus der Zellmasse und Isolieren der Farbstoffe aus dem Farbstoffrohextrakt, und auf eine Verwendung der mit dem mikrobiologischen Verfahren hergestellten Farbstoffe.
Farbstoffe sind in mehr als einer Hinsicht interessant für die Mikrobiologie und Chemie. Da die Fähigkeit, Pigmente zu produzieren, genetisch fixiert ist, ist die Bildung von Farbstoffen auch ein erster Hinweis auf die Mitbildung antibio- tischer Wirkstoffe. Mikrobielle Pigmente weisen eine große strukturelle Vielfalt auf. So kann es sich um Derivate aus den Stoffklassen der Carotinoide, der Phenazinfarbstoffe, der Pyrrolfarbstoffe, der Azachinone usw. handeln.
In den Vereinigten Staaten von Amerika und in Japan wird mit thermophilen Bakterien aus Tiefseeschloten und mit symbiontischen Bakterien aus Inverte- braten und Vertebraten bereits seit etwa 20 Jahren nach bioaktiven Natur- Stoffen gesucht, die biotechnologisch genutzt werden können. In Ländern der Europäischen Gemeinschaft wurde die Nutzbarkeit mariner Organismen für die pharmazeutische Industrie, für Aquakultur, für mikrobielle Reinigungen von öl- kontaminierten Meeresregionen und für Vorgänge bei der Entstehung von Biofilmen und Bioadhäsionen erkannt. Erst seit 3 Jahren jedoch werden vermehrt auch Projekte mit marinen Mikroorganismen in einer mehr anwendungsorientierten Forschungsrichtung in Deutschland konzipiert. In der Textil-, Lebensmittel-, Kosmetik- und Pharmaindustrie werden eine Vielzahl von Farbstoffen eingesetzt. Hier ist in den letzten Jahren seitens der Verbraucher ein deutlicher Trend zur Bevorzugung von Produkten zu beobachten, welche natürliche Farbstoffe enthalten. Gelbe und rote Farbstoffe werden bereits heute im industriellen Maßstab aus pflanzlichen Rohstoffen gewonnen. Dagegen besteht in den genannten Industriezweigen immer noch ein hoher Bedarf an natürlichen blauen und violetten Farbstoffen. Die Suche nach einem Farbstoff aus diesem Spektrum gewinnt durch das lebensmittelrechtliche Verbot des rot-blauen Farbstoffs Monascin, isoliert aus Monascus purpureus, besondere Bedeutung. Eine Einordnung von Monascin als färbendes Lebensmittel ist wegen auftretender allergologischer Probleme nicht möglich. Ein mikrobiologisch gewonnener blau-violetter Farbstoff kann somit helfen, die entstandene Lücke zu schließen und ökonomisch hochinteressante Wege zu beschreiten.
Pigmente aus dem blau-violetten Spektrum werden unter anderem durch Mikroorganismen gebildet. Das Azachinon Indigoidin wird von mehreren Organismen (Pseudomonas indigofera, Corynebacterium insidiosum, Arthro- bacter arthrocyaneus und Arthrobacter polychromogenes) gebildet und in das umgebende Medium ausgeschieden. Dieses ist für eine kontinuierliche Prozessführung und für eine vereinfachte Produktaufarbeitung von Vorteil. Hierdurch kann auf den Schritt des Zellaufschlusses verzichtet werden. Indigoidin ist bereits lebensmittelrechtlich zugelassen (E 132). Weitere zugelassene Lebensmittelfarbstoffe aus dem blauen Farbspektrum sind Patentblau V (E 131 ), Brillantblau FCF und Brillantschwarz (E 151). Diese Verbindungen weisen Absorptionsspektren im Bereich 570 nm bis 638 nm auf und eignen sich daher sehr gut für einen Einsatz in Prozessen der Lebensmitteltechnik.
