Beschreibungdescription
Esterase Est4B1 aus Bacillus subtilisEsterase Est4B1 from Bacillus subtilis
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Esterase aus Bacillus subtilis, zu dieser homologe Proteine, Nukleinsäuren kodierend für diese Proteine und Antikörper gegen diese Proteine sowie die Herstellung und Verwendung dieser Proteine,The present invention relates to an esterase from Bacillus subtilis, proteins homologous to it, nucleic acids coding for these proteins and antibodies against these proteins, and the production and use of these proteins,
Nukleinsäuren und Antikörper.Nucleic acids and antibodies.
Hydrolytische Enzyme spielen eine wichtige Rolle im Bereich der Biokatalyse, insbesondere zur Herstellung enantiomerenreiner Substanzen [1 ,2]. Die enzymatische Hydrolyse und Synthese von Estern erfolgt hierbei in technischenHydrolytic enzymes play an important role in the field of biocatalysis, especially for the production of enantiomerically pure substances [1, 2]. The enzymatic hydrolysis and synthesis of esters takes place in technical
Anwendungen im wesentlichen durch drei Gruppen von Enzymen: Lipasen, Esterasen und Proteasen.Applications mainly through three groups of enzymes: lipases, esterases and proteases.
Vor allem Lipasen sind aus verschiedenen Gründen industriell erfolgreich angewendet worden [3]. Gründe hierfür sind, dass- Lipasen in großen Mengen bereit gestellt werden können, dass sie sehr stabil unter den Reaktionsbedingungen sind und dass bei der Hydrolyse und Transesterifikation sehr hohe Enantioselektivität erreicht werden kann [4].Lipases in particular have been successfully used industrially for various reasons [3]. The reasons for this are that lipases can be provided in large quantities, that they are very stable under the reaction conditions and that very high enantioselectivity can be achieved in the hydrolysis and transesterification [4].
Allerdings ist die Auftrennung von Racematen in der Regel schwierig, wenn es keinen deutlichen sterischen Unterschied zwischen den beiden Stereoisomeren gibt. Außerdem sind viele Substrate bekannt, die so gut wie überhaupt nicht oder nur sehr langsam unter Verwendung von Esterasen umgesetzt werden können [5-9].However, the resolution of racemates is usually difficult if there is no clear steric difference between the two stereoisomers. In addition, many substrates are known that can hardly be converted at all or only very slowly using esterases [5-9].
Aus den genannten Gründen besteht ein dringender Bedarf für hydrolytsicheFor the reasons mentioned, there is an urgent need for hydrolytic
Enzyme, insbesondere esterolytische oder lipolytische Enzyme, für den industriellen Einsatz, insbesondere zur Auftrennung von racemischen Gemischen in ihre Komponenten.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es deshalb, ein neues Enzym mit hydrolytischer Aktivität, insbesondere esterolytischer und/oder lipolytischer Aktivität, zur Verfügung zu stellen, wozu angesichts der Anwendungsmöglichkeiten solcher Enzyme, insbesondere in der Biotechnologie und organischen Chemie, ein dringender Bedarf besteht, und/oder ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, womit neue hydrolytische Enzyme, vor allem esterolytische und/oder lipolytische Enzyme, erhalten werden können.Enzymes, in particular esterolytic or lipolytic enzymes, for industrial use, in particular for separating racemic mixtures into their components. The object of the present invention was therefore to provide a new enzyme with hydrolytic activity, in particular esterolytic and / or lipolytic activity, for which there is an urgent need in view of the possible uses of such enzymes, in particular in biotechnology and organic chemistry, and / or to provide a method with which new hydrolytic enzymes, especially esterolytic and / or lipolytic enzymes, can be obtained.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es insbesondere ein hydrolytisches Enzym, insbesondere ein esterolytisches und/oder Iipolytisches Enzym zur Verfügung zu stellen, das eine gegenüber den bisher beschriebenen esterolytischen und lipolytischen Enzymen verschiedene Substratspezifität, einen unterscheidbaren Grad an Selektivität, eine unterscheidbare Reaktionsgeschwindigkeit, eine unterscheidbare Struktur und/oder einen unterscheidbaren Reaktionsmechanismus besitzt.The object of the present invention was, in particular, to provide a hydrolytic enzyme, in particular an esterolytic and / or iipolytic enzyme, which has a different substrate specificity than the esterolytic and lipolytic enzymes described hitherto, a distinguishable degree of selectivity, a distinguishable reaction rate and a distinguishable structure and / or has a distinguishable reaction mechanism.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es ferner, esterolytische und/oder lipolytische Enzyme zur Verfügung zu stellen, die dazu in der Lage sind, Esterund/oder Thioester-Bindungen zu spalten.Another object of the present invention was to provide esterolytic and / or lipolytic enzymes which are capable of cleaving ester and / or thioester bonds.
Gelöst wird diese Aufgabe durch die erfindungsgemäßen Polynukleotide, Polypeptide und Antikörper, insbesondere durch ein Polynukleotid gemäß SEQ ID No. 1 , ein Polypeptid gemäß SEQ ID No. 2 und einen gegen ein Polypeptid gemäß SEQ ID No. 2 gerichteten Antikörper.This object is achieved by the polynucleotides, polypeptides and antibodies according to the invention, in particular by a polynucleotide according to SEQ ID No. 1, a polypeptide according to SEQ ID No. 2 and one against a polypeptide according to SEQ ID No. 2 directed antibodies.
Für den Fachmann ist naheliegend, wie er ausgehend von einer Nukleinsäure gemäß SEQ ID No. 1 oder einem Polypeptid gemäß SEQ ID No. 2 Nukleinsäuren und Polypeptide ähnlicher Struktur und gleicher oder ähnlicher Funktion erhalten kann. Insbesondere können, beispielsweise durch Evolutionsexperimente, auch Enzyme mit verbesserten Eigenschaften erhalten werden [10, 11].It is obvious to the person skilled in the art how he starts from a nucleic acid according to SEQ ID No. 1 or a polypeptide according to SEQ ID No. 2 nucleic acids and polypeptides of similar structure and the same or similar function can be obtained. In particular, enzymes with improved properties can also be obtained, for example through evolution experiments [10, 11].
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist daher ein Polynukleotid ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus:
a) Polynukleotid mit einer Nukleinsäuresequenz von Position 556 bis 1287 gemäß SEQ ID No. 1, b) Polynukleotide kodierend für ein Polypeptid mit einer Aminosäuresequenz gemäß SEQ ID No. 2, c) natürlicherweise vorkommende oder künstlich erzeugte Mutanten oder polymorphe Formen oder Allele eines Polynukleotids gemäß (a) oder (b), insbesondere solche, die bis zu zehn, insbesondere fünf, vor allem ein, zwei oder drei Punktmutationen in Bezug auf ein Polypeptid gemäß (a) oder (b) besitzen, d) zu einem Polynukleotid gemäß (a), (b) oder (c) komplementäreThe present invention therefore relates to a polynucleotide selected from the group consisting of: a) polynucleotide with a nucleic acid sequence from positions 556 to 1287 according to SEQ ID No. 1, b) Polynucleotides coding for a polypeptide with an amino acid sequence according to SEQ ID No. 2, c) naturally occurring or artificially generated mutants or polymorphic forms or alleles of a polynucleotide according to (a) or (b), in particular those which have up to ten, in particular five, in particular one, two or three, point mutations in relation to a polypeptide possess according to (a) or (b), d) complementary to a polynucleotide according to (a), (b) or (c)
Polynukleotide, e) unter stringenten Bedingungen mit einem Polynukleotid gemäß (a), (b), (c) oder (d) hybridisierende Polynukleotide, wobei unter stringenten Bedingungen die dem Fachmann bekannten Bedingungen für Hybridisierungsexperimente zu verstehen sind, vorzugsweise Inkubation bei 60°C in einer Lösung enthaltend 0,1xSSC und 0,1 % Natriumdodecylsulfat (SDS), wobei 20xSSC eine Lösung enthaltend 3 M NaCI und 0,3 M Natriumeitrat (pH 7,0) bezeichnet, f) Polynukleotide mit einer Sequenzhomologie oder -identität von mindestens 50 %, bevorzugt mindestens 60 % oder 70 %, besonders bevorzugt mindestens 80 %, ganz besonders bevorzugt mindestens 90 % oder 95 %, insbesondere mindestens 98 % in Bezug auf ein Polynukleotid gemäß (a), (b), (c), (d) oder (e), g) Polynukleotide, bestehend aus mindestens 10 oder 15, bevorzugt mindestens 20 oder 25, besonders bevorzugt mindestens 30 oder 40, ganz besonders bevorzugt mindestens 50 oder 80, insbesondere mindestens 100 oder 120 aufeinanderfolgenden Nukleinsäuren eines Polynukleotids gemäß (a), (b), (c),Polynucleotides, e) polynucleotides hybridizing under stringent conditions with a polynucleotide according to (a), (b), (c) or (d), stringent conditions being understood to mean the conditions known to the person skilled in the art for hybridization experiments, preferably incubation at 60 ° C. in a solution containing 0.1xSSC and 0.1% sodium dodecyl sulfate (SDS), where 20xSSC denotes a solution containing 3 M NaCI and 0.3 M sodium citrate (pH 7.0), f) polynucleotides with a sequence homology or identity of at least 50%, preferably at least 60% or 70%, particularly preferably at least 80%, very particularly preferably at least 90% or 95%, in particular at least 98% in relation to a polynucleotide according to (a), (b), (c), ( d) or (e), g) polynucleotides consisting of at least 10 or 15, preferably at least 20 or 25, particularly preferably at least 30 or 40, very particularly preferably at least 50 or 80, in particular at least 100 or 120, in succession nucleic acids of a polynucleotide according to (a), (b), (c),
(d) oder (e), h) Polynukleotide mit ein oder mehreren Deletionen und/oder Insertionen von bis zu 50 oder 40, insbesondere bis zu 30, 20 oder 10 Nukleinsäuren gegenüber einem Polynukleotid gemäß (a), (b), (c), (d) oder (e), i) Polynukleotide, umfassend mindestens eines der unter (a) bis (h) genannten(d) or (e), h) polynucleotides with one or more deletions and / or insertions of up to 50 or 40, in particular up to 30, 20 or 10 nucleic acids with respect to a polynucleotide according to (a), (b), (c ), (d) or (e), i) polynucleotides comprising at least one of those mentioned under (a) to (h)
Polynukleotide.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfassen die erfindungsgemäßen Nukleinsäuren eine oder mehrere nicht-kodierende Sequenzen, wobei es sich bei den nicht-kodierenden Sequenzen beispielsweise um natürlicherweise vorkommende Intronsequenzen oder regulatorische Sequenzen, wie Promotor- oder Enhancer-Sequenzen, insbesondere um solche zur Kontrolle der Expression von hydrolytischen Enzymen, insbesondere esterolytischen oder lipolytischen Enzymen, handelt.Polynucleotides. In a further preferred embodiment, the nucleic acids according to the invention comprise one or more non-coding sequences, the non-coding sequences being, for example, naturally occurring intron sequences or regulatory sequences such as promoter or enhancer sequences, in particular those for controlling expression hydrolytic enzymes, in particular esterolytic or lipolytic enzymes.
Bei den erfindungsgemäßen Nukleinsäuren handelt es sich bevorzugt um Ribonukleinsäuren (RNAs) oder Desoxyribonukleinsäuren (DNAs), wobei dieThe nucleic acids according to the invention are preferably ribonucleic acids (RNAs) or deoxyribonucleic acids (DNAs), the
Nukleinsäuren vorzugsweise als doppelsträngige Nukleinsäuren vorliegen.Nucleic acids are preferably present as double-stranded nucleic acids.
In einer bevorzugten Ausführungsform handelt es sich bei den erfindungsgemäßen Nukleinsäuren um Nukleinsäuren, die für ein Protein mit Hydrolase-Aktivität oder Teile davon kodieren. Bei dem Protein mit Hydrolase-Aktivität handelt es sich beispielsweise um eine Halogenperoxidase, Halogenalkan-Dehalogenase, Epoxidhydrolase, Thioesterase, Lipase oder Esterase und/oder um ein Enzym, das dazu in der Lage ist, Halogenalkan-, Ester-, Thioester-, Amid-, Halid-, Epoxid- oder Peptid-Bindungen zu spalten, besonders bevorzugt Ester- oder Thioester- Bindungen. Ganz besonders bevorzugt handelt es sich hierbei um ein Enzym, das dazu in der Lage ist, regioselektiv und/oder enantioselektiv Bindungen zu spalten.In a preferred embodiment, the nucleic acids according to the invention are nucleic acids which code for a protein with hydrolase activity or parts thereof. The protein with hydrolase activity is, for example, a halogen peroxidase, haloalkane dehalogenase, epoxy hydrolase, thioesterase, lipase or esterase and / or an enzyme which is capable of haloalkane, ester, thioester, amide - cleave, halide, epoxy or peptide bonds, particularly preferably ester or thioester bonds. It is very particularly preferably an enzyme which is able to cleave bonds regioselectively and / or enantioselectively.
Mit Spaltung ist erfindungsgemäß vor allem hydrolytische Spaltung, also Spaltung unter Freisetzung der Carbonsäure und des entsprechenden Alkohols, Thiols, Amins oder Hydrogenhalogenids gemeint. Spaltung kann jedoch in besonderenAccording to the invention, cleavage means above all hydrolytic cleavage, that is to say cleavage with liberation of the carboxylic acid and the corresponding alcohol, thiol, amine or hydrogen halide. Cleavage can, however, occur in particular
Ausführungsformen auch unter Ausbildung einer neuen Ester-, Thioester-, Amid-, Peptid- oder Halogenidbindung erfolgen, insbesondere kann es sich hierbei beispielsweise, falls eine Ester-Bindung in eine neue Ester-Bindung umgewandelt wird, um eine Transesterifikationsreaktion handeln. Mit Spaltung sind femer auch die von Halogenperoxidasen und Halogenalkan-Dehalogenasen katalysiertenEmbodiments also take place with formation of a new ester, thioester, amide, peptide or halide bond, in particular it can be a transesterification reaction, for example, if an ester bond is converted into a new ester bond. Cleavage also includes those catalyzed by halogen peroxidases and haloalkane dehalogenases
Spaltungsreaktionen von Halogenalkanen gemeint, die zur Freisetzung der entsprechenden Alkohole und Alkane führen.
In einer bevorzugten Ausführunsform handelt es sich bei dem erfindungsgemäßen Enzym um eine Hydrolase mit α/ß-Hydrolase-Faltung und/oder um eine eigenständige Esterase oder Thioesterase als Bestandteil nicht-ribosomaler Peptidsynthetasen (Schneider et al., Arch. Microbiol. (1998) 169: 404-410).Cleavage reactions of haloalkanes meant that lead to the release of the corresponding alcohols and alkanes. In a preferred embodiment, the enzyme according to the invention is a hydrolase with an α / β hydrolase fold and / or an independent esterase or thioesterase as a component of non-ribosomal peptide synthetases (Schneider et al., Arch. Microbiol. (1998) 169: 404-410).
