WO2024125795A1 - Method for isolating taurine from taurine- and hypotaurine-containing fermentation media after microbial fermentation - Google Patents

Method for isolating taurine from taurine- and hypotaurine-containing fermentation media after microbial fermentation Download PDF

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    • C12Y401/01029Sulfinoalanine decarboxylase (4.1.1.29)

Definitions

  • the invention relates to a method for isolating taurine from a fermenter broth after microbial fermentation of a production strain, which comprises the following isolation steps in the order given: (i) isolating the fermentation supernatant by separating the biomass from the fermenter broth, (ii) precipitating taurine from the fermentation supernatant by adding a water-miscible solvent 1, (iii) isolating and dissolving the taurine precipitate in a solvent 2, (iv) crystallizing the dissolved taurine, (v) isolating and optionally drying the crystallized taurine, whereby the isolated taurine is obtained in a purity of >80% (w/w).
  • This provides a simple method for isolating fermentatively produced taurine in high purity.
  • Taurine (2-aminoethanesulfonic acid, CAS number 107-35-7) is an aminosulfonic acid that occurs naturally as a degradation product of the amino acids cysteine and methionine. Taurine is economically important, is a component of energy drinks and is also used in animal feed, e.g. for cats or in fish farming. However, taurine is also said to have health-promoting effects.
  • Taurine is currently produced chemically for commercial use.
  • One well-known process is the Changshu Yudong Chemical Factory, which starts with ethylene and leads to taurine via ethyleneimine.
  • biotechnological processes for producing taurine are increasingly being investigated.
  • taurine occurs almost exclusively in the animal kingdom, with only a few examples of occurrence in plants, algae or bacteria.
  • There are various biosynthetic pathways to taurine see eg the KEGG Pathway database: "Taurine and hypotaurine metabolism", including starting from L-cysteine. The most important synthesis steps that lead from L-cysteine to taurine are shown in equations (1) to (5).
  • L-cysteine is converted by the enzyme cysteine dioxygenase (CDO, EC 1.13.11.20) to L-
  • Cysteine sulfinic acid (3-sulfinoalanine, CAS number 207121-48-0) oxidized.
  • Cysteine sulfinate decarboxylase (CSAD, EC 4.1.1.29) decarboxylates L-cysteine sulfinic acid to hypotaurine (2-aminoethane sulfinic acid, CAS number 300-84-5) and can decarboxylate L-cysteine acid to taurine in a similar reaction.
  • the L-cysteine acid produced in this reaction can then be decarboxylated by a CSAD enzyme according to equation (5).
  • O-phospho-L-serine (OPS) serves as a biosynthetic precursor of L-serine in the L-cysteine metabolism of, for example, Escherichia coli (see, for example, the KEGG Pathway database: "Cysteine and methionine metabolism").
  • a disadvantage of the known biotechnological processes for producing taurine is that product mixtures of hypotaurine and taurine are produced and hypotaurine is often the main product.
  • the yields of known biotechnological processes for producing taurine and hypotaurine are very low and no process for isolating the product from fermentative processes is known.
  • Honjoh et al. (2010) , Amino Acids 38: 173-1183 describe a genetically modified yeast strain that heterologously expresses the CDO and CSAD genes from carp (Cyprinus carpio).
  • L-cysteine was added to the culture of the genetically modified strain, the production of hypotaurine was observed as the main product, along with a smaller amount of taurine.
  • S. cerevisiae is capable of producing cysteine from its own metabolism, the external addition of L-cysteine to the culture medium was necessary to produce hypotaurine. Intracellularly formed taurine was determined analytically, with and without H 2 O2 treatment (Table 1 in Honjoh et al.).
  • WO 17/213142 A1 (Ajinomoto) describes a taurine-producing strain that was obtained by heterologous expression of a cysteine dioxygenase and an L-cysteine sulfinic acid decarboxylase in an originally cysteine-producing strain.
  • the main product was hypotaurine with a maximum yield of 450 pM, which could be converted to taurine by subsequent chemical-alkaline treatment and in low yield.
  • General methods from the state of the art for isolating amino acids such as cation exchange chromatography, membrane filtration and crystallization, were mentioned, but no information was given on the suitability of the methods for isolating taurine, on yields and on the purity of a taurine product that can be achieved.
  • the object of the present invention was to provide a simple process for isolating taurine produced by fermentation in high purity and with high yields while avoiding chromatographic process steps.
  • the object was achieved by a method for isolating taurine from a fermenter broth after microbial fermentation of a production strain, which comprises the following isolation steps in the order given: i. isolating the fermentation supernatant by separating the biomass from the fermenter broth, ii. precipitating taurine from the fermentation supernatant by adding a water-miscible solvent 1, iii. isolating and dissolving the taurine precipitate in a solvent 2, iv. crystallizing the dissolved taurine, v. isolating and optionally drying the crystallized taurine, whereby the isolated taurine is obtained in a purity of >80% (w/w).
  • a significant advantage of the invention is that no chromatographic process steps are necessary, so that a simple process for isolating fermentatively produced taurine in high purity is provided.
  • Chromatographic processes are used to separate a mixture of substances by differently distributing its individual components between a stationary and a mobile phase. In this way, relatively pure substances can be obtained.
  • the state-of-the-art method for isolating taurine by Ma also includes a chromatographic step.
  • the present method does not require any chromatographic process steps and is nevertheless able to isolate taurine with a purity of >80% (w/w).
  • the method according to the invention for isolating taurine thus saves work steps and material and is overall more economical.
  • a process in the sense of the invention is defined as a multi-stage sequence of work steps in which a product is isolated from a batch in a predefined order of successive process steps, also referred to as a processing process or DSP (downstream processing).
  • DSP downstream processing
  • the number of process steps is variable and depends on the desired degree of purity of the product.
  • the present invention for isolating taurine from fermentation batches is a process.
  • Fermentation is a process step for the production (cultivation) of cell cultures on an industrial scale, in which a preferably microbial production strain is grown under defined conditions of culture medium (cultivation medium), Temperature, pH, oxygen supply and medium mixing are used to make the culture medium grow. If necessary, the formation of biomass and target product is optimized by continuously adding media components such as glucose (C source) or a complex amino acid mixture such as yeast extract (N source) as feed in a so-called fed-batch fermentation. The aim of the fermentation is, depending on the configuration (genetic makeup) of the production strain, to produce a protein/enzyme or a metabolic product, in each case with the highest possible yield for further use.
  • the products taurine and hypotaurine can be produced by fermentation.
  • the end product of the fermentation is a fermenter broth consisting of the biomass of the cells of the production strain (fermenter cells) and the fermentation medium freed from the biomass (fermentation supernatant) which was formed in the course of the fermentation from the culture medium and the metabolic products secreted by the fermenter cells.
  • the composition of the fermentation medium is not clearly defined due to the unpredictable formation of metabolic products.
  • the products taurine and hypotaurine are produced by fermentation.
  • the products of the fermentation can be found in the fermenter cells or in the fermentation supernatant.
  • Yield in the sense of the invention is defined as the amount of product which is obtained in a processing step or processing process.
  • the yield can be stated in absolute amount of product (mmol or g), as volume yield (concentration) based on the volume of absolute amount of product (mM or g/L) or as relative yield of the product obtained in a processing step or processing process.
  • Amount of product obtained in the processing step or processing process in percent of the amount of product used also referred to as percentage yield.
  • the yield of the reaction can also be given as the absolute amount of product (mmol or g), as the volume yield (concentration) of the absolute amount of product related to the volume (mM or g/L) or as the relative yield of product as a percentage of the reactant used (taking into account the molecular weights of the reactant and the product), also referred to as the percentage yield.
  • hypotaurine in fermentation supernatants is oxidized to taurine by H2O2, whereby the fermentation supernatants can already contain taurine in addition to hypotaurine.
  • the molar yield of taurine from the oxidation of hypotaurine and taurine-containing fermentation supernatants is then defined as the total molar amount of taurine after the oxidation in relation to the sum of the molar amounts of hypotaurine and taurine contained in the fermentation supernatant, expressed as a percentage.
  • the content or purity of the product is defined as the amount of product in a fraction of the processing process, as determined analytically, e.g. by HPLC. If the fraction is a solid, the purity is given as g product/g solid, or this value is expressed as a percentage. If, for example, the product content is 0.8 g in 1 g solid, this is referred to as a content or purity of 80%. The fraction can also be a solution. The purity is then expressed in g product/g liquid fraction.
  • a solvent is a substance that can dissolve or dilute gases, liquids or solids without causing chemical reactions between the dissolved substance and the solvent.
  • water-miscible organic solvents are used.
  • organic solvents such as ethanol, methanol, 1-propanol, 2-propanol (isopropanol), and acetone.
  • Water-miscible solvents are defined as solvents which, in any mixing ratio with water, only produce a liquid phase, in contrast to water-immiscible solvents which, depending on their chemical properties (especially apolarity), are only partially soluble in water and, above a concentration in a mixture that is characteristic of the solvent in question, lead to phase separation into the water phase and the solvent phase.
  • water-immiscible solvents are hydrocarbons such as n-pentane, n-hexane or n-heptane, and esters such as ethyl acetate or butyl acetate.
  • the open reading frame (ORF, synonymous with cds, coding sequence) is the region of DNA or RNA that begins with a start codon and ends with a stop codon and codes for the amino acid sequence of a protein.
  • the ORF is also called the coding region or structural gene.
  • a gene, cistron or expression unit is the DNA section that contains all the basic information for producing a biologically active RNA.
  • a gene contains the DNA section from which a single-stranded RNA copy is produced by transcription and the expression signals that are involved in regulating this copying process.
  • the expression signals include at least one promoter, one transcription start, one translation start and one ribosome binding site. Other possible expression signals are a terminator and one or more operators.
  • Alleles are defined as the states of a gene that can be converted into one another by mutation, i.e. by changes in the nucleotide sequence of the DNA.
  • the gene that occurs naturally in a microorganism is called the wild-type allele and the variants derived from it are called mutated alleles of the gene.
  • a promoter is a nucleotide sequence upstream of the 5' end of the cds that enables the expression of a gene.
  • the promoter is located in the direction of synthesis before the RNA coding region.
  • the promoter contains regions of specific interaction with DNA-binding proteins that mediate the start of transcription of the gene by the RNA polymerase and are referred to as transcription factors.
  • mRNA also called messenger RNA
  • messenger RNA is a single-stranded ribonucleic acid (RNA) that carries the genetic information for building a protein.
  • RNA ribonucleic acid
  • An mRNA provides the construction instructions for a specific protein in a cell.
  • the mRNA molecule carries the message from the genetic information (DNA) necessary for protein building to the protein-building ribosomes. In a cell, it is formed as a transcript of a section of DNA belonging to a gene. The genetic information stored in the DNA is not changed in the process.
  • Genes of eukaryotic organisms are predominantly so-called mosaic genes and, in contrast to prokaryotic genes, also contain non-coding sections, so-called introns (intragenic regions). Coding sequences, so-called exons (expressed regions), are DNA sections of a eukaryotic gene that are translated into the amino acid sequence of a protein by the ribosomes after transcription into RNA. The introns are spliced from the primary transcript after transcription of the DNA into RNA. The introns are freed from the introns. Protein-coding RNA is referred to as messenger RNA (mRNA), also known as "mature" mRNA. This is subjected to further modifications such as capping and polyadenylation.
  • mRNA messenger RNA
  • the coding region of the mature mRNA is then translated into the protein sequence. If a eukaryotic gene with an exon/intron structure is to be expressed in prokaryotic organisms, it is necessary to translate the protein sequence or the coding region of the mature mRNA back into intron-free DNA, since in prokaryotes the processing of the exon/intron structure does not take place. When, in the context of this invention, reference is made to gene sequences derived from the protein sequence or from the mRNA, this is precisely the process of back translation that is meant. It is preferred that at the same time as the protein sequence or the mRNA sequence is translated back into DNA sequence, a sequence optimization, i.e. adaptation to the codon usage of the corresponding prokaryote (codon optimization) takes place.
  • homologous genes or homologous sequences mean that the DNA sequences of these genes or DNA segments are at least 80%, preferably at least 90% and particularly preferably at least 95% identical.
  • the degree of DNA identity is determined by the program "nucleotide blast", found at http://blast. ncbi . nlm. nih . gov/ , which is based on the blastn algorithm.
  • the preset parameters were used as algorithm parameters for an alignment of two or more nucleotide sequences.
  • Homologous protein sequences mean that the protein sequences of these proteins or protein segments are at least 80%, preferably at least 90% and particularly preferably at least 95% identical.
  • the program "protein blast” on the website http://blast. ncbi . nlm. nih . gov/ is used to compare protein sequences. This program uses the blastp algorithm.
  • the preset parameters were used as algorithm parameters for an alignment of two or more protein sequences.
  • a gene construct is a DNA molecule in which at least one cds is linked to other genetic elements (e.g. promoter, ribosome binding site (RBS), terminator, selection marker, replication origin).
  • a gene construct within the scope of the invention is a circular DNA molecule and is referred to as a plasmid, vector or expression vector. The genetic elements of the gene construct cause its extrachromosomal inheritance during cell growth and the production of the protein encoded by the gene.
  • An operon is defined as a higher-level expression unit in which several genes are transcribed under the control of only one promoter, but are each translated by its own ribosome binding site. Operons are often found in the genomes of bacterial microorganisms, but can also be specifically produced by cloning. (artificial operons).
  • the expression units a) serA317, CDOrn and CSADcc (expression vector pCys-CDOrn-CSADcc, Fig. 2), b) serA317, CSma and CSADcc (expression vector pCys-CSma-CSADcc, Fig.
  • serA317 CSma
  • CSADcc CSADcc
  • CDOrn expression vector pCys-CSma-CSADcc-CDOrn, Fig. 4
  • WT means wild type.
  • a wild type gene is the form of the gene that has arisen naturally through evolution and is present in the wild type genome.
  • the DNA sequence of Wt genes is publicly available in databases such as NCBI.
  • metabolism engineering In contrast to biotransformation, metabolism engineering (also called "pathway design") is a biotechnology method in which the metabolic pathways of an organism are modified by optimizing or changing genetic and/or regulatory processes. By supplementing the genome with enzyme genes, new or modified enzymes can be introduced into an organism, or genes of endogenous enzymes can be expressed in a stronger or weaker manner, thereby establishing new metabolic pathways in an organism or strengthening or weakening existing metabolic pathways.
  • the aim of metabolism engineering is for the organism to produce either a new metabolic product or a cell-specific metabolic product with increased yield.
  • the result of metabolism engineering is a production strain. In a metabolism engineering process, no starting materials specific to the metabolic product are used, such as an enzyme substrate, such as L-cysteine as a starting compound for the production of hypotaurine.
  • a nutrient medium also referred to as a culture medium, which is required for the growth of the organism in question and is composed of a C source (e.g. glucose), an N source (e.g. an ammonium salt or a complex amino acid mixture such as peptone or yeast extract) and other salts required for growth.
  • C source e.g. glucose
  • N source e.g. an ammonium salt or a complex amino acid mixture such as peptone or yeast extract
  • other salts required for growth e.g. glucose
  • C source e.g. glucose
  • N source e.g. an ammonium salt or a complex amino acid mixture such as peptone or yeast extract
  • production strains for the fermentative production of hypotaurine and taurine are used, which were produced by metabolic engineering.
  • a microorganism produced by metabolic engineering, with which hypotaurine and/or taurine can be produced by fermentation is referred to as a production strain.
  • the production strain particularly preferably comprises at least one gene construct, comprising genes of a biosynthesis pathway which, after expression in the production strain, lead to the production of hypotaurine, taurine or a mixture of hypotaurine and taurine.
  • the microorganism strain without a gene construct is also referred to as a host strain. The production strain is thus the product of the host strain plus the gene construct.
  • a microbial production strain for the production of hypotaurine and/or taurine is preferably characterized in that it
  • the metabolic pathway leading to hypotaurine and/or taurine is preferably characterized in that it comprises i) the reaction of L-cysteine to hypotaurine according to equations (1) and (3), ie the production strain contains at least one cds encoding the enzyme CDO and one cds encoding the enzyme CSAD and/or ii) according to equations (6) and (5) comprises the reaction of OPS to taurine, i.e. the production strain contains at least one cds encoding the enzyme CS and one cds encoding the enzyme CSAD and/or iii) in a combination of i) and ii) comprises the reaction to a mixture of hypotaurine and taurine, i.e. the production strain contains at least one cds encoding the enzyme CDO, one cds encoding the enzyme CSAD and one cds encoding the enzyme CS.
  • the production strain is characterized in that it contains at least one cds encoding the enzyme CDO and one cds encoding the enzyme CSAD and thus catalyzes the reaction of L-cysteine to hypotaurine according to equations (1) and (3).
  • the genes constituting the hypotaurine and/or taurine metabolic pathway in the production strain can originate from the host strain (homologous expression) or they can be foreign genes (heterologous expression), either synthetically produced (including the adaptation of the cds to the expression in the host strain by so-called codon optimization) or isolated from other organisms, or it can be a combination of homologous and heterologous expression.
  • heterologous expression of the genes of the metabolic pathway constituting hypotaurine and/or taurine in the production strain particularly preference is given to the heterologous expression of synthetically produced genes and particularly preference is given to the heterologous expression of codon-optimized, synthetically produced genes of the hypotaurine and/or Taurine constitutive metabolic pathway in
  • cysteine production in a wild-type microorganism is strictly regulated, so that a microorganism strain with a regulated cysteine biosynthesis pathway, as documented in the prior art by the low yields (e.g. a max. cysteine production of 2 pM in WO 17/213142 A1, Tab.
  • Wild-type microorganisms therefore contain a cysteine biosynthesis pathway, but this is so strongly regulated by product inhibition of central enzymes of the biosynthesis (so-called feedback inhibition) that no or only minimal amounts of cysteine are formed when these microorganisms are cultivated (see 2 pM max. cysteine production in WO 17/213142 A1, Table 5).
  • the term "suitable for cysteine production” therefore only includes microorganisms with a deregulated cysteine biosynthesis pathway.
  • a production strain with a deregulated cysteine biosynthesis pathway suitable for hypotaurine and taurine production is therefore preferred. Such strains are disclosed in Example 2 of the present invention.
  • a microorganism comprising a deregulated cysteine biosynthesis pathway and thus suitable for cysteine production is characterized by containing at least one of the following changes: a) The microorganism strain is characterized by a cds encoding a 3-phosphoglycerate dehydrogenase (SerA) with a feedback inhibition by L-serine that is reduced by at least a factor of two compared to the corresponding wild-type enzyme, whereby the SerA enzyme activity can be determined, for example, photometrically by the oxidation of NADH dependent on the SerA substrate 3-phosphohydroxypyruvate, as described, for example, by McKitrick and Pizer, J. Bacteriol. (1980) 141: 235 - 245.
  • SerA 3-phosphoglycerate dehydrogenase
  • Particularly preferred variants of 3-phosphoglycerate dehydrogenase have a feedback inhibition by L-serine that is reduced by at least a factor of 5, particularly preferably by at least a factor of 10 and, in a further preferred embodiment, by at least a factor of 50 compared to the corresponding wild-type enzyme.
  • - serA317 feedback-resistant SerA mutant as used in the present invention in the vector pCys (Fig. 1). It is a C-terminal deletion mutant of SerA comprising the N-terminal 317 amino acids of the SerA WT protein with a total length of 410 amino acids (Bell et al., Eur. J. Biochem., 2002, 269: 4176-4184, referred to therein as "NSD:317"; see also Example 1).
  • - serA G349E Mutation of glycine at position 349 of the WT SerA enzyme to glutamic acid.
  • - serA G349D Mutation of glycine at position 349 of the WT SerA enzyme to aspartic acid.
  • - serA T372X Mutation of threonine at position 372 of the WT SerA enzyme to X, where X can be any natural amino acid except threonine.
  • the microorganism strain contains a cds encoding a serine O-acetyl transferase (CysE) which, compared to the corresponding wild-type enzyme, has a feedback inhibition by cysteine that is reduced by at least a factor of two (as described, for example, in Nakamori et al., Appl. Env. Microbiol.
  • CysE serine O-acetyl transferase
  • CysE enzyme activity can be determined, for example, photometrically by the consumption of the CysE substrate acetyl-CoA as a result of the reaction with L-serine to form O-acetyl-L-serine, as described, for example, by Nakamori et al., Appl. Env. Microbiol. (1998) 64: 1607-1611.
  • Particularly preferred variants of serine-O-acetyl-transferase (cysE) have a feedback inhibition by cysteine that is reduced by at least a factor of 5, particularly preferably by at least a factor of 10 and, in a further preferred embodiment, by at least a factor of 50 compared to the corresponding wild-type enzyme.
  • - cysEIII G165D Mutation of glycine at position 165 to aspartic acid.
  • - cysEIV A237V, mutation of alanine at position 237 to valine and G238S, mutation of glycine at position 238 to serine (double mutant).
  • - cysEV A237V, mutation of alanine at position 237 to valine and G238S, mutation of glycine at position 238 to serine and M256I, mutation of methionine at position 256 to isoleucine (triple mutant).
  • T167A mutation of threonine at position 167 to alanine (used in the vector pCys, example 1).
  • V164A mutation of valine at position 164 to alanine and F267L, mutation of phenylalanine at position 267 to leucine (double mutant).
  • - cysEXVII G165D, mutation of glycine at position 165 to aspartic acid and T167A, mutation of threonine at position 167 to alanine (double mutant).
  • - cysEXXIII T167A, mutation of threonine at position 167 to alanine and A237V, mutation of alanine at position 237 to valine and G238S, mutation of glycine at position 238 to serine (triple mutant) .
  • Arabidopsis thaliana ( plant ): A. thaliana contains three cysE genes, two of which are feedback resistant to cysteine.
  • the microorganism strain has a cds encoding a cysteine exporter (Ef fluxprotein), so that the cell of the production strain is characterized by a cysteine export from the cell that is increased by at least a factor of two compared to the corresponding wild-type cell, where the cysteine export can be determined by photometric measurement of the extracellular cysteine content according to Gaitonde, Biochem. J.
  • the additional expression of a cysteine exporter preferably leads to an increase in cysteine export from the cell by at least a factor of 5, particularly preferably by at least a factor of 10, especially preferably by at least a factor of 20, compared to a wild-type cell.
  • the cds encoding the cysteine exporter is preferably one or more sequences selected from the group consisting of ydeD, yfiK, cydDC, bcr and emrAB from E. coli or a DNA sequence that is at least 80%, particularly preferably at least 90% and especially preferably at least 95% identical thereto.
  • the changes comprising a deregulated cysteine biosynthesis pathway can be located on the gene construct, in the genome of the production strain or both on the gene construct and in the genome of the production strain. It is preferred that the changes comprising a deregulated cysteine biosynthesis pathway are located on the gene construct.
  • microorganism that is accessible to recombinant DNA techniques and that is suitable for the fermentative production of recombinant proteins is suitable as a microorganism/host strain for producing a production strain.
  • Suitable microorganism strains include bacterial strains selected from the Corynebacteriaceae family or the Enterobacteriaceae family, yeasts (e.g. Saccharomyces cerevisiae, Yarrowia lipolytica) or fungi (e.g. Aspergillus niger).
  • Preferred microorganism strains are bacterial strains selected from Corynebacterium glutamicum, Pantoea ananatis or E. coli.
  • the method for isolating taurine from a fermenter broth after microbial fermentation of a production strain is particularly preferably characterized in that the microbial production strain is a strain of the species Escherichia coli. Particularly preferred is the strain E. coli K12 W3110, commercially available under the strain number DSM 5911 from the DSMZ German Collection of Microorganisms and Cell Cultures GmbH.
  • a preferred gene construct which, when transformed into a host strain, leads to a production strain with a deregulated cysteine biosynthesis pathway, which is thus suitable for cysteine production is the vector pCys disclosed in WO 2021/259491 (Wacker) and described in Example 1 (Fig. 1) •
  • Biosynthesis pathway and for deregulated cysteine biosynthesis can either be present extrachromosomally as autonomously replicating vectors in the microorganism strain or integrated into its genome.
  • Autonomously replicating vectors for gene constructs of a hypotaurine and/or taurine biosynthesis pathway and a deregulated cysteine biosynthesis are preferred, either combined on one vector or divided into several vectors.
  • a gene construct is particularly preferred which comprises both a hypotaurine and/or taurine biosynthesis pathway and a deregulated cysteine biosynthesis pathway combined on an autonomously replicating vector.
  • the gene constructs pCys-CDOrn-CSADcc (Fig. 2), pCys-CSma-CSADcc (Fig. 3) and pCys-CSma-CSADcc-CDOrn (Fig. 4) disclosed in Example 1 are particularly preferred.
  • the starting vector for producing gene constructs according to the invention is, for example, the vector pCys disclosed in WO 2021/259491 (Wacker) and described in Example 1 of the present invention (Fig. 1).
  • pCys was expanded to include polynucleotides encoding cysteine dioxygenase (CDO), L-cysteine sulfinic acid decarboxylase (CSAD) and/or cysteate synthase (CS).
  • CDO cysteine dioxygenase
  • CSAD L-cysteine sulfinic acid decarboxylase
  • CS cysteate synthase
  • CDO enzymes are accessible, for example, in the NCBI database under the search term "cysteine dioxygenase". All cds that code for proteins with CDO activity, including CDO enzymes selected from Rattus norvegicus (rat), Homo sapiens (human), Cyprinus carpio (carp), Bos taurus (cattle), Capra hircus (goat), Gallus gallus (rooster), Synechococcus (algae) and homologous amino acid sequences can be used. Particularly preferred is the cds from Rattus norvegicus (rn), encoding the CDO enzyme or a cds homologous to it.
  • CDOrn-cds that has the sequence given in SEQ ID NO: 1 (nt 1 to nt 603). Sequence encoding a CDOrn enzyme having SEQ ID NO: 2.
  • the method is therefore characterized in that the production strain comprises a CDs encoding a protein having SEQ ID NO: 2.
  • the CDO enzyme activity test can be carried out as follows: i) Preparation of the enzyme to be tested:
  • Enzyme produced by fermentation can be used in the reaction as follows: as an aliquot from the culture broth that has not been further processed or as an aliquot of the cell suspension after re-isolation of the cells from the culture broth, e.g. by centrifugation or in the form of an aliquot of the cell homogenate a) after mechanical disruption of the cell suspension or b) in the form of chemically permeabilized cells (e.g. by chloroform) or as a cell extract after separation of particulate components from the cell homogenate or as an enzyme that has been purified e.g. by chromatography.
  • the total protein concentration obtained in each case can be determined, for example, with a commercially available Qubit 3.0 fluorometer from Thermo Fisher Scientific using the "Qubit® Protein Assay Kit” according to the manufacturer's instructions. ii) Determination of CDO enzyme activity
  • L-cysteine (10 mM final concentration) is placed in a solution buffered to pH 7 with potassium phosphate and the reaction is started by adding the enzyme from i).
  • the test volume is 10 ml.
  • the temperature at which the test is carried out is 30°C.
  • the amount of enzyme from i) used depends on the degree of purification. If culture broth, cell suspension of the reisolated cells, cell homogenate or cell extract are used, at least 0.1 mg of the enzyme fractions prepared in i) are used. In the case of purified enzyme, at least 10 pg of the purified enzyme fraction are used.
  • the detection limit of the HPLC method is 1 mg/L L-cysteine sulfinic acid. If less than 1 mg/L L-cysteine sulfinic acid is formed under the test conditions mentioned, then the mixture does not contain any active CDO.
  • CSAD enzymes Gene and protein sequences of CSAD enzymes are accessible, for example, in the NCBI database under the search term "cysteine sulfinic acid decarboxylase".
  • All CDs that code for proteins with CSAD activity including CSAD enzymes selected from Cyprinus carpio (carp), Rattus norvegicus (rat), Homo sapiens (human), Bos taurus (cattle), Capra hircus (goat), Gallus gallus (rooster), E. coli, Synechococcus (algae) and homologous amino acid sequences can be used.
  • Particularly preferred is the CDS from Cyprinus carpio (cc), coding for the CSAD enzyme or a CDS homologous to it.
  • the CSADcc-CDS having the sequence given in SEQ ID NO: 3 (nt 1 to nt 1503), coding for a CSADcc enzyme with SEQ ID NO: 4.
  • the method is therefore characterized in that the production strain comprises a cds encoding a protein with SEQ ID No. 4.
  • the CSAD enzyme activity test can be performed as follows: i) Preparation of the enzyme to be tested:
  • An enzyme produced by cultivation in a shake flask or in a fermentation can be used in the reaction as follows: as an aliquot from the culture broth that has not been further processed or as an aliquot of the cell suspension after re-isolation of the cells from the culture broth, e.g. by centrifugation or in the form of an aliquot of the cell homogenate a) after mechanical disruption of the cell suspension or b) in the form of chemically permeabilized cells (e.g. by chloroform) or as a cell extract after separation of particulate components from the cell homogenate or as e.g. chromatographically purified enzyme.
  • the total protein concentration obtained in each case can be determined, for example, with a commercially available Qubit 3.0 fluorometer from Thermo Fisher Scientific using the "Qubit® Protein Assay Kit” according to the manufacturer's instructions. ii) Determination of CSAD enzyme activity
  • L-cysteine sulfinic acid (10 mM final concentration) is placed in a solution buffered to pH 7 with potassium phosphate and the reaction is started by adding the enzyme from i).
  • the test volume is 10 ml.
  • the temperature at which the test is carried out is 30°C.
  • the amount of enzyme from i) used depends on the degree of purification. If culture broth, cell suspension of the reisolated cells, cell homogenate or cell extract are used, at least 0.1 mg of the enzyme fractions prepared in i) are used. In the case of purified enzyme, at least 10 pg of the purified enzyme fraction are used. 1 h, 2 h and 4 h after the start of the reaction, 1 ml of the test mixture is taken and centrifuged for 10 min. and the content of hypotaurine is determined by calibrated HPLC (see Example 3), whereby the reference substance used for calibration is commercially available (Sigma-Aldrich).
  • the detection limit of the HPLC method is 1 mg/L hypotaurine. If less than 1 mg/L hypotaurine is formed under the test conditions mentioned, then the mixture does not contain active CSAD.
  • CS enzymes Gene and protein sequences of CS enzymes are e.g. accessible in the NCBI database under the search term "cysteate synthase". All cds that code for proteins with CS activity, including CS enzymes selected from Methanosarcina acetivorans, Methanosarcina barker!, Methanocella pal udi cola, Methanoculll eus mari snigri, Methanolinea mesophila and amino acid sequences homologous thereto can be used.
  • the CS-coding cds is particularly preferably selected from Methanosarcina aceti vorans (ma), Methanosarcina barker! or a sequence homologous thereto.
  • the CSma-cds particularly preferably has the sequence given in SEQ ID NO: 5, coding for a CSma enzyme with the amino acid sequence with SEQ ID NO: 6.
  • the method is therefore characterized in that the production strain comprises a cds, coding for a protein having SEQ ID No. 6 .
  • the CS enzyme activity test can be carried out as follows: i) Preparation of the enzyme to be tested:
  • An enzyme produced by cultivation in a shake flask or in a fermentation can be used in the reaction as follows : as an aliquot from the not further processed
  • the total protein concentration obtained in each case can be determined, for example, using a commercially available Qubit 3.0 fluorometer from the company . Thermo Fisher Scientific using the "Qubit® Protein Assay Kit” according to the manufacturer's instructions.
  • ii) Determination of CS enzyme activity Na2SO3 (20 mM final concentration) and O-phospho-L-serine (7 mM final concentration) are placed in a solution buffered with potassium phosphate to pH 7 and containing 100 mM KCl and the reaction is started by adding the enzyme from i).
  • the test volume is 10 ml.
  • the temperature at which the test is carried out is 30°C.
  • the amount of enzyme from i) used depends on the degree of purification.
  • the enzyme fractions prepared in i) are used.
  • the purified enzyme at least 10 pg of the purified enzyme fraction are used. 1 h, 2 h and 4 h after the start of the reaction, 1 ml of the test mixture is taken and centrifuged for 10 min. and the content of L-cysteic acid is determined by calibrated HPLC (see Example 3), whereby the reference substance used for calibration is commercially available (Sigma-Aldrich).
  • the detection limit of the HPLC method is 1 mg/L L-cysteic acid. If less than 1 mg/L L-cysteic acid is formed under the test conditions mentioned, then the mixture does not contain any active CS.
  • the gene constructs are produced in accordance with the state of the art, preferably using recombinant DNA techniques, as described in Example 1 and as are familiar to the person skilled in the art.
  • the cds of a CDO gene, preferably CDOrn the cds of a CSAD gene, preferably CSADcc, or the cds of a CS gene, preferably CSma, are cloned in the desired order into a suitable vector, preferably the vector pCys described in Example 1.
  • the polynucleotides coding for CDO, CSAD and CS are cloned behind the serA317 gene contained in pCys, preferably in the form of an artificial operon, each with its own ribosome binding site (RBS) but without its own promoter, so that their expression occurs under the control of the serA317 promoter.
  • RBS ribosome binding site
  • Examples of preferred gene constructs are the vectors pCys-CDOrn-CSAdcc (hypotaurine production, Fig. 2), pCys-CSma-CSADcc (taurine production, Fig. 3) and pCys-CSma-CSADcc-CDOrn (hypotaurine + taurine production Fig. 4) described in the examples.
  • the gene constructs each contain genetic elements of a deregulated cysteine biosynthesis pathway, namely feedback-resistant alleles of the cysE and serA genes as well as the efflux gene ydeD.
  • pCys-CDOrn-CSADcc (Fig.
  • pCys-CSma-CSADcc (Fig. 3) also contains, in operon form linked to the serA317 gene, expression units for the CSma (CS Methanosarci na acetivorans) and the CSADcc Gene (CSAD Cyprinus carpio) for the production of taurine according to equations (6) and (5) .
  • pCys-CSma-CSADcc-CDOrn Fig.
  • CSma CS Methanosarcina acetivorans
  • CSADcc CSAD Cyprinus carpio
  • CDOrn CDOrn gene
  • CDO, CS and CSAD genes each with its own promoter and possibly terminator, as independent expression units into the vector pCys. It is also conceivable to clone the CDO, CS and CSAD genes as separate expression units independent of pCys into a separate vector, or to integrate them into the genome of a microorganism as a host organism such as E. coli. The combination of vector-based and genome-integrated expression units is also conceivable.
  • a production strain suitable for hypotaurine and/or taurine production preferably comprises a microorganism strain, particularly preferably the microorganism strain E. coli K12 W3110 and a gene construct according to the invention, particularly preferably selected from the gene constructs pCys-CDOrn-CSADcc, pCys- CSma-CSADcc or pCys-CSma-CSADcc-CDOrn.
  • the production strains are obtained by transforming the gene constructs in a known manner into a microorganism strain, preferably E. coli W3110.
  • Example 2 shows the production of the production strains E.
  • E. coli W3110 x pCys-CDOrn-CSADcc for the production of hypotaurine
  • E. coli W3110 x pCys-CSma-CSADcc for the production of taurine
  • E. coli W3110 x pCys-CSmaCSADcc- CDOrn for the production of a mixture of hypotaurine and taurine disclosed.
  • the production of hypotaurine, taurine or a mixture of hypotaurine and taurine using the described production strains can be carried out by cultivation in a shake flask, as described in example 3, or on a production scale by fermentation, preferably fed-batch fermentation of the production strains, as described in example 4.
  • Cultivation in a shake flask or by fermentation produces a shake culture or fermenter broth containing hypotaurine or taurine, or a mixture of hypotaurine and taurine, wherein the taurine or hypotaurine content in the cell culture supernatant after fermentation (fermentation supernatant) is preferably at least 10 g/L.
  • the fermentation supernatant is isolated by separating the biomass from the fermenter broth (step i).
  • Preferred processes for separating biomass are centrifugation (sedimentation) and filtration, particularly preferred among these is filtration. Both processes can be operated batchwise or continuously, with continuous processes being preferred, particularly preferred among these are continuous centrifugation (decanters, separators) and cross-flow filtration (tangential flow filtration, cross-flow filtration). Cross-flow filtration is particularly preferred.
  • the pore size of the filtration modules is selected so that biomass and other macromolecules remain in the retentate (are retained) and hypotaurine and taurine are found in the filtrate.
  • the volume of the retentate which still contains a high proportion of non-titrated product, is reduced.
  • the retentate can be refilled with water and further filtered (so-called diafiltration).
  • microfiltration pore size > 100 nm
  • ultrafiltration pore size between 2 nm and 100 nm
  • nanofiltration pore size up to 2 nm
  • Microfiltration and ultrafiltration are preferred, with microfiltration being particularly preferred.
  • Microfiltration followed by ultrafiltration is also conceivable.
  • step i) is preferably followed by a volume reduction (see below) before solvent 1 is added in order to reduce the consumption of solvent 1.
  • taurine is precipitated from the fermentation supernatant by adding a water-miscible solvent 1 (step ii).
  • solvent 1 is chosen such that taurine is not or only slightly soluble in it.
  • the taurine solubility decreases until taurine is no longer soluble in the mixture and precipitates, whereby an equilibrium is established between precipitated taurine and taurine still in solution.
  • This proportion of solvent 1 in the mixture depends on the chemical properties of solvent 1 and is preferably at least 40% v/v, particularly preferably at least 60% v/v and especially preferably at least 80% v/v.
  • the solubility of a compound is known to be dependent on temperature and can be reduced at low temperatures. This means that by cooling the mixture, the equilibrium of precipitated to dissolved taurine can be shifted towards the precipitated taurine, which increases the yield of step ii.
  • the mixture of solvent 1 and aqueous, taurine-containing fermentation supernatant is cooled to 8 °C, particularly preferably to 0 °C and, if the mixture does not freeze, particularly preferably to -20 °C.
  • solvent 1 is a solvent selected from the group consisting of methanol, ethanol, 1-propanol or 2-propanol (isopropanol) and mixtures thereof with H 2 0, particularly preferably a solvent selected from the group consisting of ethanol, isopropanol and mixtures thereof with H 2 0 and especially preferably ethanol.
  • the taurine precipitate is then isolated from the mixture and dissolved in a solvent 2 (step iii).