Das blau-schwarze Pigment Violacein, ein Indolderivat, wird in der Literatur erstmals 1882 beschrieben. Damals wurde ein violetter Farbstoff aus einem Bakterium isoliert, das heute als Chromobacterium violaceum bekannt ist. Violacein kann bislang aus den Bakterienstämmen Janthinobacte um lividum, Chromobacterium lividum und Alteromonas luteoviolacea (vergleiche H. Laatsch et al., „Spectroscopic Properties of Violacein und Related Compounds : Crystal Structure of Tetramethylviolacein", J. Chem. Soc. Perkin Trans 2., 1984, pp. 13331 - 1339) isoliert werden. Die Struktur des Violaceins wurde 1960 durch Synthese bewiesen. Chemisch ist Violacein 3-[1 ,2-dihydro-5-(5- hydroxy-1 H-indol-3-yl)-2-oxo-3-H-pyrrol-3-yliden]-1 ,3-dihydro-2H-indol-2-on mit der Summenformel C20-H13-N3-O3 (Molekulargewicht 343,33) charakterisiert. Die maximale Absorptionsbande liegt in methanolischer Lösung bei 570 nm. Violacein ist in Wasser nahezu unlöslich, jedoch löslich in Aceton, Ethanol und Dioxan. Violacein ist der Hauptbestandteil eines blauvioletten Pigmentes in Chromobacterium violaceum, ein aus Erde und Gewässer tropischer Gebiete erhältlicher Mikroorganismus, wobei als Nebenbestandteil Desoxyviolacein mit identischem Strukturaufbau, aber einem Sauerstoffatom weniger als Violacein auftritt (Summenformel C20-H13-N3-O2). Sogenanntes „natives Violacein" besteht aus einer Mischung von Violacein mit bis zu 10 % Desoxyviolacein. Das Violacein dient der Zelle zum Schutz vor Strahlung und zur Regelung der Tryptophankonzentration unter das toxische Niveau. Violacein besitzt antibiotische, antivirale und antitumorale Eigenschaften, zeigt aber keine zytotoxische oder pathogene Wirkung. In neueren Untersuchungen wurde Violacein außerdem zur Färbung von Textilien eingesetzt, wobei nicht nur auf natürlichen Stoffen, wie Seide, Wolle und Baumwolle, sondern auch auf synthetischen Fasern, wie Nylon, gute Färberesultate erzielt wurden (vgl. Shirata et al. „Isolation of Bacteria Producing Bluish-Purple Pigment and Use for Dyeing", Jpn. Agr. Res. Q 2000, 34(2), pp. 131-140, mit einer Pigmentgewinnung aus Janthinobacterium lividum).
Die Biosynthese aus bekannten Mikroorganismen wird in verschiedenen Druckschriften beschrieben. Ein Verfahren zur Herstellung nativen Violaceins, ausgehend von dem pigmentbildenden Bakterium Chromobacterium violaceum, für eine Verwendung zur Behandlung von Viruserkrankungen wird in der DE3935066 beschrieben. Die Biosynthese basiert auf den Verfahrensschritten „Kultivieren des Bakteriums", „Abzentrifugieren der Zellmasse", „Extrahieren eines Farbstoffrohextraktes aus der Zellmasse" und „Isolieren des Farbstoffs aus dem Farbstoffrohextrakt". Die als Ausgangsmaterial verwendeten Bakterien werden auf festen oder flüssigen Nährmedien kultiviert. Vorzugsweise werden die Bakterien in flüssigen Nährmedien gezüchtet, da sie aus dem Nährmedium dann durch Zentrifugieren leicht abgetrennt werden können. Die Bakterienkultivierung kann in Fermentern mit unterschiedlichen Verfahrensparametern erfolgen. Bei dem bekannten Verfahren wird der nach Bebrütung gewachsene Bakterienrasen abgelöst und gefriergetrocknet. Die Extraktion des Roh-Violaceins erfolgt mit Ethanol im Soxhiet. Das Ethanol wird im Vakuum abdestilliert. Zur Isolierung des Violaceins wird das Roh-Violacein zweimal mit n-Heptan extrahiert und dann abgefiltert. Der Rückstand wird in einem Gemisch aus Chloroform / Aceton / Pyridin 50:40:10 aufgelöst. Das Farbstoffgemisch wird dann mittels Kieselgel-Dünnschichtchromatographie aufgetrennt und gereinigt.
Aus dem Aufsatz „Production, extraction and purification of violacein : an antibiotic pigment produced bei Chromobacterium violaceum ( Rettori, Duran, World Journal of Microbiology & Biotechnology 14 (1998) pp. 685-688) ist eine einfache Methode zur Erzielung hochreinen Violaceins bekannt. Zur Kultivierung des Bakteriums werden unsterile Baumwollläppchen mit einer Suspen- sionskultur des pigmentbildenden Chromobacterium violaceum CCT 3496 geimpft und in einem stark durchlüfteten Brutschrank gelagert, wo ein starkes Bakterienwachstum eintritt. Die Zellmasse wird anschließend aus den Baumwollläppchen mit Lösungsmittel ausgewaschen und gefiltert, woraus ein Farbstoffrohextrakt gewonnen wird. Daraus wird durch mehrfache Reinigung mit unterschiedlichen Verfahren (Soxhiet, HPLC) hochreines Violacein als Farbstoff isoliert. Die Ausbeute ist jedoch relativ gering und bewegt sich im mg- Bereich pro Liter Nährmedium.