Bei den erfindungsgemäßen Nukleinsäuren handelt es sich bevorzugt um Nukleinsäuren, die für ein mikrobielles Enzym, besonders bevorzugt ein bakterielles Enzym, insbesondere für ein Enzym aus Bacillus, vor allem für ein Enzym aus Bacillus subtilis, hierbei insbesondere für die Esterase Est4B1 gemäß SEQ ID No. 2 und/oder eines der weiter unten beschriebenen erfindungsgemäßen Polypeptide kodieren.The nucleic acids according to the invention are preferably nucleic acids which are suitable for a microbial enzyme, particularly preferably a bacterial enzyme, in particular for an enzyme from Bacillus, especially for an enzyme from Bacillus subtilis, in this case in particular for the esterase Est4B1 according to SEQ ID No. 2 and / or one of the polypeptides according to the invention described below.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ferner die Verwendung der erfindungsgemäßen Nukleinsäuren, zum einen zur Herstellung oder Isolierung von erfindungsgemäßen Nukleinsäuren, zum anderen zur Herstellung oder Isolierung neuer, zu den erfindungsgemäßen Nukleinsäuren homologen Nukleinsäuren, insbesondere solchen mit in Bezug auf die erfindungsgemäßen Nukleinsäuren ähnlichen strukturellen und gleichen, ähnlichen und/oder verbesserten funktioneilen Eigenschaften, wobei unter funktioneilen Eigenschaften insbesondere hydrolytische Aktivität, vor allem lipolytische und/oder esterolytische Aktivität, und unter verbesserten funktionellen Eigenschaften beispielsweise höhere Spezifität, höherer Umsatz und/oder höhere Regio- oder Enantioselektivität zu verstehen ist.The present invention furthermore relates to the use of the nucleic acids according to the invention, on the one hand for the production or isolation of nucleic acids according to the invention, on the other hand for the production or isolation of new nucleic acids which are homologous to the nucleic acids according to the invention, in particular those having structural and the same in relation to the nucleic acids according to the invention , similar and / or improved functional properties, functional properties in particular hydrolytic activity, especially lipolytic and / or esterolytic activity, and improved functional properties, for example, higher specificity, higher conversion and / or higher regio- or enantioselectivity.
Die erfindungsgemäßen Nukleinsäuren können so beispielsweise als Sonden zur Identifzierung und/oder Isolierung von homologen Nukleinsäuren aus einer artifiziellen, einer cDNA- oder genomischen Genbank, hierbei vorzugsweise zur Identifizierung von Nukleinsäuren, die für esterolytische Enzyme, lipolytische Enzyme und/oder für eines der erfindungsgemäßen Polypeptide oder Teilen davon kodieren, oder als Antisense-Nukleinsäuren oder als Primer in der Polymerasekettenreaktion (PCR), hierbei insbesondere zur Amplifikation von Nukleinsäuren umfassend Nukleinsäuren kodierend für Enzyme mit hydrolytischer Aktivität, insbesondere esterolytischer und/oder lipolytischer Aktivität, oder Teile davon, verwendet werden.
Die erfindungsgemäßen oder zu den erfindungsgemäßen Nukleinsäuren homologe Nukleinsäuren können aber auch durch Zufallsmutagenese oder zielgerichtete Mutagenese, in einer dem Fachmann bekannten Weise, erhalten werden.The nucleic acids according to the invention can thus be used, for example, as probes for identifying and / or isolating homologous nucleic acids from an artificial, cDNA or genomic gene bank, preferably for identifying nucleic acids that are used for esterolytic enzymes, lipolytic enzymes and / or for one of the polypeptides according to the invention encode or parts thereof, or as antisense nucleic acids or as primers in the polymerase chain reaction (PCR), in particular for the amplification of nucleic acids comprising nucleic acids coding for enzymes with hydrolytic activity, in particular esterolytic and / or lipolytic activity, or parts thereof. However, the nucleic acids according to the invention or homologous to the nucleic acids according to the invention can also be obtained by random mutagenesis or targeted mutagenesis in a manner known to the person skilled in the art.
Nach Einbau in einen Expressionsvektor können die erfindungsgemäßenAfter incorporation into an expression vector, the inventive
Nukleinsäuren beispielsweise zur gezielten Herstellung einzelner Domänen oder Epitope eines erfindungsgemäßen Polypeptids oder von Fusionsproteinen, die die erfindungsgemäßen Polypeptide umfassen, verwendet werden.Nucleic acids are used, for example, for the targeted production of individual domains or epitopes of a polypeptide according to the invention or of fusion proteins which comprise the polypeptides according to the invention.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist daher auch ein Verfahren, um eineThe present invention therefore also relates to a method for
Nukleinäure zu erhalten, die für ein hydrolytisches Enzym, insbesondere für ein esterolytisches und/oder Iipolytisches Enzym, kodiert, folgende Schritte umfassend: a) eine Nukleinsäurebliothek wird mit einer erfindungsgemäßen Nukleinsäure kontaktiert, b) eine Nukleinsäure, die mit einer erfindungsgemäßen Nukleinsäure hybridisiert, wird identifiziert, c) die in Schritt (b) identifizierte Nukleinsäure wird sequenziert.Obtaining nucleic acid which codes for a hydrolytic enzyme, in particular for an esterolytic and / or iipolytic enzyme, comprising the following steps: a) a nucleic acid library is contacted with a nucleic acid according to the invention, b) a nucleic acid which hybridizes with a nucleic acid according to the invention identified, c) the nucleic acid identified in step (b) is sequenced.
Weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist daher ebenso ein Verfahren zur Isolierung einer für ein hydrolytisches Enzym, insbesondere für ein esterolytisches und/oder Iipolytisches Enzym, kodierenden Nukleinsäure, folgende Schritte umfassend: a) ausgehend von einer erfindungsgemäßen Nukleinsäure werden Primer hergestellt, b) die Primer gemäß (a) werden verwendet, um in der PCR Nukleinsäuren, vor allem cDNAs, unbekannter Nukleinsäuresequenz zu amplifizieren, c) die gemäß (b) erhaltenen Nukleinsäuren werden sequenziert.The present invention therefore also relates to a method for isolating a nucleic acid coding for a hydrolytic enzyme, in particular for an esterolytic and / or iipolytic enzyme, comprising the following steps: a) primers are prepared starting from a nucleic acid according to the invention, b) the primers (a) are used to amplify nucleic acids, especially cDNAs, of unknown nucleic acid sequences in the PCR, c) the nucleic acids obtained in (b) are sequenced.
Weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist daher ebenfalls ein Verfahren zur Isolierung einer für ein hydrolytisches Enzym, insbesondere für ein esterolytisches und/oder Iipolytisches Enzym, kodierenden Nukleinsäure, folgende Schritte umfassend:
a) Nukleinsäuren einer Bibliothek werden in geeignete Vektoren eingebaut und diese in passende Wirtsorganismen, vorzugsweise Bakterien, insbesondere E. coli, eingebracht, so daß die Expression der Nukleinsäuren erfolgen kann, b) die gemäß (a) erhaltenen Wirtsorganismen werden auf einem festen Träger, vorzugsweise einer Agar-Platte, ausplattiert und inkubiert, c) auf dem festen Träger wird ein Assay, beispielsweise eine Farbreaktion, durchgeführt, der die Umsetzung eines Hydrolase-Substrats, beispielsweise Naphthylacetat, involviert, d) Hydrolase-positive Klone werden identifiziert, beispielsweise durch visuelle Beobachtung, durch automatisierte Imageanalyse oder mittels photometrischer Messung, und gereinigt, e) die Nukleinsäuren aus den in Schritt (d) identifizierten Klonen werden sequenziert.Another object of the present invention is therefore also a method for isolating a nucleic acid coding for a hydrolytic enzyme, in particular for an esterolytic and / or iipolytic enzyme, comprising the following steps: a) nucleic acids from a library are incorporated into suitable vectors and these are introduced into suitable host organisms, preferably bacteria, in particular E. coli, so that the nucleic acids can be expressed, b) the host organisms obtained according to (a) are on a solid support, preferably an agar plate, plated out and incubated, c) an assay, for example a color reaction, is carried out on the solid support, which involves the reaction of a hydrolase substrate, for example naphthylacetate, d) hydrolase-positive clones are identified, for example by visual observation, by automated image analysis or by means of photometric measurement, and purified, e) the nucleic acids from the clones identified in step (d) are sequenced.
Weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist daher ebenfalls ein Verfahren zur Isolierung einer für ein hydrolytisches Enzym, insbesondere für ein esterolytisches und/oder Iipolytisches Enzym, kodierenden Nukleinsäure, folgende Schritte umfassend: a) eine erfindungsgemäße Nukleinsäure wird Mutagenese-Experimenten unterworfen, b) die erhaltenen Mutanten werden in einen geeigneten Vektor eingebaut und unter Verwendung eines geeigneten Wirtsorganismus exprimiert, c) die Expressionsprodukte werden auf hydrolytische Aktivität, insbesondere Esterase- und/oder Lipase-Aktivität hin untersucht, d) die Nukleinsäuren, deren Expressionsprodukte in Schritt (c) hydrolytischeThe present invention therefore also relates to a method for isolating a nucleic acid coding for a hydrolytic enzyme, in particular for an esterolytic and / or iipolytic enzyme, comprising the following steps: a) a nucleic acid according to the invention is subjected to mutagenesis experiments, b) the results obtained Mutants are incorporated into a suitable vector and expressed using a suitable host organism, c) the expression products are examined for hydrolytic activity, in particular esterase and / or lipase activity, d) the nucleic acids, the expression products of which in step (c) are hydrolytic
Aktivität zeigen, werden gegebenenfalls sequenziert.Show activity, are sequenced if necessary.
Zur Durchführung der Mutagenese-Experimente kann beispielsweise die Polymerasekettenreaktion (PCR) eingesetzt werden. Die PCR-Experimente können hierbei beispielsweise, insbesondere bei Verwendung einer Taq-Polymerase, so durchgeführt werden, dass Reaktionsparameter wie die Mg2+-Konzentration, der pH- Wert, die Reaktionstemperatur oder die Substratkonzentrationen variiert werden, oder es kann zum Einsatz von Error-prone-PCR-Techniken kommen, die
beispielsweise auf der Zugabe von Mn2+ oder auf der Zugabe ungleicher Nukleotidkonzentrationen beruhen.For example, the polymerase chain reaction (PCR) can be used to carry out the mutagenesis experiments. The PCR experiments can be carried out, for example, in particular when using a Taq polymerase, in such a way that reaction parameters such as the Mg 2+ concentration, the pH value, the reaction temperature or the substrate concentrations are varied, or error can be used -prone-PCR techniques come that for example, based on the addition of Mn 2+ or on the addition of unequal nucleotide concentrations.
Bei der Nukleinsäurebibliothek handelt es sich hierbei vorzugsweise um eine cDNA-, genomische oder artifizielle Bibliothek, insbesondere um eine mikrobielle, vor allem bakterielle Bibliothek, insbesondere um eine solche aus Bacillus, besonders bevorzugt aus Bacillus subtilis.The nucleic acid library is preferably a cDNA, genomic or artificial library, in particular a microbial, especially bacterial library, in particular one from Bacillus, particularly preferably from Bacillus subtilis.
Gegenstand der Erfindung ist ferner eine Nukleinsäure, die nach einem der vorher genannten Verfahren erhältlich ist.The invention further relates to a nucleic acid which can be obtained by one of the aforementioned methods.
Weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Nukleinsäure, dadurch gekennzeichnet, dass die Nukleinsäure chemisch synthetisiert wird. Die erfindungsgemäßen Nukleinsäuren können beispielsweise chemisch anhand der in SEQ ID No. 1 angegebenenAnother object of the present invention is a method for producing a nucleic acid according to the invention, characterized in that the nucleic acid is chemically synthesized. The nucleic acids according to the invention can be chemically described, for example, in SEQ ID no. 1 specified
Nukleinsäuresequenz oder anhand der in SEQ ID No. 2 angegebenen Aminosäuresequenz auf Grundlage des genetischen Codes z.B. nach der Phosphotriester-Methode synthetisiert werden.Nucleic acid sequence or using the in SEQ ID No. 2 given amino acid sequence based on the genetic code e.g. can be synthesized according to the phosphotriester method.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ferner ein Vektor, insbesondere einThe present invention also relates to a vector, in particular a
Klonierungs- und/oder Expressionsvektor, umfassend eine der vorher genannten Nukleinsäuren. Der Vektor kann beispielsweise ein prokaryotischer oder eukaryotischer Expressionsvektor sein. Bei den prokaryotischen Vektoren zum Einbau der erfindungsgemäßen Nukleinsäuren handelt es sich beispielsweise um die Plasmide pGEM-5Zf(+/-), pBluescript SK (-) oder pMS470 oder um ein anderes high copy number-Plasmid. Bei den erhältlichen Expressionsvekoren für die Expression in E. coli handelt es sich entsprechend beispielsweise um die Vektoren pTB3 oder pMS470BS1 zur Expression eines Proteins gemäß SEQ ID No. 2.Cloning and / or expression vector, comprising one of the aforementioned nucleic acids. The vector can be, for example, a prokaryotic or eukaryotic expression vector. The prokaryotic vectors for incorporating the nucleic acids according to the invention are, for example, the plasmids pGEM-5Zf (+/-), pBluescript SK (-) or pMS470 or another high copy number plasmid. The available expression vectors for expression in E. coli are, for example, the vectors pTB3 or pMS470BS1 for expressing a protein according to SEQ ID No. Second
Bei den Expressionsvektoren für die Expression in E. coli kann es sich beispielsweise aber auch um andere kommerziell erhältliche Vektoren handeln, wie etwa den T7-Expressionsvektor pGM10 oder pGEX-4T-1 GST (Pharmacia Biotech), welche für einen N-terminalen Met-Ala-His6-Tag kodieren, der die Reinigung des
exprimierten Proteins über ein Ni2+-NTA-Säule ermöglicht. Als eukaryotische Expressionsvektoren für die Expression in Saccharomyces cerevisiae eignen sich z.B. die Vektoren p426Met25 oder p426GALT, für die Expression in Insektenzellen z.B. Baculovirusvektoren wie in EP-B1 -0127839 oder EP-B1 -0549721 offenbart, und für die Expression in Säugerzellen z.B. SV40-Vektoren.The expression vectors for expression in E. coli can, for example, also be other commercially available vectors, such as the T7 expression vector pGM10 or pGEX-4T-1 GST (Pharmacia Biotech), which are used for an N-terminal Met- Encode Ala-His6 tag, which is the purification of the expressed protein on a Ni 2+ -NTA column. Examples of suitable eukaryotic expression vectors for expression in Saccharomyces cerevisiae are the vectors p426Met25 or p426GALT, for expression in insect cells, for example baculovirus vectors as disclosed in EP-B1-0127839 or EP-B1-0549721, and for expression in mammalian cells, for example SV40 vectors ,
Die erfindungsgemäßen Nukleinsäuren können in einer Ausführungsform so mit flankierenden Nukleinsäuren in einen Vektor eingebaut werden, dass bei Expression des Vektors die von den erfindungsgemäßen Nukleinsäuren kodierten Polypeptide als Fusionsproteine vorliegen oder einen Tag, eine markierende Aminosäuresequenz, tragen, die beispielsweise die Reinigung oder Detektion der Polypeptide erleichtern kann. Bei dem Tag kann es sich besipielsweise um das strep-, flag-, myc- oder his-Tag handeln.In one embodiment, the nucleic acids according to the invention can be incorporated into a vector with flanking nucleic acids in such a way that when the vector is expressed, the polypeptides encoded by the nucleic acids according to the invention are present as fusion proteins or carry a tag, a labeling amino acid sequence, which, for example, purifies or detects the polypeptides can ease. The day can be, for example, the strep, flag, myc or his day.