  • the isolation of the taurine precipitate i.e. separation of the taurine precipitate from the mixture, can be carried out by centrifugation, sedimentation or filtration, preferably by filtration.
  • the taurine precipitate is first suspended at least once, particularly preferably twice and especially preferably three times in a solvent E (extraction solvent) in which it is insoluble in contrast to the impurities and is then separated again from the suspension as described above.
  • a solvent E extraction solvent
  • the process of suspending a compound such as taurine in a solvent E and separating it again from the suspension is called extraction
  • This extraction step from suspension and separation serves to remove (deplete) impurities present in the precipitate in addition to taurine and can be repeated as often as required.
  • solvent E whereby the solvent E used for extraction is preferably solvent 1, but a solvent other than solvent 1 is also conceivable.
  • the material property of different solubilities is used, e.g. that taurine is not or only slightly soluble in pure, water-miscible alcohols such as methanol, ethanol, n-propanol and isopropanol.
  • water-miscible organic solvents such as solvent E are also suitable for extracting impurities. Any mixture of water-miscible organic solvents can be used to extract impurities. Preference is given to water-miscible alcohols such as methanol, ethanol, n-propanol and isopropanol, with ethanol and isopropanol being particularly preferred and ethanol being especially preferred. Ethanol can be used as pure ethanol or as denatured ethanol.
  • the volume of water-miscible alcohol, preferably ethanol, used for extraction can be chosen arbitrarily and is preferably at least the same volume, particularly preferably at least five times the volume and especially preferably at least 10 times the volume of the fermenter broth used to isolate taurine.
  • the volume used for extraction can be used entirely in one extraction or divided into several batches for repeated extraction.
  • ethanol can be used in a mixture with water with an ethanol content of 100% (v/v) up to 30% (v/v) ethanol, particularly preferably 100% (v/v) up to 50% (v/v) ethanol and especially preferably from 100% (v/v) up to 80% (v/v) ethanol can be used for extraction.
  • the extraction agent preferably ethanol, is recovered from the extraction filtrate (e.g. by distillation) in order to increase the economic efficiency and the sustainability of the process by minimizing the consumption of chemicals.
  • the solubility of taurine in ethanol/H 2 0 mixtures depends on the ethanol content and the incubation temperature. At room temperature, taurine is not soluble in commercially available 99% (v/v) ethanol, nor in 80% (v/v) ethanol. A low solubility is observed in 60% (v/v) ethanol at room temperature, which increases significantly in 50% (v/v) and 30% (v/v) ethanol, but can be greatly reduced by cooling to 0 °C. It is preferred to dose ethanol into the fermentation supernatant from step i), the volume of which has particularly preferably been reduced as described below, so that the ethanol concentration is at least 40% (v/v), particularly preferably at least 60% (v/v) and especially preferably at least 80% (v/v).
  • 80% ethanol means 80 ml ethanol + 20 ml fermentation supernatant in 100 ml total volume.
  • the temperature can be lowered as described above to further reduce taurine solubility.
  • the taurine-containing precipitate can be extracted several times with ethanol/water mixtures for further separation of impurities, wherein the ethanol/water mixture preferably contains at least 40% (v/v) ethanol, particularly preferably at least 60% (v/v) ethanol and especially preferably at least 80% (v/v) ethanol.
  • solvent 2 the above-mentioned Solvent as defined.
  • Solvent 2 is used as a mixture with water, the proportion of water in the mixture preferably being 100% v/v (pure water) to 50% v/v, particularly preferably 100% v/v to 75% v/v and especially preferably 100% v/v to 90% v/v.
  • the process for isolating taurine is characterized in that the solvent 2 is water.
  • the isolated taurine precipitate is crystallized.
  • the taurine concentration after dissolving the taurine precipitate in solvent 2 is at least 100 g/L, more preferably at least 200 g/L, and especially preferably at least 300 g/L.
  • Taurine in these concentrations is dissolved by heating to temperatures below the boiling point of solvent 2, preferably up to 70 °C, more preferably up to 80 °C, and especially preferably up to 90 °C.
  • Taurine crystallizes on cooling to room temperature and, to further increase the yield, to a temperature at which solvent 2 does not yet freeze, preferably to 0 °C.
  • This crystallization step of dissolving and cooling can be repeated as often as desired in order to achieve a higher taurine purity.
  • the crystallization step is preferably carried out at least once, particularly preferably at least twice and especially preferably at least three times. It is also preferred that the crystallization is optimized by adding a water-miscible solvent 3 in order, for example, to increase the yield of crystallized taurine and to reduce the taurine content in the mother liquor.
  • Mother liquor is the soluble portion of a crystallization without the precipitated portion of the crystals.
  • solvent applies to solvent 3.
  • Preferred water-miscible solvents 3 for optimizing crystallization are methanol, ethanol, n-propanol and isopropanol, particularly preferably ethanol and isopropanol and especially preferably ethanol.
  • the proportion of solvent 3 in the mixture with water is preferably a maximum of 30% v/v, particularly preferably a maximum of 20% v/v and especially preferably a maximum of 10% v/v.
  • step v the crystallized taurine is isolated and optionally dried.
  • the crystallized taurine is preferably isolated by sedimentation, centrifugation or filtration.
  • the dissolved taurine still contained in the supernatant is not necessarily lost, but is preferably returned to one of the preceding processing steps i to iii, with processing step ii being particularly preferred.
  • the crystallized taurine can be dried to constant weight, preferably by drying at elevated temperature, with and without vacuum, e.g. in a vacuum dryer.
  • the temperature for drying taurine is preferably at least 30 ° C, more preferably at least 50 ° C and especially preferably at least 70 ° C. Drying is preferably carried out without a vacuum, more preferably at a vacuum of ⁇ 300 mbar and especially preferably at a vacuum of ⁇ 200 mbar.
  • the crystallized taurine can also be dried by freeze-drying or spray-drying, whereby in the case of spray-drying the crystallized taurine first has to be redissolved, preferably in H 2 O.
  • the taurine obtained can preferably be ground and sieved to obtain a final product with the desired particle properties.
  • the taurine isolated according to the process of the invention has a purity of over 80% (w/w), preferably over 90% and particularly preferably over 95%.
  • content determination the taurine content in the crystals is determined, referred to as content determination.
  • a product solution is preferably prepared by weighing out a small amount of the crystals and dissolving it in H2O , e.g. as a 20 g/L solution.
  • the taurine content of the product solution is then preferably determined by calibrated HPLC.
  • the taurine content in the crystals is determined by the ratio, expressed as a percentage, of the taurine concentration in g/L determined by HPLC to the concentration of the product solution, also in g/L.
  • the taurine content in the crystals is 95%.
  • the taurine content determined in this way is synonymous with the purity of the taurine product.
  • the process according to the invention thus enables the isolation of taurine from hypotaurine- and/or taurine-containing fermentation broths by simple and cost-effective process steps in high purity for applications in the food, feed and pharmaceutical sectors.
  • the content of hypotaurine and taurine can be quantified from the shake culture or fermenter broth.
  • an aliquot of 1 ml is taken from the shake culture or fermenter broth with a cell density ODgoo/ml of at least 1.0/ml, incubated for 5 minutes at 80°C, then all solid components are separated, for example by centrifuging for 5 minutes at maximum speed in a table centrifuge and the supernatant is quantified by HPLC calibrated for hypotaurine and taurine, as described for example in Example 3 for hypotaurine and taurine.
  • the process for isolating taurine is characterized in that the fermenter broth has an additive molar content of hypotaurine, taurine or a mixture thereof of at least 91.6 mM, corresponding to a pure hypotaurine content of 10 g/L (molecular weight 109.2 g/mol), or a pure taurine content of 11.5 g/L (molecular weight 125.2 g/mol), particularly preferably at least 183.2 mM, corresponding to a pure hypotaurine content of 20 g/L), or a pure taurine content of 23 g/L and particularly preferably at least 274.7 mM, corresponding to a pure hypotaurine content of 30 g/L), or a pure taurine content of 34.4 g/L in the fermentation supernatant.
  • Additive molar content of hypotaurine and/or taurine means that the fermenter broth with preferred additive molar content can contain hypotaurine and taurine in any ratio.
  • Step i serves to separate biomass and other macromolecular components from the fermenter broth (e.g. polysaccharides, proteins, nucleic acids) that can arise as by-products of fermentation or through partial rupture of cells in the final phase of fermentation.
  • the separation of biomass is therefore often hampered by the small particle size of microbial cells and by a high viscosity of the fermenter broth due to macromolecular by-products of fermentation.
  • One measure to improve the separability of macromolecules is their denaturation by lowering the pH of the fermentation broth and/or incubating the fermentation broth at an elevated temperature.
  • the process for isolating taurine is preferably characterized in that, before separating the biomass (step i), the pH of the fermenter broth is adjusted to a pH of at most 6.0, particularly preferably to a pH of at most 5.0 and especially preferably to a pH of at most 4.0 by adding an acid.
  • This step comprises lowering the pH, which is no longer changed in the further course of the process according to the invention.
  • incubation i.e. allowing to act, can take place at the adjusted pH for preferably at least 5 minutes, particularly preferably at least 10 minutes, especially preferably at least 20 minutes and especially preferably at least 30 minutes.
  • acids are suitable as acids for adjusting the pH, preferably mineral acids, including particularly preferably sulfuric acid, hydrochloric acid and phosphoric acid and especially preferably sulfuric acid.
  • the process for isolating taurine is characterized in that the adjustment of the pH of the fermenter broth and optionally incubation are carried out in a continuous process.
  • the method for isolating taurine is characterized in that the temperature of the fermenter broth is increased to at least 50 ° C, particularly preferably to at least 60 ° C and especially preferably to at least 70 ° C and the fermenter broth is incubated at this temperature for at least 5 min, preferably at least 10 min, particularly preferably at least 20 min and especially preferably at least 30 min, i.e. the selected temperature under these conditions is Fermenter broth. It is preferred that the process for isolating taurine is characterized in that the temperature increase of the fermenter broth and incubation takes place in a continuous process.
  • the process for isolating taurine is characterized in that before separating the biomass (step i), at least one measure selected from the group consisting of (1) adjusting the pH of the fermenter broth by adding an acid to a pH of at most 6.0 and (2) increasing the temperature of the fermenter broth to at least 50°C and incubating under these conditions for at least 5 min is carried out.
  • Particularly preferred is the simultaneous reduction of the pH and increase of the temperature of the fermenter broth, including particularly preferred a combination of pH ⁇ 5.0 and a temperature of >50°C and furthermore especially preferred a combination of pH ⁇ 4.0 and a temperature of >70°C.
  • Both the reduction of the pH and the increase of the temperature of the fermenter broth combined with a denaturation of macromolecules represent measures for improving the separability of macromolecules from the fermenter broth.
  • the duration of the incubation (exposure time) of the fermenter broth at reduced pH and increased temperature is preferably at least 5 min, particularly preferably at least 20 min and especially preferably at least 30 min.
  • the process for isolating taurine is particularly preferably characterized in that at least one of the selected measures is carried out in continuous form.
  • the term measure refers to (1) adjusting the pH of the fermenter broth by adding an acid to a pH of at most 6.0 and/or (2) Increase the temperature of the fermenter broth to at least 50 ° C and incubate for at least 5 min .
  • both an adjustment of the pH value of the fermenter broth and an increase in the temperature of the fermenter broth are carried out, followed by an incubation for at least 5 minutes and that both processes are carried out together in a continuous manner.
  • the incubation time is particularly preferably at least 10 minutes, especially preferably at least 20 minutes and moreover especially preferably at least 30 minutes.
  • a continuous process is preferably carried out as follows:
  • the fermentation broth is pumped into a reactor preheated to the desired temperature.
  • the reactor is preferably equipped with a dosing section for the acid and an active pH control.
  • the desired pH value of the fermenter broth is preferably set by dosing in the acid.
  • the active pH control can be carried out by a measuring and control unit which, if the pH value deviates from the target value as a result of the dosing in of the fermenter broth, readjusts the desired pH value by dosing in the acid (so-called pH-stat method).
  • the fermentation broth is pumped from the reactor into a receiver for the further processing steps.
  • the receiver can be tempered or not tempered.
  • the speed at which the fermentation broth is pumped into the reactor determines the residence time in the reactor and thus the duration of incubation.
  • the advantage of a continuous process is the higher economic efficiency, since not the entire fermentation broth has to be heated to the desired temperature and/or The pH value must be brought to the desired level, which would require a high amount of time and energy, especially on a large scale.
  • the process for isolating taurine is characterized in that an oxidizing agent is added and incubated with it before adding the solvent 1 (step ii).
  • the addition of an oxidizing agent and incubation with it is also referred to as oxidative treatment and causes the oxidation of hypotaurine to taurine.
  • the oxidative treatment means that an oxidizing agent is added, preferably at room temperature or optionally with cooling, and then incubated for preferably at least 5 minutes, particularly preferably at least 0.5 hours, especially preferably at least 2 hours and especially preferably at least 4 hours.
  • the oxidative treatment can be carried out directly in the fermenter broth (see, for example, Example 6, batch 1B) or after separation of the biomass in the fermentation supernatant (see, for example, Example 6, batch 1A).
  • the oxidative treatment can thus be carried out before or after step i (separation of the biomass). If the fermentation supernatant is treated oxidatively, the fermentation supernatant, which was previously clear after the biomass has been separated, becomes cloudy, which enables further impurities to be separated as a precipitate, preferably by filtration or by sedimentation (centrifugation). If the oxidative treatment is carried out directly in the fermenter broth, the resulting precipitate can be separated in one step with the biomass, which saves a separation step and improves the economic efficiency of the process.
  • Preferred is the direct oxidative treatment of the fermenter broth to oxidize hypotaurine to taurine, followed by separation of the biomass together with the precipitate formed by the oxidative treatment, as described in Example 6, Approach 1B.
  • the oxidizing agent used can be, for example, air, oxygen, ozone, hydrogen peroxide, organic peroxides or a mixture thereof. Preference is given to oxidizing agents which produce no or unproblematic by-products. Preferred oxidizing agents are therefore air, oxygen (0 2 ), ozone (0 3 ) and hydrogen peroxide (H 2 O 2 ), with ozone and hydrogen peroxide being particularly preferred.
  • the method for isolating taurine from a fermentation batch after microbial fermentation is particularly preferably characterized in that the oxidizing agent is H 2 O 2 . It is preferred that the oxidizing agent is not NaOH. In terms of its chemical properties, NaOH is a base (lye) and is not known as an oxidizing agent.
  • Hydrogen peroxide H 2 O 2 is preferably added in commercially available form, as a 30% (w/w) or 50% (w/w) aqueous solution with stirring.
  • the reaction of H 2 O 2 is exothermic, so temperature control is necessary. Temperature control can be achieved by external cooling or appropriate dosing profiles for the H 2 O 2 addition. A temperature of preferably 70°C, particularly preferably 50°C and especially preferably 40°C is not exceeded.
  • the amount of H 2 O 2 used is based on the hypotaurine content of the fermentation supernatant. According to equation (7), one molecule of H 2 O 2 is consumed for each molecule of hypotaurine for the oxidation.
  • the molar ratio of H 2 O 2 used relative to the hypotaurine content is preferably at least 1:1, particularly preferably at least 1.2:1 and especially preferably at least 1.5:1.
  • the molar yield of taurine, based on the molar amount of hypotaurine used, is preferably at least 70%, particularly preferably at least 80% and especially preferably at least 90% when oxidized by H2O2.
  • the process according to the invention is thus characterized in that the incubation with an oxidizing agent can be carried out before or after the separation of the biomass from the fermenter broth (step i).
  • the fermentation mixture contains only taurine, as disclosed in the examples for the strain E. coli W3110 x pCys-CSma-CSADcc, then incubation with an oxidizing agent is not necessary.
  • the method for isolating taurine from a fermenter broth after microbial fermentation is characterized in that the incubation with the oxidizing agent takes place in a continuous process.
  • a continuous process preferably involves pumping the fermenter broth before separation of the biomass or the fermentation supernatant after separation of the biomass into a reactor for oxidative treatment.
  • the reactor can have active cooling, which makes it easier to control the temperature of the reaction.
  • the reactor is also equipped with a metering section for the oxidizing agent and an active temperature control.
  • the active temperature control is carried out by a measuring and control unit which regulates the metering of the oxidizing agent and the fermenter broth or the fermentation supernatant in such a way that the temperature as a result of the exothermic oxidation of hypotaurine to taurine does not exceed the target value of preferably at most 70 °C, particularly preferably at most 50 °C and especially preferably at most 40 °C.
  • the speed at which fermenter broth, or fermentation supernatant and oxidizing agent are added to the reactor determines the residence time and thus the Duration of the oxidative treatment.
  • the residence time/duration of the oxidative treatment is selected so that hypotaurine is quantitatively oxidized to taurine at a given target temperature. It depends on the hypotaurine content and is determined empirically beforehand.
  • the residence time in the reactor is preferably at least 5 minutes, particularly preferably at least 20 minutes and especially preferably at least 40 minutes.
  • the advantage of the continuous process is the higher economic efficiency, since the entire fermentation broth does not have to be subjected to the oxidative treatment at the same time, which requires less material for a corrosion-resistant reactor due to the corrosive nature of the oxidizing agent.
  • aspects of reaction safety speak in favor of continuous operation, since the exothermic reaction of the oxidation of hypotaurine to taurine is easier to control in a (cooled) reactor of smaller volume than in the large volume of the fermentation batch.
  • the fermentation broth or fermentation supernatant is pumped into a receiver for further processing steps.
  • the process for isolating taurine is characterized in that the volume of the fermentation supernatant is reduced before the addition of the solvent 1 (step ii).
  • the order of the process steps is preferably such that, starting from the fermenter broth, first the incubation with an oxidizing agent takes place, then the separation of the biomass (step i), then the volume reduction and then step ii. In the event that the biomass is separated first (step i), this is followed by incubation with an oxidizing agent, then the possible subsequent separation of the precipitate formed during the oxidation, then the volume reduction and then step ii.
  • the aqueous medium is preferably partially or completely removed, particularly preferably partially.
  • Various methods for reducing the volume are available, including evaporation with and without applying a vacuum (distillation of H 2 O), evaporation of H 2 O via a thin-film evaporator, reverse osmosis, electrodialysis and nanofiltration. Separation of H 2 O by freeze-drying is also conceivable. Preference is given to evaporating the taurine-containing fermentation supernatant with and without applying a vacuum, evaporation of H 2 O via a thin-film evaporator and reverse osmosis.
  • evaporating the taurine-containing fermentation supernatant with and without applying a vacuum and reverse osmosis.
  • Particularly preferred is the evaporation of the taurine-containing fermentation supernatant by applying a vacuum, as disclosed in Example 7 of the present invention.
  • the evaporation of H 2 0 can be carried out, for example, by heating the fermentation supernatant preferably to at least 60 ° C, particularly preferably to at least 70 ° C and especially preferably to at least 80 ° C.
  • a vacuum of preferably less than 300 mbar, particularly preferably less than 200 mbar and especially preferably less than 150 mbar is applied.
  • the degree of volume reduction depends on the further use of the taurine-containing fermentation supernatant.
  • the evaporation of H 2 O can be carried out until it is completely dry or to a predetermined volume.
  • the reduction of the volume to 50% or less of the initial volume of the fermenter broth used for taurine isolation is preferred, particularly preferably to 30% or less and especially preferably to 20% or less of the Initial volume of the taurine isolation
  • Example 8 of the present invention a taurine-containing evaporated batch from Example 7 was added with sufficient ethanol such that the final ethanol concentration in the resulting mixture was 80% (v/v). Under these conditions, taurine precipitated from the mixture, which could be further enhanced by further cooling the mixture to a temperature of 0 °C or less. Taurine was isolated from this mixture by filtration. The precipitated taurine fraction was further freed from impurities by resuspension with 80% (v/v) ethanol followed by filtration, during which the taurine did not go into solution.
  • the volume of 80% (v/v) ethanol used can be chosen as desired and is preferably at least the same volume, particularly preferably at least five times the volume and especially preferably at least 10 times the volume of the initial volume of the fermenter broth used for taurine isolation.
  • the ethanol/water mixture is not fixed to an ethanol content of 80% (v/v).
  • ethanol in a mixture with water of 100% (v/v) up to 30% (v/v) ethanol, particularly preferably 100% (v/v) up to 50% (v/v) ethanol and especially preferably 100% (v/v) up to 80% (v/v) ethanol can be used for repeated extraction.
  • the extraction agent preferably ethanol
  • the extraction filtrate e.g. by distillation
  • the extraction filtrate e.g. by distillation
  • all other mentioned water-miscible organic solvent in the manner described for ethanol for extraction are also mentioned.
  • a preferred method for isolating taurine from a fermenter broth after microbial fermentation of a production strain comprises the following isolation steps:
  • the process for isolating taurine from a fermenter broth after microbial fermentation of a production strain is characterized in that the molar yield of taurine achieved is at least 50%, particularly preferably at least 60% and especially preferably at least 70% based on the molar amount of starting product used and contained in the fermentation supernatant, consisting of at least one of the compounds selected from the group consisting of hypotaurine and taurine.
  • the yield refers to the amount of isolated taurine with a purity >80% after crystallization based on the amount of taurine used, which was contained in the fermentation supernatant after step i and after any prior oxidation of hypotaurine, but before a possible volume reduction of the fermentation supernatant.
  • the recovery equivalent to the sum of isolated taurine after crystallization and the taurine still contained in the mother layer of the crystallization, is preferably at least 80%, particularly preferably at least 90% and especially preferably at least 95% based on the amount of taurine used which was contained in the fermentation supernatant after step i and optionally after prior oxidation of hypotaurine.
  • the figures show the plasmids used in the examples.
  • Fig . 1 pCys .
  • Fig. 2 pCys-CDOrn-CSADcc .
  • Fig. 3 pCys-CSma-CSADcc .
  • Fig. 4 pCys-CSma-CSADcc-CDOrn .
  • TetR gene that confers resistance to tetracycline.
  • serA317 serA (3-phosphoglycerate dehydrogenase gene, encodes amino acids 1 to 317)
  • cds cysE X cysE (serine-O-acetyltransferase gene, feedback resistant) cds
  • ORF306 ydeD (cysteine efflux gene) cds
  • PpuMI cleavage site for the restriction enzyme
  • CDOrn CDO (cysteine dioxygenase) R. norvegicus cds
  • CSADcc CSAD (cysteine sulfinic acid decarboxylase) C. carpio cds
  • CSma CS (cysteate synthase) M. acetivorans cds
  • RBS Ribosome binding site
  • pCys All DNA constructs are derived from the vector pCys (Fig. 1) , disclosed in WO 2021/259491 (Wacker) .
  • pCys pCys is disclosed in WO 2021/259491 (Wacker) and is a derivative of the plasmid pACYC184-cysEX-GAPDH-ORF306.
  • the plasmid pACYC184-cysEX-GAPDH-ORF306 contains, in addition to the replication origin and a tetracycline resistance gene (starting vector pACYC184), the cysEX allele (synonym cysE allele) , which encodes a serine-O-acetyl transferase with reduced feedback inhibition by cysteine, as well as the efflux gene ydeD (ORF306) , the expression of which is controlled by the constitutive GAPDH promoter.
  • pCys also contains, cloned behind the ydeD (ORF306) efflux gene, the serA317 gene fragment coding for the N-terminal 317 amino acids of the SerA protein (total length 410 amino acids).
  • the E. coli serA gene is disclosed in the "GenBank” gene database with the gene ID 945258.
  • serA317 is disclosed in Bell et al., Eur. J. Biochem. (2002) 269: 4176- 4184, referred to therein as "NSD:317” and encodes a serine feedback-resistant variant of 3-phosphoglycerate dehydrogenase.
  • the expression of serA317 is controlled by the serA promoter .
  • the serA promoter is described in Rex et al. (1991) , J. Bacteriol. 173: 5944-5953, Fig. 2.
  • plasmid DNA of the vector pCys was cut with Seal and PpuMI and the 6.1 kb vector fragment, hereinafter referred to as pCys-Scal/PpuMI, was isolated after preparative agarose gel electrophoresis (QIAquick® Gel Extraction Kit, Qiagen).
  • CDOrn-rrnB The amino acid sequence of the cysteine dioxygenase from Rattus norvegicus, derived from the mRNA of the gene, is disclosed in the NCBI (National Center for Biotechnology Information) database under the sequence ID: AAH70509.1. From the amino acid sequence, a gene for expression in E. coli was codon-optimized DNA sequence (publicly available Eurofins Genomics GENEius software), designated CDOrn-cds . The DNA sequence of CDOrn-cds is disclosed in SEQ ID NO: 1, nt 1 to 603, encoding a protein having the amino acid sequence of SEQ ID NO: 2. To the 3' end of CDOrn-cds was linked the DNA sequence of the E.
  • coli rrnB terminator (SEQ ID NO: 1, nt 604 to 936).
  • the DNA sequence of the rrnB terminator is disclosed in Orosz et al. (1991), Eur. J. Biochem. 201: 653-659.
  • CSADcc-rrnB The cDNA gene (cDNA: complementary DNA isolated from mRNA by reverse transcription) of cysteine sulfinic acid decarboxylase (CSAD) from Cyprlnus carpio (common carp) was isolated by Honjoh et al. (2010) , Amino Acids 38: 1173-183 and the DNA sequence was disclosed in the NCBI (National Center for Biotechnology Information) database under Genbank Sequence ID: AB220585.1 (cds: nt 82 - 1584). From the amino acid sequence, a DNA sequence codon-optimized for expression in E.
  • NCBI National Center for Biotechnology Information
  • CSADcc-cds The CSADcc-cds DNA sequence is disclosed in SEQ ID NO: 3, nt 1 to 1503, encoding a protein having the amino acid sequence of SEQ ID NO: 4.
  • the DNA sequence of the E. coli rrnB terminator (SEQ ID NO: 3, nt 1504 to 1834) was linked to the 3' end of the CSADcc-cds.
  • the DNA sequence of the rrnB terminator is disclosed in Orosz et al. (1991), see above.
  • CSma Cysteate synthase from Methanosarci na acetivorans (CSma) was used.
  • the amino acid sequence of the CSma enzyme is available in the NCBI database under the accession ID WP_048066469 . From the amino acid sequence, a Expression in E. coli was derived from codon-optimized DNA sequence (publicly available Eurofins Genomics GENEius software).
  • the CSma DNA sequence is disclosed in SEQ ID NO: 5, encoding a protein having the amino acid sequence of SEQ ID NO: 6.
  • the CSma DNA was produced synthetically (Eurofins Genomics).
  • Table 1 summarizes the name of the PCR products used for cloning, their size, and the synthetic DNA (so-called template DNA) and primers used.
  • the PCR products PCRI to PCR6 were produced from the respective template DNA by PCR ("PhusionTM High-Fidelity" DNA Polymerase, Thermo ScientificTM) with the appropriate primers and isolated by agarose gel electrophoresis (QIAquick® Gel Extraction Kit, Qiagen).
  • the NEBuilder® cloning kit (NEB New England Biolabs) was used to produce the vectors according to the manufacturer's instructions. As summarized in Table 2, the 6.1 kb pCys-Scal/PpuMI vector fragment was ligated with the corresponding PCR products, following the manufacturer's instructions regarding the amounts of the individual DNA fragments used in the ligation mixture. The ligation mixture was then transformed into E. coli NEB® 10-beta (NEB New England Biolabs) according to the manufacturer's instructions. Clones from the transformation were selected on LBtet plates.
  • LBtet plates contained 10 g/L tryptone (GIBCOTM), 5 g/L yeast extract (BD Biosciences), 5 g/L NaCl, 15 g/L agar and 15 mg/L tetracycline (Sigma-Aldrich). Plasmid DNA was isolated from clones of the transformations (Qiagen kit) and one correct clone was selected in each case. The vectors pCDOrn-CSADcc (Fig. 2), pCSma-CSADcc (Fig. 3) and pCSma-CSADcc-CDOrn (Fig. 4) listed in Table 2 were produced.
  • Example 2 Production of product strains
  • the starting strain (host strain) for the production of production strains was the microorganism strain Escherichia coli K12 W3110 (available for purchase under the strain number DSM 5911 from the DSMZ Deutsche Sammlung von Mikroorganismen und Zellkulturen GmbH).
  • E. coli W3110 was transformed in a known manner using the vectors pCys-CDOrn-CSADcc, pCys-CSma-CSADcc and pCys-CSma-CSADcc-CDOrn and transformants were selected on LBtet plates. One transformant was selected as the production strain in each case.
  • the production strains were named E.
  • E. coli W3110 x pCys-CDOrn-CSADcc production of hypotaurine
  • E. coli W3110 x pCys-CSma-CSADcc production of taurine
  • E. coli W3110 x pCys-CSma-CSADcc-CDOrn production of a mixture of hypotaurine and taurine
  • Production strains were E. coli W3110 x pCys-CDOrn-CSADcc (production of hypotaurine), E. coli W3110 x pCys-CSma-CSADcc (production of taurine) and E. coli W3110 x pCys-CSma-CSADcc-CDOrn (production of a mixture of hypotaurine and taurine).
  • Pre-culture A pre-culture was prepared from the production strains in LBtet medium (10 g/L tryptone, 5 g/L yeast extract, 5 g/L NaCl, 15 mg/L tetracycline) (20 ml LBtet medium in 100 ml Erlenmeyer flask, cultured at 37 °C and 120 rpm overnight).
  • LBtet medium 10 g/L tryptone, 5 g/L yeast extract, 5 g/L NaCl, 15 mg/L tetracycline
  • Main culture For each production strain, 0.5 ml of the preculture was transferred into a 300 ml Erlenmeyer flask (with baffle) with 30 ml SMl medium, further containing 15 g/L glucose, 2 g/L Na2S203 x 5 H2O , 0.1 g/L L-isoleucine, 0.1 g/L L-methionine, 0.1 g/L L-threonine, 5 mg/L vitamin B1 and 15 mg/L tetracycline.
  • Composition of SM1 medium 12 g/L K2HPO4, 3 g/L KH2PO4, 5 g/L NH 4 sulfate, 0.3 g/L MgSO 4 x 7 H 2 O, 0.015 g/L CaCl 2 x 2 H 2 O, 0.002 g/L FeSO 4 x 7 H 2 O, 1 g/L Na 3 citrate x 2 H 2 O, 0.1 g/L NaCl;
  • composition of the trace element solution 0.15 g/L Na2MoC>4 x 2 H 2 0, 2.5 g/L H3BO3, 0.7 g/L CoCl 2 x 6 H 2 0, 0.25 g/L CuSO 4 x 5 H 2 O, 1.6 g/L MnCl 2 x 4 H 2 0, 0.3 g/L ZnSO 4 x 7 H 2 0.
  • the main cultures were incubated for 24 hours at 30°C and 140 rpm in a chest shaker (Infors). After 24 hours, 1 ml samples were taken and the cell density OD 6 oo/ml (optical density of the main culture, measured photometrically at 600 nm) was measured with a GenesysTM 10S UV-Vis spectrophotometer from Thermo-ScientificTM, and the hypotaurine and taurine content was determined by HPLC. The yields of taurine and hypotaurine are summarized in Table 3.
  • HPLC analysis of L-cysteic acid, L-cysteine sulfinic acid, hypotaurine and taurine For the quantitative determination of the compounds quantitatively analyzed in the examples as well as for L-cysteic acid and L-cysteine sulfinic acid, an HPLC method calibrated for each of the four analytes mentioned was used. The reference substances used for calibration were commercially available (Sigma-Aldrich). An HPLC instrument from Agilent, model 1260 Infinity II, was used, equipped with a pre-column derivatization with o-phthaldialdehyde (OPA derivatization) from the same manufacturer, which is familiar from the analysis of amino acids.
  • OPA derivatization o-phthaldialdehyde
  • the HPLC instrument was equipped with a fluorescence detector. The detector was set to an excitation wavelength of 330 nm and an emission wavelength of 450 nm.
  • An AccucoreTM aQ column from Agilent was also used. Thermo ScientificTM, length 100 mM, inner diameter 4.6 mm, particle size 2.6 pm, tempered to 40°C in the column oven.
  • Mobile phase A 25 mM Na phosphate, pH 6.0.
  • Mobile phase B methanol.
  • the separation was carried out in gradient mode: 0 - 25 min, 10% mobile phase B to 60% mobile phase B, followed by 2 min 60% mobile phase B to 100% mobile phase B, followed by another 2 min 100% mobile phase B, at a flow rate of 0.5 ml/min.
  • Retention time of L-cysteine acid 3.2 min.
  • Retention time of L-cysteine sulfinic acid 4.1 min.
  • Retention time of taurine 14.8 min.
  • Retention time of hypotaurine 15.7 min.
  • Example 4 Production of hypotaurine and taurine by fermentation
  • the respective precultures 1 were each completely transferred into 100 ml of SMl medium supplemented with 5 g/L glucose, 5 mg/L vitamin B1 and 15 mg/L tetracycline (composition of SMl medium see Example 3).
  • the cultures were each shaken in an Erlenmeyer flask (1 L volume) at 30°C for 17 h at 150 rpm (Infors chest shaker). After this incubation, the cell density ODgoo/ml was between 3 and 5.
  • the fermentations were carried out in Biostat B fermenters (2 1 working volume) from Sartorius BBI Systems GmbH.
  • the fermentation medium (900 ml) contained 15 g/L glucose, 10 g/L tryptone (Difco), 5 g/L yeast extract (Difco), 2.4 g/L (NH 4 ) 2 SO 4 , 5 g/L KH 2 PO 4 , 0.25 g/L NaCl, 0.6 g/L MgSO 4 x 7 H 2 O, 0.03 g/L CaCl 2 x 2 H 2 O, 0.15 g/L FeSO 4 x 7 H 2 O, 1 g/L Na 3 citrate x 2 H 2 O and 1 ml trace element solution (see example 3), 0.9 g/L L-isoleucine (Sigma-Aldrich), 0.6 g/LD, L-methionine (Sigma-Aldrich), 0.018 g/L vitamin Bl (Sigma-Aldrich), 0.09 g/L
  • the pH value in the fermenter was initially adjusted to 7.0 by pumping in a 25% NH 4 OH solution. During fermentation, the pH value was maintained at 7.0 by automatic correction with 25% NH 4 OH.
  • Foam control was achieved by automatic dosing of 4% v/v Struktol J673 in H 2 O (Schill & Seilacher).
  • vvm introduction of compressed air into the fermentation mixture, given in liters of compressed air per liter of fermentation volume per minute.
  • the oxygen probe was calibrated to 100% saturation before inoculation.
  • the target value for the O2 saturation during fermentation was set to 30%. After the O2 saturation dropped below the target value, a regulation cascade was started to bring the O2 saturation back to the target value. First, the gas supply was continuously increased (to max. 5 vvm) and then the stirring speed was continuously increased (to max. 1,500 rpm). Fermentation was carried out at a temperature of 30 ° C. After 2 h of fermentation, a sulfur source in the form of a sterile 60% (w/v) stock solution of sodium thiosulfate x 5 H 2 0 was added at a rate of 1.5 ml per hour.
  • Glucose was determined using a glucose analyzer from YS I (Yellow Springs, Ohio, USA).
  • the fermentation time was 65 hours. Afterwards, samples were taken from the fermenter broth and the content of hypotaurine and taurine in the culture supernatant was determined by HPLC. The results are summarized in Table 4.
  • the hypotaurine content was 8.3 g/L, corresponding to 6.9 g or 63.1 mmol hypotaurine.
  • the taurine content was 14.4 g/L, corresponding to 11.95 g or 95.4 mmol taurine.
  • Mixture 1A 630 ml of fermentation supernatant of the strain W3110 x pCys-CDOrn-CSADcc from example 5 was placed in a beaker on a magnetic stirrer and 55 ml of 30% (w/w) H2O2 (Sigma-Aldrich) was added dropwise in a dropping funnel with stirring over a period of 1 h so that the temperature of the mixture did not exceed 60°C. After addition of the H2O2, the mixture was stirred for a further 1 h. The mixture was then centrifuged (Thermo ScientificTM Multifuge X1R, TX-400 rotor, 10 min 6300 rpm).
  • hypotaurine and taurine were determined by HPLC from 1 ml of centrifugation supernatant (660 ml volume). Hypotaurine was no longer detectable. The taurine content was 62.7 g/L, corresponding to an amount of 41.4 g taurine in 660 ml centrifugation solution used for further processing.
  • Batch IB 860 ml of fermenter broth from the fermentation of the strain W3110 x pCys-CDOrn-CSADcc analogous to Example 4 with a hypotaurine content of 55.2 g/L (0.5 mol hypotaurine) was titrated to pH 3.0 with 4 M H2SO4 and then incubated for 30 min at 80°C.
  • the fermenter broth was placed in a beaker on a magnetic stirrer and 70 ml of 30% (w/w) H2O2 (Sigma-Aldrich), corresponding to 0.62 mol H2O2, (molar ratio H2O2:hypotaurine of 1.22:1) was added dropwise in a dropping funnel with stirring over a period of 1 h so that the temperature of the batch did not exceed 60°C. After the H2O2 had been added, the batch was stirred for a further 1 h. A 1 ml aliquot of the mixture was centrifuged (HeraeusTM FrescoTM 21 centrifuge) and the hypotaurine and taurine content of the centrifugation supernatant was determined by HPLC. Hypotaurine was no longer detectable. The taurine content was 58.2 g/L.
  • the hypotaurine and taurine content of 1 ml of centrifugation supernatant (840 ml volume) was determined by HPLC.
  • the taurine content was 21.7 g/L, corresponding to an amount of 18.2 g taurine in 840 ml of centrifugation supernatant used for further processing.
  • Approach 1 The centrifugation supernatant of strain W3110 x pCys-CDOrn-CSADcc after H 2 02 incubation from Example 6, Approach 1A, was evaporated to a volume of 130 ml in a rotary evaporator (Büchi Rotavapor R-205, bath temperature 80°C, vacuum 140 mbar).
  • the supernatant was separated, the precipitate was stirred with 720 ml 80% (v/v) ethanol for 30 min at RT and then centrifuged for 10 min at 6300 rpm. The supernatant was separated and the precipitate was used further.