Aus dem Aufsatz „Biosynthesis of Violacein : a Novel Rearrangement in Tryptophan Metabolism with a 1 ,2-Shift of the Indole Ring" (T. Hoshino et al.,
Agric. Biol. Chem. 51 (3), 1987, pp. 965-968) ist es bekannt, Violacein aus L-
Tryptophan als biosynthetischem Ausgangsmaterial herzustellen, wobei das Kohlenstoffgerüst des Pyrrolinon-Rings durch die Kondensation der Seitengruppen zweier Tryptophanmoleküle unter 1 ,2-shift des Indol-Rings gebildet wird. Gegenüber der Herstellung von Violacein aus einer reinen Suspensionskultur von Chromobacterium violaceum JCM 1249 kann zwar durch eine Zugabe von L-Tryptophan in die Suspensionskultur eine Ausbeutesteigerung um ca. das 1 ,5fache erreicht werden. Dies entspricht aber bei einer üblichen Ausbeute im mg-Bereich pro Liter Nährlösung immer noch einer sehr geringen Ausbeute.
Zusammenfassend gesehen sind die bekannten Verfahren zur Biosynthese von Violacein und Desoxyviolacein nicht dazu geeignet, diese Farbstoffe in größeren Mengen zur Verfügung zu stellen. Für Anwendungen im Pharma- bereich ist dies auch nicht unbedingt erforderlich, da hier bereits kleinste Mengen wirkungsvoll eingesetzt werden können. Bei anderen Anwendungen kann der industrielle Bedarf an den blau-violetten Farbstoffen jedoch sehr groß sein. Werden diese nach den bekannten Verfahren synthetisiert, sind große Mengen an eingesetzter Suspensionskultur erforderlich, deren Bearbeitung dann entsprechend gerate- und zeitaufwändig ist. Aufgabe für die vorliegende Erfindung ist es daher, ein Verfahren der eingangs beschriebenen Art anzugeben, mit dem erheblich größere Ausbeuten an Violacein und Desoxyviolacein als mit den bekannten Verfahren auf ökonomischem Wege und mit einfachen prozesstechnischen Mitteln erzielbar sind. Dadurch sollen auch spezielle Anwendungen mit größeren Farbstoffmengen möglich werden.
Als Lösung dafür ist bei dem erfindungsgemäßen mikrobiologischen Verfahren zur Biosynthese der natürlichen blau-violetten Farbstoffe Violacein und Desoxyviolacein aus einem pigmentbildenden Bakterium deshalb vorgesehen, dass als pigmentbildendes Bakterium das neu entdeckte marine Sedimentbakterium Pseudoalteromonas spezies Stamm „Black Beauty" (ersthinterlegt nach dem Budapester Vertrag für die Zwecke von Patentverfahren unter der Eingangsnummer DSM 13623 bei der Deutschen Sammlung von Mikroorganismen und Zellkulturen GmbH, Braunschweig, Deutschland) eingesetzt wird, wobei als geringfügiges Nebenprodukt ein gelber Farbstoff auftritt, der durch eine weitere Extraktion des Farbstoffrohextraktes mit Dichlormethan separiert wird.
Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens bezüglich der einzelnen Verfahrensschritte „Kultivieren des Bakteriums", „Abzentrifugieren der Zellmasse", „Extrahieren eines Farbstoffrohextraktes aus der Zellmasse" und „Isolieren der Farbstoffe aus dem Farbstoffrohextrakt" sind den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung zu entnehmen. Besonders vorteilhaft sind die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren prozesstechnisch einfach und ökonomisch biosynthetisierten blau-violetten Farbstoffe Violacein und Desoxyviolacein bei Verbraucher- und umweltfreundlichen Produkten aus dem Bereich der Lebensmittel-, Textil-, Pharma- oder Spielzeugindustrie einzusetzen.