Die Expressionsvektoren enthalten bevorzugt die für die Wirtszelle geeigneten regulatorischen Sequenzen, hierbei vorzugsweise den lac- oder den tac-Promotor für die Expression in E. coli, den ADH-2-, GAL1- oder AOX-Promotor für die Expression in Hefen, den Baculovirus-Polyhedrin-Promotor für die Expression in Insektenzellen oder den frühen SV40-Promotor oder LTR-Promotoren für die Expression in Säugerzellen.The expression vectors preferably contain the regulatory sequences suitable for the host cell, in this case preferably the lac or tac promoter for expression in E. coli, the ADH-2, GAL1 or AOX promoter for expression in yeast, the baculovirus -Polyhedrin promoter for expression in insect cells or the early SV40 promoter or LTR promoters for expression in mammalian cells.
Weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Wirtszelle umfassend einen erfindungsgemäßen Expressionsvektor, wobei es sich bei der Wirtszelle bevorzugt um Bacillus, insbesondere Bacillus subtilis, oder E coli, insbesondere um den E. co//-Stamm BL21(DE3) oder um den Stamm E coli SURE, handelt.The present invention furthermore relates to a host cell comprising an expression vector according to the invention, the host cell preferably being Bacillus, in particular Bacillus subtilis, or E coli, in particular the E. co // strain BL21 (DE3) or the strain E coli SURE.
Die erfindungsgemäßen Nukleinsäuren werden bevorzugt nach Einbau in einen geeigneten Vektor durch die dem Fachmann bekannten Methoden der Transfektion, Transformation oder Elektroporation in die Wirtszellen eingebracht.The nucleic acids according to the invention are preferably introduced into the host cells after incorporation into a suitable vector by the methods of transfection, transformation or electroporation known to the person skilled in the art.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird der 5'-terminale Teilbereich von Nukleinsäuren, insbesonderen solchen, die für Enzyme mit hydrolytischer Aktivität kodieren, vollständig oder teilweise durch einen Teilbereich einer der
erfindungsgemäßen Nukleinsäuren ersetzt, um durch Herstellung dieser heterologen Konstrukte die Expression dieser Enzyme, insbesondere die Expression in E. coli, zu verbessern. Vor allem die Nukleinsäure von Position 556 bis 1287 gemäß SEQ ID No. 1 , und hierbei vor allem der Bereich der ersten 150 Nukleinsäuren, zeichnet sich durch einen Codon-Gebrauch aus, der diese Nukleinsäure für die Expression in E. coli besonders geeignet macht, da sie einen sehr niedrigen GC-Gehalt aufweist und daher nach der Transkription weniger schwer schmelzende RNA-Strukturen vorliegen. Der 5'-terminale Teilbereich kann deshalb vor allem durch eine Nukleinsäure von Position 556 bis Position 706 gemäß SEQ ID No. 1 oder mindestens einen Teil davon, wobei der mindestens eine Teil vorzugsweise mindestens 10 Nukleinsäuren, besonders bevorzugt mindestens 20 Nukleinsäuren, vor allem mindestens 50 Nukleinsäuren umfasst, ersetzt werden.In a further preferred embodiment, the 5'-terminal portion of nucleic acids, in particular those which code for enzymes with hydrolytic activity, is completely or partially by a portion of one of the Nucleic acids according to the invention replaced in order to improve the expression of these enzymes, in particular the expression in E. coli, by producing these heterologous constructs. Especially the nucleic acid from position 556 to 1287 according to SEQ ID No. 1, and above all the range of the first 150 nucleic acids, is characterized by a codon use which makes this nucleic acid particularly suitable for expression in E. coli, since it has a very low GC content and therefore after transcription there are less difficult melting RNA structures. The 5'-terminal partial area can therefore primarily by a nucleic acid from position 556 to position 706 according to SEQ ID No. 1 or at least a part thereof, the at least one part preferably comprising at least 10 nucleic acids, particularly preferably at least 20 nucleic acids, in particular comprising at least 50 nucleic acids.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist des weiteren ein Polypeptid ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: a) Polypeptid mit einer Aminosäuresequenz gemäß SEQ ID No. 2, b) natürlicherweise vorkommende oder künstlich erzeugte Mutanten, polymorphe Formen oder Allele eines Polypeptids gemäß (a), vor allem solche, die bis zu fünf, insbesondere ein, zwei oder drei Punktmutationen in Bezug auf ein Polypeptid gemäß (a) aufweisen, c) Polypeptide, die eine Sequenzhomologie oder -identität von mindestens 50 %, bevorzugt mindestens 60 % oder 70 %, ganz besonders bevorzugt mindestens 80 oder 90 %, insbesondere mindestens 95 oder 98 % in Bezug auf ein Polypeptid gemäß (a) oder (b) besitzen, d) Polypeptide, die von den zuvor genannten erfindungsgemäßen Nukleinsäuren kodiert werden, e) Polypeptide bestehend aus mindestens 5 oder 6, bevorzugt mindestens 8 oder 10, besonders bevorzugt mindestens 12 oder 15, insbesondere mindestens 20, 25 oder 40 aufeinanderfolgendenThe present invention furthermore relates to a polypeptide selected from the group consisting of: a) polypeptide with an amino acid sequence according to SEQ ID No. 2, b) naturally occurring or artificially generated mutants, polymorphic forms or alleles of a polypeptide according to (a), especially those which have up to five, in particular one, two or three, point mutations with respect to a polypeptide according to (a), c ) Polypeptides which have a sequence homology or identity of at least 50%, preferably at least 60% or 70%, very particularly preferably at least 80 or 90%, in particular at least 95 or 98% in relation to a polypeptide according to (a) or (b) have, d) polypeptides which are encoded by the aforementioned nucleic acids according to the invention, e) polypeptides consisting of at least 5 or 6, preferably at least 8 or 10, particularly preferably at least 12 or 15, in particular at least 20, 25 or 40 consecutive
Aminosäuren eines Polypeptids gemäß (a) oder (b),
f) Polypeptide mit ein oder mehreren Insertionen und/oder Deletionen von bis zu 60, 50 oder 40, insbesondere bis zu 30, 20 oder 10 Aminosäuren in Bezug auf ein Polypeptid gemäß (a), (b) oder (c), g) Polypeptide umfassend mindestens eines der unter (a) bis (f) genannten Polypeptide.Amino acids of a polypeptide according to (a) or (b), f) polypeptides with one or more insertions and / or deletions of up to 60, 50 or 40, in particular up to 30, 20 or 10 amino acids with respect to a polypeptide according to (a), (b) or (c), g) Polypeptides comprising at least one of the polypeptides mentioned under (a) to (f).
Bevorzugt handelt es sich hierbei bei dem Polypeptid um ein hydrolytisches Enzym, besonders bevorzugt um ein esterolytisches oder Iipolytisches Enzym, oder Teilen davon. Es sind hiermit Enzyme gemeint, die eine Hydrolyse-Reaktion katalysieren können, wie beispielsweise die Hydrolyse von Halogenalkan-, Ester-, Thioester-,The polypeptide is preferably a hydrolytic enzyme, particularly preferably an esterolytic or Iipolytic enzyme, or parts thereof. By this we mean enzymes that can catalyze a hydrolysis reaction, such as the hydrolysis of haloalkane, ester, thioester,
Amid-, Epoxid-, Peptid- oder Halidbindungen, oder Teile, insbesondere Epitope oder Domänen, von solchen Polypeptiden. Insbesondere kann es sich bei dem hydrolytischen Enzym um eine Esterase, Lipase, Thioesterase, Haloalkan- Dehalogenase, Halogenperoxidase oder Epoxidhydrolase und/oder um ein Enzym, das alpha/beta-HydroIase-Faltung aufweist und/oder um ein Enzym, das gemäß derAmide, epoxy, peptide or halide bonds, or parts, in particular epitopes or domains, of such polypeptides. In particular, the hydrolytic enzyme can be an esterase, lipase, thioesterase, haloalkane dehalogenase, halogen peroxidase or epoxy hydrolase and / or an enzyme which has alpha / beta-hydroIase folding and / or an enzyme which according to
Klassifizierung von Arpigny der Familie V zuzuordnen ist, handeln.Classification of Arpigny is assigned to the V family, act.
In einer bevorzugten Ausführungsform handelt es sich hierbei um Enzyme, die eine katalytische Triade, umfassend ein Nukleophil, ein Aspartat oder Glutamat und ein Histidin, oder eine katalytische Diade in ihrem reaktiven Zentrum haben.In a preferred embodiment, these are enzymes which have a catalytic triad comprising a nucleophile, an aspartate or glutamate and a histidine, or a catalytic diad in their reactive center.
Bei der Spaltungsreaktion, die von einem erfindungsgemäßen Polypeptid katalysiert wird, kann es sich neben einer Hydrolyse-Reaktion etwa auch um eine hierzu analoge Reaktion, wie etwa die Ausbildung, insbesondere Neuknüpfung, einer Ester- , Thioester- oder Amidbindung handeln.In addition to a hydrolysis reaction, the cleavage reaction which is catalyzed by a polypeptide according to the invention can also be a reaction analogous to this, such as the formation, in particular new formation, of an ester, thioester or amide bond.
In einer bevorzugten Ausführungsform handelt es sich bei dem erfindungsgemäßen Polypeptid um ein mikrobielles, insbesondere bakterielles Enzym. Ganz besonders bevorzugt handelt es sich um ein Enzym aus Bacillus subtilis, insbesondere um die Esterase Est4B1 gemäß SEQ ID No. 2.In a preferred embodiment, the polypeptide according to the invention is a microbial, in particular bacterial, enzyme. It is very particularly preferably an enzyme from Bacillus subtilis, in particular the esterase Est4B1 according to SEQ ID No. Second
Besonders bevorzugt handelt es sich bei dem erfindungsgemäßen Polypeptid um ein wasserlösliches Enzym.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform handelt es sich bei dem erfindungsgemäßen Polypeptid um eine Esterase oder Thioesterase, die in einer nicht-ribosomalen Peptidsynthetase enthalten ist oder enthalten sein kann. Es kann sich hierbei insbesondere um eine Thioesterase gemäß der Veröffentlichung von Schneider et al. (Arch. Microbiol. 1998, 169: 404-410), hier vor allem um ein distinct thioesterase like protein, handeln.The polypeptide according to the invention is particularly preferably a water-soluble enzyme. In a further preferred embodiment, the polypeptide according to the invention is an esterase or thioesterase which is or can be contained in a non-ribosomal peptide synthetase. This can in particular be a thioesterase according to the publication by Schneider et al. (Arch. Microbiol. 1998, 169: 404-410), here in particular a distinct thioesterase like protein.
Weiterer Gegenstand der Erfindung ist die Verwendung eines erfindungsgemäßen Polypeptids zur Spaltung von Halogenalkan-, Ester-, Thioester-, Peptid-, Amid-, Epoxid- oder Halid-Bindungen, wobei es sich bei der Spaltungsreaktion sowohl um eine Hydrolysereaktion unter Freisetzung der entsprechenden Carbonsäure bzw. des entsprechenden Alkohols oder Alkans handeln kann, als auch um die Neuknüpfung einer Ester-, Thioester-, Peptid-, Amid- oder Halid-Bindung bzw. die Neuknüpfung einer Halogenalkan-Bindung.Another object of the invention is the use of a polypeptide according to the invention for the cleavage of haloalkane, ester, thioester, peptide, amide, epoxy or halide bonds, the cleavage reaction being both a hydrolysis reaction with liberation of the corresponding carboxylic acid or the corresponding alcohol or alkane, as well as the new formation of an ester, thioester, peptide, amide or halide bond or the new formation of a haloalkane bond.
Erfindungsgemäß verwendbare Substrate oder herzustellende Verbindungen sind insbesondere Verbindungen der Formel R1-C(O)-O-R2, wobei R1 für einen Alkylrest mit vorzugsweise bis zu 7, vor allem bis zu 5 C-Atomen, insbesondere Methyl, Ethyl, Propyl oder Butyl, oder für einen Cycloalkyl- oder Heterocycloalkyl-Rest mit vorzugsweise 5 Ringatomen steht, wobei derSubstrates or compounds to be prepared according to the invention are, in particular, compounds of the formula R 1 -C (O) -OR 2 , where R 1 is an alkyl radical having preferably up to 7, especially up to 5, carbon atoms, in particular methyl, ethyl, propyl or Butyl, or a cycloalkyl or heterocycloalkyl radical preferably having 5 ring atoms, the
Heterocycloalkylrest vorzugsweise genau ein Heteroatom, besonders bevorzugt Sauerstoff, trägt, und wobei R2 für einen Alkylrest mit vorzugsweise bis zu 6, vor allem bis zu 4 C- Atomen, insbesondere Methyl, Ethyl, Propyl oder Butyl, oder für einen Aryl-Rest mit vorzugsweise 6 bis 14 C-Atomen, insbesondere Phenyl oder Naphthyl, oder für einen Cycloalkyl- oder Heterocycloalkyl-Rest mit vorzugsweise 5 Ringatomen steht, wobei der Alkylrest auch eine Epoxid-Gruppe umfassen kann, und wobei der Heterocycloalkyl-Rest vorzugsweise genau ein Heteroatom, besonders bevorzugt Sauerstoff, trägt, und wobei die für R1 und R2 genannten Reste unabhängig voneinander auch mindestens eine, besonders bevorzugt ein oder zwei, dem Fachmann bekannte Substituenten tragen können, beispielsweise ausgewählt aus der Gruppe bestehend
aus Halogenatomen, vor allem Cl oder Br, N02, NH2, S03H, S02H, Phthalimido, OH, OR, NR2.Heterocycloalkyl radical preferably carries exactly one hetero atom, particularly preferably oxygen, and wherein R 2 for an alkyl radical with preferably up to 6, especially up to 4 carbon atoms, in particular methyl, ethyl, propyl or butyl, or for an aryl radical preferably 6 to 14 carbon atoms, in particular phenyl or naphthyl, or represents a cycloalkyl or heterocycloalkyl radical with preferably 5 ring atoms, where the alkyl radical can also comprise an epoxy group, and the heterocycloalkyl radical preferably exactly one hetero atom, particularly preferably carries oxygen, and the radicals mentioned for R 1 and R 2 , independently of one another, can also carry at least one, particularly preferably one or two substituents known to the person skilled in the art, for example selected from the group consisting from halogen atoms, especially Cl or Br, N0 2 , NH 2 , S0 3 H, S0 2 H, phthalimido, OH, OR, NR 2 .