  • the final weight of the crystals was 28.5 g. 21.3 mg of the crystals were weighed, dissolved in 1 ml H 2 O (21.3 g/L concentration) and the taurine content was determined by HPLC. The taurine content was 20.7 g/L, corresponding to a taurine content of the crystals of 97.2%. The taurine yield in 28.5 g of crystals was therefore 27.7 g.
  • the final weight of the crystals was 8.4 g. 20.0 mg of the crystals were weighed, dissolved in 1 ml H 2 O (20 g/L concentration) and the taurine content was determined by HPLC. The taurine content was 19.2 g/L, corresponding to a taurine content of the crystals of 96.0%. The taurine yield in 8.4 g of crystals was therefore 8.1 g. The percentage taurine yield, based on the amount used of 11.3 g Taurine from Example 5 was 71.7%. Including the taurine content of 2.3 g of the reusable mother liquor, the recovered amount of taurine was 10.4 g (92.0% of the initial amount of 11.3 g of taurine).
  • the crystals were washed with 100 ml ethanol and dried at 37°C. The dried crystals were weighed. The final weight of the crystals was 10.1 g. 20 mg of the crystals were weighed, dissolved in 1 ml H2O and the taurine content was determined by HPLC. The taurine content was 19.54 g/L, corresponding to a taurine content of the crystals of 97.7%. The taurine yield in 10.1 g of crystals was therefore 9.9 g. The percentage taurine yield, based on the amount of 18.2 g of taurine used from example 6, was 54.2%. Including the taurine content of 6.6 g of the reusable mother liquor, the amount of taurine recovered was 16.5 g (90.7% of the amount of 18.2 g of taurine used from batch 3 of example 6).

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Abstract

The invention relates to a method for isolating taurine from a fermentation broth following the microbial fermentation of a production strain, having the following isolation steps in the given order: (i) isolating the fermentation supernatant by separating the biomass from the fermentation broth, (ii) precipitating taurine from the fermentation supernatant by adding a water-miscible solvent 1 (e.g. ethanol), (iii) isolating and dissolving the taurine precipitate in a solvent 2 (water), (iv) crystallizing the dissolved taurine, and (v) isolating and optionally drying the crystallized taurine, wherein the isolated taurine is obtained with a degree of purity of >80% (w/w). In this manner, a simple method is provided for isolating fermentatively prepared taurine with a high degree of purity.

Description

Verfahren zur Isolierung von Taurin aus Taurin- und Hypotaurin-haltigen Fermentationsmedien mikrobieller Fermentation Method for the isolation of taurine from taurine and hypotaurine-containing fermentation media of microbial fermentation
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Isolierung von Taurin aus einer Fermenterbrühe nach mikrobieller Fermentation eines Produktionsstamms, das die folgenden Isolierungsschritte in der angegebenen Reihenfolge umfasst: (i) Isolieren des Fermentationsüberstands durch Abtrennen der Biomasse von der Fermenterbrühe, (ii) Präzipitation von Taurin aus dem Fermentationsüberstand durch Zugabe eines mit Wassermischbaren Lösungsmittels 1, (iii) Isolieren und Lösen des Taurin-Präzipitats in einem Lösungsmittel 2, (iv) Kristallisieren des gelösten Taurins, (v) Isolieren und gegebenenfalls Trocknen des kristallisierten Taurins, wobei das isolierte Taurin in einer Reinheit von >80% (w/w) erhalten wird. Dadurch wird ein einfaches Verfahren zur Isolierung von fermentativ hergestelltem Taurin in hoher Reinheit zur Verfügung gestellt. The invention relates to a method for isolating taurine from a fermenter broth after microbial fermentation of a production strain, which comprises the following isolation steps in the order given: (i) isolating the fermentation supernatant by separating the biomass from the fermenter broth, (ii) precipitating taurine from the fermentation supernatant by adding a water-miscible solvent 1, (iii) isolating and dissolving the taurine precipitate in a solvent 2, (iv) crystallizing the dissolved taurine, (v) isolating and optionally drying the crystallized taurine, whereby the isolated taurine is obtained in a purity of >80% (w/w). This provides a simple method for isolating fermentatively produced taurine in high purity.
Taurin (2-Aminoethansulfonsäure, CAS-Nummer 107-35-7) ist eine Aminosulfonsäure, die in der Natur als Abbauprodukt der Aminosäuren Cystein und Methionin vorkommt. Taurin hat wirtschaftliche Bedeutung, ist Bestandteil von Energiedrinks und wird auch in der Tiernahrung, z.B. für Katzen oder in der Fischzucht, eingesetzt. Taurin werden jedoch auch gesundheitsfördernde Effekte zugeschrieben. Taurine (2-aminoethanesulfonic acid, CAS number 107-35-7) is an aminosulfonic acid that occurs naturally as a degradation product of the amino acids cysteine and methionine. Taurine is economically important, is a component of energy drinks and is also used in animal feed, e.g. for cats or in fish farming. However, taurine is also said to have health-promoting effects.
Für den kommerziellen Gebrauch wird Taurin gegenwärtig chemisch hergestellt. Bekannt ist z.B. ein Verfahren der Fa . Changshu Yudong Chemical Factory, das von Ethylen ausgeht und über Ethylenimin zum Taurin führt. Mit dem von Konsumentenwünschen beförderten Trend weg von chemisch hergestellten Inhaltsstoffen werden zunehmend biotechnologische Verfahren zur Herstellung von Taurin untersucht . In der Natur kommt Taurin fast ausschließlich im Tierreich vor, mit nur wenigen Beispielen für ein Vorkommen in Pflanzen, Algen oder Bakterien. Es gibt verschiedene biosynthetische Wege zum Taurin (siehe z.B. die KEGG Pathway Datenbank: „Taurine and hypotaurine metabolism") , u.a. ausgehend von L- Cystein. Die wichtigsten Syntheseschritte, die von L-Cystein zu Taurin führen, sind in den Gleichungen (1) bis (5) dargestellt . Taurine is currently produced chemically for commercial use. One well-known process is the Changshu Yudong Chemical Factory, which starts with ethylene and leads to taurine via ethyleneimine. With the trend away from chemically produced ingredients, driven by consumer demands, biotechnological processes for producing taurine are increasingly being investigated. In nature, taurine occurs almost exclusively in the animal kingdom, with only a few examples of occurrence in plants, algae or bacteria. There are various biosynthetic pathways to taurine (see eg the KEGG Pathway database: "Taurine and hypotaurine metabolism"), including starting from L-cysteine. The most important synthesis steps that lead from L-cysteine to taurine are shown in equations (1) to (5).
(1) L-Cystein + O2 -> L-Cysteinsulf insäure (1) L-cysteine + O2 -> L-cysteine sulfinic acid
(2) L-Cysteinsulf insäure +
Figure imgf000004_0001
O2 -> L-Cysteinsäure
(2) L-cysteine sulfinic acid +
Figure imgf000004_0001
O2 -> L-cysteine acid
(3) L-Cysteinsulf insäure -> Hypotaurin + CO2 (3) L-cysteine sulfinic acid -> hypotaurine + CO2
(4) Hypotaurin
Figure imgf000004_0002
-> Taurin
(4) Hypotaurine
Figure imgf000004_0002
-> Taurine
(5) L-Cysteinsäure -> Taurin + CO2 (5) L-cysteine acid -> taurine + CO2
(1) : In einem ersten Schritt wird L-Cystein durch das Enzym Cysteindioxygenase (CDO, EC 1.13.11.20) zu L-(1) : In a first step, L-cysteine is converted by the enzyme cysteine dioxygenase (CDO, EC 1.13.11.20) to L-
Cysteinsulf insäure ( 3-Sulf inoalanin, CAS Nummer 207121-48-0) oxidiert . Cysteine sulfinic acid (3-sulfinoalanine, CAS number 207121-48-0) oxidized.
(3) und (5) : Cysteinsulf inatdecarboxylase (CSAD, EC 4.1.1.29) decarboxyliert L-Cysteinsulf insäure zu Hypotaurin (2- Aminoethansulf insäure, CAS Nummer 300-84-5) und kann in einer ähnlichen Reaktion L-Cysteinsäure zu Taurin decarboxylieren .(3) and (5) : Cysteine sulfinate decarboxylase (CSAD, EC 4.1.1.29) decarboxylates L-cysteine sulfinic acid to hypotaurine (2-aminoethane sulfinic acid, CAS number 300-84-5) and can decarboxylate L-cysteine acid to taurine in a similar reaction.
(2) und (4) : Bisher nicht eindeutig geklärt ist die Oxidation von Cysteinsulf insäure zu Cysteinsäure sowie die Oxidation von Hypotaurin zu Taurin. (2) and (4): The oxidation of cysteine sulfinic acid to cysteic acid and the oxidation of hypotaurine to taurine have not yet been clearly clarified.
Ein alternativer Weg des Metabolie Engineering zu Taurin ist unter Verwendung des aus methanogenen Archaebakterien bekannten Enzyms Cysteatsynthase (CS, EC 2.5.1.76) möglich, wo in einer Teilreaktion der Coenzym M Biosynthese L-Cysteinsäure entsteht nach Gleichung (6) : An alternative route of metabolic engineering to taurine is possible using the enzyme cysteate synthase (CS, EC 2.5.1.76) known from methanogenic archaebacteria, where L-cysteic acid is formed in a partial reaction of coenzyme M biosynthesis according to equation (6) :
(6) O-Phospho-L-Serin + SO32“ -> L-Cysteinsäure + HPO42“ Die in dieser Reaktion entstandene L-Cysteinsäure kann dann entsprechend Gleichung (5) durch ein CSAD-Enzym decarboxyliert werden. O-Phospho-L-Serin (OPS) dient im L-Cystein- Stoffwechsel z.B. von Escherichia coli als biosynthetischer Vorläufer von L-Serin (siehe z.B. die KEGG Pathway Datenbank: „Cysteine and methionine metabolism") . (6) O-phospho-L-serine + SO3 2 “ -> L-cysteic acid + HPO4 2 “ The L-cysteine acid produced in this reaction can then be decarboxylated by a CSAD enzyme according to equation (5). O-phospho-L-serine (OPS) serves as a biosynthetic precursor of L-serine in the L-cysteine metabolism of, for example, Escherichia coli (see, for example, the KEGG Pathway database: "Cysteine and methionine metabolism").
Ein Nachteil der bekannten biotechnologischen Verfahren zur Herstellung von Taurin liegt darin, dass Produktgemische aus Hypotaurin und Taurin entstehen und Hypotaurin häufig das Hauptprodukt ist. Darüber hinaus sind die Ausbeuten bekannter biotechnologischer Verfahren zur Herstellung von Taurin und Hypotaurin bisher sehr gering und es ist kein Verfahren zur Produktisolierung aus fermentativen Verfahren bekannt. A disadvantage of the known biotechnological processes for producing taurine is that product mixtures of hypotaurine and taurine are produced and hypotaurine is often the main product. In addition, the yields of known biotechnological processes for producing taurine and hypotaurine are very low and no process for isolating the product from fermentative processes is known.
Honjoh et al. (2010) , Amino Acids 38: 173-1183 beschreiben einen gentechnisch veränderten Hefestamm, der die CDO- und CSAD-Gene aus Karpfen (Cyprinus carpio) heterolog exprimiert. Wurde der Anzucht des gentechnisch veränderten Stammes L- Cystein zugesetzt, dann konnte die Produktion von Hypotaurin als Hauptprodukt und daneben ein geringerer Anteil an Taurin beobachtet werden. Obwohl S. cerevisiae an sich in der Lage ist, Cystein aus seinem eigenen Stoffwechsel zu produzieren, war die externe Zugabe von L-Cystein in das Anzuchtmedium erforderlich, um Hypotaurin zu produzieren. Analytisch bestimmt wurden intrazellulär gebildetes Taurin, mit und ohne H2O2-Behandlung (Tabelle 1 in Honjoh et al.) . Aus den deutlich höheren Taurin-Werten nach H2O2-Behandlung wurde geschlossen, dass ein Großteil des intrazellulär gebildeten Produkts als Hypotaurin vorlag, wenngleich Hypotaurin nicht analytisch quantifiziert wurde, und das obwohl im Methodenteil von Honjoh et al. eine Hypotaurin Analytik auf geführt wurde. Es wurde kein Verfahren zur Isolierung von Taurin aus Hefezellen beschrieben . WO 17/213142 Al (Ajinomoto) beschreibt einen Taurinproduzierenden Stamm, der durch heterologe Expression einer Cystein Dioxygenase und einer L-Cysteinsulf insäure Decarboxylase in einem ursprünglich Cystein-produzierenden Stamm erhalten wurde. Hauptprodukt war Hypotaurin mit max. 450 pM Ausbeute, welches durch nachträgliche chemisch-alkalische Behandlung und in geringer Ausbeute zu Taurin umgewandelt werden konnte. Es wurden allgemeine Methoden aus dem Stand der Technik zur Isolierung von Aminosäuren, wie Kationenaustauschchromatographie, Membranfiltration und Kristallisation genannt, aber keine Angaben zur Eignung der Methoden zur Isolierung von Taurin, zu Ausbeuten und zur zu erzielenden Reinheit eines Taurin-Produkts gemacht. Honjoh et al. (2010) , Amino Acids 38: 173-1183 describe a genetically modified yeast strain that heterologously expresses the CDO and CSAD genes from carp (Cyprinus carpio). When L-cysteine was added to the culture of the genetically modified strain, the production of hypotaurine was observed as the main product, along with a smaller amount of taurine. Although S. cerevisiae is capable of producing cysteine from its own metabolism, the external addition of L-cysteine to the culture medium was necessary to produce hypotaurine. Intracellularly formed taurine was determined analytically, with and without H 2 O2 treatment (Table 1 in Honjoh et al.). From the significantly higher taurine values after H 2 O2 treatment, it was concluded that a large part of the intracellularly formed product was present as hypotaurine, although hypotaurine was not quantified analytically, even though hypotaurine analysis was described in the methods section of Honjoh et al. No method for isolating taurine from yeast cells was described. WO 17/213142 A1 (Ajinomoto) describes a taurine-producing strain that was obtained by heterologous expression of a cysteine dioxygenase and an L-cysteine sulfinic acid decarboxylase in an originally cysteine-producing strain. The main product was hypotaurine with a maximum yield of 450 pM, which could be converted to taurine by subsequent chemical-alkaline treatment and in low yield. General methods from the state of the art for isolating amino acids, such as cation exchange chromatography, membrane filtration and crystallization, were mentioned, but no information was given on the suitability of the methods for isolating taurine, on yields and on the purity of a taurine product that can be achieved.
US 2019/0062757 Al (KnipBio) beschreibt heterologe Produktionsstämme zur Herstellung von Taurin oder seiner Vorläufersubstanzen, wobei max. Ausbeuten von nur 419 ng/ml Hypotaurin erzielt wurden. Es wurden allgemeine Methoden aus dem Stand der Technik zur Isolierung von Taurin angegeben, wie Zentrifugation, Filtration oder lonenaustauschchromatographie, ohne jedoch ein Reinigungsverfahren zu offenbaren und ohne nachzuweisen, ob diese Methoden für die Isolierung von Taurin geeignet sind. Außerdem wurden keine Angaben zur zu erzielenden Reinheit eines Taurin Produkts gemacht. US 2019/0062757 Al (KnipBio) describes heterologous production strains for the production of taurine or its precursor substances, whereby maximum yields of only 419 ng/ml hypotaurine were achieved. General state-of-the-art methods for isolating taurine were given, such as centrifugation, filtration or ion exchange chromatography, but without disclosing a purification process and without proving whether these methods are suitable for isolating taurine. In addition, no information was given on the purity of a taurine product that could be achieved.
Ma et al., Food Anal. Methods (2018) 11:415-425 beschreiben ein Laborverfahren zur Isolierung von Taurin aus Rinderleber. Dabei wird das Lebergewebe zuerst durch Ultraschall aufgeschlossen und ein proteinfreier Extrakt hergestellt, aus dem Taurin nach Aktivkohlebehandlung durch Kationenaustauschchromatographie und anschließender Kristallisation isoliert wurde. Ma et al., Food Anal. Methods (2018) 11:415-425 describe a laboratory procedure for isolating taurine from bovine liver. The liver tissue is first disrupted by ultrasound and a protein-free extract is prepared from which taurine was isolated by cation exchange chromatography and subsequent crystallization after treatment with activated carbon.
Lin et al., Ind. Eng. Chem. Res. (2013) 52: 13449-13458 beschreiben die Kristallisation von Taurin aus chemischer Herstellung . Der Stand der Technik offenbart Verfahren zur Isolierung von Taurin aus chemischer Herstellung oder aus biologischem Material, darunter Tierorganen wie z.B. Rinderleber, jedoch nicht aus der Fermentation von Mikroorganismen. Bekannt sind rekombinante Mikroorganismen mit heterologen Stoffwechselwegen, die zu Taurin und vor allem Hypotaurin führen, wie z.B. Escherichia coli, Bäckerhefe oder Coryn ebacteri um glutamicum. Dabei sind die offenbarten Ausbeuten sowohl für Hypotaurin wie Taurin durchgehend gering. Ein effizientes Verfahren zur präparativen Umwandlung von Hypotaurin zu Taurin als Schritt eines Taurin Aufarbeitungsverfahrens ist nicht bekannt. Zur Isolierung von Taurin werden nur allgemeine Methoden aus der Aufarbeitung von Aminosäuren angegeben. Ein Verfahren zur Isolierung von fermentativ hergestelltem Taurin ist nicht bekannt. Lin et al., Ind. Eng. Chem. Res. (2013) 52: 13449-13458 describe the crystallization of taurine from chemical preparation. The state of the art discloses methods for isolating taurine from chemical production or from biological material, including animal organs such as beef liver, but not from the fermentation of microorganisms. Recombinant microorganisms with heterologous metabolic pathways that lead to taurine and especially hypotaurine are known, such as Escherichia coli, baker's yeast or Coryn ebacteri um glutamicum. The yields disclosed for both hypotaurine and taurine are consistently low. An efficient method for the preparative conversion of hypotaurine to taurine as a step in a taurine processing process is not known. Only general methods from the processing of amino acids are given for isolating taurine. A method for isolating taurine produced by fermentation is not known.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es, unter Vermeidung chromatographischer Verfahrensschritte ein einfaches Verfahren zur Isolierung von fermentativ hergestelltem Taurin in hoher Reinheit und mit hohen Ausbeuten bereitzustellen. The object of the present invention was to provide a simple process for isolating taurine produced by fermentation in high purity and with high yields while avoiding chromatographic process steps.
Die Aufgabe wurde gelöst durch ein Verfahren zur Isolierung von Taurin aus einer Fermenterbrühe nach mikrobieller Fermentation eines Produktionsstamms, das die folgenden Isolierungsschritte in der angegebenen Reihenfolge umfasst: i. Isolieren des Fermentationsüberstands durch Abtrennen der Biomasse von der Fermenterbrühe, ii. Präzipitation von Taurin aus dem Fermentationsüberstand durch Zugabe eines mit Wasser-mischbaren Lösungsmittels 1, iii. Isolieren und Lösen des Taurin-Präzipitats in einem Lösungsmittel 2, iv. Kristallisieren des gelösten Taurins, v. Isolieren und gegebenenfalls Trocknen des kristallisierten Taurins, wobei das isolierte Taurin in einer Reinheit von >80% (w/w) erhalten wird . The object was achieved by a method for isolating taurine from a fermenter broth after microbial fermentation of a production strain, which comprises the following isolation steps in the order given: i. isolating the fermentation supernatant by separating the biomass from the fermenter broth, ii. precipitating taurine from the fermentation supernatant by adding a water-miscible solvent 1, iii. isolating and dissolving the taurine precipitate in a solvent 2, iv. crystallizing the dissolved taurine, v. isolating and optionally drying the crystallized taurine, whereby the isolated taurine is obtained in a purity of >80% (w/w).
Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung ist , dass keine chromatographischen Verfahrensschritte notwendig sind, so dass ein einfaches Verfahren zur I solierung von fermentativ hergestelltem Taurin in hoher Reinheit zur Verfügung gestellt wird . A significant advantage of the invention is that no chromatographic process steps are necessary, so that a simple process for isolating fermentatively produced taurine in high purity is provided.
Chromatographische Verfahren dienen der Auftrennung eines Stof f gemisches durch unterschiedliche Verteilung seiner Einzelbestandteile zwischen einer stationären und einer mobilen Phase . Auf diesem Weg lassen sich relativ reine Substanzen gewinnen . Auch das im Stand der Technik bekannte Verfahren zur I solierung von Taurin von Ma ( 2018 , s . o . ) beinhaltet einen chromatographischen Schritt . Chromatographic processes are used to separate a mixture of substances by differently distributing its individual components between a stationary and a mobile phase. In this way, relatively pure substances can be obtained. The state-of-the-art method for isolating taurine by Ma (2018, see above) also includes a chromatographic step.
Überraschenderweise kommt das vorliegende Verfahren ohne chromatographische Verfahrensschritte aus und ist trotzdem in der Lage , Taurin in einer Reinheit von >80% (w/w) zu isolieren . Das erfindungsgemäße Verfahren zur I solierung von Taurin spart damit Arbeitsschritte und Material und ist insgesamt wirtschaftlicher . Surprisingly, the present method does not require any chromatographic process steps and is nevertheless able to isolate taurine with a purity of >80% (w/w). The method according to the invention for isolating taurine thus saves work steps and material and is overall more economical.
Ein Verfahren im Sinne der Erfindung ist definiert als eine mehrstufige Abfolge von Arbeitsschritten, wo ein Produkt aus einem Ansatz in einer vorab definierten Reihenfolge aufeinanderfolgender Verfahrensschritte isoliert wird, auch bezeichnet als Aufarbeitungsverfahren oder DSP ( Down Stream Processing) . Die Zahl der Verfahrensschritte ist variabel und abhängig vom angestrebten Reinheitsgrad des Produkts . Die vorliegende Erfindung zur I solierung von Taurin aus Fermentationsansätzen ist ein Verfahren . A process in the sense of the invention is defined as a multi-stage sequence of work steps in which a product is isolated from a batch in a predefined order of successive process steps, also referred to as a processing process or DSP (downstream processing). The number of process steps is variable and depends on the desired degree of purity of the product. The present invention for isolating taurine from fermentation batches is a process.
Fermentation ist ein Verfahrensschritt zur Herstellung (Kultivierung) von Zellkulturen im technischen Maßstab, bei dem ein bevorzugt mikrobieller Produktionsstamm unter definierten Bedingungen von Kulturmedium (Anzuchtmedium) , Temperatur, pH, Sauerstof f zufuhr und Mediumdurchmischung zum Wachstum gebracht wird . Gegebenenfalls wird durch kontinuierliche Zuführung von Medienbestandteilen wie z . B . Glucose ( C-Quelle ) oder eines komplexen Aminosäuregemischs wie z . B . Hefeextrakt (N-Quelle ) als Feed einer sog . Fed-Batch Fermentation die Bildung von Biomasse und Zielprodukt optimiert . Ziel der Fermentation ist , abhängig von der Konfiguration ( genetischen Ausstattung) des Produktionsstammes , die Produktion eines Proteins/Enzyms oder eines Stof fwechselprodukts , j eweils mit möglichst hoher Ausbeute für die weitere Verwendung . Die Produkte Taurin und Hypotaurin können durch Fermentation hergestellt werden . Endprodukt der Fermentation ist eine Fermenterbrühe , bestehend aus der Biomasse der Zellen des Produktionsstammes ( Fermenterzellen) und dem von der Biomasse befreiten Fermentationsmedium ( Fermentationsüberstand) , das sich im Verlauf der Fermentation aus dem Anzuchtmedium und den von den Fermenterzellen sekretierten Stof fwechselprodukten gebildet hat . Im Gegensatz zum durch seine chemische Zusammensetzung definierten Anzuchtmedium ist die Zusammensetzung des Fermentationsmediums infolge der nicht vorhersehbaren Bildung von Stof fwechselprodukten nicht eindeutig definiert . In der vorliegenden Erfindung werden die Produkte Taurin und Hypotaurin durch Fermentation hergestellt . Die Produkte der Fermentation können sich in den Fermenterzellen oder im Fermentationsüberstand befinden . Fermentation is a process step for the production (cultivation) of cell cultures on an industrial scale, in which a preferably microbial production strain is grown under defined conditions of culture medium (cultivation medium), Temperature, pH, oxygen supply and medium mixing are used to make the culture medium grow. If necessary, the formation of biomass and target product is optimized by continuously adding media components such as glucose (C source) or a complex amino acid mixture such as yeast extract (N source) as feed in a so-called fed-batch fermentation. The aim of the fermentation is, depending on the configuration (genetic makeup) of the production strain, to produce a protein/enzyme or a metabolic product, in each case with the highest possible yield for further use. The products taurine and hypotaurine can be produced by fermentation. The end product of the fermentation is a fermenter broth consisting of the biomass of the cells of the production strain (fermenter cells) and the fermentation medium freed from the biomass (fermentation supernatant) which was formed in the course of the fermentation from the culture medium and the metabolic products secreted by the fermenter cells. In contrast to the culture medium which is defined by its chemical composition, the composition of the fermentation medium is not clearly defined due to the unpredictable formation of metabolic products. In the present invention, the products taurine and hypotaurine are produced by fermentation. The products of the fermentation can be found in the fermenter cells or in the fermentation supernatant.
Ausbeute im Sinne der Erfindung ist definiert als die Menge des Produkts , welche in einem Aufarbeitungsschritt , bzw . Aufarbeitungsverfahren erhalten wird . Die Ausbeute kann angegeben werden in absoluter Menge Produkt (mmol oder g) , als Volumenausbeute (Konzentration) auf das Volumen bezogene absoluter Menge Produkt (mM oder g/L ) oder als relative Ausbeute von der in einem Aufarbeitungsschritt , bzw . Yield in the sense of the invention is defined as the amount of product which is obtained in a processing step or processing process. The yield can be stated in absolute amount of product (mmol or g), as volume yield (concentration) based on the volume of absolute amount of product (mM or g/L) or as relative yield of the product obtained in a processing step or processing process.
Aufarbeitungsverfahren erhaltenen Menge Produkt in Prozent der in dem Aufarbeitungsschritt , bzw . Aufarbeitungsverfahren eingesetzten Menge Produkt , auch bezeichnet als prozentuale Ausbeute . Amount of product obtained in the processing step or processing process in percent of the amount of product used, also referred to as percentage yield.
Handelt es sich nicht um ein Aufarbeitungsverfahren, sondern um eine chemische Reaktion, kann die Ausbeute der Reaktion ebenfalls angegeben werden in absoluter Menge Produkt (mmol oder g) , als Volumenausbeute (Konzentration) auf das Volumen bezogene absoluter Menge Produkt (mM oder g/L ) oder als relative Ausbeute von Produkt in Prozent des eingesetzten Edukts (unter Berücksichtigung der Molekulargewichte des Edukts und des Produkts ) , auch bezeichnet als prozentuale Ausbeute . Im Rahmen der Erfindung wird Hypotaurin in Fermentationsüberständen durch H2O2 zu Taurin oxidiert , wobei die Fermentationsüberstände neben Hypotaurin auch bereits Taurin enthalten können . Die molare Ausbeute Taurin aus der Oxidation von Hypotaurin und Taurin enthaltenden Fermentationsüberständen ist dann definiert als die molare Gesamtmenge an Taurin nach der Oxidation im Verhältnis zur Summe der im Fermentationsüberstand enthaltenen molaren Mengen Hypotaurin und Taurin, ausgedrückt in Prozent . If it is not a work-up process but a chemical reaction, the yield of the reaction can also be given as the absolute amount of product (mmol or g), as the volume yield (concentration) of the absolute amount of product related to the volume (mM or g/L) or as the relative yield of product as a percentage of the reactant used (taking into account the molecular weights of the reactant and the product), also referred to as the percentage yield. In the context of the invention, hypotaurine in fermentation supernatants is oxidized to taurine by H2O2, whereby the fermentation supernatants can already contain taurine in addition to hypotaurine. The molar yield of taurine from the oxidation of hypotaurine and taurine-containing fermentation supernatants is then defined as the total molar amount of taurine after the oxidation in relation to the sum of the molar amounts of hypotaurine and taurine contained in the fermentation supernatant, expressed as a percentage.
Als Gehalt oder Reinheit des Produkts ist definiert die analytisch, z . B . durch HPLC nachgewiesene Menge Produkt in einer Fraktion des Aufarbeitungsverfahrens . Handelt es sich bei der Fraktion um einen Feststof f , wird die Reinheit angegeben als g Produkt/g Feststof f , bzw . dieser Wert ausgedrückt in Prozent . Beträgt z . B . der Gehalt Produkt 0 , 8 g in 1 g Feststof f , so spricht man von einem Gehalt oder einer Reinheit von 80% . Bei der Fraktion kann es sich auch um eine Lösung handeln . Dann wird die Reinheit ausgedrückt in g Produkt/g flüssiger Fraktion . The content or purity of the product is defined as the amount of product in a fraction of the processing process, as determined analytically, e.g. by HPLC. If the fraction is a solid, the purity is given as g product/g solid, or this value is expressed as a percentage. If, for example, the product content is 0.8 g in 1 g solid, this is referred to as a content or purity of 80%. The fraction can also be a solution. The purity is then expressed in g product/g liquid fraction.
Ein Lösungsmittel ( auch Lösemittel oder Solvens ) ist ein Stof f , der Gase , Flüssigkeiten oder Feststof fe lösen oder verdünnen kann, ohne dass es dabei zu chemischen Reaktionen zwischen gelöstem Stof f und lösendem Stof f kommt . Im Rahmen dieser Erfindung werden mit Wasser mischbare organische Lösungsmittel verwendet . Beispiele für solche Lösungsmittel , aber nicht auf diese beschränkt sind organische Lösungsmittel wie Ethanol , Methanol , 1-Propanol , 2-Propanol ( I sopropanol ) , und Aceton . Mit Wasser mischbare Lösungsmittel sind definiert als solche Lösungsmittel , die in beliebigem Mischungsverhältnis mit Wasser nur eine flüssige Phase ergeben, im Gegensatz zu nicht mit Wasser mischbaren Lösungsmitteln die , abhängig von den chemischen Eigenschaften (v . a . Apolarität ) , nur bedingt in Wasser löslich sind und ab einer für das betref fende Lösungsmittel charakteristischen Konzentration in einer Mischung zur Phasentrennung in Wasserphase und Lösungsmittelphase führen . Beispiele nicht mit Wasser mischbarer Lösungsmittel sind Kohlenwasserstof fe wie n- Pentan, n-Hexan oder n-Heptan sowie Ester wie Ethylacetat oder Butylacetat . A solvent (also called solvent or solvents) is a substance that can dissolve or dilute gases, liquids or solids without causing chemical reactions between the dissolved substance and the solvent. In this invention, water-miscible organic solvents are used. Examples of such solvents, but not limited to these, are organic solvents such as ethanol, methanol, 1-propanol, 2-propanol (isopropanol), and acetone. Water-miscible solvents are defined as solvents which, in any mixing ratio with water, only produce a liquid phase, in contrast to water-immiscible solvents which, depending on their chemical properties (especially apolarity), are only partially soluble in water and, above a concentration in a mixture that is characteristic of the solvent in question, lead to phase separation into the water phase and the solvent phase. Examples of water-immiscible solvents are hydrocarbons such as n-pentane, n-hexane or n-heptane, and esters such as ethyl acetate or butyl acetate.
Als of fener Leserahmen ( open reading frame , ORF, gleichbedeutend mit cds , coding sequence ) wird derj enige Bereich der DNS bzw . RNS bezeichnet , der mit einem Startcodon beginnt und mit einem Stoppcodon endet und für die Aminosäuresequenz eines Proteins codiert . Der ORF wird auch als codierende Region oder Strukturgen bezeichnet . The open reading frame (ORF, synonymous with cds, coding sequence) is the region of DNA or RNA that begins with a start codon and ends with a stop codon and codes for the amino acid sequence of a protein. The ORF is also called the coding region or structural gene.
Als Gen, Cistron oder Expressionseinheit wird der DNS- Abschnitt bezeichnet , der alle Grundinformationen zur Herstellung einer biologisch aktiven RNS enthält . Ein Gen enthält den DNS-Abschnitt , von dem durch Transkription eine einzelsträngige RNS-Kopie hergestellt wird und die Expressionssignale , die an der Regulation dieses Kopiervorgangs beteiligt sind . Die Expressionssignale umfassen mindestens einen Promotor, einen Transkriptions- , einen Translationsstart und eine Ribosomenbindestelle . Des Weiteren sind als Expressionssignale ein Terminator und ein oder mehrere Operatoren möglich . Als Allele werden die Zustands formen eines Gens definiert , die durch Mutation, d . h . durch Änderungen der Nucleotidsequenz der DNS ineinander übergeführt werden können . Dabei wird das natürlicherweise in einem Mikroorganismus vorkommende Gen als Wildtyp-Allel bezeichnet und die davon abgeleiteten Varianten als mutierte Allele des Gens . A gene, cistron or expression unit is the DNA section that contains all the basic information for producing a biologically active RNA. A gene contains the DNA section from which a single-stranded RNA copy is produced by transcription and the expression signals that are involved in regulating this copying process. The expression signals include at least one promoter, one transcription start, one translation start and one ribosome binding site. Other possible expression signals are a terminator and one or more operators. Alleles are defined as the states of a gene that can be converted into one another by mutation, i.e. by changes in the nucleotide sequence of the DNA. The gene that occurs naturally in a microorganism is called the wild-type allele and the variants derived from it are called mutated alleles of the gene.
Als Promotor wird eine stromaufwärts dem 5 ' -Ende der cds vorgeschaltete Nukleotid-Sequenz bezeichnet , welche die Expression eines Gens ermöglicht . Der Promotor liegt in Syntheserichtung vor dem RNA-codierenden Bereich . Der Promotor enthält Bereiche der spezi fischen Wechselwirkung mit DNSbindenden Proteinen, welche den Start der Transkription des Gens durch die RNA-Polymerase vermitteln und als Transkriptions faktoren bezeichnet werden . A promoter is a nucleotide sequence upstream of the 5' end of the cds that enables the expression of a gene. The promoter is located in the direction of synthesis before the RNA coding region. The promoter contains regions of specific interaction with DNA-binding proteins that mediate the start of transcription of the gene by the RNA polymerase and are referred to as transcription factors.
Eine mRNS , auch messenger-RNS oder Boten-RNS genannt , ist eine einzelsträngige Ribonukleinsäure (RNS ) , welche die genetische Information für den Aufbau eines Proteins trägt . Mit einer mRNS steht die Bauanleitung für ein bestimmtes Protein in einer Zelle zur Verfügung . Das mRNS-Molekül trägt die zum Proteinaufbau notwendige Botschaft aus der Erbinformation ( DNS ) an die proteinaufbauenden Ribosomen . In einer Zelle wird es gebildet als Transkript eines zu einem Gen gehörenden Teilabschnitts der DNS . Die in der DNS gespeicherte genetische Information wird dabei nicht verändert . An mRNA, also called messenger RNA, is a single-stranded ribonucleic acid (RNA) that carries the genetic information for building a protein. An mRNA provides the construction instructions for a specific protein in a cell. The mRNA molecule carries the message from the genetic information (DNA) necessary for protein building to the protein-building ribosomes. In a cell, it is formed as a transcript of a section of DNA belonging to a gene. The genetic information stored in the DNA is not changed in the process.
Gene eukaryotischer Organismen sind überwiegend sog . Mosaikgene und enthalten im Gegensatz zu prokaryotischen Genen auch nichtcodierende Abschnitte , sog . Introns ( engl . intrageni c regi ons) . Codierende Sequenzen, sog . Exons ( engl . expressed regi ons) sind DNS-Abschnitte eines eukaryotischen Gens , die nach der Transkription in RNS von den Ribosomen in die Aminosäure-Sequenz eines Proteins übersetzt werden . Die Introns werden nach der Transkription der DNS zur RNS aus dem Primärtranskript gespleißt . Die von Introns befreite proteincodierende RNS wird als messenger-RNS (mRNS) , auch als „reife" mRNS bezeichnet. Diese wird weiteren Modifikationen wie dem Capping und der Polyadenylierung unterzogen. Der codierende Bereich der reifen mRNS wird dann in die Proteinsequenz übersetzt. Soll ein eukaryotisches Gen mit Exon/ Intronstruktur in prokaryotischen Organismen exprimiert werden, ist es notwendig, die Proteinsequenz oder den codierenden Bereich der reifen mRNS in Intron-freie DNS zurückzuübersetzen, da bei Prokaryoten die Prozessierung der Exon/ Intronstruktur nicht stattfindet. Wenn im Rahmen dieser Erfindung von aus der Proteinsequenz oder von aus der mRNS abgeleiteten Gensequenzen die Rede ist, ist genau dieser Prozess der Rückübersetzung gemeint. Es ist bevorzugt, dass gleichzeitig mit der Rückübersetzung der Proteinsequenz oder der mRNS-Sequenz in DNS-Sequenz eine Sequenzoptimierung, d.h. Anpassung an die Codon-Nut zung des entsprechenden Prokaryoten erfolgt (Codon-Optimierung) . Genes of eukaryotic organisms are predominantly so-called mosaic genes and, in contrast to prokaryotic genes, also contain non-coding sections, so-called introns (intragenic regions). Coding sequences, so-called exons (expressed regions), are DNA sections of a eukaryotic gene that are translated into the amino acid sequence of a protein by the ribosomes after transcription into RNA. The introns are spliced from the primary transcript after transcription of the DNA into RNA. The introns are freed from the introns. Protein-coding RNA is referred to as messenger RNA (mRNA), also known as "mature" mRNA. This is subjected to further modifications such as capping and polyadenylation. The coding region of the mature mRNA is then translated into the protein sequence. If a eukaryotic gene with an exon/intron structure is to be expressed in prokaryotic organisms, it is necessary to translate the protein sequence or the coding region of the mature mRNA back into intron-free DNA, since in prokaryotes the processing of the exon/intron structure does not take place. When, in the context of this invention, reference is made to gene sequences derived from the protein sequence or from the mRNA, this is precisely the process of back translation that is meant. It is preferred that at the same time as the protein sequence or the mRNA sequence is translated back into DNA sequence, a sequence optimization, i.e. adaptation to the codon usage of the corresponding prokaryote (codon optimization) takes place.