Eine lebende Bakterienkultur wurde bei der Internationalen Hinterlegungsstelle DSMZ - Deutsche Sammlung von Mikroorganismen und Zellkulturen GmbH, Braunschweig - nach dem Budapester Vertrag über die internationale Anerkennung der Hinterlegung von Mikroorganismen für die Zwecke von Patentverfahren hinterlegt. Mit dem Datum vom 28.07.2000 gingen der Anmelderin von der DSMZ eine Empfangsbestätigung bei Ersthinterlegung, ausgestellt gemäß Regel 7.1 , und eine Lebensfähigkeitsbescheinigung, ausgestellt gemäß Regel 10.2, zu. Damit ist das neu entdeckte marine Sedimentbakterium Pseudoalteromonas spezies Stamm „Black Beauty" unter der Eingangs- nummer DSM 13623 in seinen Anwendungen für die Anmelderin geschützt. Mit vorliegendem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Erzeugung von zwei blau-violetten Farbstoffen unter Einsatz dieses Sedimentbakteriums und die Anwendung in Industrien (Pigment- und Lebensmittelindustrien) mit einem hohen Bedarf an natürlichen blauen Farbstoffen beansprucht. Nach Kenntnis der Anmelderin ist es das erste Mal, dass für derartige Zwecke ein mariner Mikroorganismus eingesetzt wird. Farbstoffe aus marinen Bakterien sind bislang kaum untersucht worden, sodass hier ein größeres Potenzial für die Naturstoffchemie zu sehen ist.
Die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erzielbare Ausbeute an Violacein mit dem marinen Sedimentbakterium Pseudoalteromonas spezies Stamm „Black Beauty" ist in einem Bereich des Dreizehnfachen höher als mit Chromobacterium violaceum. Beispielsweise erhält man aus 38,97 g „Black Beauty"-Bakterien-Feuchtmasse durch mehrmalige Extraktion mit heißem Methanol eine stark violett gefärbte Lösung, aus der sich nach Entfernung des Lösungsmittels dann 2,10 g eines tiefschwarzen Rohextraktes isolieren lassen. Gegenüber den bekannten Verfahren hat damit das erfindungsgemäße Verfahren, das auf der Biosynthese der blauen Farbstoffe aus „Black Beauty" basiert, einen sehr hohen Ausbeutefaktor. Das marine Sedimentbakterium „Black Beauty" weist also einen sehr hohen Pigmentanteil auf, der es zur Produktion der natürlichen blau-violetten Farbstoffe Violacein und Desoxyviolacein besonders geeignet macht. Die Pigmentausbeute ist darüber hinaus durch Parameteroptimierungen bei den verschiedenen Verfahrensschritten (Verweilzeiten, Lösungsmittelverhältnisse etc.), insbesondere bei der Kultivierung der Bakterien (Nährmedium, Schüttelfrequenz, Sauerstoffeintrag, pH-Wert, Salzgehalt, Temperatur etc.), noch steigerungsfähig. Insgesamt gesehen ergeben sich bei dem erfindungsgemäßen Verfahren bei einer moderaten Prozessführung und einem relativ geringen Zeitaufwand große ökonomische Vorteile, insbesondere in Hinblick auf großtechnische Nutzungen. Aufgrund der humanfreundlichen Eigenschaften des Violaceins ist es in diesem Zusammenhang besonders sinnvoll, wenn die biotechnologisch hergestellten Farbstoffe in Industriezweigen mit einem großen Bedarf an umweltfreundlichen blauen Farbstoffen eingesetzt werden, insbesondere Lebensmittel-, Spielzeug und Textilindustrie.
Dünnschichtchromatographische Untersuchungen zeigen, dass sich der aus dem marinen Sedimentbakterium „Black Beauty" gewonnene Farbstoffrohextrakt aus drei Pigmentfraktionen zusammensetzt: ein „schwacher", unpolarer, gelber Farbstoff, ein weiterer „schwacher", wenig polarer, violetter Farbstoff sowie ein „sehr starker", polarer, tief violett gefärbter Farbstoff. Der tief violett gefärbte Farbstoff macht dabei ca. 90% des Farbstoffrohextraktes aus. Strukturanalytische Untersuchungen mittels hochauflösender Massenspektro- metrie und mehrdimensionaler NMR-Spektroskopie ergeben, dass es sich bei dem tief violett gefärbten Farbstoff um Violacein und bei dem violetten Farbstoff um Desoxyviolacein handelt. Der gelbe Farbstoff, der im Rohstoffextrakt als geringfügiges Nebenprodukt mit einem Anteil unter 2% auftritt, weist als Hauptkomponente Palmitoleinsäure auf. Hierbei handelt es sich um eine Fettsäure, die sowohl in pflanzlichen als auch in tierischen Fetten und Ölen als untergeordnete Nebenkomponente vorkommt. Der gelbe Farbstoff ist jedoch nicht Gegenstand der vorliegenden Erfindung und bedarf weiterer Strukturuntersuchungen. Für die Erfindung ist es wichtig, dass sein Anteil am Rohstoffextrakt nur sehr gering ist, sodass er die Ausbeute an den blau-violetten Farbstoffen kaum mindert, und dass er leicht aus dem Rohstoffextrakt zu entfernen ist, um daraus problemlos die beiden blauvioletten Farbstoffe gewinnen zu können.