In einer bevorzugten Ausführungsform sind die erfindungsgemäßen Enzyme dazu in der Lage Carbonsäureester zu spalten, bei welchen die Alkoholkomponente ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus 0- und p- Nitrophenol, Naphthol, Phthalimidobutanol, Methanol, Ethanol, Propanol, Butanol, Glycerol, Glycidol und Hydroxy-Tetrahydrofuran und die Carbonsäurekomponente ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus 3-Hydroxybuttersäure, Tetrahydrofuran-2-carbonsäure, Buttersäure, Valeriansäure, Essigsäure, Propionsäure, Capronsäure und 2-In a preferred embodiment, the enzymes according to the invention are able to split carboxylic acid esters in which the alcohol component is selected from the group consisting of 0- and p-nitrophenol, naphthol, phthalimidobutanol, methanol, ethanol, propanol, butanol, glycerol, glycidol and Hydroxy-tetrahydrofuran and the carboxylic acid component is selected from the group consisting of 3-hydroxybutyric acid, tetrahydrofuran-2-carboxylic acid, butyric acid, valeric acid, acetic acid, propionic acid, caproic acid and 2-
Chlorpropionsäure, wobei die einzelnen Komponenten auch, unabhängig voneinander, Substituenten tragen oder auf sonstige Weise modifiziert sein können.Chloropropionic acid, where the individual components also, independently of one another, bear substituents or can be modified in some other way.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Spaltreaktion ausgeführt bei einem pH-Wert größer gleich 6,5, vorzugsweise bei einem pH-Wert zwischen 7,0 und 10,0, besonders bevorzugt bei einem pH-Wert zwischen 7,5 und 8,5, vor allem bei einem pH-Wert von etwa 8,0.In a preferred embodiment, the cleavage reaction is carried out at a pH greater than or equal to 6.5, preferably at a pH between 7.0 and 10.0, particularly preferably at a pH between 7.5 and 8.5, especially at a pH of around 8.0.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform finden die erfindungsgemäßen Polypeptide Verwendung als Bestandteil nicht-ribosomaler Peptidsynthetasen, hierbei insbesondere zur Herstellung von Antibiotika, wobei die Reaktion, die durch das erfindunsgemäße Polypeptid katalysiert wird, beispielsweise der Ringschluß von zyklischen Peptidantibiotika in Form der Knüpfung einer Ester-, Thioester- oder Amidbindung sein kann.In a further preferred embodiment, the polypeptides according to the invention are used as a constituent of non-ribosomal peptide synthetases, in particular for the production of antibiotics, the reaction which is catalyzed by the polypeptide according to the invention, for example the cyclization of cyclic peptide antibiotics in the form of an ester, Can be thioester or amide bond.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform werden die erfindungsgemäßen Enzyme verwendet, um ausgehend von racemischen Mischungen eine Isolierung oder Anreicherung eines der beiden Enantiomere zu erreichen.In a further preferred embodiment, the enzymes according to the invention are used in order to isolate or enrich one of the two enantiomers starting from racemic mixtures.
Mögliche Anwendungen der erfindungsgemäßen Polypeptide sind beispielsweise diePossible applications of the polypeptides according to the invention are, for example
Herstellung oder selektive Anreicherung beispielsweise von Geschmackskomponenten in der Lebensmittelindustrie, von Detergentien in der
Waschmittelindustrie, von Feinchemikalien in der chemischen Industrie oder von therapeutisch oder diagnostisch einsetzbaren Substanzen in der Pharmaindustrie.Production or selective enrichment, for example of taste components in the food industry, of detergents in the Detergent industry, fine chemicals in the chemical industry or therapeutically or diagnostically usable substances in the pharmaceutical industry.
Die erfindungsgemäßen Polypeptide können desweiteren beispielsweise als Epitope zur Herstellung von mono- oder polyklonalen Antikörpern verwendet werden, indem sie an einen Träger, bspw. Rinder-Serumalbumin, gekoppelt werden und anschließend ein Säuger, bevorzugt eine Maus, ein Hase oder ein Kaninchen, mit dem Epitop, bevorzugt unter Verwendung von Adjuvantien, immunisiert wird. Hierzu eignen sich bevorzugt Polypeptide mit einer Länge von 5-12, insbesondere 8, Aminosäuren. Polypeptide mit einer Länge von mehr als 60, insbesondere mehr alsThe polypeptides according to the invention can furthermore be used, for example, as epitopes for the production of mono- or polyclonal antibodies by coupling them to a carrier, for example bovine serum albumin, and then using a mammal, preferably a mouse, rabbit or rabbit Epitope, preferably using adjuvants, is immunized. Polypeptides with a length of 5-12, in particular 8, amino acids are preferably suitable for this. Polypeptides with a length of more than 60, in particular more than
75 Aminosäuren können auch ohne Träger zur Herstellung von Antikörpern verwendet werden. Die entstandenen Antikörper können anschließend gegebenenfalls isoliert werden, und ausgehend von den Antikörpern oder der für sie kodierenden Nukleinsäuren können gegebenenfalls Antikörperfragmente, beispielsweise Fab- oder scFv-Fragmente hergestellt werden.75 amino acids can also be used without a carrier for the production of antibodies. The resulting antibodies can then optionally be isolated, and antibody fragments, for example Fab or scFv fragments, can optionally be prepared starting from the antibodies or the nucleic acids coding for them.
An ein erfindungsgemäßes Polypeptid bindende Peptide können alternativ auch durch ein dem Fachmann bekanntes in vitro-Verfahren, wie beispielsweise Phage Display, Yeast Display, Bacterial Display oder etwa die sogenannte Fusagen- Technologie erhalten werden, bei der die Nukleinsäure und das von dieser kodiertePeptides binding to a polypeptide according to the invention can alternatively also be obtained by an in vitro method known to the person skilled in the art, such as, for example, phage display, yeast display, bacterial display or the so-called Fusagen technology, in which the nucleic acid and the coding thereof
Polypeptid über ein Puromycin kovalent miteinander verknüpft sind.Polypeptide are covalently linked to one another via a puromycin.
Die durch Immunisierung mit den erfindungsgemäßen Polypeptiden erhältlichen Antiseren, Antikörper und Antikörperfragmente sowie die durch eines der genannten in vitro-Verfahren erhältlichen Peptide eignen sich beispielsweise zur Untersuchung von Genexpressionsbanken, um zu den erfindungsgemäßen Polypeptiden homologe Proteine, insbesondere solche mit hydrolytischer Aktivität, vor allem esterolytischer und/oder lipolytischer Aktivität, ausfindig zu machen.The antisera, antibodies and antibody fragments obtainable by immunization with the polypeptides according to the invention and the peptides obtainable by one of the in vitro methods mentioned are suitable, for example, for examining gene expression banks in order to make proteins homologous to the polypeptides according to the invention, especially those with hydrolytic activity, especially esterolytic and / or lipolytic activity.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind daher auch Antiseren, Antikörper undThe present invention therefore also relates to antisera, antibodies and
Antikörperfragmente gegen ein erfindungsgemäßes Polypeptid sowie andere an ein erfindungsgemäßes Polypeptid bindende Peptide, insbesondere erhältich durch eines der zuvor genannten Verfahren. Antiserum, Antikörper und Antikörperfragment
sowie sonstige an ein erfindungsgemäßes Polypeptid bindende Peptide werden im folgenden der Einfachheit halber „Antikörper" genannt.Antibody fragments against a polypeptide according to the invention and other peptides binding to a polypeptide according to the invention, in particular obtainable by one of the aforementioned methods. Antiserum, Antibody and Antibody Fragment as well as other peptides binding to a polypeptide according to the invention are called “antibodies” for the sake of simplicity.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ferner ein Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Polypeptids, dadurch gekennzeichnet, dass eine erfindungsgemäße Nukleinsäure in einer geeigneten Wirtszelle, insbesondere in Bacillus, vor allem Bacillus subtilis, oder in E. coli, vor allem E. coli BL21 (DE3), exprimiert wird.The present invention furthermore relates to a method for producing a polypeptide according to the invention, characterized in that a nucleic acid according to the invention in a suitable host cell, in particular in Bacillus, in particular Bacillus subtilis, or in E. coli, in particular E. coli BL21 (DE3) , is expressed.
Das Verfahren kann beispielsweise auf folgende Weise durchgeführt werden: a) eine erfindungsgemäße Nukleinsäure wird in einen geeigneten Vektor eingebaut und E. coli wird mit dem Vektor transformiert, b) nach der Expression des Proteins werden die Zellen geerntet und aufgeschlossen. c) das Protein wird aus dem so erhaltenen Überstand gegebenenfalls aufgereinigt.The method can be carried out, for example, in the following manner: a) a nucleic acid according to the invention is incorporated into a suitable vector and E. coli is transformed with the vector, b) after the expression of the protein, the cells are harvested and disrupted. c) the protein is optionally purified from the supernatant thus obtained.
Kultivierung von E. coli erfolgt hierbei vorzugsweise zwischen 15 und 40°C, besonders bevorzugt bei etwa 37°C. Induktion der Expression erfolgt vorzugsweise in der logarithmischen Wachstumsphase. Bei Verwendung von beispielsweise einem pMS470-Vektor, der eine für ein erfindungsgemäßes Peptid kodierende Nukleinsäure umfasst, kann Induktion der Expression durch Zugabe von Laktose erfolgen, beispielsweise durch Einstellen einer finalen Konzentration zwischen 1 und 30 mM, vor allem zwischen 5 und 20 mM, insbesondere von etwa 10 mM, und/oder durch Zugabe von IPTG, beispielsweise durch Einstellen einer finalen Konzentration zwischen 0,01 und 10 mM, vor allem zwischen 1 und 5 mM. Nach der Induktion der Expression werden die Zellen vorzugsweise weitere 8-18 Stunden, insbesondere weitere 12-14 Stunden wachsen gelassen. Alternativ kann aber auch auf die Induktion der Expression verzichtet werden.E. coli is preferably cultivated between 15 and 40 ° C., particularly preferably at about 37 ° C. Expression is preferably induced in the logarithmic growth phase. When using, for example, a pMS470 vector which comprises a nucleic acid coding for a peptide according to the invention, expression can be induced by adding lactose, for example by setting a final concentration between 1 and 30 mM, in particular between 5 and 20 mM, in particular of about 10 mM, and / or by adding IPTG, for example by setting a final concentration between 0.01 and 10 mM, especially between 1 and 5 mM. After the induction of expression, the cells are preferably allowed to grow for a further 8-18 hours, in particular a further 12-14 hours. Alternatively, induction of expression can also be dispensed with.
Der Aufschluß der geernteten Zellen kann durch eine dem Fachmann bekannte Methode, beispielsweise French Press, Ultraschall, Kugelmühle oder durch den Einsatz eines Sonifikators und/oder enzymatisch, erfolgen. Alternativ können die
Zellen auch chemisch, beispielsweise durch EDTA oder Polymyxin B, permeabilisiert werden.The harvested cells can be disrupted by a method known to the person skilled in the art, for example French press, ultrasound, ball mill or by using a sonifier and / or enzymatically. Alternatively, the Cells can also be chemically permeabilized, for example by EDTA or Polymyxin B.
Die gegebenenfalls durchzuführende Reinigung des Proteins erfolgt vorzugsweise chromatographisch. Die chromatographische Reinigung des Proteins kann beispielsweise die Anionen- oder Kationenaustauschchromatographie, die hydrophobe Wechselwirkungschromatographie und/oder die Gelfiltration umfassen.The protein to be purified, if appropriate, is preferably chromatographically. Chromatographic purification of the protein can include, for example, anion or cation exchange chromatography, hydrophobic interaction chromatography and / or gel filtration.
In einer besonderen Ausführungsform erfolgt die Reinigung des Proteins unter Verwendung der Anionenaustauschchromatographie und einem anschließenden Gelfiltrationsschritt. Insbesondere das Protein Est4B1 gemäß SEQ ID No. 2 kann so auf vorteilhafte Weise gereinigt werden.In a particular embodiment, the protein is purified using anion exchange chromatography and a subsequent gel filtration step. In particular the protein Est4B1 according to SEQ ID No. 2 can be cleaned in an advantageous manner.
Bei der Anionenaustauschsäule handelt es sich hierbei vorzugsweise um eine QFF- Säule (Amersham Pharmacia, Uppsala, Schweden), bei der Gelfiltrationssäule um eine Pharmacia Sephacryl S-100 HR in XK 26/70-Säule.The anion exchange column is preferably a QFF column (Amersham Pharmacia, Uppsala, Sweden), and the gel filtration column is a Pharmacia Sephacryl S-100 HR in XK 26/70 column.
Auftrag auf und Elution von der Anionenaustauschsäule erfolgt hierbei vorzugsweise im neutralen bis leicht alkalischen Bereich, vorzugsweise zwischen pH 6.5 und pH 8.5, ganz besonders bevorzugt bei etwa pH 7.5. Vorzugsweise wird hierzu ein 10 mM Tris-HCI-Puffer verwendet. Elution des Proteins wird vorzugsweise dadurch erreicht, dass die lonenstärke des Elutionspuffers langsam erhöht wird. Dies kann beispielsweise durch Zugabe von NaCI in einem Stufengradienten erreicht werden. Elution des Proteins erfolgt hierbei vorzugsweise bei einer NaCI-Konzentration zwischen 150 mM und 300 mM oder bei Verwendung eines anderen Salzes unter Vorgabe derselben lonenstärke.Application to and elution from the anion exchange column is preferably carried out in the neutral to slightly alkaline range, preferably between pH 6.5 and pH 8.5, very particularly preferably at about pH 7.5. A 10 mM Tris-HCl buffer is preferably used for this. Elution of the protein is preferably achieved by slowly increasing the ionic strength of the elution buffer. This can be achieved, for example, by adding NaCl in a step gradient. Elution of the protein is preferably carried out at a NaCl concentration between 150 mM and 300 mM or when using a different salt with the same ionic strength.
Nach der Elution des Proteins werden die aktiven Fraktionen vorzugsweise vereint und eingeengt. Der Auftrag auf die Gelfiltrationssäule erfolgt vorzugsweise unter denselben Bedingungen wie der Auftrag auf die Anionenaustauschsäule. Die Elution des Proteins erfolgt beispielsweise mit einer Flussrate zwischen 2 und 6 ml min"1, insbesondere mit einer Flussrate von etwa 4 ml min"1.After elution of the protein, the active fractions are preferably combined and concentrated. The application to the gel filtration column is preferably carried out under the same conditions as the application to the anion exchange column. The protein is eluted, for example, with a flow rate between 2 and 6 ml min "1 , in particular with a flow rate of about 4 ml min " 1 .