Unter homologen Genen bzw. homologen Sequenzen ist zu verstehen, dass die DNS-Sequenzen dieser Gene bzw. DNS- Abschnitte zu mindestens 80%, bevorzugt zu mindestens 90% und besonders bevorzugt zu mindestens 95% identisch sind. Homologous genes or homologous sequences mean that the DNA sequences of these genes or DNA segments are at least 80%, preferably at least 90% and particularly preferably at least 95% identical.
Der Grad der DNS-Identität wird durch das Programm „nucleotide blast", zu finden auf der Seite http://blast. ncbi . nlm. nih . gov/ , bestimmt, welches auf dem blastn-Algorithmus basiert. Als Algorithmus-Parameter für ein Alignment zweier oder mehrerer Nukleotidsequenzen wurden die voreingestellten Parameter genutzt. Die voreingestellten generellen Parameter sind: Max target sequences = 100; Short queries = "Automatically adjust parameters for short input sequences"; Expect Threshold = 10; Word size = 28; Automatically adjust parameters for short input sequences = 0. Die entsprechenden voreingestellten Scoring Parameter sind: Match/Mismatch Scores = 1,-2; Gap Costs = Linear. Unter homologen Proteinsequenzen ist zu verstehen, dass die Proteinsequenzen dieser Proteine bzw. Protein-Abschnitte zu mindestens 80%, bevorzugt zu mindestens 90% und besonders bevorzugt zu mindestens 95% identisch sind. The degree of DNA identity is determined by the program "nucleotide blast", found at http://blast. ncbi . nlm. nih . gov/ , which is based on the blastn algorithm. The preset parameters were used as algorithm parameters for an alignment of two or more nucleotide sequences. The preset general parameters are: Max target sequences = 100; Short queries = "Automatically adjust parameters for short input sequences"; Expect Threshold = 10; Word size = 28; Automatically adjust parameters for short input sequences = 0. The corresponding preset scoring parameters are: Match/Mismatch Scores = 1,-2; Gap Costs = Linear. Homologous protein sequences mean that the protein sequences of these proteins or protein segments are at least 80%, preferably at least 90% and particularly preferably at least 95% identical.
Für den Vergleich von Proteinsequenzen wird das Programm „protein blast", auf der Seite http://blast. ncbi . nlm. nih . gov/ , genutzt. Dieses Programm greift auf den blastp-Algorithmus zurück. Als Algorithmus-Parameter für ein Alignment zweier oder mehrerer Proteinsequenzen wurden die voreingestellten Parameter genutzt. Die voreingestellten generellen Parameter sind: Max target sequences = 100; Short queries = "Automatically adjust parameters for short input sequences"; Expect Threshold = 10; Word size = 3; Automatically adjust parameters for short input sequences = 0. Die voreingestellten Scoring Parameter sind: Matrix = BLOSUM62; Gap Costs = Existence: 11 Extension: 1; Compositional adjustments = Conditional compositional score matrix adjustment. The program "protein blast" on the website http://blast. ncbi . nlm. nih . gov/ is used to compare protein sequences. This program uses the blastp algorithm. The preset parameters were used as algorithm parameters for an alignment of two or more protein sequences. The preset general parameters are: Max target sequences = 100; Short queries = "Automatically adjust parameters for short input sequences"; Expect Threshold = 10; Word size = 3; Automatically adjust parameters for short input sequences = 0. The preset scoring parameters are: Matrix = BLOSUM62; Gap Costs = Existence: 11 Extension: 1; Compositional adjustments = Conditional compositional score matrix adjustment.
Als Genkonstrukt wird ein DNS-Molekül bezeichnet, bei dem mindestens eine cds verknüpft ist mit weiteren genetischen Elementen (z.B. Promotor, Ribosomenbindestelle (RBS) , Terminator, Selektionsmarker, Replikationsursprung) . Ein Genkonstrukt im Rahmen der Erfindung ist ein zirkuläres DNS- Molekül und wird als Plasmid, Vektor, bzw. Expressionsvektor bezeichnet. Die genetischen Elemente des Genkonstrukts bewirken seine extrachromosomale Vererbung während des Zellwachstum und die Produktion des vom Gen codierten Proteins . A gene construct is a DNA molecule in which at least one cds is linked to other genetic elements (e.g. promoter, ribosome binding site (RBS), terminator, selection marker, replication origin). A gene construct within the scope of the invention is a circular DNA molecule and is referred to as a plasmid, vector or expression vector. The genetic elements of the gene construct cause its extrachromosomal inheritance during cell growth and the production of the protein encoded by the gene.
Ein Operon ist definiert als übergeordnete Expressionseinheit, bei der mehrere Gene unter Kontrolle nur eines Promotors transkribiert, aber von jeweils einer eigenen Ribosomenbindestelle translatiert werden. Operons findet man vielfach in den Genomen bakterieller Mikroorganismen, können aber auch gezielt durch Klonierung hergestellt werden (künstliche Operons) . In den Expressionsvektoren der vorliegenden Erfindung (Beispiel 1) bilden die Expressionseinheiten a) serA317, CDOrn und CSADcc (Expressionsvektor pCys-CDOrn- CSADcc, Fig. 2) , b) serA317, CSma und CSADcc (Expressionsvektor pCys-CSma- CSADcc, Fig. 3) , c) serA317, CSma, CSADcc und CDOrn (Expressionsvektor pCys- CSma-CSADcc-CDOrn, Fig. 4) jeweils künstliche Operons, wobei die Expression unter Kontrolle des serA-Promotors erfolgt. An operon is defined as a higher-level expression unit in which several genes are transcribed under the control of only one promoter, but are each translated by its own ribosome binding site. Operons are often found in the genomes of bacterial microorganisms, but can also be specifically produced by cloning. (artificial operons). In the expression vectors of the present invention (Example 1), the expression units a) serA317, CDOrn and CSADcc (expression vector pCys-CDOrn-CSADcc, Fig. 2), b) serA317, CSma and CSADcc (expression vector pCys-CSma-CSADcc, Fig. 3), c) serA317, CSma, CSADcc and CDOrn (expression vector pCys-CSma-CSADcc-CDOrn, Fig. 4) each form artificial operons, with expression taking place under the control of the serA promoter.
Die Abkürzung WT (Wt) bezeichnet den Wildtyp. Als Wildtyp-Gen wird die Form des Gens bezeichnet, die natürlicherweise durch die Evolution entstanden und im Wildtyp-Genom vorhanden ist. Die DNS-Sequenz von Wt-Genen ist in Datenbanken wie NCBI öffentlich zugänglich. The abbreviation WT (Wt) means wild type. A wild type gene is the form of the gene that has arisen naturally through evolution and is present in the wild type genome. The DNA sequence of Wt genes is publicly available in databases such as NCBI.
Metabolie Engineering (auch „Pathwaydesi gn" genannt) ist im Gegensatz zur Biotransformation eine Methode der Biotechnologie, bei der Stoffwechselwege eines Organismus durch Optimierung, bzw. Veränderung genetischer und/oder regulatorischer Prozesse verändert werden. Dabei können durch Ergänzung des Genoms mit Genen von Enzymen neue oder veränderte Enzyme in einen Organismus eingeführt werden, bzw. Gene endogener Enzyme verstärkt oder abgeschwächt exprimiert werden und dadurch neue Stoffwechselwege in einem Organismus etabliert oder bestehende Stoffwechselwege verstärkt oder abgeschwächt werden. Ziel des Metabolie Engineering ist, dass der Organismus ein Stoffwechselprodukt entweder neu oder ein zelleigenes Stoffwechselprodukt mit erhöhter Ausbeute produziert. Das Resultat eines Metabolie Engineering ist ein Produktionsstamm. In ein Metabolie Engineering-Verfahren werden keine für das Stoffwechselprodukt spezifischen Ausgangsstoffe wie ein Enzymsubstrat, wie z.B. L-Cystein als Ausgangsverbindung zur Herstellung von Hypotaurin, eingesetzt, sondern lediglich ein Nährstoffmedium, auch bezeichnet als Anzuchtmedium, welches für das Wachstum des betreffenden Organismus erforderlich ist und zusammengesetzt ist aus einer C-Quelle (z.B. Glucose) , einer N-Quelle (z.B. ein Ammoniumsalz oder ein komplexes Aminosäuregemisch wie z.B. Pepton oder Hefeextrakt) und weiteren für das Wachstum erforderlichen Salzen. Solche Nährstoffmedien sind dem Fachmann aus der mikrobiologischen Praxis bekannt. In der vorliegenden Erfindung werden Produktionsstämme zur fermentativen Herstellung von Hypotaurin und Taurin verwendet, die durch Metabolie Engineering hergestellt wurden. In contrast to biotransformation, metabolism engineering (also called "pathway design") is a biotechnology method in which the metabolic pathways of an organism are modified by optimizing or changing genetic and/or regulatory processes. By supplementing the genome with enzyme genes, new or modified enzymes can be introduced into an organism, or genes of endogenous enzymes can be expressed in a stronger or weaker manner, thereby establishing new metabolic pathways in an organism or strengthening or weakening existing metabolic pathways. The aim of metabolism engineering is for the organism to produce either a new metabolic product or a cell-specific metabolic product with increased yield. The result of metabolism engineering is a production strain. In a metabolism engineering process, no starting materials specific to the metabolic product are used, such as an enzyme substrate, such as L-cysteine as a starting compound for the production of hypotaurine. but merely a nutrient medium, also referred to as a culture medium, which is required for the growth of the organism in question and is composed of a C source (e.g. glucose), an N source (e.g. an ammonium salt or a complex amino acid mixture such as peptone or yeast extract) and other salts required for growth. Such nutrient media are known to the person skilled in the art from microbiological practice. In the present invention, production strains for the fermentative production of hypotaurine and taurine are used, which were produced by metabolic engineering.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird ein durch Metabolie Engineering hergestellter Mikroorganismus, mit dem durch Fermentation Hypotaurin und/oder Taurin hergestellt werden kann, als Produktionsstamm bezeichnet. Besonders bevorzugt umfasst der Produktionsstamm mindestens ein Genkonstrukt, umfassend Gene eines Biosynthesewegs, die nach Expression im Produktionsstamm zur Produktion von Hypotaurin, Taurin oder einer Mischung von Hypotaurin und Taurin führen. Der Mikroorganismenstamm ohne Genkonstrukt wird auch als Wirtsstamm bezeichnet. Der Produktionsstamm ist somit das Produkt aus Wirtsstamm plus Genkonstrukt. In the context of the present invention, a microorganism produced by metabolic engineering, with which hypotaurine and/or taurine can be produced by fermentation, is referred to as a production strain. The production strain particularly preferably comprises at least one gene construct, comprising genes of a biosynthesis pathway which, after expression in the production strain, lead to the production of hypotaurine, taurine or a mixture of hypotaurine and taurine. The microorganism strain without a gene construct is also referred to as a host strain. The production strain is thus the product of the host strain plus the gene construct.
Ein mikrobieller Produktionsstamm zur Herstellung von Hypotaurin und/oder Taurin ist bevorzugt dadurch gekennzeichnet, dass er A microbial production strain for the production of hypotaurine and/or taurine is preferably characterized in that it
1) einen zu Hypotaurin und/oder Taurin führenden Stoffwechselweg und 1) a metabolic pathway leading to hypotaurine and/or taurine and
2) einen deregulierten Cystein-Biosyntheseweg umfasst. 2) involves a deregulated cysteine biosynthesis pathway.
1) Der zu Hypotaurin und/oder Taurin führende Stoffwechselweg ist bevorzugt gekennzeichnet dadurch, dass er i) nach Gleichung (1) und (3) die Reaktion von L-Cystein zu Hypotaurin umfasst, d.h. der Produktionsstamm enthält mindestens eine cds kodierend das Enzym CDO und eine cds kodierend das Enzym CSAD und/ oder ii ) nach Gleichung ( 6 ) und ( 5 ) die Reaktion von OPS zu Taurin umfasst , d . h . der Produktionsstamm enthält mindestens eine cds kodierend das Enzym CS und eine cds kodierend das Enzym CSAD und/ oder iii ) in einer Kombination von i ) und ii ) die Reaktion zu einem Gemisch aus Hypotaurin und Taurin umfasst , d . h . der Produktionsstamm enthält mindestens eine cds kodierend das Enzym CDO, eine cds kodierend das Enzym CSAD und eine cds kodierend das Enzym CS . 1) The metabolic pathway leading to hypotaurine and/or taurine is preferably characterized in that it comprises i) the reaction of L-cysteine to hypotaurine according to equations (1) and (3), ie the production strain contains at least one cds encoding the enzyme CDO and one cds encoding the enzyme CSAD and/or ii) according to equations (6) and (5) comprises the reaction of OPS to taurine, i.e. the production strain contains at least one cds encoding the enzyme CS and one cds encoding the enzyme CSAD and/or iii) in a combination of i) and ii) comprises the reaction to a mixture of hypotaurine and taurine, i.e. the production strain contains at least one cds encoding the enzyme CDO, one cds encoding the enzyme CSAD and one cds encoding the enzyme CS.
Besonders bevorzugt ist der Produktionsstamm dadurch gekennzeichnet , dass er mindestens eine cds kodierend das Enzym CDO und eine cds kodierend das Enzym CSAD enthält und somit nach Gleichung ( 1 ) und ( 3 ) die Reaktion von L-Cystein zu Hypotaurin katalysiert . Particularly preferably, the production strain is characterized in that it contains at least one cds encoding the enzyme CDO and one cds encoding the enzyme CSAD and thus catalyzes the reaction of L-cysteine to hypotaurine according to equations (1) and (3).
Die den Hypotaurin und/oder Taurin Stof fwechselweg konstituierenden Gene im Produktionsstamm können aus dem Wirtsstamm stammen (homologe Expression) oder es kann sich um Fremdgene handeln (heterologe Expression) , entweder synthetisch hergestellt ( incl . der dadurch ermöglichten Anpassung der cds auf die Expression im Wirtsstamm durch sog . Codon-Optimierung) oder aus anderen Organismen isoliert , bzw . es kann sich um eine Kombination aus homologer und heterologer Expression handeln . The genes constituting the hypotaurine and/or taurine metabolic pathway in the production strain can originate from the host strain (homologous expression) or they can be foreign genes (heterologous expression), either synthetically produced (including the adaptation of the cds to the expression in the host strain by so-called codon optimization) or isolated from other organisms, or it can be a combination of homologous and heterologous expression.
Bevorzugt ist die heterologe Expression der Gene des den Hypotaurin und/oder Taurin konstituierenden Stof fwechselwegs im Produktionsstamm, besonders bevorzugt die heterologe Expression synthetisch hergestellter Gene und insbesondere bevorzugt die heterologe Expression von codon-optimierten, synthetisch hergestellten Genen des den Hypotaurin und/oder Taurin konstituierenden Stoffwechselwegs im Preference is given to the heterologous expression of the genes of the metabolic pathway constituting hypotaurine and/or taurine in the production strain, particularly preference is given to the heterologous expression of synthetically produced genes and particularly preference is given to the heterologous expression of codon-optimized, synthetically produced genes of the hypotaurine and/or Taurine constitutive metabolic pathway in
Produkt ions stamm. Product ion strain.
2) Da die Stoffwechselwege i) bis iii) zu Hypotaurin und/oder Taurin entsprechend der Gleichungen (1) und (3) , bzw. (6) und (5) von den Metaboliten OPS und L-Cystein aus dem L- Cystein-Biosyntheseweg ausgehen (siehe z.B. die KEGG Pathway Datenbank: „Cysteine and methionine metabolism") , ist ein Produktionsstamm bevorzugt, der einen deregulierten Cystein- Biosyntheseweg umfasst und zur Cysteinproduktion geeignet ist. Wie z.B. von Wada und Takagi, Appl . Microbiol. Biotechnol. (2006) 73: 48-54 beschrieben, ist die Cysteinproduktion in einem Wildtyp-Mikroorganismus strikt reguliert, sodass ein Mikroorganismenstamm mit einem reguliertem Cystein-Biosyntheseweg, wie im Stand der Technik durch die niedrigen Ausbeuten dokumentiert (wie z.B. einer max. Cystein Produktion von 2 pM in WO 17/213142 Al, Tab.2) Since the metabolic pathways i) to iii) to hypotaurine and/or taurine according to equations (1) and (3) or (6) and (5) originate from the metabolites OPS and L-cysteine from the L-cysteine biosynthesis pathway (see e.g. the KEGG Pathway Database: “Cysteine and methionine metabolism”), a production strain is preferred which comprises a deregulated cysteine biosynthesis pathway and is suitable for cysteine production. As described e.g. by Wada and Takagi, Appl. Microbiol. Biotechnol. (2006) 73: 48-54, cysteine production in a wild-type microorganism is strictly regulated, so that a microorganism strain with a regulated cysteine biosynthesis pathway, as documented in the prior art by the low yields (e.g. a max. cysteine production of 2 pM in WO 17/213142 A1, Tab.
5) , für die Produktion wirtschaftlich verwertbarer Mengen Hypotaurin und/oder Taurin nicht geeignet ist. Wildtyp- Mikroorganismen enthalten also zwar einen Cystein- Biosyntheseweg, der jedoch durch Produkthemmung zentraler Enzyme der Biosynthese (sog. Feedback Hemmung) so stark reguliert ist, dass in der Anzucht dieser Mikroorganismen kein oder nur minimale Mengen Cystein gebildet werden (siehe 2 pM max. Cystein Produktion in WO 17/213142 Al, Tab. 5) . Somit umfasst der Begriff „zur Cysteinproduktion geeignet" nur Mikroorganismen mit dereguliertem Cystein- Biosyntheseweg. Bevorzugt ist daher ein zur Hypotaurin- und Taurin-Produktion geeigneter Produktionsstamm mit dereguliertem Cystein-Biosyntheseweg. Solche Stämme werden in Beispiel 2 der vorliegenden Erfindung offenbart. 5) is not suitable for the production of economically viable amounts of hypotaurine and/or taurine. Wild-type microorganisms therefore contain a cysteine biosynthesis pathway, but this is so strongly regulated by product inhibition of central enzymes of the biosynthesis (so-called feedback inhibition) that no or only minimal amounts of cysteine are formed when these microorganisms are cultivated (see 2 pM max. cysteine production in WO 17/213142 A1, Table 5). The term "suitable for cysteine production" therefore only includes microorganisms with a deregulated cysteine biosynthesis pathway. A production strain with a deregulated cysteine biosynthesis pathway suitable for hypotaurine and taurine production is therefore preferred. Such strains are disclosed in Example 2 of the present invention.
Ein Mikroorganismus umfassend einen deregulierten Cystein- Biosyntheseweg und damit zur Cystein-Produktion geeignet ist dadurch gekennzeichnet, dass er mindestens eine der folgenden Veränderungen enthält: a) Der Mikroorganismenstamm zeichnet sich durch eine cds aus, codierend für eine 3-Phosphoglycerat Dehydrogenase (SerA) mit einer im Vergleich zum entsprechenden Wildtypenzym um mindestens den Faktor zwei verminderten Feedback-Hemmung durch L-Serin, wobei die SerA-Enzymaktivität z.B. photometrisch bestimmt werden kann durch die vom SerA- Substrat 3-Phosphohydroxypyruvat abhängige Oxidation von NADH wie z.B. von McKitrick und Pizer, J. Bacteriol. (1980) 141: 235 - 245 beschrieben. A microorganism comprising a deregulated cysteine biosynthesis pathway and thus suitable for cysteine production is characterized by containing at least one of the following changes: a) The microorganism strain is characterized by a cds encoding a 3-phosphoglycerate dehydrogenase (SerA) with a feedback inhibition by L-serine that is reduced by at least a factor of two compared to the corresponding wild-type enzyme, whereby the SerA enzyme activity can be determined, for example, photometrically by the oxidation of NADH dependent on the SerA substrate 3-phosphohydroxypyruvate, as described, for example, by McKitrick and Pizer, J. Bacteriol. (1980) 141: 235 - 245.
Besonders bevorzugte Varianten der 3-Phosphoglycerat Dehydrogenase (serA) weisen im Vergleich zum entsprechenden Wildtypenzym eine um mindestens den Faktor 5, insbesondere bevorzugt um mindestens den Faktor 10 und in einer darüber hinaus bevorzugten Ausführung um mindestens den Faktor 50 verminderte Feedback-Hemmung durch L-Serin auf. Particularly preferred variants of 3-phosphoglycerate dehydrogenase (serA) have a feedback inhibition by L-serine that is reduced by at least a factor of 5, particularly preferably by at least a factor of 10 and, in a further preferred embodiment, by at least a factor of 50 compared to the corresponding wild-type enzyme.
Beispiele von serA-Varianten, codierend für SerA-Enzyme mit verminderter Feedback-Hemmung sind aus dem Stand der Technik bekannt und stellen im Rahmen dieser Erfindung bevorzugte Aus führungs formen dar: Examples of serA variants encoding SerA enzymes with reduced feedback inhibition are known from the prior art and represent preferred embodiments within the scope of this invention:
- serA317 : Feedback-resistente SerA-Mutante, wie in der vorliegenden Erfindung im Vektor pCys (Fig. 1) verwendet. Es handelt sich um eine C-terminale Deletionsmutante von SerA, umfassend die N-terminalen 317 Aminosäuren des SerA WT-Proteins mit einer Gesamtlänge von 410 Aminosäuren (Bell et al., Eur . J. Biochem., 2002, 269: 4176-4184, darin bezeichnet als „NSD:317"; siehe auch Beispiel 1) .- serA317 : feedback-resistant SerA mutant as used in the present invention in the vector pCys (Fig. 1). It is a C-terminal deletion mutant of SerA comprising the N-terminal 317 amino acids of the SerA WT protein with a total length of 410 amino acids (Bell et al., Eur. J. Biochem., 2002, 269: 4176-4184, referred to therein as "NSD:317"; see also Example 1).
- serA G349E: Mutation von Glycin an Position 349 des WT- SerA Enzyms zu Glutaminsäure. - serA G349E: Mutation of glycine at position 349 of the WT SerA enzyme to glutamic acid.
- serA G349D: Mutation von Glycin an Position 349 des WT- SerA Enzyms zu Asparaginsäure . - serA G349D: Mutation of glycine at position 349 of the WT SerA enzyme to aspartic acid.
- serA T372X: Mutation von Threonin an Position 372 des WT- SerA Enzyms zu X, wobei X jede beliebige natürliche Aminosäure außer Threonin sein kann. - serA T372X: Mutation of threonine at position 372 of the WT SerA enzyme to X, where X can be any natural amino acid except threonine.
- serA mutiert: serA-Gen, bei dem 25% der C-terminalen Aminosäuren gegenüber WT verändert sind, wobei die Änderung sich i) in den 50 C-terminalen Aminosäuren des WT-Proteins befindet und ii) die Änderung eine C-terminale Deletion umfasst und iii) die Änderung eine Insertion in die WT-Sequenz umfasst . und/ oder b) Der Mikroorganismenstamm enthält eine cds, codierend für eine Serin-O-Acetyl-Transf erase (CysE) , die im Vergleich zu dem entsprechenden Wildtypenzym eine um mindestens den Faktor zwei verminderte Feedback-Hemmung durch Cystein aufweist (wie beispielsweise beschrieben in Nakamori et al., Appl . Env. Microbiol. (1998) 64: 1607-1611) , wobei die CysE-Enzymaktivität z.B. photometrisch bestimmt werden kann durch den Verbrauch des CysE-Substrats Acetyl-CoA infolge der Reaktion mit L-Serin zu O-Acetyl-L-Serin, wie z.B. von Nakamori et al., Appl. Env. Microbiol. (1998) 64: 1607-1611 beschrieben. Besonders bevorzugte Varianten der Serin-O- Acetyl-Transf erase (cysE) weisen im Vergleich zum entsprechenden Wildtypenzym eine um mindestens den Faktor 5, insbesondere bevorzugt um mindestens den Faktor 10 und in einer darüberhinausgehend bevorzugten Ausführung um mindestens den Faktor 50 verminderte Feedback-Hemmung durch Cystein auf. - serA mutated: serA gene in which 25% of the C-terminal amino acids are changed compared to WT, whereby the change i) is located in the 50 C-terminal amino acids of the WT protein and ii) the change comprises a C-terminal deletion and iii) the change comprises an insertion into the WT sequence. and/or b) The microorganism strain contains a cds encoding a serine O-acetyl transferase (CysE) which, compared to the corresponding wild-type enzyme, has a feedback inhibition by cysteine that is reduced by at least a factor of two (as described, for example, in Nakamori et al., Appl. Env. Microbiol. (1998) 64: 1607-1611), where the CysE enzyme activity can be determined, for example, photometrically by the consumption of the CysE substrate acetyl-CoA as a result of the reaction with L-serine to form O-acetyl-L-serine, as described, for example, by Nakamori et al., Appl. Env. Microbiol. (1998) 64: 1607-1611. Particularly preferred variants of serine-O-acetyl-transferase (cysE) have a feedback inhibition by cysteine that is reduced by at least a factor of 5, particularly preferably by at least a factor of 10 and, in a further preferred embodiment, by at least a factor of 50 compared to the corresponding wild-type enzyme.
Beispiele von cysE-Varianten, codierend für CysE-Enzyme mit verminderter Feedback-Hemmung und im Rahmen dieser Erfindung bevorzugte Aus führungs formen sind: Examples of cysE variants encoding CysE enzymes with reduced feedback inhibition and preferred embodiments within the scope of this invention are:
- cysE -mutiert : Mutation im Sequenzbereich Position 97 bis einschließlich 273. - cysE -mutated: Mutation in the sequence region position 97 to 273 inclusive.
- cysE-deletiert : Deletion im Sequenzbereich Position 248 bis einschließlich 259. - cysE-deleted: Deletion in the sequence region position 248 to 259 inclusive.
Als spezifische Mutationen sind im Rahmen dieser Erfindung bevorzugte Aus führungs formen : Preferred embodiments of specific mutations within the scope of this invention are:
- cysEII: G238S, Mutation von Glycin an Position 238 zu Serin . - cysEII: G238S, mutation of glycine at position 238 to serine.
- cysEIII: G165D Mutation von Glycin an Position 165 zu Asparaginsäure . - cysEIV: A237V, Mutation von Alanin an Position 237 zu Valin und G238S, Mutation von Glycin an Position 238 zu Serin (Doppelmutante) . - cysEIII: G165D Mutation of glycine at position 165 to aspartic acid. - cysEIV: A237V, mutation of alanine at position 237 to valine and G238S, mutation of glycine at position 238 to serine (double mutant).
- cysEV: A237V, Mutation von Alanin an Position 237 zu Valin und G238S, Mutation von Glycin an Position 238 zu Serin und M256I, Mutation von Methionin an Position 256 zu Isoleucin (Tripelmutante) . - cysEV: A237V, mutation of alanine at position 237 to valine and G238S, mutation of glycine at position 238 to serine and M256I, mutation of methionine at position 256 to isoleucine (triple mutant).
- cysEVI : G238S, Mutation von Glycin an Position 238 zu Serin und Met256I, Mutation von Methionin an Position 256 zu Isoleucin (Doppelmutante) . - cysEVI : G238S, mutation of glycine at position 238 to serine and Met256I, mutation of methionine at position 256 to isoleucine (double mutant).
- cysEVII: A237V, Mutation von Alanin an Position 237 zu Valin . - cysEVII: A237V, mutation of alanine at position 237 to valine.
- cysEVIII: Met256I, Mutation von Methionin an Position 256 zu Isoleucin und A237V, Mutation von Alanin an Position 237 zu Valin (Doppelmutante) . - cysEVIII: Met256I, mutation of methionine at position 256 to isoleucine and A237V, mutation of alanine at position 237 to valine (double mutant).
- cysEX: T167A, Mutation von Threonin an Position 167 zu Alanin (im Vektor pCys, Beispiel 1, verwendet) . - cysEX: T167A, mutation of threonine at position 167 to alanine (used in the vector pCys, example 1).
- cysEXI : T167A, Mutation von Threonin an Position 167 zu Alanin und G245S, Mutation von Glycin an Position 245 zu Serin (Doppelmutante) . - cysEXI : T167A, mutation of threonine at position 167 to alanine and G245S, mutation of glycine at position 245 to serine (double mutant).
- cysEXII: K97Q, Mutation von Lysin an Position 97 zu Glutamin und G238S, Mutation von Glycin an Position 238 zu Serin und F267L, Mutation von Phenylalanin an Position 267 zu Leucin (Tripelmutante) . - cysEXII: K97Q, mutation of lysine at position 97 to glutamine and G238S, mutation of glycine at position 238 to serine and F267L, mutation of phenylalanine at position 267 to leucine (triple mutant).
- cysEXIII: V164A, Mutation von Valin an Position 164 zu Alanin und F267L, Mutation von Mutation von Phenylalanin an Position 267 zu Leucin (Doppelmutante) . - cysEXIII: V164A, mutation of valine at position 164 to alanine and F267L, mutation of phenylalanine at position 267 to leucine (double mutant).
- cysEXIV: T167A, Mutation von Threonin an Position 167 zu Alanin und M256Stop, Mutation von Methionin an Position 256 zu Stop (Doppelmutante) . - cysEXIV: T167A, mutation of threonine at position 167 to alanine and M256Stop, mutation of methionine at position 256 to stop (double mutant).
- cysEXVI : D250G, Mutation von Asparaginsäure an Position 250 zu Glycin. - cysEXVI : D250G, mutation of aspartic acid at position 250 to glycine.
- cysEXVII: G165D, Mutation von Glycin an Position 165 zu Asparaginsäure und T167A, Mutation von Threonin an Position 167 zu Alanin (Doppelmutante) . - cysEXXIII : T167A, Mutation von Mutation von Threonin an Position 167 zu Alanin und A237V, Mutation von Alanin an Position 237 zu Valin und G238S , Mutation von Glycin an Position 238 zu Serin ( Tripelmutante ) . - cysEXVII: G165D, mutation of glycine at position 165 to aspartic acid and T167A, mutation of threonine at position 167 to alanine (double mutant). - cysEXXIII : T167A, mutation of threonine at position 167 to alanine and A237V, mutation of alanine at position 237 to valine and G238S, mutation of glycine at position 238 to serine (triple mutant) .
- cysE M256X : Mutation von Methionin an Position 256 des WT-CysE Enzyms zu X, wobei X j ede beliebige natürliche Aminosäure außer Methionin sein kann . - cysE M256X : Mutation of methionine at position 256 of the WT CysE enzyme to X, where X can be any natural amino acid except methionine.
- cysE Arabidopsis thaliana ( Pflanze ) : A. thaliana enthält drei cysE-Gene , wovon zwei Feedback-resistent gegen Cystein sind . - cysE Arabidopsis thaliana ( plant ): A. thaliana contains three cysE genes, two of which are feedback resistant to cysteine.
- cysE M256I : Mutation von Methionin an Position 256 des WT-CysE Enzyms zu I soleucin . und/ oder c ) Der Mikroorganismenstamm weist eine cds kodierend einen Cystein-Exporter (Ef fluxprotein) auf , so dass sich die Zelle des Produktionsstamms durch einen um mindestens den Faktor zwei erhöhten Cystein-Export aus der Zelle im Vergleich zu der entsprechenden Wildtypzelle aus zeichnet , wobei der Cystein-Export bestimmt werden kann durch photometrische Messung des extrazellulären Cystein-Gehalts nach Gaitonde , Biochem . J . ( 1967 ) 104 : 627 - 633 (umfassend Cystein, Cystin und das aus Cystein und Pyruvat gebildete Addukt 2-Methyl-Thiazolidin-2 , 4- (R) -dicarbonsaure ) , wie z . B . in US 5 , 972 , 663 B beschrieben . - cysE M256I: mutation of methionine at position 256 of the WT CysE enzyme to I soleucine. and/or c) the microorganism strain has a cds encoding a cysteine exporter (Ef fluxprotein), so that the cell of the production strain is characterized by a cysteine export from the cell that is increased by at least a factor of two compared to the corresponding wild-type cell, where the cysteine export can be determined by photometric measurement of the extracellular cysteine content according to Gaitonde, Biochem. J. (1967) 104: 627 - 633 (comprising cysteine, cystine and the adduct 2-methyl-thiazolidine-2,4-(R)-dicarboxylic acid formed from cysteine and pyruvate), such as e.g. described in US 5 , 972 , 663 B .
Die zusätzliche Expression eines Cystein-Exporters führt im Vergleich zu einer Wildtypzelle bevorzugt zu einem um mindestens den Faktor 5 , besonders bevorzugt um mindestens den Faktor 10 , insbesondere bevorzugt um mindestens den Faktor 20 erhöhten Cystein-Export aus der Zelle . The additional expression of a cysteine exporter preferably leads to an increase in cysteine export from the cell by at least a factor of 5, particularly preferably by at least a factor of 10, especially preferably by at least a factor of 20, compared to a wild-type cell.
Bei der cds codierend den Cystein-Exporter handelt es sich bevorzugt um eine oder mehrere Sequenzen ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus ydeD, yfiK, cydDC, bcr und emrAB von E. coli oder eine dazu zu mindestens 80% , besonders bevorzugt mindestens 90% und insbesondere bevorzugt mindestens 95% identische DNS-Sequenz . Die einen deregulierten Cystein-Biosyntheseweg umfassenden Änderungen können sich dabei auf dem Genkonstrukt, im Genom des Produktionsstamms oder sowohl auf dem Genkonstrukt und im Genom des Produktionsstamms befinden. Bevorzugt ist es, dass sich die einen deregulierten Cystein-Biosyntheseweg umfassenden Änderungen auf dem Genkonstrukt befinden. The cds encoding the cysteine exporter is preferably one or more sequences selected from the group consisting of ydeD, yfiK, cydDC, bcr and emrAB from E. coli or a DNA sequence that is at least 80%, particularly preferably at least 90% and especially preferably at least 95% identical thereto. The changes comprising a deregulated cysteine biosynthesis pathway can be located on the gene construct, in the genome of the production strain or both on the gene construct and in the genome of the production strain. It is preferred that the changes comprising a deregulated cysteine biosynthesis pathway are located on the gene construct.
Als Mikroorganismus/Wirtsstamm zur Herstellung eines Produktionsstamms geeignet ist jeder Mikroorganismus, der rekombinanten DNS-Techniken zugänglich ist und der für eine fermentative Herstellung von rekombinanten Proteinen geeignet ist. Geeignete Mikroorganismenstämme umfassen Bakterienstämme, ausgewählt aus der Familie der Corynebacteri aceae oder der Familie der Enterobacteriaceae , Hefen (z.B. Saccharomyces cerevisiae, Yarrowia lipolytica) oder Pilze (z.B. Aspergillus niger) . Bevorzugte Mikroorganismenstämme sind Bakterienstämme ausgewählt aus Corynebacterium glutamicum, Pantoea ananatis oder E. coli. Besonders bevorzugt ist das Verfahren zur Isolierung von Taurin aus einer Fermenterbrühe nach mikrobieller Fermentation eines Produktionsstamms dadurch gekennzeichnet, dass es sich beim mikrobiellen Produktionsstamm um einen Stamm der Art Escherichia coli handelt. Insbesondere bevorzugt ist der Stamm E. coli K12 W3110, käuflich erhältlich unter der Stammnummer DSM 5911 bei der DSMZ Deutsche Sammlung von Mikroorganismen und Zellkulturen GmbH. Any microorganism that is accessible to recombinant DNA techniques and that is suitable for the fermentative production of recombinant proteins is suitable as a microorganism/host strain for producing a production strain. Suitable microorganism strains include bacterial strains selected from the Corynebacteriaceae family or the Enterobacteriaceae family, yeasts (e.g. Saccharomyces cerevisiae, Yarrowia lipolytica) or fungi (e.g. Aspergillus niger). Preferred microorganism strains are bacterial strains selected from Corynebacterium glutamicum, Pantoea ananatis or E. coli. The method for isolating taurine from a fermenter broth after microbial fermentation of a production strain is particularly preferably characterized in that the microbial production strain is a strain of the species Escherichia coli. Particularly preferred is the strain E. coli K12 W3110, commercially available under the strain number DSM 5911 from the DSMZ German Collection of Microorganisms and Cell Cultures GmbH.
Ein bevorzugtes Genkonstrukt, welches in einen Wirtsstamm transformiert zu einem Produktionsstamm mit dereguliertem Cystein-Biosyntheseweg führt, welcher dadurch zur Cystein- Produktion geeignet ist, ist der in WO 2021/259491 (Wacker) offenbarte und in Beispiel 1 beschriebene Vektor pCys (Fig. 1) • A preferred gene construct which, when transformed into a host strain, leads to a production strain with a deregulated cysteine biosynthesis pathway, which is thus suitable for cysteine production, is the vector pCys disclosed in WO 2021/259491 (Wacker) and described in Example 1 (Fig. 1) •
Genkonstrukte für einen Hypotaurin und/oder TaurinGene constructs for a hypotaurine and/or taurine
Biosyntheseweg und für eine deregulierte Cystein-Biosynthese können entweder extrachromosomal als autonom replizierende Vektoren im Mikroorganismenstamm vorhanden sein oder in dessen Genom integriert. Bevorzugt sind autonom replizierende Vektoren für Genkonstrukte eines Hypotaurin und/oder Taurin Biosynthesewegs und einer deregulierten Cystein-Biosynthese, entweder auf einem Vektor vereint oder auf mehrere Vektoren aufgeteilt. Besonders bevorzugt ist ein Genkonstrukt, das sowohl einen Hypotaurin und/oder Taurin Biosyntheseweg sowie einen deregulierten Cystein-Biosyntheseweg auf einem autonom replizierenden Vektor vereint umfasst. Insbesondere bevorzugt sind die in Beispiel 1 offenbarten Genkonstrukte pCys-CDOrn- CSADcc (Fig. 2) , pCys-CSma-CSADcc (Fig. 3) und pCys-CSma- CSADcc-CDOrn (Fig. 4) . Biosynthesis pathway and for deregulated cysteine biosynthesis can either be present extrachromosomally as autonomously replicating vectors in the microorganism strain or integrated into its genome. Autonomously replicating vectors for gene constructs of a hypotaurine and/or taurine biosynthesis pathway and a deregulated cysteine biosynthesis are preferred, either combined on one vector or divided into several vectors. A gene construct is particularly preferred which comprises both a hypotaurine and/or taurine biosynthesis pathway and a deregulated cysteine biosynthesis pathway combined on an autonomously replicating vector. The gene constructs pCys-CDOrn-CSADcc (Fig. 2), pCys-CSma-CSADcc (Fig. 3) and pCys-CSma-CSADcc-CDOrn (Fig. 4) disclosed in Example 1 are particularly preferred.