Im Folgenden werden die einzelne Schritte des erfindungsgemäßen Verfah- rens in beispielhaften Ausführungsvarianten näher beschrieben. Grundsätzlich sind jedoch auch andere Parametervariationen möglich, die aus gattungsgemäßen Verfahren (vgl. zitierten Stand der Technik, beispielsweise DE3813465) bekannt sind, da es sich bei den einzelnen Verfahrensschritten letztendlich um solche von ganz allgemeiner Natur, dem Durchschnittsfach- mann vertrauten Schritten handelt, wodurch sich auch die Verfahrenseinfachheit begründet.
• Kultivierung der Bakterien
Als Ausgangskultur zur Synthese der Biomasse wurde eine seit 1985 bei -80°C im Alfred-Wegener-Institut für Polar- und Meeresforschung, Bremerhaven, Deutschland, aufbewahrte Bakteriendauerkultur (Fundstelle in diesem Falle aus dem Borkumer Watt) aufgetaut und in mariner Kulturbrühe in vier 2 I-Erlen- meyerkolben mit je 1 I-Nährlösung bei 25°C auf einem Rundschüttler (100 bis 110 Upm) kultiviert. Nach vier Tagen wurden die Zellen durch Abzentrifugieren geerntet und die gewonnene Zellmasse für die Farbstoffextraktion verwendet.
• Isolierung des Rohextraktes
38,97 g der Bakterienzellmasse (nass) werden in einen Erlenmeyerkolben überführt und mit ca. 250 ml heißem Methanol aufgeschlämmt. Dieses Gemisch lässt man etwa 2 Stunden stehen, bis sich die Zellen deutlich abgesetzt haben. Der Überstand wird abdekantiert und der Vorgang mehrmals wiederholt, bis die Zellen als farblose, graue Masse zurückbleiben. Diese Masse kann beispielsweise als Zusatz für Tierfuttermittel verwendet werden. Die vereinigten methanolischen Extrakte werden am Rotationsverdampfer vom Lösungsmittel befreit, und man erhält nach Trocknen im Olpumpenvakuum 2,10 g eines tiefschwarzen Rohextraktes.
• Isolierung des gelben Farbstoffes
514 mg des Rohstoffextraktes werden in 50 ml Dichlormethan suspendiert und unter Lichtausschluss und Argonatmosphäre ca. eine Stunde gerührt. Der verbleibende feste Rückstand (Farbstoffgemisch) wird abgetrennt, mit Dichlormethan gewaschen und im Olpumpenvakuum getrocknet. Aus der Mutterlauge wird nach Entfernung des Lösungsmittels am Rotationsverdampfer 29,8 mg einer gelbbraunen, öligen Flüssigkeit isoliert, welche über Kieselgel mit Dichlormethan/ Essigester 1+1 säulenchromatographiert wird. Man erhält 10,2 mg einer gelben Flüssigkeit, die in der Kälte kristallisiert. • Isolierung der beiden blau-violetten Farbstoffe
73,5 mg des von dem gelben Farbstoff abgetrennten Farbstoffgemisches werden in 15 ml Dichlormethan/Methanol (6+1) suspendiert und über Nacht stehen gelassen. Am nächsten Morgen wird der Überstand (13,5 mg) über 100 g Kieselgel mit Dichlormethan/Methanol (6+1) chromatographiert. Man erhält 0,4 mg Desoxyviolacein und 2,9 mg Violacein. Dieses kann für analytische Zwecke sowohl durch präparative HPLC als auch durch isotherme Umkristallisation aus Methanol/ n-Hexan zusätzlich gereinigt werden.