Vor allem die kurzkettigen erfindungsgemäßen Polypeptide können auch mit Hilfe der klassischen Peptidsynthese (Merrifield-Technik) synthetisiert werden.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ferner ein Verfahren zur Herstellung von Kristallen, enthaltend mindestens eines der erfindungsgemäßen Polypeptide, sowie die durch dieses Verfahren erhältlichen Kristalle. Die Kristallisation erfolgt hierbei vorzugsweise bei einem pH-Wert zwischen 6,0 und 9,0, besonders bevorzugt zwischen 7,0 und 8,0, vor allem bei einem pH-Wert von etwa 7,5 und/oder unter Verwendung von PEG, vor allem PEG 4000, als Präzipitationsmittel, wobei der Mengenanteil von PEG vorzugsweise zwischen 10 und 50 %, besonders bevorzugt zwischen 20 und 36 %, vor allem etwa 28 % beträgt, und/oder bei Anwesenheit von Natriumacetat, wobei die Konzentration des Natriumacetats vorzugsweise zwischen 0,1 und 0,3 M, vor allem bei etwa 0,2 M liegt.In particular, the short-chain polypeptides according to the invention can also be synthesized using classic peptide synthesis (Merrifield technique). The present invention furthermore relates to a process for the production of crystals containing at least one of the polypeptides according to the invention, and to the crystals obtainable by this process. The crystallization is preferably carried out at a pH between 6.0 and 9.0, particularly preferably between 7.0 and 8.0, especially at a pH of about 7.5 and / or using PEG, especially PEG 4000, as a precipitant, the proportion of PEG preferably being between 10 and 50%, particularly preferably between 20 and 36%, especially about 28%, and / or in the presence of sodium acetate, the concentration of sodium acetate preferably being between 0.1 and 0.3 M, especially about 0.2 M.
Weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Testsystem zur Identifizierung von Substraten oder funktionellen Interaktoren enthaltend eine erfindungsgemäße Nukleinsäure, ein erfindungsgemäßes Polypeptid und/oder einen erfindungsgemäßen Antikörper und gegebenenfalls geeignete Hilfs- und Zusatzstoffe.The invention further relates to a test system for identifying substrates or functional interactors containing a nucleic acid according to the invention, a polypeptide according to the invention and / or an antibody according to the invention and, if appropriate, suitable auxiliaries and additives.
Bacillus subtilis ist dafür bekannt, dass es Pflanzenpathogene abwehren kann und Symptome von Pflanzenschädlingen, wie z.B. Erwinia, lindert. Dieser positive Effekt ist nicht zuletzt auf Enzyme mit hydrolytischer Aktivität, insbesondere Esterasen und Thioesterasen zurückzuführen. Weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist deshalb die Verwendung von mindestens einem erfindungsgemäßen Polynukleotid und/oder von mindestens einem erfindungsgemäßen Polypeptid und/oder von mindestens einem erfindungsgemäßen Antikörper zur Abwehr von Pflanzenpathogenen und/oder Pflanzenschädlingen sowie eine Zusammensetzung zur Behandlung von Pflanzenpathogenen und/oder Pflanzenschädlingen, umfassend mindestens ein erfindungsgemäßes Polynukleotid und/oder mindestens ein erfindungsgemäßes Polypeptid und/oder mindestens einen erfindungsgemäßen Antikörper.Bacillus subtilis is known to ward off plant pathogens and to treat symptoms of plant pests such as Erwinia, relieves. This positive effect is due not least to enzymes with hydrolytic activity, especially esterases and thioesterases. The present invention therefore furthermore relates to the use of at least one polynucleotide according to the invention and / or of at least one polypeptide according to the invention and / or of at least one antibody according to the invention for defense against plant pathogens and / or plant pests and a composition for the treatment of plant pathogens and / or plant pests, comprising at least one polynucleotide according to the invention and / or at least one polypeptide according to the invention and / or at least one antibody according to the invention.
Darüberhinaus kann ein erfindungsgemäßes Polynukleotid auch in einer dem Fachmann bekannten Weise in eine Pflanze eingebracht werden, um in dieser ein erfindungsgemäßes Polypeptid zu produzieren und dieser so Resistenz gegenüber
Pflanzenpathogenen zu verleihen. Das erfindungsgemäße Polynukleotid kann hierbei insbesondere in eine einzelne pflanzliche Zelle eingebracht werden und aus dieser durch Vermehrung und Differenzierung eine Pflanze erhalten werden, die ein erfindungsgemäßes Polynukleotid und/oder Polypeptid umfasst.In addition, a polynucleotide according to the invention can also be introduced into a plant in a manner known to the person skilled in the art in order to produce a polypeptide according to the invention in the plant and thus resistance to it To confer plant pathogens. The polynucleotide according to the invention can in particular be introduced into a single plant cell and a plant can be obtained therefrom by multiplication and differentiation, which comprises a polynucleotide and / or polypeptide according to the invention.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist deshalb auch ein Verfahren zum Einbringen eines erfindungsgemäßen Polynukleotids in eine pflanzliche Zelle sowie eine Pflanze und/oder pflanzliche Zelle, umfassend mindestens ein erfindungsgemäßes Polynukleotid und/oder mindestens ein erfindungsgemäßes Polypeptid.The present invention therefore also relates to a method for introducing a polynucleotide according to the invention into a plant cell and a plant and / or plant cell, comprising at least one polynucleotide according to the invention and / or at least one polypeptide according to the invention.
Erfindungsgemäß kann auch ein Nukleotid oder mehrere Nukleotide der erfindungsgemäßen Nukleinsäuren oder eine oder mehrere Aminosäuren der erfindungsgemäßen Polypeptide oder der erfindungsgemäßen Antikörper modifiziert sein. Bei der Modifikation kann es sich etwa handeln um eine radioaktive, fluorogene oder chromogene Gruppe oder um eine posttranslationale Modifikation.According to the invention, one or more nucleotides of the nucleic acids according to the invention or one or more amino acids of the polypeptides according to the invention or the antibodies according to the invention can also be modified. The modification can be a radioactive, fluorogenic or chromogenic group or a post-translational modification.
Im folgenden werden bestimmte Ausführungsformen der Erfindung exemplarisch anhand von Abbildungen und Ausführungsbeispielen erläutert.In the following, certain embodiments of the invention are explained by way of example with reference to illustrations and exemplary embodiments.
Abbildungenpictures
In Fig.1 ist eine erfindungsgemäße Nukleinsäuresequenz genomischer DNA aus Bacillus subtilis dargestellt. Dieses genomische DNA-Fragment von B. subtilis umfaßt einen vollständigen open reading frame (ORF) (esWßl) sowie zwei partielle ORFs (ot l und otτ3). Die putative Shine-Dalgamo-Sequenz des Gens est4B ist unterstrichen. Sequenzen des Klonierungsvektors pBluescript SK(-) sind durch fette Kursivschrift kenntlich gemacht.1 shows a nucleic acid sequence according to the invention of genomic DNA from Bacillus subtilis. This B. subtilis genomic DNA fragment comprises a full open reading frame (ORF) (esWßl) and two partial ORFs (ot 1 and otτ3). The putative Shine-Dalgamo sequence of the est4B gene is underlined. Sequences of the cloning vector pBluescript SK (-) are identified by bold italics.
In Fig. 2 ist das klonierte DNA-Fragment aus Figur 1 nochmals schematisch dargestellt. Neben dem ORF für Est4B1 (BS1) und den beiden partiellen ORFs (ORF1 , ORF3) wurden einige Restriktionsschnittstellen kenntlich gemacht. Die
Aminosäuresequenz zeigt große Ähnlichkeit zu putativen Proteinen aus ß. subtilis A13.FIG. 2 shows the cloned DNA fragment from FIG. 1 again schematically. In addition to the ORF for Est4B1 (BS1) and the two partial ORFs (ORF1, ORF3), some restriction interfaces were identified. The Amino acid sequence shows great similarity to putative proteins from ß. subtilis A13.
In Fig. 3 sind Ergebnisse von Studien zur Expression von Est4B1 mittels E. coli3 shows results of studies on the expression of Est4B1 by means of E. coli
BL21 (pMS470BS1) bei 37°C dargestellt. Die Expression wurde induziert durch Zugabe von Laktose unter Einstellen einer finalen Konzentration von 10 mM zu verschiedenen Zeitpunkten: (A) Induktion erfolgte unmittelbar nach dem Animpfen, (B) 4 Stunden, (C) 6 Stunden, (D) 8 Stunden, (E) 10 Stunden, (F) 12 Stunden nach dem Animpfen. (G) E. coli BL21 (pBluescript SK-) wurde als Negativkontrolle verwendet. Aufgetragen wurden Protein-Rohlysate.BL21 (pMS470BS1) shown at 37 ° C. Expression was induced by adding lactose to a final concentration of 10 mM at different times: (A) induction took place immediately after inoculation, (B) 4 hours, (C) 6 hours, (D) 8 hours, (E ) 10 hours, (F) 12 hours after inoculation. (G) E. coli BL21 (pBluescript SK-) was used as a negative control. Protein crude lysates were applied.
In Fig. 4 sind die erfindungsgemäß erhaltenen Kristalle von Est4B1 dargestellt.4 shows the crystals of Est4B1 obtained according to the invention.
AusführunqsbeispieleEXEMPLARY EMBODIMENTS
Beispiel 1 : Isolierung und Charakterisierung des Bakterienstamms Est4Example 1: Isolation and characterization of the Est4 bacterial strain
Es wurden große Halos auf kontaminierten Tributyrin-Emulsions-Agarplatten beobachtet. Bei der Herstellung der Agarplatten wurde ein unzureichend gereinigtesLarge halos were observed on contaminated tributyrin emulsion agar plates. An insufficiently cleaned one was used in the manufacture of the agar plates
Ultrathurax-Homogenisiergerät verwendet, das zuvor für die Homogenisierung von Pflanzenmaterial verwendet worden war. Eine Bakterienkultur, die einen großen Halo bildete wurde isoliert und mehrmals neu ausplattiert, um sicherzustellen, dass eine einzelne Kolonie vorliegt. Die Halo-Bildung konnte sowohl bei Raumtemperatur als auch bei 30, 37 und 50°C beobachtet werden. Der so erhaltene Stamm wurdeUltrathurax homogenizer used, which had previously been used for the homogenization of plant material. A large halo bacterial culture was isolated and replated several times to ensure that there was a single colony. Halo formation was observed at room temperature as well as at 30, 37 and 50 ° C. The strain thus obtained was
Est4 genannt und zur Charakterisierung an die Deutsche Stammsammlung für Mikroorganismen und Zellkulturen (DSMZ) in Braunschweig (Deutschland) geschickt. Dort konnten 4 verschieden Varianten dieses Stamms identifiziert werden, die Est4A, Est4B, Est4C und Est4D genannt wurden. Est4A und Est4B wurden im folgenden weiter charakterisiert. Bei beiden Stämmen handelt es sich um ß. subtilis-Called Est4 and sent to the German Master Collection for Microorganisms and Cell Cultures (DSMZ) in Braunschweig (Germany) for characterization. There 4 different variants of this strain could be identified, which were called Est4A, Est4B, Est4C and Est4D. Est4A and Est4B were further characterized below. Both strains are ß. subtilis
Stämme und der einzige Unterschied zwischen den beiden ist, dass Est4A Lecithinase produziert, nicht jedoch Est4B. Nach Erhalt der getrennten Stämme von der DSMZ wurde der ß. subW/s-Stamm Est4A auf LB-Agarplatten kultiviert, wobei erneut mehrere morphologische Varianten beobachtet werden konnten. Es scheint
so, dass diese Varianten verschiedene morphologische Formen ein- und desselben Stammes darstellen, und dass es sich hierbei nicht um kontaminierende Stämme handelt. Unter dem Lichtmikroskop zeigten die verschiedenen Varianten die gleiche Gestalt, aber unterschiedliche Mobilität. Es ist auch gezeigt worden, dass Est4A, B, C und D unterschiedliche Esterase- und Lipase-Profile aufweisen. Esterase-Aktivität konnte in allen 4 Varianten aufgefunden werden, aber die Varianten Est4A und C zeigten zusätzlich Lipaseaktivitäten mit unterschiedlicher Stereopräferenz. Est4B wurde im folgenden zur Klonierung der Esterase verwendet.Strains and the only difference between the two is that Est4A produces lecithinase but not Est4B. After receiving the separate strains from the DSMZ, the ß. subW / s strain Est4A was cultivated on LB agar plates, several morphological variants again being observed. It seems so that these variants represent different morphological forms of one and the same strain, and that these are not contaminating strains. Under the light microscope, the different variants showed the same shape, but different mobility. It has also been shown that Est4A, B, C and D have different esterase and lipase profiles. Esterase activity could be found in all 4 variants, but the variants Est4A and C additionally showed lipase activities with different stereo preferences. Est4B was subsequently used to clone the esterase.
Beispiel 2: Bakterienstämme und WachstumsmedienExample 2: Bacterial strains and growth media
Die Bacillus subtilis-Stämme Est4A, Est4B, Est4C und Est4D wurden von Tributyrin- Emulsions-Agarplatten isoliert und anschließend auf Luria Broth (LB)-Agarplatten kultiviert. E. coli SURE und der Klonierungsvektor pBluescript SK(-) von Stratagene (La Jolla, CA, USA) wurden für die Standard-Klonierungsexperimente verwendet. E. coli BL21 (DE3) (Stratagene) wurde als Wirt für die Enzym-Produktion verwendet.The Bacillus subtilis strains Est4A, Est4B, Est4C and Est4D were isolated from tributyrin emulsion agar plates and then cultivated on Luria Broth (LB) agar plates. E. coli SURE and the cloning vector pBluescript SK (-) from Stratagene (La Jolla, CA, USA) were used for the standard cloning experiments. E. coli BL21 (DE3) (Stratagene) was used as a host for enzyme production.
Der Vektor pMS470Δ8, der für die heterologe Enzymexpression verwendet wurde, war ein Geschenk von E. Lanka (18).The vector pMS470Δ8 used for heterologous enzyme expression was a gift from E. Lanka (18).
E. co/7-Zellen wurden normalerweise bei 37 °C in LB-Medium, enthaltend 100 mg/l Ampicillin, wachsen gelassen. Zur Herstellung der Tributyrin-Emulsions-Agarplatten, wurden 5-7 g/l Tributyrin zum geschmolzenen Agar hinzugegeben und anschließend erfolgte Emulsifizierung durch Sonifikation mit einem Ultrathurax-Homogenisiergerät, bevor der Agar in die Schalen gegossen wurde.E. co / 7 cells were normally grown at 37 ° C in LB medium containing 100 mg / l ampicillin. To prepare the tributyrin emulsion agar plates, 5-7 g / l tributyrin was added to the melted agar and then emulsified by sonification with an ultrathurax homogenizer before the agar was poured into the dishes.