Ausgangsvektor zur Herstellung erfindungsgemäßer Genkonstrukte ist beispielsweise der in WO 2021/259491 (Wacker) offenbarte und in Beispiel 1 der vorliegenden Erfindung beschriebene Vektor pCys (Fig. 1) . Wie in Beispiel 1 weiter beschrieben, wurde pCys um Polynucleotide codierend für Cystein-Dioxygenase (CDO) , für L-Cysteinsulf insäure-Decarboxylase (CSAD) und/oder Cysteatsynthase (CS) erweitert. Diese Genkonstrukte zeichnen sich somit dadurch aus, dass sie einen Hypotaurin- und/oder Taurin-Biosyntheseweg und einen deregulierten Cystein- Biosyntheseweg umfassen. The starting vector for producing gene constructs according to the invention is, for example, the vector pCys disclosed in WO 2021/259491 (Wacker) and described in Example 1 of the present invention (Fig. 1). As further described in Example 1, pCys was expanded to include polynucleotides encoding cysteine dioxygenase (CDO), L-cysteine sulfinic acid decarboxylase (CSAD) and/or cysteate synthase (CS). These gene constructs are thus characterized by the fact that they comprise a hypotaurine and/or taurine biosynthesis pathway and a deregulated cysteine biosynthesis pathway.
Gen- und Proteinsequenzen von CDO-Enzymen sind z.B. zugänglich in der NCBI-Datenbank unter dem Suchbegriff „cysteine dioxygenase". Es können alle cds, die für Proteine mit CDO- Aktivität codieren, darunter CDO-Enzyme ausgewählt aus Rattus norvegicus (Ratte) , Homo sapiens (Mensch) , Cyprinus carpio (Karpfen) , Bos taurus (Rind) , Capra hircus (Ziege) , Gallus gallus (Hahn) , Synechococcus (Alge) und dazu homologe Aminosäuresequenzen eingesetzt werden. Besonders bevorzugt ist die cds aus Rattus norvegicus (rn) , codierend das CDO-Enzym oder eine dazu homologe cds. Insbesondere bevorzugt hat die CDOrn-cds die in SEQ ID NO: 1 (nt 1 bis nt 603) angegebene Sequenz, codierend für ein CDOrn-Enzym mit der SEQ ID NO: 2. In einer bevorzugten Aus führungs form ist das Verfahren daher dadurch gekennzeichnet, dass der Produktionsstamm eine cds umfasst, codierend für ein Protein mit der SEQ ID Nr. 2. Gene and protein sequences of CDO enzymes are accessible, for example, in the NCBI database under the search term "cysteine dioxygenase". All cds that code for proteins with CDO activity, including CDO enzymes selected from Rattus norvegicus (rat), Homo sapiens (human), Cyprinus carpio (carp), Bos taurus (cattle), Capra hircus (goat), Gallus gallus (rooster), Synechococcus (algae) and homologous amino acid sequences can be used. Particularly preferred is the cds from Rattus norvegicus (rn), encoding the CDO enzyme or a cds homologous to it. Particularly preferred is the CDOrn-cds that has the sequence given in SEQ ID NO: 1 (nt 1 to nt 603). Sequence encoding a CDOrn enzyme having SEQ ID NO: 2. In a preferred embodiment, the method is therefore characterized in that the production strain comprises a CDs encoding a protein having SEQ ID NO: 2.
Der CDO-Enzym-Aktivitätstest kann wie folgt durchgeführt werden : i) Herstellung des zu testenden Enzyms: The CDO enzyme activity test can be carried out as follows: i) Preparation of the enzyme to be tested:
Ein durch Anzucht im Schüttelkolben oder in einerA culture obtained by cultivation in a shake flask or in a
Fermentation produziertes Enzym kann wie folgt in die Reaktion eingesetzt werden: als ein Aliquot aus der nicht weiter auf gearbeiteten Kulturbrühe oder als ein Aliquot der Zellsuspension nach Reisolierung der Zellen aus der Kulturbrühe, z.B. durch Zentrifugation oder in Form eines Aliquots des Zellhomogenats a) nach mechanischem Aufschluss der Zellsuspension oder b) in Form chemisch permeabilisierter Zellen (z.B. durch Chloroform) oder als Zellextrakt nach Abtrennung partikulärer Bestandteile aus dem Zellhomogenat oder als z.B. chromatographisch gereinigtes Enzym. Enzyme produced by fermentation can be used in the reaction as follows: as an aliquot from the culture broth that has not been further processed or as an aliquot of the cell suspension after re-isolation of the cells from the culture broth, e.g. by centrifugation or in the form of an aliquot of the cell homogenate a) after mechanical disruption of the cell suspension or b) in the form of chemically permeabilized cells (e.g. by chloroform) or as a cell extract after separation of particulate components from the cell homogenate or as an enzyme that has been purified e.g. by chromatography.
Die jeweils erhaltene Gesamtproteinkonzentration kann z.B. mit einem kommerziell erhältlichen Qubit 3.0 Fluorometer der Fa . Thermo Fisher Scientific unter Einsatz des „Qubit® Protein Assay Kits" nach Angaben des Herstellers bestimmt werden . ii) Bestimmung der CDO-Enzymaktivität The total protein concentration obtained in each case can be determined, for example, with a commercially available Qubit 3.0 fluorometer from Thermo Fisher Scientific using the "Qubit® Protein Assay Kit" according to the manufacturer's instructions. ii) Determination of CDO enzyme activity
In einer mit Kaliumphosphat auf pH 7 gepufferten Lösung wird L-Cystein (10 mM Endkonzentration) vorgelegt und die Reaktion durch Zugabe des Enzyms aus i) gestartet. Das Ansatzvolumen des Tests beträgt 10 ml. Die Temperatur, bei der der Test durchgeführt wird, beträgt 30°C. Die Menge des eingesetzten Enzyms aus i) ist abhängig vom Reinigungsgrad. Werden Kulturbrühe, Zellsuspension der reisolierten Zellen, Zellhomogenat oder Zellextrakt verwendet, werden mindestens 0,1 mg der in i) hergestellten Enzymfraktionen eingesetzt. Im Falle von gereinigtem Enzym werden mindestens 10 pg der gereinigten Enzymfraktion eingesetzt. 1 h, 2 h und 4 h nach Start der Reaktion werden je 1 ml des Testansatzes entnommen, 10 min zentrifugiert und der Gehalt von L- Cysteinsulf insäure durch kalibrierte HPLC bestimmt (siehe Beispiel 3) , wobei die zur Kalibrierung verwendete Referenzsubstanz kommerziell erhältlich ist (Sigma- Aldrich) . L-cysteine (10 mM final concentration) is placed in a solution buffered to pH 7 with potassium phosphate and the reaction is started by adding the enzyme from i). The test volume is 10 ml. The temperature at which the test is carried out is 30°C. The amount of enzyme from i) used depends on the degree of purification. If culture broth, cell suspension of the reisolated cells, cell homogenate or cell extract are used, at least 0.1 mg of the enzyme fractions prepared in i) are used. In the case of purified enzyme, at least 10 pg of the purified enzyme fraction are used. 1 h, 2 h and 4 h after the start of the reaction, 1 ml of the test mixture is taken, centrifuged for 10 min and the content of L-cysteine sulfinic acid is determined by calibrated HPLC (see Example 3), whereby the reference substance used for calibration is commercially available (Sigma-Aldrich).
Dabei liegt die Nachweisgrenze der HPLC-Methode bei 1 mg/L L- Cysteinsulf insäure . Wird unter den genannten Testbedingungen weniger als 1 mg/L L-Cysteinsulf insäure gebildet, dann enthält der Ansatz keine aktive CDO. The detection limit of the HPLC method is 1 mg/L L-cysteine sulfinic acid. If less than 1 mg/L L-cysteine sulfinic acid is formed under the test conditions mentioned, then the mixture does not contain any active CDO.
Gen- und Proteinsequenzen von CSAD-Enzymen sind z.B. zugänglich in der NCBI-Datenbank unter dem Suchbegriff „cysteine sulfinic acid decarboxylase". Es können alle cds, die für Proteine mit CSAD-Aktivität codieren, darunter CSAD- Enzyme ausgewählt aus Cyprinus carpio (Karpfen) , Rattus norvegicus (Ratte) , Homo sapiens (Mensch) , Bos taurus (Rind) , Capra hircus (Ziege) , Gallus gallus (Hahn) , E coli, Synechococcus (Alge) und dazu homologe Aminosäuresequenzen eingesetzt werden. Besonders bevorzugt ist die cds aus Cyprinus carpio (cc) , codierend für das CSAD-Enzym oder eine dazu homologe cds. Insbesondere bevorzugt hat die CSADcc-cds die in SEQ ID NO: 3 (nt 1 bis nt 1503) angegebene Sequenz, codierend für ein CSADcc-Enzym mit der SEQ ID NO: 4. In einer bevorzugten Aus führungs form ist das Verfahren daher dadurch gekennzeichnet, dass der Produktionsstamm eine cds umfasst, codierend für ein Protein mit der SEQ ID Nr. 4. Gene and protein sequences of CSAD enzymes are accessible, for example, in the NCBI database under the search term "cysteine sulfinic acid decarboxylase". All CDs that code for proteins with CSAD activity, including CSAD enzymes selected from Cyprinus carpio (carp), Rattus norvegicus (rat), Homo sapiens (human), Bos taurus (cattle), Capra hircus (goat), Gallus gallus (rooster), E. coli, Synechococcus (algae) and homologous amino acid sequences can be used. Particularly preferred is the CDS from Cyprinus carpio (cc), coding for the CSAD enzyme or a CDS homologous to it. Particularly preferred is the CSADcc-CDS having the sequence given in SEQ ID NO: 3 (nt 1 to nt 1503), coding for a CSADcc enzyme with SEQ ID NO: 4. In a preferred embodiment, the method is therefore characterized in that the production strain comprises a cds encoding a protein with SEQ ID No. 4.
Der CSAD-Enzym-Aktivitätstest kann wie folgt durchgeführt werden : i) Herstellung des zu testenden Enzyms: The CSAD enzyme activity test can be performed as follows: i) Preparation of the enzyme to be tested:
Ein durch Anzucht im Schüttelkolben oder in einer Fermentation produziertes Enzym kann wie folgt in die Reaktion eingesetzt werden: als ein Aliquot aus der nicht weiter auf gearbeiteten Kulturbrühe oder als ein Aliquot der Zellsuspension nach Reisolierung der Zellen aus der Kulturbrühe, z.B. durch Zentrifugation oder in Form eines Aliquots des Zellhomogenats a) nach mechanischem Aufschluss der Zellsuspension oder b) in Form chemisch permeabilisierter Zellen (z.B. durch Chloroform) oder als Zellextrakt nach Abtrennung partikulärer Bestandteile aus dem Zellhomogenat oder als z.B. chromatographisch gereinigtes Enzym. Die jeweils erhaltene Gesamtproteinkonzentration kann z.B. mit einem kommerziell erhältlichen Qubit 3.0 Fluorometer der Fa . Thermo Fisher Scientific unter Einsatz des „Qubit® Protein Assay Kits" nach Angaben des Herstellers bestimmt werden . ii) Bestimmung der CSAD-Enzymaktivität An enzyme produced by cultivation in a shake flask or in a fermentation can be used in the reaction as follows: as an aliquot from the culture broth that has not been further processed or as an aliquot of the cell suspension after re-isolation of the cells from the culture broth, e.g. by centrifugation or in the form of an aliquot of the cell homogenate a) after mechanical disruption of the cell suspension or b) in the form of chemically permeabilized cells (e.g. by chloroform) or as a cell extract after separation of particulate components from the cell homogenate or as e.g. chromatographically purified enzyme. The total protein concentration obtained in each case can be determined, for example, with a commercially available Qubit 3.0 fluorometer from Thermo Fisher Scientific using the "Qubit® Protein Assay Kit" according to the manufacturer's instructions. ii) Determination of CSAD enzyme activity
In einer mit Kaliumphosphat auf pH 7 gepufferten Lösung wird L-Cysteinsulf insäure (10 mM Endkonzentration) vorgelegt und die Reaktion durch Zugabe des Enzyms aus i) gestartet. Das Ansatzvolumen des Tests beträgt 10 ml. Die Temperatur, bei der der Test durchgeführt wird, beträgt 30°C. Die Menge des eingesetzten Enzyms aus i) ist abhängig vom Reinigungsgrad. Werden Kulturbrühe, Zellsuspension der reisolierten Zellen, Zellhomogenat oder Zellextrakt verwendet, werden mindestens 0,1 mg der in i) hergestellten Enzymfraktionen eingesetzt. Im Falle von gereinigtem Enzym werden mindestens 10 pg der gereinigten Enzymfraktion eingesetzt. 1 h, 2 h und 4 h nach Start der Reaktion werden je 1 ml des Testansatzes entnommen, 10 min zentrifugiert und der Gehalt von Hypotaurin durch kalibrierte HPLC bestimmt ( siehe Beispiel 3 ) , wobei die zur Kalibrierung verwendete Referenzsubstanz kommerziell erhältlich ist ( Sigma-Aldrich) . L-cysteine sulfinic acid (10 mM final concentration) is placed in a solution buffered to pH 7 with potassium phosphate and the reaction is started by adding the enzyme from i). The test volume is 10 ml. The temperature at which the test is carried out is 30°C. The amount of enzyme from i) used depends on the degree of purification. If culture broth, cell suspension of the reisolated cells, cell homogenate or cell extract are used, at least 0.1 mg of the enzyme fractions prepared in i) are used. In the case of purified enzyme, at least 10 pg of the purified enzyme fraction are used. 1 h, 2 h and 4 h after the start of the reaction, 1 ml of the test mixture is taken and centrifuged for 10 min. and the content of hypotaurine is determined by calibrated HPLC (see Example 3), whereby the reference substance used for calibration is commercially available (Sigma-Aldrich).
Dabei liegt die Nachweisgrenze der HPLC-Methode bei 1 mg/L Hypotaurin . Wird unter den genannten Testbedingungen weniger als 1 mg/L Hypotaurin gebildet , dann enthält der Ansatz keine aktive CSAD . The detection limit of the HPLC method is 1 mg/L hypotaurine. If less than 1 mg/L hypotaurine is formed under the test conditions mentioned, then the mixture does not contain active CSAD.
Gen- und Proteinsequenzen von CS-Enzymen sind z . B . zugänglich in der NCBI-Datenbank unter dem Suchbegri f f „cysteate synthase" . Es können alle cds , die für Proteine mit CS- Aktivität codieren, darunter CS-Enzyme ausgewählt aus Methanosarci na acetivorans, Methanosarcina barker! , Methanocella pal udi cola, Methanocull eus mari snigri , Methanolinea mesophila und dazu homologe Aminosäuresequenzen eingesetzt werden . Besonders bevorzugt ist die CS-codierende cds ausgewählt aus Methanosarcina aceti vorans (ma ) , Methanosarcina barker! oder eine dazu homologe Sequenz . Insbesondere bevorzugt hat die CSma-cds die in SEQ ID NO : 5 angegebene Sequenz , codierend für ein CSma-Enzym mit der Aminosäuresequenz mit der SEQ ID NO : 6 . In einer bevorzugten Aus führungs form ist das Verfahren daher dadurch gekennzeichnet , dass der Produktionsstamm eine cds umfasst , codierend für ein Protein mit der SEQ ID Nr . 6 . Gene and protein sequences of CS enzymes are e.g. accessible in the NCBI database under the search term "cysteate synthase". All cds that code for proteins with CS activity, including CS enzymes selected from Methanosarcina acetivorans, Methanosarcina barker!, Methanocella pal udi cola, Methanoculll eus mari snigri, Methanolinea mesophila and amino acid sequences homologous thereto can be used. The CS-coding cds is particularly preferably selected from Methanosarcina aceti vorans (ma), Methanosarcina barker! or a sequence homologous thereto. The CSma-cds particularly preferably has the sequence given in SEQ ID NO: 5, coding for a CSma enzyme with the amino acid sequence with SEQ ID NO: 6. In a preferred embodiment, the method is therefore characterized in that the production strain comprises a cds, coding for a protein having SEQ ID No. 6 .
Der CS-Enzym-Aktivitätstest kann wie folgt durchgeführt werden : i ) Herstellung des zu testenden Enzyms : The CS enzyme activity test can be carried out as follows: i) Preparation of the enzyme to be tested:
Ein durch Anzucht im Schüttelkolben oder in einer Fermentation produziertes Enzym kann wie folgt in die Reaktion eingesetzt werden : als ein Aliquot aus der nicht weiter auf gearbeitetenAn enzyme produced by cultivation in a shake flask or in a fermentation can be used in the reaction as follows : as an aliquot from the not further processed
Kulturbrühe oder als ein Aliquot der Zellsuspension nach Reisolierung der Zellen aus der Kulturbrühe, z.B. durch Zentrifugation oder in Form eines Aliquots des Zellhomogenats a) nach mechanischem Aufschluss der Zellsuspension oder b) in Form chemisch permeabilisierter Zellen (z.B. durch Chloroform) oder als Zellextrakt nach Abtrennung partikulärer Bestandteile aus dem Zellhomogenat oder als z.B. chromatographisch gereinigtes Enzym. Culture broth or as an aliquot of the cell suspension after re-isolation of the cells from the culture broth, e.g. by centrifugation or in the form of an aliquot of the cell homogenate a) after mechanical disruption of the cell suspension or b) in the form of chemically permeabilized cells (e.g. by chloroform) or as a cell extract after separation of particulate components from the cell homogenate or as e.g. chromatographically purified enzyme.
Die jeweils erhaltene Gesamtproteinkonzentration kann z.B. mit einem kommerziell erhältlichen Qubit 3.0 Fluorometer der Fa . Thermo Fisher Scientific unter Einsatz des „Qubit® Protein Assay Kits" nach Angaben des Herstellers bestimmt werden . ii) Bestimmung der CS-Enzymaktivität In einer mit Kaliumphosphat auf pH 7 gepufferten und 100 mM KCl enthaltenden Lösung werden Na2SOs (20 mM Endkonzentration) und O-Phospho-L-Serin (7 mM Endkonzentration) vorgelegt und die Reaktion durch Zugabe des Enzyms aus i) gestartet. Das Ansatzvolumen des Tests beträgt 10 ml. Die Temperatur, bei der der Test durchgeführt wird, beträgt 30°C. Die Menge des eingesetzten Enzyms aus i) ist abhängig vom Reinigungsgrad. Werden Kulturbrühe, Zellsuspension der reisolierten Zellen, Zellhomogenat oder Zellextrakt verwendet, werden mindestens 0,1 mg der in i) hergestellten Enzymfraktionen eingesetzt. Im Falle von gereinigtem Enzym werden mindestens 10 pg der gereinigten Enzymfraktion eingesetzt. 1 h, 2 h und 4 h nach Start der Reaktion werden je 1 ml des Testansatzes entnommen, 10 min zentrifugiert und der Gehalt von L- Cysteinsäure durch kalibrierte HPLC bestimmt (siehe Beispiel 3) , wobei die zur Kalibrierung verwendete Referenzsubstanz kommerziell erhältlich ist (Sigma- Aldrich) . Dabei liegt die Nachweisgrenze der HPLC-Methode bei 1 mg/L L- L-Cysteinsäure . Wird unter den genannten Testbedingungen weniger als 1 mg/L L-Cysteinsäure gebildet, dann enthält der Ansatz keine aktive CS. The total protein concentration obtained in each case can be determined, for example, using a commercially available Qubit 3.0 fluorometer from the company . Thermo Fisher Scientific using the "Qubit® Protein Assay Kit" according to the manufacturer's instructions. ii) Determination of CS enzyme activity Na2SO3 (20 mM final concentration) and O-phospho-L-serine (7 mM final concentration) are placed in a solution buffered with potassium phosphate to pH 7 and containing 100 mM KCl and the reaction is started by adding the enzyme from i). The test volume is 10 ml. The temperature at which the test is carried out is 30°C. The amount of enzyme from i) used depends on the degree of purification. If culture broth, cell suspension of the re-isolated cells, cell homogenate or cell extract are used, at least 0.1 mg of the enzyme fractions prepared in i) are used. In the case of purified enzyme, at least 10 pg of the purified enzyme fraction are used. 1 h, 2 h and 4 h after the start of the reaction, 1 ml of the test mixture is taken and centrifuged for 10 min. and the content of L-cysteic acid is determined by calibrated HPLC (see Example 3), whereby the reference substance used for calibration is commercially available (Sigma-Aldrich). The detection limit of the HPLC method is 1 mg/L L-cysteic acid. If less than 1 mg/L L-cysteic acid is formed under the test conditions mentioned, then the mixture does not contain any active CS.
Die Herstellung der Genkonstrukte erfolgt entsprechend dem Stand der Technik vorzugsweise mit Hilfe rekombinanter DNS- Techniken, wie in Beispiel 1 beschrieben und wie sie dem Fachmann geläufig sind. Dazu werden die cds eines CDO-Gens, bevorzugt CDOrn, die cds eines CSAD-Gens, bevorzugt CSADcc, bzw. die cds eines CS-Gens, bevorzugt CSma in der gewünschten Reihenfolge in einen hierfür geeigneten Vektor kloniert, bevorzugt in den in Beispiel 1 beschriebenen Vektor pCys . Dabei werden die für CDO, CSAD und CS codierenden Polynucleotide bevorzugt in Form eines künstlichen Operons jeweils mit eigener Ribosomenbindestelle (RBS) , aber ohne eigenen Promotor, hinter das in pCys enthaltene serA317-Gen kloniert, so dass ihre Expression unter Kontrolle des serA317- Promotors erfolgt. The gene constructs are produced in accordance with the state of the art, preferably using recombinant DNA techniques, as described in Example 1 and as are familiar to the person skilled in the art. For this purpose, the cds of a CDO gene, preferably CDOrn, the cds of a CSAD gene, preferably CSADcc, or the cds of a CS gene, preferably CSma, are cloned in the desired order into a suitable vector, preferably the vector pCys described in Example 1. The polynucleotides coding for CDO, CSAD and CS are cloned behind the serA317 gene contained in pCys, preferably in the form of an artificial operon, each with its own ribosome binding site (RBS) but without its own promoter, so that their expression occurs under the control of the serA317 promoter.
Beispiele bevorzugter Genkonstrukte sind die in den Beispielen beschriebenen Vektoren pCys-CDOrn-CSAdcc (Hypotaurin Produktion, Fig. 2) , pCys-CSma-CSADcc (Taurin Produktion, Fig. 3) und pCys-CSma-CSADcc-CDOrn (Hypotaurin + Taurin Produktion Fig. 4) . Die Genkonstrukte enthalten jeweils genetische Elemente eines deregulierten Cystein-Biosynthesewegs , nämlich Feedback-resistente Allele des cysE- und des serA-Gens sowie das Efflux-Gen ydeD. pCys-CDOrn-CSADcc (Fig. 2) enthält darüber hinaus, in Operonform mit dem serA317-Gen verbunden, Expressionseinheiten für das CDOrn- (CDO Rattus norvegicus) und das CSADcc-Gen (CSAD Cyprinus carpio) zur Herstellung von Hypotaurin nach Gleichung (1) und (3) . pCys-CSma-CSADcc (Fig. 3) enthält darüber hinaus, in Operonform mit dem serA317-Gen verbunden, Expressionseinheiten für das CSma- (CS Methanosarci na acetivorans) und das CSADcc- Gen (CSAD Cyprinus carpio) zur Herstellung von Taurin nach Gleichung (6) und (5) . pCys-CSma-CSADcc-CDOrn (Fig. 4) enthält darüber hinaus, in Operonform mit dem serA317-Gen verbunden, Expressionseinheiten für das CSma- (CS Methanosarcina acetivorans) , das CSADcc- (CSAD Cyprinus carpio) und das CDOrn-Gen (CDO Rattus norvegicus) zur Herstellung eines Gemischs von Hypotaurin und Taurin nach den Gleichungen (1) und (3) , bzw. (6) und (5) . Examples of preferred gene constructs are the vectors pCys-CDOrn-CSAdcc (hypotaurine production, Fig. 2), pCys-CSma-CSADcc (taurine production, Fig. 3) and pCys-CSma-CSADcc-CDOrn (hypotaurine + taurine production Fig. 4) described in the examples. The gene constructs each contain genetic elements of a deregulated cysteine biosynthesis pathway, namely feedback-resistant alleles of the cysE and serA genes as well as the efflux gene ydeD. pCys-CDOrn-CSADcc (Fig. 2) also contains, in operon form linked to the serA317 gene, expression units for the CDOrn (CDO Rattus norvegicus) and the CSADcc gene (CSAD Cyprinus carpio) for the production of hypotaurine according to equations (1) and (3). pCys-CSma-CSADcc (Fig. 3) also contains, in operon form linked to the serA317 gene, expression units for the CSma (CS Methanosarci na acetivorans) and the CSADcc Gene (CSAD Cyprinus carpio) for the production of taurine according to equations (6) and (5) . pCys-CSma-CSADcc-CDOrn (Fig. 4) also contains, linked in operon form to the serA317 gene, expression units for the CSma (CS Methanosarcina acetivorans), the CSADcc (CSAD Cyprinus carpio) and the CDOrn gene (CDO Rattus norvegicus) for the production of a mixture of hypotaurine and taurine according to equations (1) and (3) , or (6) and (5) .
Dabei ist die Konfiguration von CDO und CSAD, CS und CSAD, bzw. CS, CSAD und CDO in den genannten Genkonstrukten in jeder anderen Reihenfolge ebenso möglich. The configuration of CDO and CSAD, CS and CSAD, or CS, CSAD and CDO in the above-mentioned gene constructs in any other order is also possible.
Des Weiteren ist es möglich, dass CDO-, CS- und CSAD-Gen jeweils mit eigenem Promotor und ggf. Terminator als eigenständige Expressionseinheiten in den Vektor pCys zu klonieren. Ebenso denkbar ist, dass CDO-, CS- und CSAD-Gen als eigene Expressionseinheiten unabhängig von pCys in einen eigenen Vektor zu klonieren, bzw. ins Genom eines Mikroorganismus als Wirtsorganismus wie E. coli zu integrieren. Auch die Kombination von Vektor-ständigen und genom-integrierten Expressionseinheiten ist denkbar. Furthermore, it is possible to clone the CDO, CS and CSAD genes, each with its own promoter and possibly terminator, as independent expression units into the vector pCys. It is also conceivable to clone the CDO, CS and CSAD genes as separate expression units independent of pCys into a separate vector, or to integrate them into the genome of a microorganism as a host organism such as E. coli. The combination of vector-based and genome-integrated expression units is also conceivable.
Ein zur Hypotaurin- und/oder Taurin-Produktion geeigneter Produktionsstamm umfasst bevorzugt einen Mikroorganismenstamm, besonders bevorzugt den Mikroorganismenstamm E. coli K12 W3110 und ein erfindungsgemäßes Genkonstrukt, besonders bevorzugt ausgewählt aus den Genkonstrukten pCys-CDOrn-CSADcc, pCys- CSma-CSADcc oder pCys-CSma-CSADcc-CDOrn. Durch Transformation der Genkonstrukte in bekannter Weise in einen Mikroorganismenstamm, bevorzugt E. coli W3110, werden die Produktionsstämme erhalten. In Beispiel 2 ist die Herstellung der Produktionsstämme E. coli W3110 x pCys-CDOrn-CSADcc zur Produktion von Hypotaurin, E. coli W3110 x pCys-CSma-CSADcc zur Produktion von Taurin und E. coli W3110 x pCys-CSmaCSADcc- CDOrn zur Produktion eines Gemisches aus Hypotaurin und Taurin of fenbart . A production strain suitable for hypotaurine and/or taurine production preferably comprises a microorganism strain, particularly preferably the microorganism strain E. coli K12 W3110 and a gene construct according to the invention, particularly preferably selected from the gene constructs pCys-CDOrn-CSADcc, pCys- CSma-CSADcc or pCys-CSma-CSADcc-CDOrn. The production strains are obtained by transforming the gene constructs in a known manner into a microorganism strain, preferably E. coli W3110. Example 2 shows the production of the production strains E. coli W3110 x pCys-CDOrn-CSADcc for the production of hypotaurine, E. coli W3110 x pCys-CSma-CSADcc for the production of taurine and E. coli W3110 x pCys-CSmaCSADcc- CDOrn for the production of a mixture of hypotaurine and taurine disclosed.
Die Herstellung von Hypotaurin, Taurin oder eines Gemisches von Hypotaurin und Taurin unter Verwendung der beschriebenen Produktionsstämme kann dabei durch Anzucht im Schüttelkolben erfolgen, wie in Beispiel 3 beschrieben oder im Produktionsmaßstab durch Fermentation, bevorzugt Fed-Batch Fermentation der Produktionsstämme , wie in Beispiel 4 beschrieben . Bei der Anzucht im Schüttelkolben oder durch Fermentation entsteht eine Hypotaurin- oder Taurin-haltige , bzw . eine Mischung aus Hypotaurin und Taurin enthaltende Schüttelkultur- , bzw . Fermenterbrühe , wobei bevorzugt der Taurin- , bzw . Hypotauringehalt im Zellkulturüberstand nach Fermentation ( Fermentationsüberstand) mindestens 10 g/L beträgt . The production of hypotaurine, taurine or a mixture of hypotaurine and taurine using the described production strains can be carried out by cultivation in a shake flask, as described in example 3, or on a production scale by fermentation, preferably fed-batch fermentation of the production strains, as described in example 4. Cultivation in a shake flask or by fermentation produces a shake culture or fermenter broth containing hypotaurine or taurine, or a mixture of hypotaurine and taurine, wherein the taurine or hypotaurine content in the cell culture supernatant after fermentation (fermentation supernatant) is preferably at least 10 g/L.
Nach der mikrobiellen Fermentation des Produktionsstamms und gegebenenfalls einer pH-Wert-Erniedrigung und/oder Temperaturerhöhung und möglicher Inkubation der Fermenterbrühe ( s . u . ) wird der Fermentationsüberstand durch Abtrennen der Biomasse von der Fermenterbrühe isoliert ( Schritt i ) . Der Stand der Technik bietet verschiedene Verfahren zur Abtrennung von Biomasse . Bevorzugte Verfahren zur Abtrennung von Biomasse sind Zentri fugation ( Sedimentation) und Filtration, darunter besonders bevorzugt Filtration . Beide Verfahren können batchweise oder kontinuierlich betrieben werden, wobei kontinuierliche Verfahren bevorzugt sind, darunter besonders bevorzugt kontinuierliche Zentri fugation ( Dekanter, Separatoren) und Querstromfiltration ( Tangential fluss filtration, Cross-Flow-Filtration) . Insbesondere bevorzugt ist die Querstromfiltration . Bei der Querstromfiltration wird die Porengröße der Filtrationsmodule so gewählt , dass Biomasse und andere Makromoleküle im Retentat verbleiben ( zurückgehalten werden) und Hypotaurin und Taurin sich im Filtrat wiederf inden . Durch das abgetrennte Filtrat verringert sich das Volumen des Retentats , das noch einen hohen Anteil nicht- f titriertes Produkt enthält . Zur Erhöhung der Ausbeute kann das Retentat mit Wasser wiederauf gefüllt und weiter filtriert werden ( sog . Diaf iltration) . After microbial fermentation of the production strain and, if appropriate, a reduction in pH and/or increase in temperature and possible incubation of the fermenter broth (see below), the fermentation supernatant is isolated by separating the biomass from the fermenter broth (step i). The state of the art offers various processes for separating biomass. Preferred processes for separating biomass are centrifugation (sedimentation) and filtration, particularly preferred among these is filtration. Both processes can be operated batchwise or continuously, with continuous processes being preferred, particularly preferred among these are continuous centrifugation (decanters, separators) and cross-flow filtration (tangential flow filtration, cross-flow filtration). Cross-flow filtration is particularly preferred. In cross-flow filtration, the pore size of the filtration modules is selected so that biomass and other macromolecules remain in the retentate (are retained) and hypotaurine and taurine are found in the filtrate. Through the separated filtrate the volume of the retentate, which still contains a high proportion of non-titrated product, is reduced. To increase the yield, the retentate can be refilled with water and further filtered (so-called diafiltration).
Je nach Porengröße der Filtrationsmodule unterscheidet man Mikrofiltration ( Porengröße > 100 nm) , Ultrafiltration ( Porengröße zwischen 2 nm und 100 nm) und Nanofiltration ( Porengröße bis 2 nm) . Bevorzugt sind Mikrofiltration und Ultrafiltration, besonders bevorzugt ist die Mikrofiltration . Denkbar ist auch eine Mikrofiltration gefolgt von einer Ultrafiltration . Depending on the pore size of the filtration modules, a distinction is made between microfiltration (pore size > 100 nm), ultrafiltration (pore size between 2 nm and 100 nm) and nanofiltration (pore size up to 2 nm). Microfiltration and ultrafiltration are preferred, with microfiltration being particularly preferred. Microfiltration followed by ultrafiltration is also conceivable.
In der Praxis schließt sich an Schritt i ) bevorzugt zunächst eine Volumenreduktion an ( s . u . ) , bevor Lösungsmittel 1 zugegeben wird, um den Verbrauch von Lösungsmittel 1 zu senken . In practice, step i) is preferably followed by a volume reduction (see below) before solvent 1 is added in order to reduce the consumption of solvent 1.
Nach der I solierung des Fermentationsüberstands durch Abtrennen der Biomasse und gegebenenfalls Volumenreduktion des Fermentationsüberstands ( s . u . ) wird Taurin aus dem Fermentationsüberstand durch Zugabe eines mit Wassermischbaren Lösungsmittels 1 präzipitiert ( Schritt ii ) . Grundlage für die Präzipitation von Taurin ist , dass Lösungsmittel 1 so gewählt wird, dass Taurin darin nicht oder nur gering löslich ist . Durch Zugabe von Lösungsmittel 1 zum Taurin-haltigen Fermentationsüberstand wird ein Mischungsverhältnis von Lösungsmittel 1 zu wässrigem Fermentationsüberstand eingestellt . Mit zunehmendem Mischungsverhältnis ( d . h . zunehmendem Anteil Lösungsmittel 1 in der Mischung) sinkt die Taurin-Löslichkeit , bis Taurin nicht mehr in der Mischung löslich ist und präzipitiert , wobei sich ein Gleichgewicht aus präzipitiertem und noch in Lösung befindlichem Taurin einstellt . Dieser Anteil Lösungsmittel 1 in der Mischung ist abhängig von den chemischen Eigenschaften des Lösungsmittels 1 und beträgt bevorzugt mindestens 40% v/v, besonders bevorzugt mindestens 60% v/v und insbesondere bevorzugt mindestens 80% v/v . Die Löslichkeit einer Verbindung ist bekanntermaßen abhängig von der Temperatur und kann bei niedrigen Temperaturen verringert werden . D . h . durch Abkühlen der Mischung kann das Gleichgewicht von präzipitiertem zu gelöstem Taurin in Richtung des präzipitierten Taurins verschoben werden, was die Ausbeute von Schritt ii erhöht . Bevorzugt wird die Mischung aus Lösungsmittel 1 und wässrigem, Taurin-haltigem Fermentationsüberstand auf 8 ° C, besonders bevorzugt auf 0 ° C und, sofern die Mischung nicht gefriert , insbesondere bevorzugt auf -20 ° C abgekühlt . After isolating the fermentation supernatant by separating off the biomass and, if necessary, reducing the volume of the fermentation supernatant (see below), taurine is precipitated from the fermentation supernatant by adding a water-miscible solvent 1 (step ii). The basis for the precipitation of taurine is that solvent 1 is chosen such that taurine is not or only slightly soluble in it. By adding solvent 1 to the taurine-containing fermentation supernatant, a mixing ratio of solvent 1 to aqueous fermentation supernatant is set. As the mixing ratio increases (i.e. increasing proportion of solvent 1 in the mixture), the taurine solubility decreases until taurine is no longer soluble in the mixture and precipitates, whereby an equilibrium is established between precipitated taurine and taurine still in solution. This proportion of solvent 1 in the mixture depends on the chemical properties of solvent 1 and is preferably at least 40% v/v, particularly preferably at least 60% v/v and especially preferably at least 80% v/v. The solubility of a compound is known to be dependent on temperature and can be reduced at low temperatures. This means that by cooling the mixture, the equilibrium of precipitated to dissolved taurine can be shifted towards the precipitated taurine, which increases the yield of step ii. Preferably, the mixture of solvent 1 and aqueous, taurine-containing fermentation supernatant is cooled to 8 °C, particularly preferably to 0 °C and, if the mixture does not freeze, particularly preferably to -20 °C.
Für Lösungsmittel 1 gilt die oben zum Begri f f Lösungsmittel gegebene Definition . Bevorzugt ist das Verfahren zur I solierung von Taurin dadurch gekennzeichnet , dass es sich beim mit Wasser-mischbaren Lösungsmittel 1 um ein Lösungsmittel ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Methanol , Ethanol , 1-Propanol oder 2-Propanol ( I sopropanol ) und deren Mischungen mit H20, besonders bevorzugt um ein Lösungsmittel ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Ethanol , I sopropanol und deren Mischungen mit H20 und insbesondere bevorzugt um Ethanol handelt . The definition of the term solvent given above applies to solvent 1. The process for isolating taurine is preferably characterized in that the water-miscible solvent 1 is a solvent selected from the group consisting of methanol, ethanol, 1-propanol or 2-propanol (isopropanol) and mixtures thereof with H 2 0, particularly preferably a solvent selected from the group consisting of ethanol, isopropanol and mixtures thereof with H 2 0 and especially preferably ethanol.