Die vorbeschriebenen Präparations- und Untersuchungsschritte sind Teil der Diplomarbeit „Isolierung und Strukturaufklärung von Pigmenten aus marinen Sedimentbakterien", die im Oktober 2000 der Institutsleitung für Organische Chemie, Fachbereich 2 der Universität Bremen, Deutschland, vorgelegt wurde. Der Diplomarbeit können im Bedarfsfall nach ihrer Veröffentlichung Anfang 2001 weitere Details bezüglich einzelner Prozess- und Untersuchungsparameter und -ergebnisse entnommen werden. Außerdem besteht ein Antrag auf Projektförderung im Zeitraum 01.04.2001 bis 31.03.2002 durch das BMBF, Biologie, Energie, Umwelt (BEO) beim Forschungszentrum Jülich, Bereich Meeres- und Polarforschung, Geowissenschaften, zum Thema „Marine Naturstoffforschung -Anwendung natürlicher Farbstoffe aus marinen Sedimentbakterien". In diesem Zusammenhang werden auch Industriepartner gesucht.

Claims

Patentansprüche
1. Mikrobiologisches Verfahren zur Biosynthese der natürlichen blau-violetten Farbstoffe Violacein und Desoxyviolacein aus einem pigmentbildenden
Bakterium durch Kultivieren des Bakteriums, Abzentrifugieren der Zellmasse, Extrahieren eines Farbstoffrohextraktes aus der Zellmasse und Isolieren der Farbstoffe aus dem Farbstoffrohextrakt, dadurch gekennzeichnet, dass als pigmentbildendes Bakterium das neu entdeckte marine Sedimentbakterium Pseudoalteromonas spezies Stamm „Black Beauty" (ersthinterlegt nach dem Budapester Vertrag für die Zwecke von Patentverfahren unter der Eingangsnummer DSM 13623 bei der Deutschen Sammlung von Mikroorganismen und Zellkulturen GmbH, Braunschweig, Deutschland) eingesetzt wird, wobei als geringfügiges Nebenprodukt ein gelber Farbstoff auftritt, der durch eine weitere Extraktion des Farbstoffrohextraktes mit Dichlormethan separiert wird.
2. Mikrobiologisches Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Extrahieren des Farbstoffrohextraktes aus der Zellmasse durch Aufschlämmen mit heißem Methanol, Absetzen der Zellmasse in einem Zeitraum von ca. 2 Stunden und Abdekantieren des Überstandes mit den gebildeten methanolischen Extrakten in mehrmaliger Wiederholung, Entfernen des Lösungsmittels aus den vereinigten methanolischen Extrakten am Rotationsverdampfer und Trocknen im Olpumpenvakuum erfolgt.
3. Mikrobiologisches Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Separieren des gelben Farbstoffes durch gerührtes Suspendieren in Dichlormethan bei Lichtausschluss und unter Argonatmosphäre erfolgt, wobei die gelbe Fraktion in Lösung geht und die beiden blau-violetten Farbstoffe als weiterverwendbares Feststoffgemisch auftreten.
4. Mikrobiologisches Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Isolieren der beiden Farbstoffe aus dem Feststoffgemisch durch Suspendieren in einem Lösungsmittelgemisch Dichlormethan / Methanol (6+1), Absetzen in einem Zeitraum von ca. 12 h, Abdekantieren des Überstandes und Säulen-Chromatographieren des Überstandes über Kieselgel mit Dichlor- methan / Methanol (6+1 ) erfolgt.
5. Mikrobiologisches Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass insbesondere der isolierte Farbstoff Violacein durch präparatives Hochdruck- Flüssigkeitschromatographieren oder durch isothermes Umkristallisieren aus Methanol / n-Hexan gereinigt wird.
6. Mikrobiologisches Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Kultivieren des marinen Sedimentbakteriums „Black Beauty" durch Fermentieren in großtechnischem Rahmen erfolgt.
7. Mikrobiologisches Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die vom Farbstoffrohextrakt abgetrennte Zellmasse als Futtermittelzusatz eingesetzt wird.
8. Verwendung der mit dem mikrobiologischen Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6 biosynthetisierten blau-violetten Farbstoffe Violacein und Desoxyviolacein bei Verbraucher- und umweltfreundlichen Produkten aus dem Bereich der Lebensmittel-, Textil-, Pharma- oder Spielzeugindustrie.
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