Beispiel 3: Herstellung und Screeninq einer genomischen Bibliothek von ß. subtilis Est4BExample 3: Preparation and Screening of a Genomic Library of β. subtilis Est4B
Genomische DNA von ß. subtilis Est4B wurde unter Verwendung des Qiagen (Qiagen, Hilden, Deutschland) Genomic Kit (Tip 500) aus Zellen isoliert, die über Nacht bei 37 °C in LB-Medium gewachsen waren. 10 μg der genomischen DNA wurde partiell mit Sau3AI (Röche, Mannheim, Deutschland) verdaut. Die Fragmente wurden mittels Agarosegel-Elektrophorese nach der Größe aufgetrennt undGenomic DNA from ß. subtilis Est4B was isolated using the Qiagen (Qiagen, Hilden, Germany) Genomic Kit (Tip 500) from cells that had grown overnight in LB medium at 37 ° C. 10 μg of the genomic DNA was partially digested with Sau3AI (Röche, Mannheim, Germany). The fragments were separated by size using agarose gel electrophoresis and
Fragmente mit einer Größe zwischen 4-8 kb wurden aus dem Gel herausgeschnitten und unter Verwendung des Qiaex DNA Elution Kit (Qiagen) gereinigt. Die genomischen DNA-Fragmente wurden in die ßamHI-Restriktionsschnittstelle des
Vektors pBluescript SK(-) ligiert. Die Transformation von E. coli SURE-Zellen wurde direkt mit diesem Ligationsansatz durchgeführt, ohne vorherige Amplifikation der Bibliothek.Fragments between 4-8 kb in size were excised from the gel and purified using the Qiaex DNA Elution Kit (Qiagen). The genomic DNA fragments were inserted into the ßamHI restriction site of the Vector pBluescript SK (-) ligated. The transformation of E. coli SURE cells was carried out directly with this ligation approach, without prior amplification of the library.
Aktive Klone wurden mit einem Agarplatten-Filterpapier-Esteraseassay [13, 14] identifiziert. 2-Chlorpropionsäure-2-naphthylester wurde als Substrat zum Screenen der Bibliothek verwendet. Ein Klon, der E. coli (pTB3) genannt wurde, wurde isoliert und das Insert des Plasmids pTB3 wurde sequenziert. Die Sequenz ist in Fig. 1 dargestellt. Sie zeigt, dass das Insert an einem Ende auf unübliche Weise mit dem Bluescript-Vektor SK(-) ligiert ist.Active clones were identified using an agar plate filter paper esterase assay [13, 14]. 2-Chloropropionic acid-2-naphthyl ester was used as the substrate for screening the library. A clone called E. coli (pTB3) was isolated and the insert of the plasmid pTB3 was sequenced. The sequence is shown in Fig. 1. It shows that the insert is unusually ligated to the Bluescript vector SK (-) at one end.
Beispiel 4: Sequenzanalvse des ORF (open readinq frames) von pTB3 Plasmid-DNA wurde unter Verwendung eines Plasmid-DNA-Isolationskits (Qiagen) gereinigt und das Insert wurde mittels eines automatisierten Sequenziergeräts (ABI 373A Automated Sequencer) und unter Verwendung des Dye Deoxy Terminator Sequencing Kits von Perkin Eimer Biosystems (California, USA) sequenziert. DNA- und Proteinsequenzen wurden mit dem GCG Program Package (Genetics Computer Group, Madison, Wisconsin, USA) analysiert.Example 4: Sequence analysis of the ORF (open readinq frames) of pTB3 plasmid DNA was purified using a plasmid DNA isolation kit (Qiagen) and the insert was analyzed using an automated sequencer (ABI 373A Automated Sequencer) and using the Dye Deoxy Terminator Sequencing kits sequenced by Perkin Elmer Biosystems (California, USA). DNA and protein sequences were analyzed using the GCG Program Package (Genetics Computer Group, Madison, Wisconsin, USA).
Die Sequenzanalyse ergab, dass durch das Bacillus subtilis DNA-Fragment, das im Vektor pTB3 enthalten ist, ein Protein vollständig sowie zwei Proteine partiell kodiert werden (Fig. 2). Der partiell enthaltene ORF1 , der für den C-Terminus eines Proteins kodiert, zeigt große Aminosäure-Sequenz-Homologie zu integrierten Thioesterasen von Surfactin-Synthetase-Genclustem. 98 % Aminosäuresequenzhomologie wurde gefunden zu dem putativen Surfactin-Synthetase-Protein SrfC aus Bacillus subtilis A13. Die Gensequenz dieses stark homologen Proteins besitzt in der NCBI- Datenbank die Accession No. AF233756.The sequence analysis showed that the Bacillus subtilis DNA fragment contained in the vector pTB3 completely encoded one protein and two proteins partially (FIG. 2). The partially contained ORF1, which codes for the C-terminus of a protein, shows great amino acid sequence homology to integrated thioesterases from surfactin synthetase gene clusters. 98% amino acid sequence homology was found for the putative surfactin synthetase protein SrfC from Bacillus subtilis A13. The gene sequence of this highly homologous protein has Accession No. in the NCBI database. AF233756.
Der ORF2 kodierte für ein Protein mit 243 Aminosäuren und wurde Est4B1 genannt. Dieses Protein ist homolog zu einer putativen eigenständigen und nicht C-terminal fusionierten Thioesterase aus Bacillus subtilis A13 (Accession No. AAF87217) und zu der Untereinheit 4 einer Surfactin-Synthetase aus Bacillus subtilis ATCC 21332, die auch als Kälteschockprotein CSI16 (Accession No. Q08788) bekannt ist. DieThe ORF2 encoded a protein with 243 amino acids and was named Est4B1. This protein is homologous to a putative independent and non-C-terminally fused thioesterase from Bacillus subtilis A13 (Accession No. AAF87217) and to subunit 4 of a surfactin synthetase from Bacillus subtilis ATCC 21332, which is also known as cold shock protein CSI16 (Accession No. Q08788 ) is known. The
Funktion der Surfactin-Synthetase blieb bislang ungeklärt. Jedoch gibt es Vermutungen, dass es in die Termination der Peptidsynthese oder in die Freisetzung falsch geladener Moleküle involviert ist [28].
Interessanterweise zeigte die vorhergesagte Struktur von Est4B1 eine stärkere Homologie zu anderen Enzymen der Familie der alpha/beta-gefalteten Hydrolasen als etwa zu den Esterasen und Lipasen dieser Familie. Die stärkste Homologie wurde gefunden zu den folgenden Enzymen: Haloperoxidase L (Streptomyces lividans), Chlorperoxidase F (Pseudomonas fluorescens), Bromperoxidase A2 (Streptomyces aureofaciens), Prolin-Iminopeptidase (Seratia marescens), Haloalkan-Dehalogenase (Xanthobacter autotrophicus) und Hydroxynitril-Lyase (Hevea brasiliensis). Aus diesem Grunde ist davon auszugehen, dass ebenfalls halogenierte Esterverbindungen und Ester mit Stickstoff-haltigen Gruppen von Est4B1 umgesetzt werden können.The function of surfactin synthetase has so far not been clarified. However, there are assumptions that it is involved in the termination of peptide synthesis or in the release of incorrectly charged molecules [28]. Interestingly, the predicted structure of Est4B1 showed greater homology to other enzymes in the alpha / beta-folded hydrolase family than to the esterases and lipases of this family. The strongest homology was found for the following enzymes: Haloperoxidase L (Streptomyces lividans), Chlorperoxidase F (Pseudomonas fluorescens), Bromperoxidase A2 (Streptomyces aureofaciens), Proline-Iminopeptidase (Seratia marescens), Haloalkane-Dehalogenase (Xanthobacter Autotrophic) (Hevea brasiliensis). For this reason it can be assumed that halogenated ester compounds and esters can also be reacted with nitrogen-containing groups of Est4B1.
Beispiel 5: Herstellung des Expressionsklons pMS47QBS1Example 5: Preparation of the expression clone pMS47QBS1
Es wurden PCR-Primer mit Restriktionsschnittstellen für Λ/ctel und Sph\ hergestelltPCR primers with restriction sites for Λ / ctel and Sph \ were produced
(B3ADstart: 5'GAACACACATATGGTCCAGCTC3'. B3ADend: 5ΑGCGCATGCTGTCTGTCATATC3'). Diese Primer wurden hergestellt, um mittels PCR geeignete Restriktionsschnittstellen am 5'- und 3'-Ende des für das Protein Est4B1 kodierenden Gens einführen zu können. Die Reaktion wurde in einem Gesamtvolumen von 50 μl durchgeführt, unter Verwendung von 10 ng Template- DNA (pTB3), 5 μl dNTPs (1 mM jeweils), 200 ng von jedem Primer, 5 μl PCR-Puffer (10 x Dynazyme) und 2 Einheiten (Units) Dynazyme DNA-Polymerase (Finnzyme, Espoo, Finnland). Es wurden 6 Zyklen mit 94 °C (1 min), 38°C (2 min) und 72 °C (2 min) durchgeführt, gefolgt von 23 Zyklen mit 94 °C (1 min), 65 °C (2 min) und 72 °C (2 min). Das PCR-Produkt wurde gereinigt unter Verwendung des Qiaquick PCR Purification Kit (Qiagen) und anschließend mit Λ/ el und Sph\ verdaut. Anschließend erfolgte Ligation in das Expressionsplasmid pMS470 unter Ersatz des lnserts des Vektors pMS470Δ8. Dieser Vektor enthält den stark regulierten fac-Promoter und ermöglicht den Einbau des Gens an ein ATG-Startkodon in 3'-Richtung von einer hoch effizienten Shine Dalgarno Sequenz, die vom T7-Gen 10 herstammt. Das so erhaltene Konstrukt wurde pMS470BS1 genannt. E. coli wurde mit dem so erhaltenen Plasmid transformiert. Klone, die Esterase- Aktivität zeigten, wurden durch den zuvor beschriebenen Agarplatten-Filterpapier- Assay identifiziert. Die Plasmid-DNA eines positiven Klons wurde nach der Isolation
sequenziert, um zu bestimmen, ob die Sequenz mit der nativen Sequenz übereinstimmt.(B3ADstart: 5'GAACACACATATGGTCCAGCTC3 '. B3ADend: 5ΑGCGCATGCTGTCTGTCATATC3'). These primers were prepared in order to be able to introduce suitable restriction sites at the 5 'and 3' ends of the gene coding for the protein Est4B1 by means of PCR. The reaction was carried out in a total volume of 50 ul, using 10 ng template DNA (pTB3), 5 ul dNTPs (1 mM each), 200 ng of each primer, 5 ul PCR buffer (10 x Dynazyme) and 2 Units Dynazyme DNA polymerase (Finnzyme, Espoo, Finland). 6 cycles of 94 ° C (1 min), 38 ° C (2 min) and 72 ° C (2 min) were carried out, followed by 23 cycles of 94 ° C (1 min), 65 ° C (2 min) and 72 ° C (2 min). The PCR product was purified using the Qiaquick PCR Purification Kit (Qiagen) and then digested with Λ / el and Sph \. This was followed by ligation into the expression plasmid pMS470, replacing the insert of the vector pMS470Δ8. This vector contains the highly regulated fac promoter and enables the gene to be incorporated into an ATG start codon in the 3 'direction from a highly efficient Shine Dalgarno sequence which is derived from the T7 gene 10. The construct thus obtained was named pMS470BS1. E. coli was transformed with the plasmid thus obtained. Clones showing esterase activity were identified by the agar plate filter paper assay described above. The plasmid DNA of a positive clone was isolated after isolation sequenced to determine if the sequence matches the native sequence.
Beispiel 6: Herstellung der Esterase Est4B1 Eine Vorkultur von E. coli BL21 (pMS470BS1) wurde hergestellt durch Kultivierung der Zellen in LB-Medium mit 100 mg/l Ampicillin über Nacht bei 37 °C unter Schütteln. Diese Über-Nacht-Kultur wurde verwendet, um 100 ml LB-Medium in einem 300 ml Erlenmeyer-Kolben anzuimpfen. Unter Schütteln wurden die Zellen bei 37 °C wachsen gelassen, bis die Kultur sich mitten in der logarithmischen Wachstumsphase befand. Schließlich wurde die Hauptkultur (300 ml in 1 I-Kolben) mit 10 ml der zweiten Vorkultur angeimpft. Zur Induktion der Expression wurde unmittelbar nach der Animpfung eine 1 M Laktose-Stammlösung hinzugegeben, um eine finale Konzentration von 10 mM einzustellen. Die Zellen wurden für weitere 12- 14 Stunden bei 37 °C kultiviert und anschließend durch Zentrifugation geerntet. Das Zeil-Sediment wurde in 20 ml Tris-HCI-Puffer (0,1 M, pH 7.5) resuspendiert und nachExample 6: Preparation of the esterase Est4B1 A preculture of E. coli BL21 (pMS470BS1) was prepared by culturing the cells in LB medium with 100 mg / l ampicillin overnight at 37 ° C. with shaking. This overnight culture was used to inoculate 100 ml LB medium in a 300 ml Erlenmeyer flask. With shaking, the cells were grown at 37 ° C until the culture was in the middle of the logarithmic growth phase. Finally, the main culture (300 ml in 1 l flask) was inoculated with 10 ml of the second preculture. To induce expression, a 1 M lactose stock solution was added immediately after inoculation in order to set a final concentration of 10 mM. The cells were cultivated for a further 12-14 hours at 37 ° C. and then harvested by centrifugation. The Zeil sediment was resuspended in 20 ml Tris-HCl buffer (0.1 M, pH 7.5) and after
Zugabe von 1 Einheit (Unit) Benzonase pro Kolben eingefroren. Die Zellsuspension wurde aufgetaut und durch Sonifikation lysiert (Branson Sonifier 250, gepulste Sonifikation für 6 min). Die Zellreste wurden durch Zentrifugation mit 100.000 g für 1 Stunde abgetrennt. Der Überstand mit dem löslichen Est4B1 -Protein wurde aliquotiert und bei -18 °C eingefroren.Add 1 unit benzonase per flask frozen. The cell suspension was thawed and lysed by sonification (Branson Sonifier 250, pulsed sonification for 6 min). The cell residues were separated by centrifugation at 100,000 g for 1 hour. The supernatant with the soluble Est4B1 protein was aliquoted and frozen at -18 ° C.
Auf diese Weise konnte die Esterase Est4B1 in sehr großer Ausbeute erhalten werden. Die Expression der Esterase war sehr stark im Vergleich zur Expression anderer Esterasen, die unter denselben Bedingungen produziert worden waren. Dies deutete darauf hin, dass der Codon-Gebrauch in diesem Bacillus subtilis-Gen sehr gut für die Expression in E coli geeignet ist. Insbesondere die ersten 150 Codons weisen im Vergleich zu den entsprechenden Codons aus Esterasen aus anderen Organismen einen niedrigeren GC-Gehalt auf, so dass weniger schwerschmelzende RNA-Strukturen vorliegen und damit die Expression in E. coli erleichtert wird.In this way, the esterase Est4B1 could be obtained in very high yield. The expression of the esterase was very strong compared to the expression of other esterases that were produced under the same conditions. This indicated that the codon use in this Bacillus subtilis gene is very well suited for expression in E. coli. The first 150 codons in particular have a lower GC content compared to the corresponding codons from esterases from other organisms, so that there are fewer melting RNA structures and thus the expression in E. coli is facilitated.