Das Taurin-Präzipitat wird anschließend aus der Mischung isoliert und in einem Lösungsmittel 2 gelöst ( Schritt iii ) . Das I solieren des Taurin Präzipitats , d . h . Abtrennen des Taurin-Präzipitats aus der Mischung, kann mittels Zentri fugation, Sedimentation oder Filtration erfolgen, bevorzugt durch Filtration . The taurine precipitate is then isolated from the mixture and dissolved in a solvent 2 (step iii). The isolation of the taurine precipitate, i.e. separation of the taurine precipitate from the mixture, can be carried out by centrifugation, sedimentation or filtration, preferably by filtration.
Bevorzugt wird das Taurin-Präzipitat zunächst mindestens einmal , besonders bevorzugt zweimal und insbesondere bevorzugt dreimal in einem Lösungsmittel E (Extraktions-Lösungsmittel ) suspendiert , in dem es im Gegensatz zu den Verunreinigungen nicht löslich ist und anschließend aus der Suspension wie oben beschrieben wieder abgetrennt wird . Der Vorgang von Suspension einer Verbindung wie Taurin in einem Lösungsmittel E und Wiederabtrennung aus der Suspension wird als Extraktion bezeichnet . Dieser Extraktionsschritt aus Suspension und Abtrennung dient der Entfernung (Abreicherung) von im Präzipitat neben Taurin vorliegenden Verunreinigungen und kann an sich beliebig oft wiederholt werden . Auch für Lösungsmittel E gilt die oben zum Begri f f Lösungsmittel gegebene Definition, wobei es sich beim zur Extraktion verwendeten Lösungsmittel E bevorzugt um Lösungsmittel 1 handelt , aber auch ein anderes als Lösungsmittel 1 denkbar ist . Preferably, the taurine precipitate is first suspended at least once, particularly preferably twice and especially preferably three times in a solvent E (extraction solvent) in which it is insoluble in contrast to the impurities and is then separated again from the suspension as described above. The process of suspending a compound such as taurine in a solvent E and separating it again from the suspension is called extraction This extraction step from suspension and separation serves to remove (deplete) impurities present in the precipitate in addition to taurine and can be repeated as often as required. The definition of solvent given above also applies to solvent E, whereby the solvent E used for extraction is preferably solvent 1, but a solvent other than solvent 1 is also conceivable.
Zur Abtrennung von Verunreinigungen durch Extraktion nutzt man die Stof f eigenschaf t der unterschiedlichen Löslichkeiten aus , z . B . dass Taurin in reinen, mit Wasser mischbaren Alkoholen wie Methanol , Ethanol , n-Propanol , I sopropanol , nicht oder nur gering löslich ist . Zur Extraktion von Verunreinigungen eignen sich aber auch andere , mit Wasser mischbare organische Lösungsmittel als Lösungsmittel E , wie z . B . Aceton . Dabei können auch beliebige Mischungen der mit Wasser mischbaren organischen Lösungsmittel zur Extraktion von Verunreinigungen eingesetzt werden . Bevorzugt sind mit Wasser mischbare Alkohole wie Methanol , Ethanol , n-Propanol , I sopropanol , besonders bevorzugt Ethanol und I sopropanol und insbesondere bevorzugt Ethanol . Ethanol kann dabei als reiner Ethanol oder als vergällter Ethanol eingesetzt werden . To separate impurities by extraction, the material property of different solubilities is used, e.g. that taurine is not or only slightly soluble in pure, water-miscible alcohols such as methanol, ethanol, n-propanol and isopropanol. However, other water-miscible organic solvents such as solvent E are also suitable for extracting impurities. Any mixture of water-miscible organic solvents can be used to extract impurities. Preference is given to water-miscible alcohols such as methanol, ethanol, n-propanol and isopropanol, with ethanol and isopropanol being particularly preferred and ethanol being especially preferred. Ethanol can be used as pure ethanol or as denatured ethanol.
Das zur Extraktion verwendete Volumen des mit Wasser mischbaren Alkohols , bevorzugt Ethanol , kann beliebig gewählt werden und beträgt bevorzugt mindestens das gleiche Volumen, besonders bevorzugt mindestens das fünf fache Volumen und insbesondere bevorzugt mindestens das 10- fache Volumen wie das Volumen der Fermenterbrühe , welches zur I solierung von Taurin eingesetzt wird . Das zur Extraktion verwendete Volumen kann dabei vollständig in einer Extraktion oder aufgeteilt in mehrere Chargen zur wiederholten Extraktion eingesetzt werden . In einer bevorzugten Aus führung kann Ethanol in einer Mischung mit Wasser mit einem Ethanolanteil von 100% (v/v) bis zu 30% (v/v) Ethanol , besonders bevorzugt 100% (v/v) bis zu 50% (v/v) Ethanol und insbesondere bevorzugt von 100% (v/v) bis zu 80% (v/v) Ethanol zur Extraktion eingesetzt werden . In einer weiteren bevorzugten Aus führung der Erfindung wird aus dem Filtrat der Extraktion das Extraktionsmittel , bevorzugt Ethanol , zurückgewonnen ( z . B . durch Destillation) , um die Wirtschaftlichkeit und durch Minimierung des Chemikalienverbrauchs die Nachhaltigkeit des Verfahrens zu erhöhen . The volume of water-miscible alcohol, preferably ethanol, used for extraction can be chosen arbitrarily and is preferably at least the same volume, particularly preferably at least five times the volume and especially preferably at least 10 times the volume of the fermenter broth used to isolate taurine. The volume used for extraction can be used entirely in one extraction or divided into several batches for repeated extraction. In a preferred embodiment, ethanol can be used in a mixture with water with an ethanol content of 100% (v/v) up to 30% (v/v) ethanol, particularly preferably 100% (v/v) up to 50% (v/v) ethanol and especially preferably from 100% (v/v) up to 80% (v/v) ethanol can be used for extraction. In a further preferred embodiment of the invention, the extraction agent, preferably ethanol, is recovered from the extraction filtrate (e.g. by distillation) in order to increase the economic efficiency and the sustainability of the process by minimizing the consumption of chemicals.
Die Löslichkeit von Taurin in Ethanol/H20-Mischungen ist abhängig vom Ethanol-Gehalt und der Inkubationstemperatur . Bei Raumtemperatur ist Taurin in kommerziell erhältlichem 99% (v/v) Ethanol nicht löslich, ebensowenig wie in 80% (v/v) Ethanol . In 60% (v/v) Ethanol wird bei Raumtemperatur eine geringe Löslichkeit beobachtet , die in 50% (v/v) und 30% (v/v) Ethanol deutlich zunimmt , j edoch durch Abkühlen auf 0 ° C stark reduziert werden kann . Es ist bevorzugt , in den Fermentationsüberstand aus Schritt i ) , dessen Volumen besonders bevorzugt wie unten beschrieben reduziert wurde , Ethanol zu dosieren, so dass die Ethanolkonzentration mindestens 40% (v/v) , besonders bevorzugt mindestens 60% (v/v) und insbesondere bevorzugt mindestens 80% (v/v) beträgt . Wenn die Prozentangabe des Ethanolgehalts angegeben wird, handelt es sich um Volumenprozent . 80% Ethanol bedeuten dann 80 ml Ethanol + 20 ml Fermentationsüberstand in 100 ml Gesamtvolumen . Abhängig vom Ethanolgehalt kann zur weiteren Verringerung der Taurin-Löslichkeit die Temperatur wie oben beschrieben erniedrigt werden . The solubility of taurine in ethanol/H 2 0 mixtures depends on the ethanol content and the incubation temperature. At room temperature, taurine is not soluble in commercially available 99% (v/v) ethanol, nor in 80% (v/v) ethanol. A low solubility is observed in 60% (v/v) ethanol at room temperature, which increases significantly in 50% (v/v) and 30% (v/v) ethanol, but can be greatly reduced by cooling to 0 °C. It is preferred to dose ethanol into the fermentation supernatant from step i), the volume of which has particularly preferably been reduced as described below, so that the ethanol concentration is at least 40% (v/v), particularly preferably at least 60% (v/v) and especially preferably at least 80% (v/v). When the percentage of ethanol content is stated, it is a volume percentage. 80% ethanol then means 80 ml ethanol + 20 ml fermentation supernatant in 100 ml total volume. Depending on the ethanol content, the temperature can be lowered as described above to further reduce taurine solubility.
Das Taurin-haltige Präzipitat kann zur weiteren Abtrennung von Verunreinigungen mehrmals mit Ethanol/Wasser-Gemischen extrahiert werden, wobei das Ethanol/Wasser-Gemisch bevorzugt mindestens 40% (v/v) Ethanol , besonders bevorzugt mindestens 60% (v/v) Ethanol und insbesondere bevorzugt mindestens 80% (v/v) Ethanol enthält . The taurine-containing precipitate can be extracted several times with ethanol/water mixtures for further separation of impurities, wherein the ethanol/water mixture preferably contains at least 40% (v/v) ethanol, particularly preferably at least 60% (v/v) ethanol and especially preferably at least 80% (v/v) ethanol.
Das isolierte Taurin-Präzipitat wird in Lösungsmittel 2 gelöst . Für Lösungsmittel 2 gilt die oben zum Begri f f Lösungsmittel gegebene Definition . Lösungsmittel 2 wird als Mischung mit Wasser eingesetzt , wobei der Anteil Wasser in der Mischung bevorzugt 100% v/v ( reines Wasser ) bis 50% v/v, besonders bevorzugt 100% v/v bis 75% v/v und insbesondere bevorzugt 100% v/v bis 90% v/v beträgt . The isolated taurine precipitate is dissolved in solvent 2. For solvent 2, the above-mentioned Solvent as defined. Solvent 2 is used as a mixture with water, the proportion of water in the mixture preferably being 100% v/v (pure water) to 50% v/v, particularly preferably 100% v/v to 75% v/v and especially preferably 100% v/v to 90% v/v.
In einer bevorzugten Aus führungs form ist das Verfahren zur I solierung von Taurin dadurch gekennzeichnet , dass es sich beim Lösungsmittel 2 um Wasser handelt . In a preferred embodiment, the process for isolating taurine is characterized in that the solvent 2 is water.
In Schritt iv wird das isolierte , gegebenenfalls durch Extraktion von Verunreinigungen befreite und anschließend in Lösungsmittel 2 gelöste Taurinpräzipitat kristallisiert . Bevorzugt beträgt die Taurinkonzentration nach Lösen des Taurinpräzipitats in Lösungsmittel 2 mindestens 100 g/L, besonders bevorzugt mindestens 200 g/L, und insbesondere bevorzugt mindestens 300 g/L . Taurin in diesen Konzentrationen wird durch Erwärmen auf Temperaturen unter den Siedepunkt von Lösungsmittel 2 , bevorzugt von bis zu 70 ° C, besonders bevorzugt von bis zu 80 ° C und insbesondere bevorzugt von bis zu 90 ° C in Lösung gebracht . Beim Abkühlen auf Raumtemperatur und zur weiteren Ausbeuterhöhung auf eine Temperatur, bei der das Lösungsmittel 2 noch nicht gefriert , bevorzugt auf 0 ° C, kristallisiert Taurin . In step iv, the isolated taurine precipitate, optionally freed from impurities by extraction and then dissolved in solvent 2, is crystallized. Preferably, the taurine concentration after dissolving the taurine precipitate in solvent 2 is at least 100 g/L, more preferably at least 200 g/L, and especially preferably at least 300 g/L. Taurine in these concentrations is dissolved by heating to temperatures below the boiling point of solvent 2, preferably up to 70 °C, more preferably up to 80 °C, and especially preferably up to 90 °C. Taurine crystallizes on cooling to room temperature and, to further increase the yield, to a temperature at which solvent 2 does not yet freeze, preferably to 0 °C.
Dieser Kristallisationsschritt aus Lösen und Abkühlen kann beliebig oft wiederholt werden, um eine höhere Taurinreinheit zu erzielen . Bevorzugt wird der Kristallisationsschritt mindestens einmal , besonders bevorzugt mindestens zweimal und insbesondere bevorzugt mindestens dreimal durchgeführt . Weiterhin ist es bevorzugt , dass durch Zugabe eines mit Wasser mischbaren Lösungsmittels 3 die Kristallisation optimiert wird, um z . B . die Ausbeute an kristallisiertem Taurin zu erhöhen und den Tauringehalt in der Mutterlauge zu verringern . Bei der Kristallisation einer Verbindung aus einer Lösung stellt sich ein Verteilungsgleichgewicht zwischen dem aus der Lösung präzipitierten Kristallisat und der noch in Lösung befindlichen Verbindung ein . Dabei bezeichnet der Begri f f Mutterlauge den löslichen Anteil einer Kristallisation ohne den präzipitierten Anteil des Kristallisats . Für Lösungsmittel 3 gilt die oben zum Begri f f Lösungsmittel gegebene Definition . Als mit Wasser mischbare Lösungsmittel 3 zur Optimierung der Kristallisation bevorzugt sind Methanol , Ethanol , n-Propanol und I sopropanol , besonders bevorzugt Ethanol und I sopropanol und insbesondere bevorzugt Ethanol . Der Anteil des Lösungsmittels 3 im Gemisch mit Wasser beträgt bevorzugt maximal 30% v/v, besonders bevorzugt maximal 20% v/v und insbesondere bevorzugt maximal 10% v/v . This crystallization step of dissolving and cooling can be repeated as often as desired in order to achieve a higher taurine purity. The crystallization step is preferably carried out at least once, particularly preferably at least twice and especially preferably at least three times. It is also preferred that the crystallization is optimized by adding a water-miscible solvent 3 in order, for example, to increase the yield of crystallized taurine and to reduce the taurine content in the mother liquor. When a compound is crystallized from a solution, a distribution equilibrium is established between the crystals precipitated from the solution and the compound still in solution. The term Mother liquor is the soluble portion of a crystallization without the precipitated portion of the crystals. The definition given above for the term solvent applies to solvent 3. Preferred water-miscible solvents 3 for optimizing crystallization are methanol, ethanol, n-propanol and isopropanol, particularly preferably ethanol and isopropanol and especially preferably ethanol. The proportion of solvent 3 in the mixture with water is preferably a maximum of 30% v/v, particularly preferably a maximum of 20% v/v and especially preferably a maximum of 10% v/v.
In Schritt v wird das kristallisierte Taurin isoliert und gegebenenfalls getrocknet . Das kristallisierte Taurin wird bevorzugt durch Sedimentation, Zentri fugation oder Filtration isoliert . Das noch im Überstand enthaltene , gelöste Taurin geht dabei nicht zwangsläufig verloren, sondern wird bevorzugt in einen der vorangehenden Aufarbeitungsschritte i bis iii zurückgeführt , wobei der Aufarbeitungsschritt ii besonders bevorzugt ist . In step v, the crystallized taurine is isolated and optionally dried. The crystallized taurine is preferably isolated by sedimentation, centrifugation or filtration. The dissolved taurine still contained in the supernatant is not necessarily lost, but is preferably returned to one of the preceding processing steps i to iii, with processing step ii being particularly preferred.
Das kristallisierte Taurin kann bis zur Gewichtskonstanz getrocknet werden, bevorzugt durch Trocknung bei erhöhter Temperatur, mit und ohne Vakuum, z . B . in einem Vakuumtrockner . Dabei beträgt die Temperatur zum Trocknen von Taurin bevorzugt mindestens 30 ° C, besonders bevorzugt mindestens 50 ° C und insbesondere bevorzugt mindestens 70 ° C . Die Trocknung erfolgt dabei bevorzugt ohne Vakuum, besonders bevorzugt bei einem Vakuum von <300 mbar und insbesondere bevorzugt bei einem Vakuum von <200 mbar . In einer weiteren bevorzugten Aus führung kann das kristallisierte Taurin auch durch Gefriertrocknung oder Sprühtrocknung getrocknet werden, wobei das kristallisierte Taurin im Falle der Sprühtrocknung erst wieder in Lösung gebracht werden muss , vorzugsweise in H2O . Zur weiteren Verwendung kann das erhaltene Taurin vorzugsweise gemahlen und gesiebt werden, um ein Endprodukt mit den gewünschten Partikeleigenschaften zu erhalten . The crystallized taurine can be dried to constant weight, preferably by drying at elevated temperature, with and without vacuum, e.g. in a vacuum dryer. The temperature for drying taurine is preferably at least 30 ° C, more preferably at least 50 ° C and especially preferably at least 70 ° C. Drying is preferably carried out without a vacuum, more preferably at a vacuum of <300 mbar and especially preferably at a vacuum of <200 mbar. In a further preferred embodiment, the crystallized taurine can also be dried by freeze-drying or spray-drying, whereby in the case of spray-drying the crystallized taurine first has to be redissolved, preferably in H 2 O. For further use, the taurine obtained can preferably be ground and sieved to obtain a final product with the desired particle properties.
Das gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren isolierte Taurin weist eine Reinheit von über 80% (w/w) bevorzugt von über 90% und insbesondere bevorzugt von über 95% auf . Zur Bestimmung der Reinheit und Abschätzung möglicher noch vorhandener Verunreinigungen wird der Gehalt an Taurin im Kristallisat bestimmt , bezeichnet als Gehaltsbestimmung . Dazu wird vorzugsweise eine Produktlösung hergestellt , indem eine kleine Menge des Kristallisats eingewogen und in H2O gelöst wird, z . B . als 20 g/L Lösung . Der Tauringehalt der Produktlösung wird dann vorzugsweise durch kalibrierte HPLC bestimmt . Der Gehalt an Taurin im Kristallisat ergibt sich durch das in Prozent ausgedrückte Verhältnis der durch HPLC bestimmten Taurin-Konzentration in g/L zur Konzentration der Produktlösung, ebenfalls in g/L . Beträgt z . B . die Konzentration der Produktlösung 20 g/L und der durch HPLC bestimmte Taurin-Gehalt 19 g/L, so beträgt der Taurin-Gehalt im Kristallisat 95% . Der auf diese Weise bestimmte Taurin- Gehalt ist gleichbedeutend mit der Reinheit des Taurin- Produkts . The taurine isolated according to the process of the invention has a purity of over 80% (w/w), preferably over 90% and particularly preferably over 95%. To determine the purity and estimate any impurities that may still be present, the taurine content in the crystals is determined, referred to as content determination. For this purpose, a product solution is preferably prepared by weighing out a small amount of the crystals and dissolving it in H2O , e.g. as a 20 g/L solution. The taurine content of the product solution is then preferably determined by calibrated HPLC. The taurine content in the crystals is determined by the ratio, expressed as a percentage, of the taurine concentration in g/L determined by HPLC to the concentration of the product solution, also in g/L. If, for example, the concentration of the product solution is 20 g/L and the taurine content determined by HPLC is 19 g/L, the taurine content in the crystals is 95%. The taurine content determined in this way is synonymous with the purity of the taurine product.
Zur weiteren Erhöhung der Reinheit sind zusätzliche Reinigungsschritte denkbar, so z . B . die aus dem Stand der Technik bekannte Tonenaustauschchromatographie oder die Behandlung mit Aktivkohle . To further increase the purity, additional purification steps are conceivable, such as the state-of-the-art clay exchange chromatography or treatment with activated carbon.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht somit die I solierung von Taurin aus Hypotaurin- und/oder Taurin-haltigen Fermenterbrühen durch einfache und kostengünstige Verfahrensschritte in großer Reinheit für Anwendungen im Lebensmittel- , Futtermittel- und auch pharmazeutischen Bereich . Zu Beginn des Verfahrens kann der Gehalt an Hypotaurin und Taurin aus der Schüttelkultur-, bzw. Fermenterbrühe quantifiziert werden. Dazu wird beispielsweise der Schüttelkultur-, bzw. Fermenterbrühe mit einer Zelldichte ODgoo/ml von mindestens 1,0/ml ein Aliquot von 1 ml entnommen, 5 min bei 80°C inkubiert, anschließend alle festen Bestandteile beispielsweise durch 5-minütiges Zentrifugieren bei maximaler Geschwindigkeit in einer Tischzentrifuge abgetrennt und der Überstand durch für Hypotaurin und Taurin kalibrierte HPLC quantifiziert, wie z.B. in Beispiel 3 für Hypotaurin und Taurin beschrieben. The process according to the invention thus enables the isolation of taurine from hypotaurine- and/or taurine-containing fermentation broths by simple and cost-effective process steps in high purity for applications in the food, feed and pharmaceutical sectors. At the beginning of the process, the content of hypotaurine and taurine can be quantified from the shake culture or fermenter broth. For example, an aliquot of 1 ml is taken from the shake culture or fermenter broth with a cell density ODgoo/ml of at least 1.0/ml, incubated for 5 minutes at 80°C, then all solid components are separated, for example by centrifuging for 5 minutes at maximum speed in a table centrifuge and the supernatant is quantified by HPLC calibrated for hypotaurine and taurine, as described for example in Example 3 for hypotaurine and taurine.
In einer bevorzugten Aus führungs form ist das Verfahren zur Isolierung von Taurin dadurch gekennzeichnet, dass die Fermenterbrühe einen additiven molaren Gehalt an Hypotaurin, Taurin oder deren Mischung von mindestens 91, 6 mM, entsprechend einem Gehalt an reinem Hypotaurin von 10 g/L (Molekulargewicht 109,2 g/Mol) , bzw. einem reinen Tauringehalt von 11,5 g/L (Molekulargewicht 125,2 g/Mol) , besonders bevorzugt mindestens 183,2 mM, entsprechend einem reinen Hypotauringehalt von 20 g/L) , bzw. einem reinen Tauringehalt von 23 g/L und insbesondere bevorzugt mindestens 274,7 mM, entsprechend einem reinen Hypotauringehalt von 30 g/L) , bzw. einem reinen Tauringehalt von 34,4 g/L im Fermentationsüberstand aufweist. Dabei bedeutet additiver molarer Gehalt an Hypotaurin und/oder Taurin, dass die Fermenterbrühe mit bevorzugtem additivem molaren Gehalt Hypotaurin und Taurin in beliebigem Verhältnis enthalten kann. In a preferred embodiment, the process for isolating taurine is characterized in that the fermenter broth has an additive molar content of hypotaurine, taurine or a mixture thereof of at least 91.6 mM, corresponding to a pure hypotaurine content of 10 g/L (molecular weight 109.2 g/mol), or a pure taurine content of 11.5 g/L (molecular weight 125.2 g/mol), particularly preferably at least 183.2 mM, corresponding to a pure hypotaurine content of 20 g/L), or a pure taurine content of 23 g/L and particularly preferably at least 274.7 mM, corresponding to a pure hypotaurine content of 30 g/L), or a pure taurine content of 34.4 g/L in the fermentation supernatant. Additive molar content of hypotaurine and/or taurine means that the fermenter broth with preferred additive molar content can contain hypotaurine and taurine in any ratio.
Schritt i dient der Abtrennung von Biomasse und weiterer makromolekularer Bestandteile aus der Fermenterbrühe (z.B. Polysaccharide, Proteine, Nucleinsäuren) , die als Nebenprodukte der Fermentation oder durch teilweises Aufbrechen von Zellen in der Endphase der Fermentation entstehen können. Die Abtrennung von Biomasse wird daher oft durch die geringe Partikelgröße mikrobieller Zellen sowie durch eine hohe Viskosität der Fermenterbrühe infolge makromolekularer Nebenprodukte der Fermentation erschwert . Eine Maßnahme zur Verbesserung der Abtrennbarkeit von Makromolekülen ist deren Denaturierung durch Erniedrigung des pH-Werts der Fermenterbrühe und/oder Inkubation der Fermenterbrühe bei erhöhter Temperatur . Step i serves to separate biomass and other macromolecular components from the fermenter broth (e.g. polysaccharides, proteins, nucleic acids) that can arise as by-products of fermentation or through partial rupture of cells in the final phase of fermentation. The separation of biomass is therefore often hampered by the small particle size of microbial cells and by a high viscosity of the fermenter broth due to macromolecular by-products of fermentation. One measure to improve the separability of macromolecules is their denaturation by lowering the pH of the fermentation broth and/or incubating the fermentation broth at an elevated temperature.
Bevorzugt ist das Verfahren zur I solierung von Taurin dadurch gekennzeichnet , dass vor Abtrennen der Biomasse ( Schritt i ) der pH-Wert der Fermenterbrühe durch Zugabe einer Säure auf einen pH von höchstens 6 , 0 , besonders bevorzugt auf einen pH von höchstens 5 , 0 und insbesondere bevorzugt auf einen pH von höchstens 4 , 0 eingestellt wird . Dieser Schritt umfasst eine Absenkung des pH-Werts , welcher im weiteren Verlauf des erfindungsgemäßen Verfahrens nicht mehr verändert wird . Gegebenenfalls kann bei dem eingestellten pH-Wert eine Inkubation, d . h . das Einwirken lassen, für bevorzugt mindestens 5 min, besonders bevorzugt mindestens 10 min, insbesondere bevorzugt mindestens 20 min und im speziellen bevorzugt mindestens 30 min erfolgen . Als Säuren zur Einstellung des pH-Werts eignen sich alle bekannten Säuren, bevorzugt Mineralsäuren, darunter besonders bevorzugt Schwefelsäure , Sal zsäure und Phosphorsäure und insbesondere bevorzugt Schwefelsäure . Besonders bevorzugt ist das Verfahren zur I solierung von Taurin dadurch gekennzeichnet , dass die Einstellung des pH-Werts der Fermenterbrühe und gegebenenfalls Inkubation in einem kontinuierlichen Verfahren erfolgt . The process for isolating taurine is preferably characterized in that, before separating the biomass (step i), the pH of the fermenter broth is adjusted to a pH of at most 6.0, particularly preferably to a pH of at most 5.0 and especially preferably to a pH of at most 4.0 by adding an acid. This step comprises lowering the pH, which is no longer changed in the further course of the process according to the invention. If necessary, incubation, i.e. allowing to act, can take place at the adjusted pH for preferably at least 5 minutes, particularly preferably at least 10 minutes, especially preferably at least 20 minutes and especially preferably at least 30 minutes. All known acids are suitable as acids for adjusting the pH, preferably mineral acids, including particularly preferably sulfuric acid, hydrochloric acid and phosphoric acid and especially preferably sulfuric acid. Particularly preferably, the process for isolating taurine is characterized in that the adjustment of the pH of the fermenter broth and optionally incubation are carried out in a continuous process.
In einer weiterhin bevorzugten Aus führungs form ist das Verfahren zur I solierung von Taurin dadurch gekennzeichnet , dass die Temperatur der Fermenterbrühe auf mindestens 50 ° C, besonders bevorzugt auf mindestens 60 ° C und insbesondere bevorzugt auf mindestens 70 ° C erhöht und die Fermenterbrühe für mindestens 5 min, bevorzugt mindestens 10 min, besonders bevorzugt mindestens 20 min und insbesondere bevorzugt mindestens 30 min bei dieser Temperatur inkubiert wird, d . h . die gewählte Temperatur unter diesen Bedingungen auf die Fermenterbrühe einwirkt. Es ist bevorzugt, dass das Verfahren zur Isolierung von Taurin dadurch gekennzeichnet ist, dass die Temperaturerhöhung der Fermenterbrühe und Inkubation in einem kontinuierlichen Verfahren erfolgt. In a further preferred embodiment, the method for isolating taurine is characterized in that the temperature of the fermenter broth is increased to at least 50 ° C, particularly preferably to at least 60 ° C and especially preferably to at least 70 ° C and the fermenter broth is incubated at this temperature for at least 5 min, preferably at least 10 min, particularly preferably at least 20 min and especially preferably at least 30 min, i.e. the selected temperature under these conditions is Fermenter broth. It is preferred that the process for isolating taurine is characterized in that the temperature increase of the fermenter broth and incubation takes place in a continuous process.
In einer bevorzugten Aus führungs form ist das Verfahren zur Isolierung von Taurin dadurch gekennzeichnet, dass vor Abtrennen der Biomasse (Schritt i) mindestens eine Maßnahme ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus (1) Einstellung des pH-Werts der Fermenterbrühe durch Zugabe einer Säure auf einen pH von höchstens 6,0 und (2) Temperaturerhöhung der Fermenterbrühe auf mindestens 50°C und Inkubation unter diesen Bedingungen für mindestens 5 min durchgeführt wird. In a preferred embodiment, the process for isolating taurine is characterized in that before separating the biomass (step i), at least one measure selected from the group consisting of (1) adjusting the pH of the fermenter broth by adding an acid to a pH of at most 6.0 and (2) increasing the temperature of the fermenter broth to at least 50°C and incubating under these conditions for at least 5 min is carried out.
Besonders bevorzugt ist die gleichzeitige Absenkung des pH- Werts und Erhöhung der Temperatur der Fermenterbrühe, darunter insbesondere bevorzugt eine Kombination von pH <5, 0 und eine Temperatur von >50°C und darüber hinaus im speziellen bevorzugt eine Kombination von pH <4,0 und eine Temperatur von >70°C. Sowohl die Absenkung des pH-Werts als auch die Temperaturerhöhung der Fermenterbrühe verbunden mit einer Denaturierung von Makromolekülen stellen Maßnahmen zur Verbesserung der Abtrennbarkeit von Makromolekülen aus der Fermenterbrühe dar. Die Dauer der Inkubation (Einwirkzeit) der Fermenterbrühe bei abgesenktem pH und erhöhter Temperatur beträgt bevorzugt mindestens 5 min, besonders bevorzugt mindestens 20 min und insbesondere bevorzugt mindestens 30 min . Particularly preferred is the simultaneous reduction of the pH and increase of the temperature of the fermenter broth, including particularly preferred a combination of pH <5.0 and a temperature of >50°C and furthermore especially preferred a combination of pH <4.0 and a temperature of >70°C. Both the reduction of the pH and the increase of the temperature of the fermenter broth combined with a denaturation of macromolecules represent measures for improving the separability of macromolecules from the fermenter broth. The duration of the incubation (exposure time) of the fermenter broth at reduced pH and increased temperature is preferably at least 5 min, particularly preferably at least 20 min and especially preferably at least 30 min.
Besonders bevorzugt ist das Verfahren zur Isolierung von Taurin dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der gewählten Maßnahmen in kontinuierlicher Form durchgeführt wird. Der Begriff Maßnahme bezieht sich dabei auf (1) die Einstellung des pH-Werts der Fermenterbrühe durch Zugabe einer Säure auf einen pH von höchstens 6,0 und/oder (2) Temperaturerhöhung der Fermenterbrühe auf mindestens 50 ° C und Inkubation für mindestens 5 min . The process for isolating taurine is particularly preferably characterized in that at least one of the selected measures is carried out in continuous form. The term measure refers to (1) adjusting the pH of the fermenter broth by adding an acid to a pH of at most 6.0 and/or (2) Increase the temperature of the fermenter broth to at least 50 ° C and incubate for at least 5 min .
Dabei ist es besonders bevorzugt , dass sowohl eine Einstellung des pH-Werts der Fermenterbrühe als auch eine Temperaturerhöhung der Fermenterbrühe erfolgt , gefolgt von einer Inkubation für mindestens 5 min und beide Verfahren zusammen in kontinuierlicher Form durchgeführt werden . It is particularly preferred that both an adjustment of the pH value of the fermenter broth and an increase in the temperature of the fermenter broth are carried out, followed by an incubation for at least 5 minutes and that both processes are carried out together in a continuous manner.
Die Inkubations zeit beträgt besonders bevorzugt mindestens 10 min, insbesondere bevorzugt mindestens 20 min und darüber hinaus im speziellen bevorzugt mindestens 30 min . The incubation time is particularly preferably at least 10 minutes, especially preferably at least 20 minutes and moreover especially preferably at least 30 minutes.
Ein kontinuierliches Verfahren wird bevorzugt wie folgt durchgeführt : A continuous process is preferably carried out as follows:
- Die Fermenterbrühe wird in einen auf die gewünschte Temperatur vorgehei zten Reaktor gepumpt . - The fermentation broth is pumped into a reactor preheated to the desired temperature.
- Der Reaktor ist bevorzugt mit einer Dosierstrecke für die Säure und einer aktiven pH-Kontrolle ausgerüstet . Der gewünschte pH-Wert der Fermenterbrühe wird bevorzugt durch Zudosieren der Säure eingestellt . Die aktive pH-Kontrolle kann durch eine Mess- und Regeleinheit , die bei Abweichung des pH-Wertes vom Sollwert infolge der Zudosierung der Fermenterbrühe durch Zudosierung der Säure den gewünschten pH-Wert nachj ustiert ( sog . pH-Stat Methode ) , erfolgen . - The reactor is preferably equipped with a dosing section for the acid and an active pH control. The desired pH value of the fermenter broth is preferably set by dosing in the acid. The active pH control can be carried out by a measuring and control unit which, if the pH value deviates from the target value as a result of the dosing in of the fermenter broth, readjusts the desired pH value by dosing in the acid (so-called pH-stat method).
- Nach der für die Inkubation bei erhöhter Temperatur ( Temperaturbehandlung) und/oder abgesenktem pH-Wert vorbestimmten Verweil zeit wird die Fermenterbrühe aus dem Reaktor in eine Vorlage für die weiteren Aufarbeitungsschritte gepumpt . Dabei kann die Vorlage temperiert oder nicht temperiert sein . - After the predetermined residence time for incubation at elevated temperature (temperature treatment) and/or reduced pH, the fermentation broth is pumped from the reactor into a receiver for the further processing steps. The receiver can be tempered or not tempered.
- Durch die Geschwindigkeit , mit der die Fermenterbrühe in den Reaktor gepumpt wird, wird die Verweil zeit im Reaktor und somit die Dauer der Inkubation bestimmt . - The speed at which the fermentation broth is pumped into the reactor determines the residence time in the reactor and thus the duration of incubation.
Der Vorteil eines kontinuierlichen Verfahrens ist die höhere Wirtschaftlichkeit , da nicht die gesamte Fermenterbrühe gleichzeitig auf die gewünschte Temperatur und/oder den gewünschten pH-Wert gebracht werden muss , was gerade im großtechnischen Bereich einen hohen Energie- und Zeitaufwand bedeuten würde . The advantage of a continuous process is the higher economic efficiency, since not the entire fermentation broth has to be heated to the desired temperature and/or The pH value must be brought to the desired level, which would require a high amount of time and energy, especially on a large scale.
In einer bevorzugten Aus führungs form ist das Verfahren zur I solierung von Taurin dadurch gekennzeichnet , dass vor Zugabe des Lösungsmittels 1 ( Schritt ii ) die Zugabe eines Oxidationsmittels und Inkubation mit diesem erfolgt . Die Zugabe eines Oxidationsmittels und Inkubation mit diesem wird auch als oxidative Behandlung bezeichnet und bewirkt die Oxidation von Hypotaurin zu Taurin . Die oxidative Behandlung bedeutet , dass bevorzugt bei Raumtemperatur oder gegebenenfalls unter Kühlung ein Oxidationsmittel zugegeben und anschließend für bevorzugt mindestens 5 min, besonders bevorzugt mindestens 0 , 5 h, insbesondere bevorzugt mindestens 2 h und im speziellen bevorzugt mindestens 4 h inkubiert wird . Die oxidative Behandlung kann direkt in der Fermenterbrühe ( siehe z . B . Beispiel 6 , Ansatz 1B ) oder nach Abtrennung der Biomasse im Fermentationsüberstand ( siehe z . B . Beispiel 6 , Ansatz 1A) durchgeführt werden . Die oxidative Behandlung kann somit vor oder nach Schritt i (Abtrennung der Biomasse ) durchgeführt werden . Wird der Fermentationsüberstand oxidativ behandelt , trübt sich der vorher nach Abtrennung der Biomasse noch klare Fermentationsüberstand ein, was die Abtrennung weiterer Verunreinigungen als Präzipitat , vorzugsweise durch Filtration oder durch Sedimentation ( Zentri fugation) ermöglicht . Wird die oxidative Behandlung direkt in der Fermenterbrühe durchgeführt , kann das entstehende Präzipitat in einem Schritt mit der Biomasse abgetrennt werden, was einen Abtrennungsschritt erspart und die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens verbessert . In a preferred embodiment, the process for isolating taurine is characterized in that an oxidizing agent is added and incubated with it before adding the solvent 1 (step ii). The addition of an oxidizing agent and incubation with it is also referred to as oxidative treatment and causes the oxidation of hypotaurine to taurine. The oxidative treatment means that an oxidizing agent is added, preferably at room temperature or optionally with cooling, and then incubated for preferably at least 5 minutes, particularly preferably at least 0.5 hours, especially preferably at least 2 hours and especially preferably at least 4 hours. The oxidative treatment can be carried out directly in the fermenter broth (see, for example, Example 6, batch 1B) or after separation of the biomass in the fermentation supernatant (see, for example, Example 6, batch 1A). The oxidative treatment can thus be carried out before or after step i (separation of the biomass). If the fermentation supernatant is treated oxidatively, the fermentation supernatant, which was previously clear after the biomass has been separated, becomes cloudy, which enables further impurities to be separated as a precipitate, preferably by filtration or by sedimentation (centrifugation). If the oxidative treatment is carried out directly in the fermenter broth, the resulting precipitate can be separated in one step with the biomass, which saves a separation step and improves the economic efficiency of the process.
Bevorzugt ist die direkte oxidative Behandlung der Fermenterbrühe zur Oxidation von Hypotaurin zu Taurin, gefolgt von der Abtrennung der Biomasse zusammen mit dem durch die oxidative Behandlung gebildeten Präzipitat , wie in Beispiel 6 , Ansatz 1B beschrieben . Das verwendete Oxidationsmittel kann zum Beispiel Luft, Sauerstoff, Ozon, Wasserstoffperoxid, organische Peroxide oder eine Mischung daraus sein. Bevorzugt sind Oxidationsmittel, die keine oder unproblematische Nebenprodukte bedingen. Bevorzugt als Oxidationsmittel sind daher Luft, Sauerstoff (02) , Ozon (03) und Wasserstoffperoxid (H2O2) , besonders bevorzugt sind Ozon und Wasserstoffperoxid. Preferred is the direct oxidative treatment of the fermenter broth to oxidize hypotaurine to taurine, followed by separation of the biomass together with the precipitate formed by the oxidative treatment, as described in Example 6, Approach 1B. The oxidizing agent used can be, for example, air, oxygen, ozone, hydrogen peroxide, organic peroxides or a mixture thereof. Preference is given to oxidizing agents which produce no or unproblematic by-products. Preferred oxidizing agents are therefore air, oxygen (0 2 ), ozone (0 3 ) and hydrogen peroxide (H 2 O 2 ), with ozone and hydrogen peroxide being particularly preferred.
Insbesondere bevorzugt ist das Verfahren zur Isolierung von Taurin aus einem Fermentationsansatz nach mikrobieller Fermentation dadurch gekennzeichnet, dass es sich beim Oxidationsmittel um H2O2 handelt. Es ist bevorzugt, dass das Oxidationsmittel nicht NaOH ist. Von seinen chemischen Eigenschaften her ist NaOH eine Base (Lauge) und nicht als Oxidationsmittel bekannt. The method for isolating taurine from a fermentation batch after microbial fermentation is particularly preferably characterized in that the oxidizing agent is H 2 O 2 . It is preferred that the oxidizing agent is not NaOH. In terms of its chemical properties, NaOH is a base (lye) and is not known as an oxidizing agent.
Wasserstoffperoxid H2O2 wird vorzugsweise in kommerziell verfügbarer Form, als 30% (w/w) oder 50% (w/w) wässrige Lösung unter Rühren zugegeben. Die Reaktion von H2O2 verläuft exotherm, sodass eine Temperaturkontrolle erforderlich ist. Die Temperaturkontrolle kann durch externe Kühlung oder entsprechende Dosierprofile der H2O2-Zugabe erfolgen. Dabei wird eine Temperatur von bevorzugt 70°C, besonders bevorzugt 50°C und insbesondere bevorzugt 40°C nicht überschritten. Die H2O2-Einsat zmenge orientiert sich am Hypotaurin-Gehalt des Fermentationsüberstandes. Nach Gleichung (7) wird zur Oxidation je Molekül Hypotaurin ein Molekül H2O2 verbraucht. Hydrogen peroxide H 2 O 2 is preferably added in commercially available form, as a 30% (w/w) or 50% (w/w) aqueous solution with stirring. The reaction of H 2 O 2 is exothermic, so temperature control is necessary. Temperature control can be achieved by external cooling or appropriate dosing profiles for the H 2 O 2 addition. A temperature of preferably 70°C, particularly preferably 50°C and especially preferably 40°C is not exceeded. The amount of H 2 O 2 used is based on the hypotaurine content of the fermentation supernatant. According to equation (7), one molecule of H 2 O 2 is consumed for each molecule of hypotaurine for the oxidation.
(7) Hypotaurin + H2O2-> Taurin + H2O (7) Hypotaurine + H 2 O 2 -> Taurine + H 2 O
Das molare Verhältnis von eingesetztem H2O2 bezogen auf den Gehalt an Hypotaurin beträgt bevorzugt mindestens 1:1, besonders bevorzugt mindestens 1,2:1 und insbesondere bevorzugt mindestens 1,5:1. Die molare Ausbeute Taurin, bezogen auf die eingesetzte molare Menge Hypotaurin, beträgt bei der Oxidation durch H2O2 bevorzugt mindestens 70% , besonders bevorzugt mindestens 80% und insbesondere bevorzugt mindestens 90% . The molar ratio of H 2 O 2 used relative to the hypotaurine content is preferably at least 1:1, particularly preferably at least 1.2:1 and especially preferably at least 1.5:1. The molar yield of taurine, based on the molar amount of hypotaurine used, is preferably at least 70%, particularly preferably at least 80% and especially preferably at least 90% when oxidized by H2O2.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist somit gekennzeichnet dadurch, dass die Inkubation mit einem Oxidationsmittel vor oder nach dem Abtrennen der Biomasse aus der Fermenterbrühe ( Schritt i ) durchgeführt werden kann . The process according to the invention is thus characterized in that the incubation with an oxidizing agent can be carried out before or after the separation of the biomass from the fermenter broth (step i).
Enthält der Fermentationsansatz nur Taurin, wie z . B . in den Beispielen für den Stamm E. coli W3110 x pCys-CSma-CSADcc of fenbart , dann entfällt die Inkubation mit einem Oxidationsmittel . If the fermentation mixture contains only taurine, as disclosed in the examples for the strain E. coli W3110 x pCys-CSma-CSADcc, then incubation with an oxidizing agent is not necessary.
In einer weiteren bevorzugten Aus führung ist das Verfahren zur I solierung von Taurin aus einer Fermenterbrühe nach mikrobieller Fermentation dadurch gekennzeichnet , dass die Inkubation mit dem Oxidationsmittel in einem kontinuierlichen Verfahren erfolgt . Ein kontinuierliches Verfahren sieht bevorzugt so aus , dass die Fermenterbrühe vor Abtrennung der Biomasse oder der Fermentationsüberstand nach Abtrennung der Biomasse in einen Reaktor zur oxidativen Behandlung gepumpt wird . Der Reaktor kann über eine aktive Kühlung verfügen, was die Temperaturkontrolle der Reaktion erleichtert . Der Reaktor ist weiterhin mit einer Dosierstrecke für das Oxidationsmittel und einer aktiven Temperaturkontrolle ausgerüstet . Die aktive Temperaturkontrolle erfolgt durch eine Mess- und Regeleinheit , welche die Zudosierung des Oxidationsmittels und der Fermenterbrühe , bzw . des Fermentationsüberstands so reguliert , dass die Temperatur infolge der exothermen Oxidation von Hypotaurin zu Taurin den Sollwert von bevorzugt höchstens 70 ° C, besonders bevorzugt höchstens 50 ° C und insbesondere bevorzugt höchstens 40 ° C nicht überschreitet . Die Geschwindigkeit , mit der Fermenterbrühe , bzw . Fermentationsüberstand und Oxidationsmittel in den Reaktor zudosiert werden, bestimmen die Verweil zeit und somit die Dauer der oxidativen Behandlung . Die Verweil zeit/Dauer der oxidativen Behandlung wird so gewählt , dass Hypotaurin bei vorgegebenem Sollwert der Temperatur quantitativ zu Taurin oxidiert wird . Sie ist abhängig vom Hypotaurin-Gehalt und wird vorher empirisch bestimmt . Die Verweil zeit im Reaktor beträgt bevorzugt mindestens 5 min, besonders bevorzugt mindestens 20 min und insbesondere bevorzugt mindestens 40 min . In a further preferred embodiment, the method for isolating taurine from a fermenter broth after microbial fermentation is characterized in that the incubation with the oxidizing agent takes place in a continuous process. A continuous process preferably involves pumping the fermenter broth before separation of the biomass or the fermentation supernatant after separation of the biomass into a reactor for oxidative treatment. The reactor can have active cooling, which makes it easier to control the temperature of the reaction. The reactor is also equipped with a metering section for the oxidizing agent and an active temperature control. The active temperature control is carried out by a measuring and control unit which regulates the metering of the oxidizing agent and the fermenter broth or the fermentation supernatant in such a way that the temperature as a result of the exothermic oxidation of hypotaurine to taurine does not exceed the target value of preferably at most 70 °C, particularly preferably at most 50 °C and especially preferably at most 40 °C. The speed at which fermenter broth, or fermentation supernatant and oxidizing agent are added to the reactor determines the residence time and thus the Duration of the oxidative treatment. The residence time/duration of the oxidative treatment is selected so that hypotaurine is quantitatively oxidized to taurine at a given target temperature. It depends on the hypotaurine content and is determined empirically beforehand. The residence time in the reactor is preferably at least 5 minutes, particularly preferably at least 20 minutes and especially preferably at least 40 minutes.
Der Vorteil des kontinuierlichen Verfahrens ist die höhere Wirtschaftlichkeit , da nicht die gesamte Fermenterbrühe gleichzeitig der oxidativen Behandlung unterzogen werden muss , was aufgrund der korrosiven Natur des Oxidationsmittels eines geringeren Materialaufwands für einen korrosionsbeständigen Reaktor bedarf . Außerdem sprechen Gesichtspunkte der Reaktionssicherheit für einen kontinuierlichen Betrieb, da die exotherme Reaktion der Oxidation von Hypotaurin zu Taurin in einem ( gekühlten) Reaktor kleineren Volumens leichter zu kontrollieren ist als im großen Volumen des Fermentationsansatzes . The advantage of the continuous process is the higher economic efficiency, since the entire fermentation broth does not have to be subjected to the oxidative treatment at the same time, which requires less material for a corrosion-resistant reactor due to the corrosive nature of the oxidizing agent. In addition, aspects of reaction safety speak in favor of continuous operation, since the exothermic reaction of the oxidation of hypotaurine to taurine is easier to control in a (cooled) reactor of smaller volume than in the large volume of the fermentation batch.
Nach der Inkubation mit dem Oxidationsmittel wird die Fermenterbrühe bzw . der Fermentationsüberstand in eine Vorlage für die weiteren Aufarbeitungsschritte gepumpt . After incubation with the oxidizing agent, the fermentation broth or fermentation supernatant is pumped into a receiver for further processing steps.
In einer bevorzugten Aus führungs form ist das Verfahren zur I solierung von Taurin dadurch gekennzeichnet , dass das Volumen des Fermentationsüberstands vor der Zugabe des Lösungsmittels 1 ( Schritt ii ) reduziert wird . Sollte eine Inkubation mit einem Oxidationsmittel und die Volumenreduktion vor Schritt ii erfolgen, so ist die Reihenfolge der Verfahrensschritte bevorzugt so , dass ausgehend von der Fermenterbrühe zuerst die Inkubation mit einem Oxidationsmittel , dann die Abtrennung der Biomasse ( Schritt i ) , dann die Volumenreduzierung und dann Schritt ii erfolgt . Für den Fall , dass zuerst die Biomasse abgetrennt wird ( Schritt i ) , folgt danach die Inkubation mit einem Oxidationsmittel , dann die eventuelle nachfolgende Abtrennung des bei der Oxidation entstandenen Präzipitats , dann die Volumenreduzierung und dann Schritt ii . Zur Volumenreduktion bzw . Konzentrierung des Fermentationsüberstands wird bevorzugt das wässrige Medium teilweise oder vollständig, besonders bevorzugt teilweise entfernt . Es stehen verschiedene Methoden zur Volumenreduzierung zur Verfügung, darunter Eindampfen mit und ohne Anlegen eines Vakuums ( Destillation von H20) , Abdampfen von H20 über einen Dünnschichtverdampfer, Reverse Osmose , Elektrodialyse und Nanofiltration . Denkbar ist auch die Abtrennung von H20 durch Gefriertrocknung . Bevorzugt sind das Eindampfen des Taurin-haltigen Fermentationsüberstandes mit und ohne Anlegen eines Vakuums , Abdampfen von H20 über einen Dünnschichtverdampfer und Reverse Osmose . Besonders bevorzugt ist das Eindampfen des Taurin-haltigen Fermentationsüberstandes mit und ohne Anlegen eines Vakuums und Reverse Osmose . Insbesondere bevorzugt ist das Eindampfen des Taurin-haltigen Fermentationsüberstandes mit Anlegen eines Vakuums , wie in Beispiel 7 der vorliegenden Erfindung of fenbart . In a preferred embodiment, the process for isolating taurine is characterized in that the volume of the fermentation supernatant is reduced before the addition of the solvent 1 (step ii). If incubation with an oxidizing agent and the volume reduction take place before step ii, the order of the process steps is preferably such that, starting from the fermenter broth, first the incubation with an oxidizing agent takes place, then the separation of the biomass (step i), then the volume reduction and then step ii. In the event that the biomass is separated first (step i), this is followed by incubation with an oxidizing agent, then the possible subsequent separation of the precipitate formed during the oxidation, then the volume reduction and then step ii. To reduce the volume or concentrate the fermentation supernatant, the aqueous medium is preferably partially or completely removed, particularly preferably partially. Various methods for reducing the volume are available, including evaporation with and without applying a vacuum (distillation of H 2 O), evaporation of H 2 O via a thin-film evaporator, reverse osmosis, electrodialysis and nanofiltration. Separation of H 2 O by freeze-drying is also conceivable. Preference is given to evaporating the taurine-containing fermentation supernatant with and without applying a vacuum, evaporation of H 2 O via a thin-film evaporator and reverse osmosis. Particularly preferred is evaporating the taurine-containing fermentation supernatant with and without applying a vacuum and reverse osmosis. Particularly preferred is the evaporation of the taurine-containing fermentation supernatant by applying a vacuum, as disclosed in Example 7 of the present invention.
Das Abdampfen von H20 kann dabei z . B . erfolgen, indem der Fermentationsüberstand bevorzugt auf mindestens 60 ° C, besonders bevorzugt auf mindestens 70 ° C und insbesondere bevorzugt auf mindestens 80 ° C erwärmt wird . Dabei wird ein Vakuum bevorzugt kleiner 300 mbar, besonders bevorzugt kleiner 200 mbar und insbesondere bevorzugt kleiner 150 mbar angelegt . The evaporation of H 2 0 can be carried out, for example, by heating the fermentation supernatant preferably to at least 60 ° C, particularly preferably to at least 70 ° C and especially preferably to at least 80 ° C. A vacuum of preferably less than 300 mbar, particularly preferably less than 200 mbar and especially preferably less than 150 mbar is applied.
Der Grad der Volumenreduktion ist abhängig von der weiteren Verwendung des Taurin-haltigen Fermentationsüberstandes . Das Abdampfen von H2O kann bis zur vollständigen Trockne erfolgen oder auf ein vorher festgelegtes Volumen . Bevorzugt ist die Reduktion des Volumens auf 50% oder weniger des Anfangsvolumens der zur Taurinisolierung eingesetzten Fermenterbrühe , besonders bevorzugt auf 30% oder weniger und insbesondere bevorzugt auf 20% oder weniger des Anfangsvolumens der zur Taurinisolierung eingesetztenThe degree of volume reduction depends on the further use of the taurine-containing fermentation supernatant. The evaporation of H 2 O can be carried out until it is completely dry or to a predetermined volume. The reduction of the volume to 50% or less of the initial volume of the fermenter broth used for taurine isolation is preferred, particularly preferably to 30% or less and especially preferably to 20% or less of the Initial volume of the taurine isolation
Fermenterbrühe . Fermenter broth .
Wie in Beispiel 8 der vorliegenden Erfindung of fenbart , wurde ein Taurin-haltiger, eingedampfter Ansatz aus Beispiel 7 mit so viel Ethanol versetzt , dass die Ethanol-Endkonzentration im resultierenden Gemisch 80% (v/v) betrug . Unter diesen Bedingungen präzipitierte Taurin aus dem Gemisch, was durch weiteres Abkühlen des Gemisches , auf eine Temperatur von 0 ° C oder weniger noch verstärkt werden konnte . Aus diesem Gemisch wurde Taurin durch Filtration isoliert . Die präzipitierte Taurin-Fraktion wurde durch Resuspension mit 80% (v/v) Ethanol , gefolgt von einer Filtration, weiter von Verunreinigungen befreit , wobei das Taurin nicht in Lösung ging . As disclosed in Example 8 of the present invention, a taurine-containing evaporated batch from Example 7 was added with sufficient ethanol such that the final ethanol concentration in the resulting mixture was 80% (v/v). Under these conditions, taurine precipitated from the mixture, which could be further enhanced by further cooling the mixture to a temperature of 0 °C or less. Taurine was isolated from this mixture by filtration. The precipitated taurine fraction was further freed from impurities by resuspension with 80% (v/v) ethanol followed by filtration, during which the taurine did not go into solution.
Wie oben bereits ausgeführt , wird die Abfolge von Resuspension der präzipitierten Taurin-Fraktion und Filtration als Extraktion bezeichnet und kann beliebig wiederholt werden . Das verwendete Volumen 80% (v/v) Ethanol kann beliebig gewählt werden und beträgt bevorzugt mindestens das gleiche Volumen, besonders bevorzugt mindestens das fünf fache Volumen und insbesondere bevorzugt mindestens das 10- fache Volumen des Anfangsvolumens der zur Taurinisolierung eingesetzten Fermenterbrühe . Dabei ist das Ethanol/Wasser-Gemisch nicht auf einen Ethanol-Gehalt von 80% (v/v) festgelegt . In einer weiteren bevorzugten Aus führung kann Ethanol in einer Mischung mit Wasser von 100% (v/v) bis zu 30% (v/v) Ethanol , besonders bevorzugt 100% (v/v) bis zu 50% (v/v) Ethanol und insbesondere bevorzugt von 100% (v/v) bis zu 80% (v/v) Ethanol zur wiederholten Extraktion eingesetzt werden . As already explained above, the sequence of resuspension of the precipitated taurine fraction and filtration is referred to as extraction and can be repeated as desired. The volume of 80% (v/v) ethanol used can be chosen as desired and is preferably at least the same volume, particularly preferably at least five times the volume and especially preferably at least 10 times the volume of the initial volume of the fermenter broth used for taurine isolation. The ethanol/water mixture is not fixed to an ethanol content of 80% (v/v). In a further preferred embodiment, ethanol in a mixture with water of 100% (v/v) up to 30% (v/v) ethanol, particularly preferably 100% (v/v) up to 50% (v/v) ethanol and especially preferably 100% (v/v) up to 80% (v/v) ethanol can be used for repeated extraction.
In einer weiteren bevorzugten Aus führung der Erfindung wird aus dem Filtrat der Extraktion das Extraktionsmittel , bevorzugt Ethanol , zurückgewonnen ( z . B . durch Destillation) , um die Wirtschaftlichkeit und durch Minimierung des Chemikalienverbrauch die Nachhaltigkeit des Verfahrens zu erhöhen . Neben Ethanol eignen sich auch alle anderen genannten mit Wasser mischbaren organischen Lösungsmittel in der für Ethanol beschriebenen Weise zur Extraktion . In a further preferred embodiment of the invention, the extraction agent, preferably ethanol, is recovered from the extraction filtrate (e.g. by distillation) in order to increase the economic efficiency and the sustainability of the process by minimizing the use of chemicals. In addition to ethanol, all other mentioned water-miscible organic solvent in the manner described for ethanol for extraction.
Ein bevorzugtes Verfahren zur I solierung von Taurin aus einer Fermenterbrühe nach mikrobieller Fermentation eines Produktionsstamms umfasst die folgenden I solierungsschritte : A preferred method for isolating taurine from a fermenter broth after microbial fermentation of a production strain comprises the following isolation steps:
Einstellung des pH-Werts auf <5 und Erhöhung der Temperatur der Fermenterbrühe auf >50 ° C sowie Inkubation der Fermenterbrühe bei erniedrigtem pH-Wert und erhöhter Temperatur für mindestens 5 min in einem kontinuierlichen Verfahren wie oben beschrieben; oxidative Behandlung der Fermenterbrühe mit H2O2 für mindestens 5 min bei höchstens 70 ° C in einem kontinuierlichen Verfahren wie oben beschrieben, wobei das molare Verhältnis von H2O2 : Hypotaurin mindestens 1 : 1 beträgt ; Adjusting the pH to <5 and increasing the temperature of the fermenter broth to >50 °C and incubating the fermenter broth at reduced pH and elevated temperature for at least 5 min in a continuous process as described above; oxidatively treating the fermenter broth with H2O2 for at least 5 min at a maximum of 70 °C in a continuous process as described above, wherein the molar ratio of H2O2:hypotaurine is at least 1:1;
I solieren des Fermentationsüberstands durch Abtrennen der Biomasse von der Fermenterbrühe durch Filtration (Mikrofiltration kombiniert mit Diaf iltration) in einem kontinuierlichen Verfahren wie oben beschrieben; I sol uting the fermentation supernatant by separating the biomass from the fermenter broth by filtration (microfiltration combined with diafiltration) in a continuous process as described above;
Reduktion des Volumens des Fermentationsüberstands auf 50% oder weniger des Anfangsvolumens der eingesetzten Fermenterbrühe durch Eindampfen bei einer Temperatur von mindestens 60 ° C und einem Vakuum kleiner 300 mbar ; Präzipitation von Taurin aus dem volumenreduzierten Fermentationsüberstand durch Zugabe von Ethanol , so dass sich ein Ethanol/Wasser-Gemisch mit einem Anteil 80% (v/v) Ethanol ergibt und Abkühlen auf 0 ° C oder weniger ; Reduction of the volume of the fermentation supernatant to 50% or less of the initial volume of the fermenter broth used by evaporation at a temperature of at least 60 °C and a vacuum of less than 300 mbar; precipitation of taurine from the volume-reduced fermentation supernatant by addition of ethanol to give an ethanol/water mixture with a proportion of 80% (v/v) ethanol and cooling to 0 °C or less;
I solierung des Taurin-Präzipitats durch Filtration oder Sedimentation; mindestens einmalige Extraktion des Taurin-Präzipitats mit einem Ethanol/Wasser-Gemisch, wobei das Ethanol/Wasser- Gemisch mindestens 60% (v/v) Ethanol enthält und der Extraktionsansatz aus Taurin-Präzipitat und Ethanol/Wasser- Gemisch auf 0 ° C oder weniger abgekühlt wird; I solieren des Taurin-Präzipitats und Lösen in H20 in einer Konzentration von mindestens 200 g/L bei einer Temperatur von mindestens 50 ° C ; I solation of the taurine precipitate by filtration or sedimentation; extraction of the taurine precipitate at least once with an ethanol/water mixture, wherein the ethanol/water mixture contains at least 60% (v/v) ethanol and the extraction mixture of taurine precipitate and ethanol/water mixture is cooled to 0 °C or less; I Isolating the taurine precipitate and dissolving it in H 2 0 in a concentration of at least 200 g/L at a temperature of at least 50 ° C;
Kristallisation von Taurin bei Raumtemperatur oder geringer ; I solierung des kristallisierten Taurins durch Filtration; Trocknung des kristallisierten Taurins bei mindestens 50 ° C und einem Vakuum von <300 mbar . Crystallisation of taurine at room temperature or lower; isolation of the crystallised taurine by filtration; drying of the crystallised taurine at at least 50 °C and a vacuum of <300 mbar.
Bevorzugt ist das Verfahren zur I solierung von Taurin aus einer Fermenterbrühe nach mikrobieller Fermentation eines Produktionsstamms dadurch gekennzeichnet , dass die erzielte molare Ausbeute Taurin mindestens 50% , besonders bevorzugt mindestens 60% und insbesondere bevorzugt mindestens 70% bezogen auf die eingesetzte , im Fermentationsüberstand enthaltene molare Menge Ausgangsprodukt , bestehend aus mindestens einer der Verbindungen ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Hypotaurin und Taurin, beträgt . Die Ausbeute bezeichnet dabei die Menge an isoliertem Taurin mit einer Reinheit >80% nach Kristallisation bezogen auf die eingesetzte Menge Taurin, die nach Schritt i und nach gegebenenfalls durchgeführter vorheriger Oxidation von Hypotaurin, aber vor einer möglichen Volumenreduktion des Fermentationsüberstands im Fermentationsüberstand enthalten war . Preferably, the process for isolating taurine from a fermenter broth after microbial fermentation of a production strain is characterized in that the molar yield of taurine achieved is at least 50%, particularly preferably at least 60% and especially preferably at least 70% based on the molar amount of starting product used and contained in the fermentation supernatant, consisting of at least one of the compounds selected from the group consisting of hypotaurine and taurine. The yield refers to the amount of isolated taurine with a purity >80% after crystallization based on the amount of taurine used, which was contained in the fermentation supernatant after step i and after any prior oxidation of hypotaurine, but before a possible volume reduction of the fermentation supernatant.
Die Wiederf indung, gleichbedeutend mit der Summe aus isoliertem Taurin nach Kristallisation und dem noch in der Mutterlage der Kristallisation enthaltenen Taurin beträgt bevorzugt mindestens 80% , besonders bevorzugt mindestens 90% und insbesondere bevorzugt mindestens 95% bezogen auf die eingesetzte Menge Taurin, die nach Schritt i und gegebenenfalls nach vorheriger Oxidation von Hypotaurin im Fermentationsüberstand enthalten war . Die Figuren zeigen die in den Beispielen verwendeten Plasmide. The recovery, equivalent to the sum of isolated taurine after crystallization and the taurine still contained in the mother layer of the crystallization, is preferably at least 80%, particularly preferably at least 90% and especially preferably at least 95% based on the amount of taurine used which was contained in the fermentation supernatant after step i and optionally after prior oxidation of hypotaurine. The figures show the plasmids used in the examples.
Fig . 1 : pCys . Fig . 1 : pCys .
Fig. 2: pCys-CDOrn-CSADcc . Fig. 2: pCys-CDOrn-CSADcc .
Fig. 3: pCys-CSma-CSADcc . Fig. 3: pCys-CSma-CSADcc .
Fig. 4: pCys-CSma-CSADcc-CDOrn . Fig. 4: pCys-CSma-CSADcc-CDOrn .
In den Figuren verwendete Abkürzungen: Abbreviations used in the figures:
TetR: Gen, das Resistenz gegen Tetracyclin verleiht. TetR: gene that confers resistance to tetracycline.
P15A ORI : Replikationsursprung. serA317: serA ( 3-Phosphoglycerat Dehydrogenase-Gen, codiert für Aminosäure 1 bis 317) cds cysE X: cysE (Serin-O-Acetyltransferase-Gen, Feedbackresistent) cds P15A ORI : Origin of replication. serA317: serA (3-phosphoglycerate dehydrogenase gene, encodes amino acids 1 to 317) cds cysE X: cysE (serine-O-acetyltransferase gene, feedback resistant) cds
ORF306: ydeD (Cystein Efflux-Gen) cds ORF306: ydeD (cysteine efflux gene) cds
Seal: Schnittstelle für das Restriktionsenzym SealSeal: cleavage site for the restriction enzyme Seal
PpuMI : Schnittstelle für das Restriktionsenzym PpuMIPpuMI : cleavage site for the restriction enzyme PpuMI
CDOrn: CDO (Cystein Dioxygenase) R. norvegicus cdsCDOrn: CDO (cysteine dioxygenase) R. norvegicus cds
CSADcc: CSAD (Cysteinsulf insäure Decarboxylase) C. carpio cds CSADcc: CSAD (cysteine sulfinic acid decarboxylase) C. carpio cds
CSma: CS (Cysteatsynthase) M. acetivorans cds CSma: CS (cysteate synthase) M. acetivorans cds
RBS : Ribosomenbindestelle RBS : Ribosome binding site
Die folgenden Beispiele dienen der weiteren Erläuterung der Erfindung .
Figure imgf000053_0001
Herstellung von DNS-Konstrukten
The following examples serve to further illustrate the invention.
Figure imgf000053_0001
Production of DNA constructs
Alle DNS-Konstrukte sind abgeleitet vom Vektor pCys (Fig. 1) , offenbart in WO 2021/259491 (Wacker) . pCys : pCys ist offenbart in WO 2021/259491 (Wacker) und ist ein Derivat des Plasmids pACYC184-cysEX-GAPDH-ORF306. Das Plasmid pACYC184-cysEX-GAPDH-ORF306 enthält neben dem Replikationsursprung und einem Tetracyclin-Resistenzgen (Ausgangsvektor pACYC184) das cysEX-Allel (synonym cysE- Allel) , das für eine Serin-O-Acetyl-Transf erase mit einer verminderten Feedback-Hemmung durch Cystein codiert sowie das Effluxgen ydeD (ORF306) , dessen Expression durch den konstitutiven GAPDH Promotor gesteuert wird. pCys enthält darüber hinaus, kloniert hinter das ydeD (ORF306) Efflux Gen, noch das serA317-Genf ragment , codierend für die N- terminalen 317 Aminosäuren des SerA Proteins (Gesamtlänge 410 Aminosäuren) . Das E. coli serA-Gen ist offenbart in der „GenBank" Gendatenbank mit der Gene ID 945258. serA317 ist offenbart in Bell et al., Eur . J. Biochem. (2002) 269: 4176- 4184, darin bezeichnet als „NSD:317" und codiert für eine gegen Serin Feedback-resistente Variante der 3-Phosphoglycerat Dehydrogenase. Die Expression von serA317 wird gesteuert durch den serA-Promotor . Der serA-Promotor ist in Rex et al. (1991) , J. Bacteriol. 173: 5944-5953, Fig. 2, beschrieben. All DNA constructs are derived from the vector pCys (Fig. 1) , disclosed in WO 2021/259491 (Wacker) . pCys : pCys is disclosed in WO 2021/259491 (Wacker) and is a derivative of the plasmid pACYC184-cysEX-GAPDH-ORF306. The plasmid pACYC184-cysEX-GAPDH-ORF306 contains, in addition to the replication origin and a tetracycline resistance gene (starting vector pACYC184), the cysEX allele (synonym cysE allele) , which encodes a serine-O-acetyl transferase with reduced feedback inhibition by cysteine, as well as the efflux gene ydeD (ORF306) , the expression of which is controlled by the constitutive GAPDH promoter. pCys also contains, cloned behind the ydeD (ORF306) efflux gene, the serA317 gene fragment coding for the N-terminal 317 amino acids of the SerA protein (total length 410 amino acids). The E. coli serA gene is disclosed in the "GenBank" gene database with the gene ID 945258. serA317 is disclosed in Bell et al., Eur. J. Biochem. (2002) 269: 4176- 4184, referred to therein as "NSD:317" and encodes a serine feedback-resistant variant of 3-phosphoglycerate dehydrogenase. The expression of serA317 is controlled by the serA promoter . The serA promoter is described in Rex et al. (1991) , J. Bacteriol. 173: 5944-5953, Fig. 2.
Für Klonierungszwecke wurde Plasmid-DNS des Vektors pCys mit Seal und PpuMI geschnitten und das 6, 1 kb grosse Vektorfragment, im Folgenden als pCys-Scal/PpuMI bezeichnet, nach präparativer Agarose-Gelelektrophorese isoliert (QIAquick® Gel Extraction Kit, Qiagen) . For cloning purposes, plasmid DNA of the vector pCys was cut with Seal and PpuMI and the 6.1 kb vector fragment, hereinafter referred to as pCys-Scal/PpuMI, was isolated after preparative agarose gel electrophoresis (QIAquick® Gel Extraction Kit, Qiagen).
CDOrn-rrnB: Die Aminosäuresequenz der Cystein Dioxygenase aus Rattus norvegicus , abgeleitet aus der mRNS des Gens, ist in der NCBI (National Center for Biotechnology Information) Datenbank unter der Sequence ID: AAH70509.1 offenbart. Aus der Aminosäuresequenz wurde eine für die Expression in E. coli codon-optimierte DNS-Sequenz (öffentlich zugängliche Eurofins Genomics GENEius Software) abgeleitet, bezeichnet als CDOrn- cds . Die DNS-Sequenz der CDOrn-cds ist in SEQ ID NO: 1, nt 1 bis 603, offenbart, codierend für ein Protein mit der Aminosäuresequenz aus SEQ ID NO: 2. Mit dem 3 '-Ende der CDOrn- cds verknüpft wurde die DNS-Sequenz des E. coli rrnB- Terminators (SEQ ID NO: 1, nt 604 bis 936) . Die DNS-Sequenz des rrnB-Terminators ist offenbart in Orosz et al. (1991) , Eur . J. Biochem. 201: 653-659. Die CDO-rrnB DNS, bestehend aus der CDOrn-cds und dem rrnB-Terminator wurde synthetisch hergestellt (Eurofins Genomics) . CDOrn-rrnB: The amino acid sequence of the cysteine dioxygenase from Rattus norvegicus, derived from the mRNA of the gene, is disclosed in the NCBI (National Center for Biotechnology Information) database under the sequence ID: AAH70509.1. From the amino acid sequence, a gene for expression in E. coli was codon-optimized DNA sequence (publicly available Eurofins Genomics GENEius software), designated CDOrn-cds . The DNA sequence of CDOrn-cds is disclosed in SEQ ID NO: 1, nt 1 to 603, encoding a protein having the amino acid sequence of SEQ ID NO: 2. To the 3' end of CDOrn-cds was linked the DNA sequence of the E. coli rrnB terminator (SEQ ID NO: 1, nt 604 to 936). The DNA sequence of the rrnB terminator is disclosed in Orosz et al. (1991), Eur. J. Biochem. 201: 653-659. The CDO-rrnB DNA, consisting of the CDOrn-cds and the rrnB terminator, was produced synthetically (Eurofins Genomics).
CSADcc-rrnB: Das cDNS-Gen (cDNS: komplementäre DNS, durch reverse Transkription aus der mRNS isoliert) der Cysteinsulf insäure Decarboxylase (CSAD) aus Cyprlnus carpio (Karpfen) wurde von Honjoh et al. (2010) , Amino Acids 38: 1173-183 isoliert und die DNS-Sequenz in der NCBI (National Center for Biotechnology Information) Datenbank unter der Genbank Sequence ID: AB220585.1 (cds: nt 82 - 1584) offenbart. Aus der Aminosäuresequenz wurde eine für die Expression in E. coli codon-optimierte DNS-Sequenz (öffentlich zugängliche Eurofins Genomics GENEius Software) abgeleitet, bezeichnet als CSADcc-cds. Die CSADcc-cds DNS-Sequenz ist in SEQ ID NO: 3, nt 1 bis 1503 offenbart, codierend für ein Protein mit der Aminosäuresequenz aus SEQ ID NO: 4. Mit dem 3 '-Ende der CSADcc-cds verknüpft wurde die DNS-Sequenz des E. coli rrnB- Terminators (SEQ ID NO: 3, nt 1504 bis 1834) . Die DNS-Sequenz des rrnB-Terminators ist offenbart in Orosz et al. (1991) , s.o. Die CSADcc-rrnB DNS, bestehend aus der CSADcc-cds und dem rrnB-Terminator wurde synthetisch hergestellt (Eurofins Genomics) . CSADcc-rrnB: The cDNA gene (cDNA: complementary DNA isolated from mRNA by reverse transcription) of cysteine sulfinic acid decarboxylase (CSAD) from Cyprlnus carpio (common carp) was isolated by Honjoh et al. (2010) , Amino Acids 38: 1173-183 and the DNA sequence was disclosed in the NCBI (National Center for Biotechnology Information) database under Genbank Sequence ID: AB220585.1 (cds: nt 82 - 1584). From the amino acid sequence, a DNA sequence codon-optimized for expression in E. coli (publicly available Eurofins Genomics GENEius software) was derived, designated CSADcc-cds. The CSADcc-cds DNA sequence is disclosed in SEQ ID NO: 3, nt 1 to 1503, encoding a protein having the amino acid sequence of SEQ ID NO: 4. The DNA sequence of the E. coli rrnB terminator (SEQ ID NO: 3, nt 1504 to 1834) was linked to the 3' end of the CSADcc-cds. The DNA sequence of the rrnB terminator is disclosed in Orosz et al. (1991), see above. The CSADcc-rrnB DNA, consisting of the CSADcc-cds and the rrnB terminator, was produced synthetically (Eurofins Genomics).
CSma: Verwendet wurde Cysteatsynthase aus Methanosarci na acetivorans (CSma) . Die Aminosäuresequenz des CSma-Enzyms ist zugänglich in der NCBI Datenbank unter der Zugangs-ID WP_048066469 . Aus der Aminosäuresequenz wurde eine für die Expression in E. coli codon-optimierte DNS-Sequenz (öffentlich zugängliche Eurofins Genomics GENEius Software) abgeleitet.CSma: Cysteate synthase from Methanosarci na acetivorans (CSma) was used. The amino acid sequence of the CSma enzyme is available in the NCBI database under the accession ID WP_048066469 . From the amino acid sequence, a Expression in E. coli was derived from codon-optimized DNA sequence (publicly available Eurofins Genomics GENEius software).
Die CSma DNS-Sequenz ist in SEQ ID NO: 5 offenbart, codierend für ein Protein mit der Aminosäuresequenz aus SEQ ID NO: 6.The CSma DNA sequence is disclosed in SEQ ID NO: 5, encoding a protein having the amino acid sequence of SEQ ID NO: 6.
Die CSma DNS wurde synthetisch hergestellt (Eurofins Genomics) . The CSma DNA was produced synthetically (Eurofins Genomics).
Verwendete Primer: cdorn-lf (SEQ ID NO: 7) cdorn-3r (SEQ ID NO: 8) cdorn-9f (SEQ ID NO: 9) glf-2r (SEQ ID NO: 10) csadcc-lf (SEQ ID NO: 11) csadcc-10f (SEQ ID NO: 12) csadcc-3r (SEQ ID NO: 13) csma-lf (SEQ ID NO: 14) csma-2r (SEQ ID NO: 15) Primers used: cdorn-lf (SEQ ID NO: 7) cdorn-3r (SEQ ID NO: 8) cdorn-9f (SEQ ID NO: 9) glf-2r (SEQ ID NO: 10) csadcc-lf (SEQ ID NO: 11) csadcc-10f (SEQ ID NO: 12) csadcc-3r (SEQ ID NO: 13) csma-lf (SEQ ID NO: 14) csma-2r (SEQ ID NO: 15)
PCR- Produkte : PCR products:
Tabelle 1 fasst die Bezeichnung der für die Klonierung verwendeten PCR-Produkte, deren Größe sowie die verwendeten synthetischen DNS (sog. Template-DNS) und Primer zusammen. Die PCR-Produkte PCRI bis PCR6 wurden von der jeweiligen TemplateDNS durch PCR („Phusion™ High-Fidelity" DNS Polymerase, Thermo Scientific™) mit den entsprechenden Primern hergestellt und durch Agarose-Gelelektrophorese (QIAquick® Gel Extraction Kit, Qiagen) isoliert. Table 1 summarizes the name of the PCR products used for cloning, their size, and the synthetic DNA (so-called template DNA) and primers used. The PCR products PCRI to PCR6 were produced from the respective template DNA by PCR ("Phusion™ High-Fidelity" DNA Polymerase, Thermo Scientific™) with the appropriate primers and isolated by agarose gel electrophoresis (QIAquick® Gel Extraction Kit, Qiagen).