Beispiel 7: Reinigung der Esterase Est4B1Example 7: Purification of the esterase Est4B1
Das Protein wurde durch ein Zweischritt-Verfahren gereinigt. Der Überstand wurde hierzu auf eine 15 ml QFF-Säule gegeben (Amersham Pharmacia, Uppsala,
Schweden) und unter Vorgabe eines Stufengradienten, beginnend mit Puffer A (10 mM Tris-HCI, pH 7.5) unter Erhöhung des Anteils an Puffer B (10 mM Tris-HCI, pH 7.5, 2M NaCI), eluiert. Der Hauptteil von Est4B1 wurde eluiert, indem 15 ml Puffer mit einem Anteil von 8.5 % Puffer B über die Säule gegeben wurde und anschließend weitere 30 ml Puffer über die Säule gegeben wurde, wobei ein flacherThe protein was purified by a two step process. The supernatant was placed on a 15 ml QFF column (Amersham Pharmacia, Uppsala, Sweden) and using a step gradient, starting with buffer A (10 mM Tris-HCl, pH 7.5) and increasing the proportion of buffer B (10 mM Tris-HCl, pH 7.5, 2M NaCl). The majority of Est4B1 was eluted by passing 15 ml of buffer containing 8.5% of buffer B over the column and then passing a further 30 ml of buffer over the column, with a flat one
Gradient angelegt wurde, so dass sich der Anteil an Puffer B von 8.5 % auf 13 % erhöhte. Die Fraktionen mit dem Enzym wurden anschließend vereint und auf 5-8 ml durch Ultrafiltration mit den Zentrifugationssäulchen Centricon YM-10 (Millipore, Bedford, USA) eingeengt. Zur weiteren Reinigung wurde eine Gelfiltration mit einer Pharmacia Sephacryl S-100 HR in XK 26/70-Säule bei einer Flussrate von 4 ml min"1 durchgeführt. Est4B1 wurde auf diese Weise in sehr sauberer Form erhalten. Mittels MALDI wurde für das Molekulargewicht des Enzyms ein Wert von 27445 Da bestimmt. Jedoch betrug das berechnete mittlere Molekulargewicht 27760 Da. Dieser kleine Unterschied ist möglicherweise zurückzuführen auf eine posttranslationale N-terminale Modifikation der ersten Aminosäuren oder aber aufGradient was applied so that the proportion of buffer B increased from 8.5% to 13%. The fractions with the enzyme were then combined and concentrated to 5-8 ml by ultrafiltration using the Centricon YM-10 centrifugation columns (Millipore, Bedford, USA). For further purification, gel filtration was carried out with a Pharmacia Sephacryl S-100 HR in an XK 26/70 column at a flow rate of 4 ml min "1. Est4B1 was obtained in a very clean form in this way. MALDI was used to determine the molecular weight of the Enzyme determined a value of 27445 Da, however, the calculated average molecular weight was 27760 Da This small difference may be due to a post-translational N-terminal modification of the first amino acids or else
Ungenauigkeiten bei der Massenspektrometrie.Inaccuracies in mass spectrometry.
Beispiel 8: Kristallisation des Proteins Est4B1Example 8: Crystallization of the Est4B1 protein
Für die Kristallisationsexperimente wurde eine Enzymlösung mit einer Proteinkonzentration von 6,5 mg/ml eingesetzt. Es wurde die Dampfdruck-An enzyme solution with a protein concentration of 6.5 mg / ml was used for the crystallization experiments. The vapor pressure
Diffusions-Methode des hängenden Tropfens (hangig drop) angewendet. Hierzu wurden in einer dem Fachmann bekannten Weise silikonisierte Glasplättchen und Linbro-Kulturplatten mit 24 Vertiefungen verwendet. Die Glasplättchen mit den Tropfen wurden auf die Vertiefungen aufgebracht und anschließend erfolgte Abdichtung unter Verwendung von Hochvakuum-Fett. Zur Herstellung der Tropfen wurden 5 μl Proteinlösung und 5 μl der Fällungsmittel enthaltenden Lösung, die dem in die Vertiefung aufgetragenen 750 μl-Reservoir entnommen wurde, miteinander vermischt. Die Experimente wurden vorzugsweise bei 20 °C ausgeführt. Als Standard wurde der Coarse Matrix Crystallization Screen von Hampton verwendet. Platten-förmige Kristalle wurden unter folgenden Bedingungen beobachtet: 28%Diffusion method of hanging drop (hangig drop) applied. For this purpose, siliconized glass plates and Linbro culture plates with 24 wells were used in a manner known to the person skilled in the art. The glass plates with the drops were applied to the wells and then sealed using high vacuum grease. To prepare the drops, 5 μl of protein solution and 5 μl of the precipitant-containing solution, which was taken from the 750 μl reservoir applied in the well, were mixed together. The experiments were preferably carried out at 20 ° C. Hampton's Coarse Matrix Crystallization Screen was used as the standard. Plate-shaped crystals were observed under the following conditions: 28%
PEG 4000, 0.2 M NaAc, 0.1 M Tris-HCI, pH 7.5. Die erhaltenen Kristalle stellen einen wichtigen Schritt zur Lösung der 3D-Struktur dieser Klasse von hydrolytischen Enzymen dar.
Beispiel 9: Enzvm-Assavs zur Bestimmung der hydrolytischen Aktiviät von Est4B1PEG 4000, 0.2 M NaAc, 0.1 M Tris-HCl, pH 7.5. The crystals obtained represent an important step in solving the 3D structure of this class of hydrolytic enzymes. Example 9: Enzvm Assavs for Determining the Hydrolytic Activity of Est4B1
Aqarplatten-Filterpapier-AssayAqarplatten filter paper assay
Positive Signale mit dem Agarplatten-Filterpapier-Assay hinsichtlich der Hydrolyse von 2-Chlorpropionsäure-2-naphthylester zeigten, dass Est4B1 Esterase-Aktivität besitzt. Rohlysate von E. coli BL21(DE3) oder gereinigtes Enzym wurden für die weitere Analyse der Esterase-Aktivität dieses Enzyms verwendet.Positive signals with the agar plate filter paper assay regarding the hydrolysis of 2-naphthyl 2-chloropropionate showed that Est4B1 has esterase activity. Crude lysates from E. coli BL21 (DE3) or purified enzyme were used for further analysis of the esterase activity of this enzyme.
Photometrischer Assay Esterase-Aktivität wurde photometrisch in Tris-HCI-Puffer (100 mM, pH 7.0) mittels ortho- und para-Nitrophenyl-butyrat (4 mM in DMSO) als Substrate gemessen. Die Menge an Nitrophenol, die bei der enzymatischen Reaktion freigesetzt wurde, wurde photometrisch bei 405 nm und Raumtemperatur bestimmt. Eine Aktivitätseinheit ist definiert als die Menge an Enzym, die 1 μmol Alkohol min"1 unter den Assay- Bedingungen freisetzt. Unter den vorgegebenen Bedingungen betragen die Extinktionskoeffizienten von ortho- und para-Nitrophenol 2,42 bzw. 9,6 ml μmol/ 1 cm. Bei dem photometrischen Assay mit 4-Nitrophenylbutyrat konnte eine spezifische Aktivität von 0,3 U/mg festgestellt werden, während mit 2-Nitrophenylbutyrat als Substrat ein Wert geringer als 0,01 U/mg ermittelt wurde. Die Ergebnisse zum photometrischen und alkalimetrischem Assay sind in Tab. 1 zusammengefaßt.Photometric assay Esterase activity was measured photometrically in Tris-HCl buffer (100 mM, pH 7.0) using ortho- and para-nitrophenyl butyrate (4 mM in DMSO) as substrates. The amount of nitrophenol released in the enzymatic reaction was determined photometrically at 405 nm and room temperature. An activity unit is defined as the amount of enzyme which releases 1 μmol alcohol min −1 under the assay conditions. Under the given conditions, the extinction coefficients of ortho- and para-nitrophenol are 2.42 and 9.6 ml μmol / 1, respectively In the photometric assay with 4-nitrophenyl butyrate, a specific activity of 0.3 U / mg was determined, while with 2-nitrophenyl butyrate as the substrate, a value of less than 0.01 U / mg was determined Assays are summarized in Table 1.
Enzym-Präparationen, die durch Anionenaustauschchromatographie gereinigt worden waren, wurden in der alkalimetrischen Titration eingesetzt.Enzyme preparations that had been purified by anion exchange chromatography were used in the alkali titration.
Alkalimetrische TitrationAlkalimetric titration
Esterase-Aktivität von Est4B1 in Hinsicht auf Tributyrin, 3-Hydroxybuttersäure- ethylester und 2-Chlorpropionsäure-methylester wurde durch alkalimetrische Titration bestimmt unter Verwendung des Autotitrators Mettler DL 21 von Mettler Toledo (Schweiz). Hierzu wurden 50 ml 20 mM NaH2PO4-Lösung mit 100 μl Substrat und 0,75 ml BS1-Lysat (entsprechend 56 U Esterase, bestimmt unter Verwendung von para-Nitrophenylbutyrat) bei pH 7.5 und 30 °C verwendet. Es konnte hierbei eine Aktivität von Est4B1 hinsichtlich 2-Chlorpropionsäure- methylesters von 0,5 U/mg Protein ermittelt werden. Als pH-Optimum für die
Hydrolyse wurde ein Wert von 8 ermittelt. Die Aktivität war stark reduziert bei einem pH-Wert kleiner 6,5. Das Protein präzipitierte bereits im leicht sauren Bereich. Die hydrolytische Aktivität hinsichtlich 3-Hydroxybuttersäure-ethylester war geringer als 0,01 U/mg. Keine Aktivität konnte festgestellt werden mit Tributyrin als Substrat.Esterase activity of Est4B1 with respect to tributyrin, ethyl 3-hydroxybutyrate and methyl 2-chloropropionate was determined by alkali titration using the Mettler DL 21 autotitrator from Mettler Toledo (Switzerland). For this purpose, 50 ml of 20 mM NaH 2 PO 4 solution with 100 μl of substrate and 0.75 ml of BS1 lysate (corresponding to 56 U esterase, determined using para-nitrophenyl butyrate) at pH 7.5 and 30 ° C. were used. An activity of Est4B1 with regard to methyl 2-chloropropionate of 0.5 U / mg protein was determined. As the optimum pH for the Hydrolysis was found to be 8. The activity was greatly reduced at a pH of less than 6.5. The protein already precipitated in the slightly acidic range. The hydrolytic activity for 3-hydroxybutyric acid ethyl ester was less than 0.01 U / mg. No activity was observed with tributyrin as the substrate.
Tab. 1 : Substrate, die auf Hydrolyse durch Est4B1 photometrisch oder alkalimetrisch untersucht wurdenTab. 1: Substrates that were examined for hydrolysis by Est4B1 photometrically or alkalimetrically
+ = starke Aktivität, +/- = schwache Aktivität, - = keine Aktivität, n.d = nicht ermittelt + = strong activity, +/- = weak activity, - = no activity, nd = not determined
Dünnschichtchromatographie (TLC)Thin layer chromatography (TLC)
Die dünnschichtchromatographischen (TLC) Experimente wurden durchgeführt, indem 100 μl Bakterien-Rohlysat der Est4B1 überexprimierenden Kulturen in 0,5 ml Puffer (0,1 NaH2P0 , pH 7.3) suspendiert wurden. Als Negativ-Kontrolle wurde jeweils Rohlysat von Zellen ohne Vektor verwendet. Nach der Zugabe des Substrats (20 μl) wurde die Mischung auf einem Drehschüttler (150 rpm) bei Raumtemperatur (25° C) geschüttelt. Nach 2 und 4 Stunden sowie nach 1 Tag (20-24 Stunden) wurden Proben entnommen und direkt mittels TLC analysiert, wobei Merck Silicagel 60 F254 verwendet wurde. Soweit technisch realisierbar wurden die in Tab. 4 angegebenen Substrate in der TLC eingesetzt.The thin-layer chromatographic (TLC) experiments were carried out by suspending 100 μl of crude bacteria lysate from the cultures overexpressing Est4B1 in 0.5 ml of buffer (0.1 NaH 2 PO, pH 7.3). Crude lysate from cells without a vector was used as a negative control. After the addition of the substrate (20 μl), the mixture was shaken on a rotary shaker (150 rpm) at room temperature (25 ° C.). Samples were taken after 2 and 4 hours and after 1 day (20-24 hours) and analyzed directly by TLC using Merck Silicagel 60 F 254 . As far as technically feasible, the substrates specified in Table 4 were used in the TLC.
Die Zusammensetzung des Elutionsmittels (Cyclohexan/Ethylacetat) und die Visualisiemngsmethode (Besprühen mit Vanillin/H2SO conc. oder Cerammonium- molybdat sowie Wärmebehandlung und/oder UV-Detektion) wurden in Abhängigkeit vom Substrat ausgewählt.
Beispielsweise wurde für die Substrate Octanyl-2-acetat und 2-Chlor-propionsäure- 2-naphthylester zur Elution eine Mischung aus Benzin/Ethylacetat (3:1) verwendet und die Produkte wurden sichtbar gemacht, indem sie mit Vanillin/H2S04 conc. besprüht wurden. Für die Substrate Mandelsäure-ethylester und 3- Hydroxybutansäure-ethylester wurde zur Elution eine Mischung aus Benzin/Ethylacetat (1:1) eingesetzt. Die entstandenen Verbindungen wurden im Falle des Mandelsäure-ethylesters sichtbar gemacht durch UV-Detektion, im Falle des Hydroxybutansäure-ethylesters durch Besprühen mit Cerammonium-molybdat. Die genannten Substrate wurden von Sigma (St. Louis, MO, USA) bezogen, mit Ausnahme des 2-Chlor-propionsäure-2-naphthylesters und des 2-Octanylacetats, die als Geschenk von Michael Schmidt vom Institut für organische Chemie (TU Graz) erhalten wurden.The composition of the eluent (cyclohexane / ethyl acetate) and the visualization method (spraying with vanillin / H 2 SO conc. Or cerammonium molybdate as well as heat treatment and / or UV detection) were selected depending on the substrate. For example, a mixture of petrol / ethyl acetate (3: 1) was used for the substrates octanyl-2-acetate and 2-chloropropionic acid-2-naphthyl ester for elution and the products were made visible by vanilla / H 2 SO 4 conc . were sprayed. A mixture of petrol / ethyl acetate (1: 1) was used for the elution for the substrates mandelic acid ethyl ester and 3-hydroxybutanoic acid ethyl ester. The resulting compounds were made visible by UV detection in the case of the mandelic acid ethyl ester and by spraying with cerammonium molybdate in the case of the hydroxybutanoic acid ethyl ester. The substrates mentioned were obtained from Sigma (St. Louis, MO, USA), with the exception of the 2-chloropropionic acid-2-naphthyl ester and the 2-octanylacetate, which were given by Michael Schmidt from the Institute of Organic Chemistry (Graz University of Technology) were obtained.
Die hydrolytische Aktivität der Esterase hinsichtlich der Substrate konnte ermittelt werden durch die Konversionsrate des Acetats in den entsprechenden Alkohol bzw. des Esters in die entsprechende Säure. Die Konversionsrate wurde in der TLC ermittelt auf Grundlage der Farbintensitäten des Ausgangsmaterials und der Produkte. Tab. 2 gibt einen Überblick über die Ergebnisse zur TLC.The hydrolytic activity of the esterase with respect to the substrates could be determined by the conversion rate of the acetate into the corresponding alcohol or of the ester into the corresponding acid. The conversion rate was determined in the TLC on the basis of the color intensities of the starting material and the products. Tab. 2 gives an overview of the results of the TLC.
Tab. 2: Ergebnisse der TLC-Analyse (+ schwache Aktivität (<20% Konversion); ++ hohe Aktivität (~20-50% Konversion): - keine nachweisbare Aktivität: zur Numerierung der Substrate s. Tab. 4)Tab. 2: Results of the TLC analysis (+ weak activity (<20% conversion); ++ high activity (~ 20-50% conversion): - no detectable activity: for numbering the substrates see Tab. 4)
Est4BEst4B
1 -1 -
3 +3 +
4 ++4 ++
5 -5 -
6 ++6 ++
7 -7 -
8 -8th -
9 ++9 ++
10 -10 -
11 ++11 ++
13 ++13 ++
15 -15 -
16 -
Es wurde so etwa beobachtet, dass nach 20 Stunden der Großteil des 2- ChIorpropionsäure-2-naphthylesters durch Est4B1 hydrolysiert worden ist, während eine Hydrolyse von Mandelsäureethylester (15, 16) oder Octanoyl-2-acetat nicht beobachtet werden konnte. Insgesamt konnten 5 Substrate ausfindig gemacht werden, die hinsichtlich industrieller Anwendungen in ausreichender Weise durch die Esterase Est4B1 konvertiert werden (gekennzeichnet mit ++ in Tab. 2) und die anschließend auf Selektivität des Umsatzes hin untersucht werden konnten. Alle Substrate, bei denen bis zu etwa 50% Umsatz vorlag, wurden in weiteren Untersuchungen eingesetzt, um die Enantioselektivität des Umsatzes zu untersuchen.16 - It was observed, for example, that after 20 hours the majority of the 2-chloropropionic acid 2-naphthyl ester had been hydrolyzed by Est4B1, while hydrolysis of ethyl mandelate (15, 16) or octanoyl-2-acetate was not observed. A total of 5 substrates could be found, which are sufficiently converted by the esterase Est4B1 (marked with ++ in Table 2) with regard to industrial applications and which could then be examined for selectivity of the conversion. All substrates with up to about 50% conversion were used in further investigations to investigate the enantioselectivity of the conversion.
Die Aktivität der Esterase hinsichtlich der Verbindungen 2 und 12 mußte mittels Gaschromatograpie untersucht werden, da Verbindung 12 nicht durch TLC visualisiert werden kann und Verbindung 2 sehr flüchtig ist. Desweiteren ist die bei der Umsetzung von Verbindung 14 entstehende Säure (R,S)- 3-Hydroxy-2-methy!-propionsäure kein stabiles Produkt, so dass auch die Untersuchung dieser Reaktion mittels TLC nicht möglich war.The activity of the esterase with regard to the compounds 2 and 12 had to be examined by means of gas chromatography, since compound 12 cannot be visualized by TLC and compound 2 is very volatile. Furthermore, the acid (R, S) - 3-hydroxy-2-methy! -Propionic acid formed in the reaction of compound 14 is not a stable product, so that the investigation of this reaction by means of TLC was also not possible.
Chirale Gaschromatographie (GC) und high pressure liquid chromatographv (HPLC) Die Aktivitäts-Analyse wurde in wässrigem Natriumphosphat-Puffer (0,1 M; pH 7.3) durchgeführt. Normalerweise wurden 5 ml Puffer mit 250 μl Enzym gemischtChiral gas chromatography (GC) and high pressure liquid chromatograph (HPLC) The activity analysis was carried out in aqueous sodium phosphate buffer (0.1 M; pH 7.3). Usually 5 ml buffer was mixed with 250 μl enzyme
(Bakterien-Rohlysat) und 100 μl Substrat hinzugegeben. Die so erhaltene Mischung wurde auf einem Rührschüttler mit 150 rpm bei Raumtemperatur (ca. 25°C) geschüttelt. Nach 2, 5 und ungefähr 20 Stunden wurden Proben genommen und die Reaktion wurde durch Zugabe von 0,5 ml CH2CI2 gestoppt. Nach der Extraktion,(Bacterial crude lysate) and 100 μl of substrate are added. The mixture thus obtained was shaken on a stirred shaker at 150 rpm at room temperature (approx. 25 ° C.). Samples were taken after 2, 5 and about 20 hours and the reaction was stopped by adding 0.5 ml CH 2 Cl 2 . After extraction,
Zentrifugation und Abtrennung der wässrigen Phase wurde die organische Phase über Natriumsulfat getrocknet. Ein 1 μl-Aliquot wurde für die GC verwendet, nachdem es mittels einer Filtermembran (Nylon, 03 mm, 0.2μm, Roth) gefiltert worden war.Centrifugation and separation of the aqueous phase, the organic phase was dried over sodium sulfate. A 1 µl aliquot was used for the GC after being filtered through a filter membrane (nylon, 03 mm, 0.2 µm, Roth).
Die enantiomere Reinheit des Produkte wurde auf einer 2,3,6-Tri-O-methyl-ß- cyclodextrin-Säule (Chrompack Chirasil-Dex-CB, 25 m x 0.32 mm, 0.25μm film, H2) bestimmt.
2-Chlorpropionsäure-2-naphthylester 11 und 1-Acetoxy-2-phthalimido-butan 6 wurden so der HPLC-Analyse unterworfen. Im ersten Fall konnte jedoch nur der Ester durch UV beobachtet werden, während in Bezug auf die Verbindung 6 nur der korrespondierende Alkohol auf einer Chiralcel OD-H Säule (Daicel 25 cm x 0.46 cm) ermittelt werden konnte.The enantiomeric purity of the product was determined on a 2,3,6-tri-O-methyl-β-cyclodextrin column (Chrompack Chirasil-Dex-CB, 25 mx 0.32 mm, 0.25 μm film, H 2 ). 2-Chloropropionic acid 2-naphthyl ester 11 and 1-acetoxy-2-phthalimido-butane 6 were thus subjected to HPLC analysis. In the first case, however, only the ester could be observed by UV, while in relation to compound 6 only the corresponding alcohol could be determined on a Chiralcel OD-H column (Daicel 25 cm x 0.46 cm).
Folgende Reaktionsbedingungen wurden vorgegeben: Analyse-Parameter für den 6- Alkohol: Heptan : Isopropanol = 90 : 10; Flußrate 0,5 ml min"1, 10°C, UV-Detektion bei 230 nm. Analyse-Parameter für Verbindung 11: Heptan : Isopropanol = 95 : 5, Flußrate 0,5 ml min"1, 10°C, UV-Detektion bei 254nm.The following reaction conditions were specified: Analysis parameters for the 6-alcohol: heptane: isopropanol = 90: 10; Flow rate 0.5 ml min "1 , 10 ° C, UV detection at 230 nm. Analysis parameters for compound 11: heptane: isopropanol = 95: 5, flow rate 0.5 ml min " 1 , 10 ° C, UV Detection at 254nm.
Tab. 3: Ergebnisse der chiralen Gaschromatographie und der HPLC für Substrat 6 (Werte nach 2, 5 und 24 Stunden)Tab. 3: Results of chiral gas chromatography and HPLC for substrate 6 (values after 2, 5 and 24 hours)
Est-4BEst-4B
Ester Alkoho KonversioEster alcohol conversion
I/Säuren ee[% ee[%] [%fI / acids ee [% ee [%] [% f
2ht 31 242h t 31 24
6 5hb 50 406 5h b 50 40
1db 56 63 die Konversion wurde berechnet in Bezug auf die Menge an gebildetem Alkohol bzw. in Bezug auf die Menge an gebildeter Säure b der Ester konnte mittels HPLC nicht aufgelöst werden1d b 56 63 the conversion was calculated in relation to the amount of alcohol formed or in terms of the amount of acid b formed, the ester could not be resolved by HPLC
Obwohl die Bibliothek aus B. subtilis Est4B nach Klonen untersucht wurde, die (R,S)- 2-Chlorpropionsäure-naphty)ester 11 hydrolysieren und die Ergebnisse der TLC- Analyse in Bezug auf Verbindung 11 Hoffnung machten (Tab. 1) konnte keine enantioselektive Hydrolyse dieser Verbindung durch die Esterase Est4B1 beobachtet werden.Although the library from B. subtilis Est4B was examined for clones, the (R, S) - 2-chloropropionic acid 11 hydrolysed and the results of the TLC analysis with regard to compound 11 gave no hope (Table 1) enantioselective hydrolysis of this compound by the esterase Est4B1 can be observed.
In Bezug auf das Substrat 6 (+)-N-Phthaloyl-2-amino-1-butyl-acetat zeigte die Esterase Est4B1 (56% e. e., 63% Konversion) Selektivität in Bezug auf den Alkohol (Tab. 2). Die enantiomere Reinheit des korrespondierenden Acetats konnte bislang nicht bestimmt werden. Hierbei zeigte die Esterase Est4B1 interessanterweise gegenüber drei anderen getesteten Esterasen eine entgegengesetzte Enantiopräferenz.
Est4B1 zeigte in der GC/HPLC fast keine Aktivität und Selektivität in Hinblick auf das Acetat von (R,SJ-3-butin-2-ol (2), Tetrahydrofuran-3-acetat (4), Tetrahydrofuran-2- methyl-ester (9), 3-Hydroxybuttersäure-ethylester (13) und 4-Hydroxyisobuttersäure- methylester (14).With regard to substrate 6 (+) - N-phthaloyl-2-amino-1-butyl acetate, the esterase Est4B1 (56% ee, 63% conversion) showed selectivity with respect to the alcohol (Tab. 2). The enantiomeric purity of the corresponding acetate has not yet been determined. Interestingly, the esterase Est4B1 showed an opposite enantio preference compared to three other esterases tested. Est4B1 showed almost no activity and selectivity with regard to the acetate of (R, SJ-3-butyn-2-ol (2), tetrahydrofuran-3-acetate (4), tetrahydrofuran-2-methyl ester in GC / HPLC (9), 3-hydroxybutyric acid ethyl ester (13) and 4-hydroxyisobutyric acid methyl ester (14).
Herstellung der Substrate:Production of the substrates:
Die Acetate 1 , 2, 4, und 7 und das Butyrat 3, ebenso wie die Methylester 8 und 9 wurden gemäß des folgenden Protokolls hergestellt:Acetates 1, 2, 4, and 7 and butyrate 3, as well as methyl esters 8 and 9, were prepared according to the following protocol:
Eine Lösung von Alkohol (10 mmol) in CH2CI2 (10 ml) wurde mit Säreanhydrid (20 mmol) bei Raumtemperatur behandelt, anschließend wurden Pyridin (20 mmol) und eine katalytische Menge an 4-(Dimethylamino)-pyridin (Merck-Schuchardt) hinzugegeben. Alle Verbindungen wurden mittels Silicagel-Chromatographie oder Kugelrohr-Destillation gereinigt.A solution of alcohol (10 mmol) in CH 2 CI 2 (10 ml) was treated with acid anhydride (20 mmol) at room temperature, then pyridine (20 mmol) and a catalytic amount of 4- (dimethylamino) pyridine (Merck- Schuchardt) added. All compounds were purified using silica gel chromatography or Kugelrohr distillation.
Die Carbonsäure (10 mmol) wurde mit einer katalytischen Menge H2SO4 (conc.) und einem 10-fachen Überschuß Methanol im Rückflussverfahren geführt. Alle Ester wurden mittels Silicagel-Chromatograpie oder Kugelrohrdestillation gereinigt.The carboxylic acid (10 mmol) was carried out with a catalytic amount of H 2 SO 4 (conc.) And a 10-fold excess of methanol in the reflux process. All esters were purified using silica gel chromatography or Kugelrohr distillation.
Substrat 6Substrate 6
Die Aminogruppe (±)-2-Phthalimido-1-butanol (6) (Kumar et al. 1997) wurde nach Standard-Schutzgruppeverfahren geschützt:The amino group (±) -2-phthalimido-1-butanol (6) (Kumar et al. 1997) was protected by standard protective group procedures:
Phthalsäureanhydrid (50 mmol; 7,4 g) und 2-Amino-1-butanol (45,5 mmol; 4,05g) wurden bei einer Temperatur von 140°C geschmolzen. Die Reaktionsmischung wurde mit 200 ml CH2CI2 verdünnt und mit NaHCO3 (4 x 100 ml) und Wasser (4 xPhthalic anhydride (50 mmol; 7.4 g) and 2-amino-1-butanol (45.5 mmol; 4.05 g) were melted at a temperature of 140 ° C. The reaction mixture was diluted with 200 ml CH 2 CI 2 and with NaHCO 3 (4 x 100 ml) and water (4 x
500 ml) gewaschen. Nach dem Trocknen über Na2SO4 erfolgte Acetylierung des Rohproduktes und anschließend Reinigung. Das Acetat wurde nach dem folgenden Verfahren hergestellt: Eine Lösung von Alkohol (28,5 mmol; 6,26 g) in CH2CI2 (10 ml) wurde mit Säureanhydrid (57,1 mmol; 4,52 g) behandelt, anschließend mit Pyridin (57,1 mmol;500 ml) washed. After drying over Na 2 SO 4 , the crude product was acetylated and then purified. The acetate was prepared by the following procedure: A solution of alcohol (28.5 mmol; 6.26 g) in CH 2 Cl 2 (10 ml) was treated with acid anhydride (57.1 mmol; 4.52 g), then with pyridine (57.1 mmol;
4,52 g) und mit einer katalytischen Menge an 4-(Dimethylamino)-pyridin (Merck- Schuchardt) bei Raumtemperatur für 5 Stunden. Zusätzlich wurde eine stöchiometrische Menge Methanol hinzugegeben, um den Überschuß an Säureanhydrid zu zerstören, und die so erhaltene Mischung wurde für 4 Stunden
gerührt. Die Reaktionsmischung wurde mit HCI 0.5 N (2 x 40 ml), NaHCO3 (2 x 50 ml) und Wasser (1 x 50 ml) gewaschen. Nach dem Trocknen über Na2SO wurde das erhaltene Acetat mittels Silicagel-Chromatographie gereinigt (Benzin: Ethylacetat = 2:1).4.52 g) and with a catalytic amount of 4- (dimethylamino) pyridine (Merck-Schuchardt) at room temperature for 5 hours. In addition, a stoichiometric amount of methanol was added to destroy the excess of acid anhydride, and the mixture thus obtained was kept for 4 hours touched. The reaction mixture was washed with HCl 0.5 N (2 x 40 ml), NaHCO 3 (2 x 50 ml) and water (1 x 50 ml). After drying over Na 2 SO 4 , the acetate obtained was purified by means of silica gel chromatography (gasoline: ethyl acetate = 2: 1).
Tabelle 4: Übersicht über einige der getesteten SubstrateTable 4: Overview of some of the substrates tested
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