Tabelle 1: PCR-Produkte zur Herstellung von Genkonstrukten
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Table 1: PCR products for the production of gene constructs
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Herstellung der Vektoren: Production of vectors:
Zur Herstellung der Vektoren wurde der NEBuilder® Klonierkit (NEB New England Biolabs) nach den Angaben des Herstellers eingesetzt. Wie in Tab. 2 zusammengefasst, wurde jeweils das 6, 1 kb pCys-Scal/PpuMI Vektorf ragment mit den entsprechenden PCR-Produkten ligiert, wobei den Angaben des Herstellers gefolgt wurde was die in den Ligationsansat z eingesetzten Mengen der einzelnen DNS-Fragmente betraf. Anschließend wurde der Ligationsansat z nach den Angaben des Herstellers in E. coli NEB® 10-beta (NEB New England Biolabs) transformiert. Klone aus der Transformation wurden auf LBtet-Platten selektiert. LBtet-Platten enthielten 10 g/L Trypton (GIBCO™) , 5 g/L Hefeextrakt (BD Biosciences) , 5 g/L NaCl, 15 g/L Agar und 15 mg/L Tetracyclin (Sigma-Aldrich) . Aus Klonen der Transformationen wurde die Plasmid-DNS isoliert (Qiagen Kit) und jeweils ein korrekter Klon ausgewählt. Hergestellt wurden die in Tab. 2 aufgeführten Vektoren pCDOrn-CSADcc (Fig. 2) , pCSma-CSADcc (Fig. 3) und pCSma-CSADcc-CDOrn (Fig. 4) . The NEBuilder® cloning kit (NEB New England Biolabs) was used to produce the vectors according to the manufacturer's instructions. As summarized in Table 2, the 6.1 kb pCys-Scal/PpuMI vector fragment was ligated with the corresponding PCR products, following the manufacturer's instructions regarding the amounts of the individual DNA fragments used in the ligation mixture. The ligation mixture was then transformed into E. coli NEB® 10-beta (NEB New England Biolabs) according to the manufacturer's instructions. Clones from the transformation were selected on LBtet plates. LBtet plates contained 10 g/L tryptone (GIBCO™), 5 g/L yeast extract (BD Biosciences), 5 g/L NaCl, 15 g/L agar and 15 mg/L tetracycline (Sigma-Aldrich). Plasmid DNA was isolated from clones of the transformations (Qiagen kit) and one correct clone was selected in each case. The vectors pCDOrn-CSADcc (Fig. 2), pCSma-CSADcc (Fig. 3) and pCSma-CSADcc-CDOrn (Fig. 4) listed in Table 2 were produced.
Tabelle 2: Übersicht über die verwendeten DNS-Fragmente zur Herstellung von Genkonstrukten
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Table 2: Overview of the DNA fragments used to produce gene constructs
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Beispiel 2 : Herstellung von Produkt! on s Stämmen Ausgangsstamm (Wirtsstamm) zur Herstellung von Produktionsstämmen war der Mikroorganismenstamm Escheri chia coli K12 W3110 ( käuflich erhältlich unter der Stammnummer DSM 5911 bei der DSMZ Deutsche Sammlung von Mikroorganismen und Zellkulturen GmbH) . E. coli W3110 wurde j eweils in bekannter Weise trans formiert mit den Vektoren pCys-CDOrn-CSADcc, pCys- CSma-CSADcc und pCys-CSma-CSADcc-CDOrn und Trans formanten auf LBtet Platten selektiert . Jeweils eine Trans formante wurde als Produktionsstamm ausgewählt . Die Produktionsstämme erhielten die Bezeichnung E. coli W3110 x pCys-CDOrn-CSADcc ( Produktion von Hypotaurin) , E. coli W3110 x pCys-CSma-CSADcc ( Produktion von Taurin) und E. coli W3110 x pCys-CSma-CSADcc-CDOrn ( Produktion eines Gemisches aus Hypotaurin und Taurin) . Example 2: Production of product strains The starting strain (host strain) for the production of production strains was the microorganism strain Escherichia coli K12 W3110 (available for purchase under the strain number DSM 5911 from the DSMZ Deutsche Sammlung von Mikroorganismen und Zellkulturen GmbH). E. coli W3110 was transformed in a known manner using the vectors pCys-CDOrn-CSADcc, pCys-CSma-CSADcc and pCys-CSma-CSADcc-CDOrn and transformants were selected on LBtet plates. One transformant was selected as the production strain in each case. The production strains were named E. coli W3110 x pCys-CDOrn-CSADcc (production of hypotaurine), E. coli W3110 x pCys-CSma-CSADcc (production of taurine) and E. coli W3110 x pCys-CSma-CSADcc-CDOrn (production of a mixture of hypotaurine and taurine).
Beispiel 3 : Produktion von Hypotaurin und Taurin im Schüttelkolben Example 3 : Production of hypotaurine and taurine in shake flask
Produktionsstämme : Produktionsstämme waren E. coli W3110 x pCys-CDOrn-CSADcc ( Produktion von Hypotaurin) , E. coli W3110 x pCys-CSma-CSADcc ( Produktion von Taurin) und E. coli W3110 x pCys-CSma-CSADcc-CDOrn ( Produktion eines Gemisches aus Hypotaurin und Taurin) . Vorkultur: Von den Produktionsstämmen wurde in LBtet-Medium (10 g/L Trypton, 5 g/L Hefeextrakt, 5 g/L NaCl, 15 mg/L Tetracyclin) eine Vorkultur hergestellt (20 ml LBtet-Medium in 100 ml Erlenmeyerkolben, Anzucht bei 37 °C und 120 rpm über Nacht) . Production strains: Production strains were E. coli W3110 x pCys-CDOrn-CSADcc (production of hypotaurine), E. coli W3110 x pCys-CSma-CSADcc (production of taurine) and E. coli W3110 x pCys-CSma-CSADcc-CDOrn (production of a mixture of hypotaurine and taurine). Pre-culture: A pre-culture was prepared from the production strains in LBtet medium (10 g/L tryptone, 5 g/L yeast extract, 5 g/L NaCl, 15 mg/L tetracycline) (20 ml LBtet medium in 100 ml Erlenmeyer flask, cultured at 37 °C and 120 rpm overnight).
Hauptkultur: Für jeden Produktionsstamm wurden 0,5 ml der Vorkultur in einen 300 ml Erlenmeyerkolben (mit Schikane) mit 30 ml SMl-Medium, darüber hinaus enthaltend 15 g/L Glucose, 2 g/L Na2S203 x 5 H2O, 0,1 g/L L-Isoleucin, 0,1 g/L D, L-Methionin, 0,1 g/L L-Threonin, 5 mg/L Vitamin Bl und 15 mg/L Tetracyclin, überführt . Main culture: For each production strain, 0.5 ml of the preculture was transferred into a 300 ml Erlenmeyer flask (with baffle) with 30 ml SMl medium, further containing 15 g/L glucose, 2 g/L Na2S203 x 5 H2O , 0.1 g/L L-isoleucine, 0.1 g/L L-methionine, 0.1 g/L L-threonine, 5 mg/L vitamin B1 and 15 mg/L tetracycline.
Zusammensetzung des SM1- Mediums: 12 g/L K2HPO4, 3 g/L KH2PO4, 5 g/L NH4-Sulfat, 0,3 g/L MgSO4 x 7 H2O, 0,015 g/L CaCl2 x 2 H2O, 0,002 g/L FeSO4 x 7 H2O, 1 g/L Na3Citrat x 2 H2O, 0,1 g/L NaCl;Composition of SM1 medium: 12 g/L K2HPO4, 3 g/L KH2PO4, 5 g/L NH 4 sulfate, 0.3 g/L MgSO 4 x 7 H 2 O, 0.015 g/L CaCl 2 x 2 H 2 O, 0.002 g/L FeSO 4 x 7 H 2 O, 1 g/L Na 3 citrate x 2 H 2 O, 0.1 g/L NaCl;
1 ml/L Spurenelementlösung . 1 ml/L trace element solution.
Zusammensetzung der Spurenelementlösung : 0,15 g/L Na2MoC>4 x 2 H20, 2,5 g/L H3BO3, 0,7 g/L CoCl2 x 6 H20, 0,25 g/L CuSO4 x 5 H2O, 1, 6 g/L MnCl2 x 4 H20, 0,3 g/L ZnSO4 x 7 H20. Composition of the trace element solution: 0.15 g/L Na2MoC>4 x 2 H 2 0, 2.5 g/L H3BO3, 0.7 g/L CoCl 2 x 6 H 2 0, 0.25 g/L CuSO 4 x 5 H 2 O, 1.6 g/L MnCl 2 x 4 H 2 0, 0.3 g/L ZnSO 4 x 7 H 2 0.
Die Hauptkulturen wurden für 24 h bei 30°C und 140 rpm in einem Truhenschüttler (Infors) inkubiert. Nach 24 h wurden 1 ml Proben entnommen und die Zelldichte OD6oo/ml (optischen Dichte der Hauptkultur, photometrisch gemessen bei 600 nm) , gemessen mit einem Genesys™ 10S UV-Vis Spektralphotometer der Fa . Thermo-Scientif ic™, sowie der Gehalt an Hypotaurin und Taurin durch HPLC bestimmt. Die Ausbeuten an Taurin und Hypotaurin sind in Tab. 3 zusammengefasst. The main cultures were incubated for 24 hours at 30°C and 140 rpm in a chest shaker (Infors). After 24 hours, 1 ml samples were taken and the cell density OD 6 oo/ml (optical density of the main culture, measured photometrically at 600 nm) was measured with a Genesys™ 10S UV-Vis spectrophotometer from Thermo-Scientific™, and the hypotaurine and taurine content was determined by HPLC. The yields of taurine and hypotaurine are summarized in Table 3.
Tab. 3: Hypotaurin- und Taurin-Produktion derTab. 3: Hypotaurine and taurine production of
Produktionsstämme im Schüttelkolben
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Production strains in shake flask
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Probenvorbereitung zur Quantifizierung von Hypotaurin und Taurin durch HPLC : Sample preparation for quantification of hypotaurine and taurine by HPLC:
1 ml Kulturbrühe aus der Schüttelkolbenanzucht, bzw. Fermenterbrühe aus der Fermentation wurden 5 min bei 80°C inkubiert und dann 5 min bei 13000 rpm zentrifugiert (Heraeus™ Fresco™ 21 Zentrifuge) . Zellkulturüberstände aus der Schüttelkolbenanzucht wurden direkt durch HPLC auf den Gehalt an Hypotaurin und Taurin untersucht. Zellkulturüberstände aus der Fermentation wurden 10-fach in H2O verdünnt und durch HPLC auf den Gehalt an Hypotaurin und Taurin untersucht. 1 ml of culture broth from the shake flask culture or fermenter broth from the fermentation was incubated for 5 min at 80°C and then centrifuged for 5 min at 13000 rpm (Heraeus™ Fresco™ 21 centrifuge). Cell culture supernatants from the shake flask culture were directly analyzed by HPLC for the content of hypotaurine and taurine. Cell culture supernatants from the fermentation were diluted 10-fold in H 2 O and analyzed by HPLC for the content of hypotaurine and taurine.
HPLC-Analytik von L-Cysteinsäure, L-Cysteinsulf insäure, Hypotaurin und Taurin: Zur quantitativen Bestimmung der in den Beispielen quantitativ analysierten Verbindungen sowie für L- Cysteinsäure und L-Cysteinsulf insäure wurde eine jeweils für die vier genannten Analyten kalibrierte HPLC-Methode eingesetzt, wobei die zur Kalibrierung verwendeten Referenzsubstanzen kommerziell erhältlich waren (Sigma- Aldrich) . Verwendet wurde ein HPLC-Gerät der Fa . Agilent, Modell 1260 Infinity II, ausgerüstet mit einer aus der Analytik von Aminosäuren bekannten Vorsäulenderivatisierung mit o-Phtaldialdehyd (OPA-Derivatisierung) vom gleichen Hersteller. Zum Nachweis der OPA-derivatisierten Produkte von Hypotaurin und Taurin war das HPLC-Gerät mit einem Fluoreszenzdetektor ausgerüstet. Der Detektor war eingestellt auf eine Excitationswellenlänge von 330 nm und eine Emissionswellenlänge von 450 nm. Des Weiteren verwendet wurde eine Accucore™ aQ Säule der Fa . Thermo Scientific™, Länge 100 mM, innerer Durchmesser 4, 6 mm, Partikelgröße 2, 6 pm, im Säulenofen auf 40°C temperiert. Laufmittel A: 25 mM Na-Phosphat, pH 6,0. Laufmittel B: Methanol. Die Trennung erfolgte im Gradientenmodus: 0 - 25 min, 10% Laufmittel B auf 60% Laufmittel B, gefolgt von 2 min 60% Laufmittel B auf 100% Laufmittel B, gefolgt von weiteren 2 min 100% Laufmittel B, bei einer Flußrate von 0,5 ml/min. HPLC analysis of L-cysteic acid, L-cysteine sulfinic acid, hypotaurine and taurine: For the quantitative determination of the compounds quantitatively analyzed in the examples as well as for L-cysteic acid and L-cysteine sulfinic acid, an HPLC method calibrated for each of the four analytes mentioned was used. The reference substances used for calibration were commercially available (Sigma-Aldrich). An HPLC instrument from Agilent, model 1260 Infinity II, was used, equipped with a pre-column derivatization with o-phthaldialdehyde (OPA derivatization) from the same manufacturer, which is familiar from the analysis of amino acids. To detect the OPA-derivatized products of hypotaurine and taurine, the HPLC instrument was equipped with a fluorescence detector. The detector was set to an excitation wavelength of 330 nm and an emission wavelength of 450 nm. An Accucore™ aQ column from Agilent was also used. Thermo Scientific™, length 100 mM, inner diameter 4.6 mm, particle size 2.6 pm, tempered to 40°C in the column oven. Mobile phase A: 25 mM Na phosphate, pH 6.0. Mobile phase B: methanol. The separation was carried out in gradient mode: 0 - 25 min, 10% mobile phase B to 60% mobile phase B, followed by 2 min 60% mobile phase B to 100% mobile phase B, followed by another 2 min 100% mobile phase B, at a flow rate of 0.5 ml/min.
Retentionszeit von L-Cysteinsäure : 3,2 min. Retentionszeit von L-Cysteinsulf insäure : 4,1 min. Retentionszeit von Taurin: 14,8 min. Retentionszeit von Hypotaurin: 15,7 min. Retention time of L-cysteine acid: 3.2 min. Retention time of L-cysteine sulfinic acid: 4.1 min. Retention time of taurine: 14.8 min. Retention time of hypotaurine: 15.7 min.
Beispiel 4 : Produktion von Hypotaurin und Taurin durch Fermentation Example 4 : Production of hypotaurine and taurine by fermentation
Vorkultur 1 : Pre-culture 1 :
20 ml LBtet-Medium wurden in einem 100 ml Erlenmeyerkolben mit dem jeweiligen Produktionsstamm E. coli W3110 x pCys-CDOrn- CSADcc (Produktion von Hypotaurin) , E. coli W3110 x pCys-CSma- CSADcc (Produktion von Taurin) oder E. coli W3110 x pCys-CSma- CSADcc-CDOrn (Produktion eines Gemisches aus Hypotaurin und Taurin) beimpft und 7 h auf einem Schüttler (150 rpm, 30°C) inkubiert . 20 ml of LBtet medium were inoculated in a 100 ml Erlenmeyer flask with the respective production strain E. coli W3110 x pCys-CDOrn- CSADcc (production of hypotaurine), E. coli W3110 x pCys-CSma- CSADcc (production of taurine) or E. coli W3110 x pCys-CSma- CSADcc-CDOrn (production of a mixture of hypotaurine and taurine) and incubated for 7 h on a shaker (150 rpm, 30°C).
Vorkultur 2 : Pre-culture 2 :
Anschließend wurden die jeweiligen Vorkulturen 1 jeweils vollständig in 100 ml SMl-Medium, supplementiert mit 5 g/L Glucose, 5 mg/L Vitamin Bl und 15 mg/L Tetracyclin (Zusammensetzung SMl-Medium siehe Beispiel 3) , überführt. Subsequently, the respective precultures 1 were each completely transferred into 100 ml of SMl medium supplemented with 5 g/L glucose, 5 mg/L vitamin B1 and 15 mg/L tetracycline (composition of SMl medium see Example 3).
Die Kulturen wurden jeweils in einem Erlenmeyerkolben (1 L Volumen) bei 30°C für 17 h bei 150 rpm geschüttelt (Infors Truhenschüttler) . Nach dieser Inkubation lag die Zelldichte ODgoo/ml zwischen 3 und 5. The cultures were each shaken in an Erlenmeyer flask (1 L volume) at 30°C for 17 h at 150 rpm (Infors chest shaker). After this incubation, the cell density ODgoo/ml was between 3 and 5.
Hauptkultur : Main culture:
Die Fermentationen wurden in Biostat B Fermentern (2 1 Arbeitsvolumen) der Firma Sartorius BBI Systems GmbH durchgeführt . Das Fermentationsmedium (900 ml) enthielt 15 g/L Glucose, 10 g/L Trypton (Difco) , 5 g/L Hefeextrakt (Difco) , 2,4 g/L (NH4)2SO4, 5 g/L KH2PO4, 0,25 g/L NaCl, 0, 6 g/L MgSO4 x 7 H2O, 0,03 g/L CaCl2 x 2 H2O, 0,15 g/L FeSO4 x 7 H2O, 1 g/L Na3Citrat x 2 H2O und 1 ml Spurenelementlösung (siehe Beispiel 3) , 0,9 g/L L-Isoleucin (Sigma-Aldrich) , 0, 6 g/L D, L-Methionin (Sigma- Aldrich) , 0,018 g/L Vitamin Bl (Sigma-Aldrich) , 0,09 g/L Pyridoxin x HCl (Vitamin B6, Sigma-Aldrich) und 15 mg/L Tetracyclin . The fermentations were carried out in Biostat B fermenters (2 1 working volume) from Sartorius BBI Systems GmbH. The fermentation medium (900 ml) contained 15 g/L glucose, 10 g/L tryptone (Difco), 5 g/L yeast extract (Difco), 2.4 g/L (NH 4 ) 2 SO 4 , 5 g/L KH 2 PO 4 , 0.25 g/L NaCl, 0.6 g/L MgSO 4 x 7 H 2 O, 0.03 g/L CaCl 2 x 2 H 2 O, 0.15 g/L FeSO 4 x 7 H 2 O, 1 g/L Na 3 citrate x 2 H 2 O and 1 ml trace element solution (see example 3), 0.9 g/L L-isoleucine (Sigma-Aldrich), 0.6 g/LD, L-methionine (Sigma-Aldrich), 0.018 g/L vitamin Bl (Sigma-Aldrich), 0.09 g/L pyridoxine x HCl (vitamin B6, Sigma-Aldrich) and 15 mg/L tetracycline.
Der pH-Wert im Fermenter wurde zu Beginn durch Zupumpen einer 25% NH4OH-Lösung auf 7,0 eingestellt. Während der Fermentation wurde der pH-Wert durch automatische Korrektur mit 25% NH4OH auf einem Wert von 7,0 gehalten. The pH value in the fermenter was initially adjusted to 7.0 by pumping in a 25% NH 4 OH solution. During fermentation, the pH value was maintained at 7.0 by automatic correction with 25% NH 4 OH.
Schaumbekämpfung erfolgte durch automatische Zudosierung von 4% v/v Struktol J673 in H2O (Schill & Seilacher) . Foam control was achieved by automatic dosing of 4% v/v Struktol J673 in H 2 O (Schill & Seilacher).
Zum Animpfen wurden 100 ml der Vorkultur 2 in das Fermentergefäß gepumpt. Das Anfangsvolumen betrug somit etwa 1 L. Die Kulturen wurden zu Beginn mit 400 rpm gerührt und mit einer Belüftungsrate von 2 vvm (vvm: Eintrag von Pressluft in den Fermentationsansatz angegeben in Liter Pressluft je Liter Fermentationsvolumen pro Minute) mit einer über einen Sterilfilter entkeimten Druckluft begast. Unter diesen Startbedingungen war die Sauerstoff-Sonde vor der Inokulation auf 100% Sättigung kalibriert worden. For inoculation, 100 ml of pre-culture 2 was pumped into the fermenter vessel. The initial volume was therefore about 1 L. The cultures were initially stirred at 400 rpm and gassed with compressed air disinfected via a sterile filter at an aeration rate of 2 vvm (vvm: introduction of compressed air into the fermentation mixture, given in liters of compressed air per liter of fermentation volume per minute). Under these starting conditions, the oxygen probe was calibrated to 100% saturation before inoculation.
Der Soll-Wert für die O2-Sättigung während der Fermentation wurde auf 30% eingestellt. Nach Absinken der O2-Sättigung unter den Soll-Wert wurde eine Regulationskaskade gestartet, um die O2-Sättigung wieder an den Soll-Wert heranzuführen. Dabei wurde zunächst die Gaszufuhr kontinuierlich erhöht (auf max. 5 vvm) und anschließend die Rührgeschwindigkeit (auf max. 1.500 rpm) kontinuierlich gesteigert. Die Fermentation wurde bei einer Temperatur von 30 ° C durchgeführt . Nach 2 h Fermentationsdauer erfolgte die Zufütterung einer Schwefelquelle in Form einer sterilen 60% (w/v) Stammlösung von Natrium-Thiosul f at x 5 H20 mit einer Rate von 1 , 5 ml pro Stunde . The target value for the O2 saturation during fermentation was set to 30%. After the O2 saturation dropped below the target value, a regulation cascade was started to bring the O2 saturation back to the target value. First, the gas supply was continuously increased (to max. 5 vvm) and then the stirring speed was continuously increased (to max. 1,500 rpm). Fermentation was carried out at a temperature of 30 ° C. After 2 h of fermentation, a sulfur source in the form of a sterile 60% (w/v) stock solution of sodium thiosulfate x 5 H 2 0 was added at a rate of 1.5 ml per hour.
Sobald der Glucose-Gehalt im Fermenter von anfänglich 15 g/L auf ca . 2 g/L abgesunken war, erfolgte eine kontinuierliche Zudosierung einer 56% (w/w) Glucose-Lösung . Die Fütterungsrate wurde so eingestellt , dass die Glucosekonzentration im Fermenter 2 g/L fortan nicht mehr überstieg . Die Glucose- Bestimmung erfolgte mit einem Glucoseanalysator der Firma YS I (Yellow Springs , Ohio , USA) . As soon as the glucose content in the fermenter had dropped from an initial 15 g/L to approximately 2 g/L, a 56% (w/w) glucose solution was continuously added. The feeding rate was adjusted so that the glucose concentration in the fermenter no longer exceeded 2 g/L. Glucose was determined using a glucose analyzer from YS I (Yellow Springs, Ohio, USA).
Die Fermentationsdauer betrug 65 h . Danach wurden Proben von der Fermenterbrühe entnommen und der Gehalt an Hypotaurin und Taurin im Kulturüberstand durch HPLC bestimmt . Die Ergebnisse sind in Tab . 4 zusammengefasst . The fermentation time was 65 hours. Afterwards, samples were taken from the fermenter broth and the content of hypotaurine and taurine in the culture supernatant was determined by HPLC. The results are summarized in Table 4.
Tabelle 4 : Zelldichte , Hypotaurin- und Taurin-Gehalt derTable 4 : Cell density, hypotaurine and taurine content of
Produktionsstämme nach einer Fermentationsdauer von 65 h
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Production strains after a fermentation period of 65 h
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Beispiel 5 : Abtrennung von Biomasse Example 5 : Separation of biomass
Die in den folgenden Beispielen beschriebene Aufarbeitung derThe processing of the
Fermenterbrühen aus Beispiel 4 erhält die Zuordnungen : Fermenter broths from example 4 receive the assignments:
Ansatz 1 : Fermentation W3110 x pCys-CDOrn-CSADcc Approach 1 : Fermentation W3110 x pCys-CDOrn-CSADcc
Ansatz 2 : Fermentation W3110 x pCys-CSma-CSADcc Approach 2 : Fermentation W3110 x pCys-CSma-CSADcc
Ansatz 3 : Fermentation W3110 x pCys-CSma-CSADcc-CDOrn Ansatz 1: 720 ml Fermenterbrühe des Stammes W3110 x pCys- CDOrn-CSADcc aus Beispiel 4 wurde mit 4 M H2SO4 auf pH 3,0 titriert und danach 30 min bei 80°C inkubiert. Nach dem Abkühlen wurde die Fermenterbrühe zentrifugiert (Thermo Scientific™ Multifuge X1R, TX-400 Rotor, 10 min 6300 rpm) und der Fermentationsüberstand für die weitere Verwendung abgetrennt. 630 ml Fermentationsüberstand wurden erhalten. Der Hypotauringehalt betrug 56,3 g/L, entsprechend 35,5 g, bzw. 324,8 mmol Hypotaurin. Approach 3 : Fermentation W3110 x pCys-CSma-CSADcc-CDOrn Approach 1: 720 ml of fermenter broth of the strain W3110 x pCys-CDOrn-CSADcc from Example 4 was titrated to pH 3.0 with 4 M H2SO4 and then incubated for 30 min at 80°C. After cooling, the fermenter broth was centrifuged (Thermo Scientific™ Multifuge X1R, TX-400 rotor, 10 min 6300 rpm) and the fermentation supernatant was separated for further use. 630 ml of fermentation supernatant were obtained. The hypotaurine content was 56.3 g/L, corresponding to 35.5 g or 324.8 mmol hypotaurine.
Ansatz 2: 1000 ml Fermenterbrühe des Stammes W3110 x pCys- CSma-CSADcc aus Beispiel 4 wurde mit 25 ml 4 M H2SO4 auf pH 3,0 titriert und danach 20 min in einem Autoklaven bei 121°C inkubiert (H+P Varioklav 135S) . Nach dem Abkühlen wurde die Fermenterbrühe zentrifugiert (Thermo Scientific™ Multifuge X1R, TX-400 Rotor, 10 min 6300 rpm) und der Fermentationsüberstand für die weitere Verwendung abgetrennt. 870 ml Fermentationsüberstand wurden erhalten. Der Tauringehalt betrug 13,0 g/L, entsprechend einer zur weiteren Aufarbeitung eingesetzten Menge von 11,3 g (90,3 mmol) Taurin. Approach 2: 1000 ml of fermenter broth of the strain W3110 x pCys- CSma-CSADcc from example 4 was titrated to pH 3.0 with 25 ml of 4 M H2SO4 and then incubated for 20 min in an autoclave at 121°C (H+P Varioklav 135S). After cooling, the fermenter broth was centrifuged (Thermo Scientific™ Multifuge X1R, TX-400 rotor, 10 min 6300 rpm) and the fermentation supernatant was separated for further use. 870 ml of fermentation supernatant were obtained. The taurine content was 13.0 g/L, corresponding to an amount of 11.3 g (90.3 mmol) of taurine used for further processing.
Ansatz 3: 880 ml Fermenterbrühe des Stammes W3110 x pCys-CSma- CSADcc-CDOrn aus Beispiel 4 wurde mit 4 M H2SO4 auf pH 3,0 titriert und danach 30 min bei 80°C inkubiert. Nach dem Abkühlen wurde die Fermenterbrühe zentrifugiert (Thermo Scientific™ Multifuge X1R, TX-400 Rotor, 10 min 6300 rpm) und der Fermentationsüberstand für die weitere Verwendung abgetrennt. 830 ml Fermentationsüberstand wurden erhalten. Von einem Aliquot des Fermentationsüberstandes wurde der Gehalt an Hypotaurin und Taurin durch HPLC bestimmt. Der Hypotauringehalt betrug 8,3 g/L, entsprechend 6,9 g, bzw. 63,1 mmol Hypotaurin. Der Tauringehalt betrug 14,4 g/L, entsprechend 11,95 g, bzw. 95,4 mmol Taurin. Beispiel 6: Oxidation mit H2O2 Approach 3: 880 ml of fermenter broth of the strain W3110 x pCys-CSma- CSADcc-CDOrn from example 4 was titrated to pH 3.0 with 4 M H2SO4 and then incubated for 30 min at 80°C. After cooling, the fermenter broth was centrifuged (Thermo Scientific™ Multifuge X1R, TX-400 rotor, 10 min 6300 rpm) and the fermentation supernatant was separated for further use. 830 ml of fermentation supernatant were obtained. The hypotaurine and taurine content of an aliquot of the fermentation supernatant was determined by HPLC. The hypotaurine content was 8.3 g/L, corresponding to 6.9 g or 63.1 mmol hypotaurine. The taurine content was 14.4 g/L, corresponding to 11.95 g or 95.4 mmol taurine. Example 6: Oxidation with H2O2
Ansatz 1A: 630 ml Fermentationsüberstand des Stammes W3110 x pCys-CDOrn-CSADcc aus Beispiel 5 wurde in einem Becherglas auf einem Magnetrührer vorgelegt und 55 ml 30% (w/w) H2O2 (Sigma- Aldrich) in einem Tropf trichter unter Rühren über eine Zeitdauer von 1 h zugetropft, sodass die Temperatur des Ansatzes 60°C nicht überstieg. Nach Zugabe des H2O2 wurde der Ansatz weiter für 1 h gerührt. Danach wurde der Ansatz zentrifugiert (Thermo Scientific™ Multifuge X1R, TX-400 Rotor, 10 min 6300 rpm) . Von 1 ml Zentrifugationsüberstand (660 ml Volumen) wurde der Gehalt an Hypotaurin und Taurin durch HPLC bestimmt. Hypotaurin war nicht mehr nachweisbar. Der Tauringehalt betrug 62,7 g/L, entsprechend einer zur weiteren Aufarbeitung eingesetzten Menge von 41,4 g Taurin in 660 ml Zentrifugat ions übers fand . Mixture 1A: 630 ml of fermentation supernatant of the strain W3110 x pCys-CDOrn-CSADcc from example 5 was placed in a beaker on a magnetic stirrer and 55 ml of 30% (w/w) H2O2 (Sigma-Aldrich) was added dropwise in a dropping funnel with stirring over a period of 1 h so that the temperature of the mixture did not exceed 60°C. After addition of the H2O2, the mixture was stirred for a further 1 h. The mixture was then centrifuged (Thermo Scientific™ Multifuge X1R, TX-400 rotor, 10 min 6300 rpm). The content of hypotaurine and taurine was determined by HPLC from 1 ml of centrifugation supernatant (660 ml volume). Hypotaurine was no longer detectable. The taurine content was 62.7 g/L, corresponding to an amount of 41.4 g taurine in 660 ml centrifugation solution used for further processing.
Ansatz IB: 860 ml Fermenterbrühe aus der Fermentation des Stammes W3110 x pCys-CDOrn-CSADcc analog Beispiel 4 mit einem Hypotauringehalt von 55,2 g/L (0,5 mol Hypotaurin) wurde mit 4 M H2SO4 auf pH 3,0 titriert und danach 30 min bei 80°C inkubiert. Nach dem Abkühlen wurde die Fermenterbrühe in einem Becherglas auf einem Magnetrührer vorgelegt und 70 ml 30% (w/w) H2O2 (Sigma-Aldrich) , entsprechend 0, 62 mol H2O2, (molares Verhältnis H2O2 : Hypotaurin von 1,22:1) in einem Tropf trichter unter Rühren über eine Zeitdauer von 1 h zugetropft, sodass die Temperatur des Ansatzes 60°C nicht überstieg. Nach der H2O2 Zudosierung wurde der Ansatz weiter für 1 h gerührt. Ein 1 ml Aliquot des Ansatzes wurde zentrifugiert (Heraeus™ Fresco™ 21 Zentrifuge) und vom Zentrifugationsüberstand der Gehalt an Hypotaurin und Taurin durch HPLC bestimmt. Hypotaurin war nicht mehr nachweisbar. Der Tauringehalt betrug 58,2 g/L. Batch IB: 860 ml of fermenter broth from the fermentation of the strain W3110 x pCys-CDOrn-CSADcc analogous to Example 4 with a hypotaurine content of 55.2 g/L (0.5 mol hypotaurine) was titrated to pH 3.0 with 4 M H2SO4 and then incubated for 30 min at 80°C. After cooling, the fermenter broth was placed in a beaker on a magnetic stirrer and 70 ml of 30% (w/w) H2O2 (Sigma-Aldrich), corresponding to 0.62 mol H2O2, (molar ratio H2O2:hypotaurine of 1.22:1) was added dropwise in a dropping funnel with stirring over a period of 1 h so that the temperature of the batch did not exceed 60°C. After the H2O2 had been added, the batch was stirred for a further 1 h. A 1 ml aliquot of the mixture was centrifuged (Heraeus™ Fresco™ 21 centrifuge) and the hypotaurine and taurine content of the centrifugation supernatant was determined by HPLC. Hypotaurine was no longer detectable. The taurine content was 58.2 g/L.
Ansatz 3: 830 ml Fermentationsüberstand des Stammes W3110 x pCys-CSma-CSADcc-CDOrn aus Beispiel 5 wurde in einem Becherglas auf einem Magnetrührer vorgelegt und 12 ml 30% (w/w) H2O2 (Sigma-Aldrich) in einem Tropf trichter unter Rühren über eine Zeitdauer von 1 h zugetropft, sodass die Temperatur des Ansatzes 60°C nicht überstieg. Nach Zugabe des H2O2 wurde der Ansatz weiter für 1 h gerührt. Danach wurde der Ansatz zentrifugiert (Thermo Scientific™ Multifuge X1R, TX-400 Rotor, 10 min 6300 rpm) . Von 1 ml Zentrifugationsüberstand (840 ml Volumen) wurde der Gehalt an Hypotaurin und Taurin durch HPLC bestimmt. Der Tauringehalt betrug 21,7 g/L, entsprechend einer zur weiteren Aufarbeitung eingesetzten Menge von 18,2 g Taurin in 840 ml Zentrifugationsüberstand. Approach 3: 830 ml of fermentation supernatant of the strain W3110 x pCys-CSma-CSADcc-CDOrn from Example 5 was placed in a beaker on a magnetic stirrer and 12 ml of 30% (w/w) H2O2 (Sigma-Aldrich) was added in a dropping funnel with stirring. added dropwise over a period of 1 h so that the temperature of the mixture did not exceed 60°C. After addition of the H2O2, the mixture was stirred for a further 1 h. The mixture was then centrifuged (Thermo Scientific™ Multifuge X1R, TX-400 rotor, 10 min 6300 rpm). The hypotaurine and taurine content of 1 ml of centrifugation supernatant (840 ml volume) was determined by HPLC. The taurine content was 21.7 g/L, corresponding to an amount of 18.2 g taurine in 840 ml of centrifugation supernatant used for further processing.
Beispiel 7 : Konzentrierung der FermentationsüberständeExample 7 : Concentration of fermentation supernatants
Ansatz 1: Der Zentrifugationsüberstand des Stammes W3110 x pCys-CDOrn-CSADcc nach H202-Inkubation aus Beispiel 6, Ansatz 1A, wurde in einem Rotationsverdampfer (Büchi Rotavapor R-205, Badtemperatur 80°C, Vakuum 140 mbar) auf ein Volumen von 130 ml eingedampft. Approach 1: The centrifugation supernatant of strain W3110 x pCys-CDOrn-CSADcc after H 2 02 incubation from Example 6, Approach 1A, was evaporated to a volume of 130 ml in a rotary evaporator (Büchi Rotavapor R-205, bath temperature 80°C, vacuum 140 mbar).
Ansatz 2: Der Zentrifugationsüberstand nach Abtrennung der Biomasse aus Beispiel 5 wurde in einem Rotationsverdampfer (Büchi Rotavapor R-205, Badtemperatur 80°C, Vakuum 140 mbar) auf ein Volumen von 70 ml eingedampft. Approach 2: The centrifugation supernatant after separation of the biomass from Example 5 was evaporated to a volume of 70 ml in a rotary evaporator (Büchi Rotavapor R-205, bath temperature 80°C, vacuum 140 mbar).
Ansatz 3: Der Zentrifugationsüberstand des Stammes W3110 x pCys-CSma-CSADcc-CDOrn nach H2O2-Behandlung aus Beispiel 6 wurde in einem Rotationsverdampfer (Büchi Rotavapor R-205, Badtemperatur 80°C, Vakuum 140 mbar) auf ein Volumen von 86 ml eingedampft . Approach 3: The centrifugation supernatant of the strain W3110 x pCys-CSma-CSADcc-CDOrn after H 2 O2 treatment from Example 6 was evaporated to a volume of 86 ml in a rotary evaporator (Büchi Rotavapor R-205, bath temperature 80°C, vacuum 140 mbar).
Beispiel 8: Ethanolextraktion Example 8: Ethanol extraction
Ansatz 1: Der eingedampfte Ansatz des Stammes W3110 x pCys- CDOrn-CSADcc aus Beispiel 7 von 130 ml Volumen wurde bei Raumtemperatur mit 530 ml Ethanol versetzt, sodass die Ethanol-Endkonzentration im Gemisch 80% (v/v) betrug. Der Ansatz wurde 30 min gerührt (Magnetrührer) , im Eisbad auf 0°C abgekühlt (über Nacht) und anschließend in einer auf 4 °C vorgekühlten Zentrifuge zentrifugiert (Thermo Scientific™ Multifuge X1R, TX-400 Rotor, 10 min 6300 rpm) . Der Überstand wurde abgetrennt, das Präzipitat mit 720 ml 80% (v/v) Ethanol 30 min bei RT gerührt und anschließend 10 min bei 6300 rpm zentrifugiert. Der Überstand wurde abgetrennt und das Präzipitat weiter verwendet. Approach 1: The evaporated 130 ml volume of the W3110 x pCys-CDOrn-CSADcc strain from Example 7 was mixed with 530 ml ethanol at room temperature so that the final ethanol concentration in the mixture was 80% (v/v). The mixture was stirred for 30 min (magnetic stirrer), cooled to 0°C in an ice bath (overnight) and then centrifuged in a centrifuge pre-cooled to 4 °C (Thermo Scientific™ Multifuge X1R, TX-400 rotor, 10 min 6300 rpm). The supernatant was separated, the precipitate was stirred with 720 ml 80% (v/v) ethanol for 30 min at RT and then centrifuged for 10 min at 6300 rpm. The supernatant was separated and the precipitate was used further.
Ansatz 2: Der eingedampfte Ansatz aus Beispiel 7 von 70 ml Volumen wurde bei Raumtemperatur mit 280 ml Ethanol versetzt, sodass die Ethanol-Endkonzentration im Gemisch 80% (v/v) betrug. Der Ansatz wurde 30 min gerührt (Magnetrührer) , im Eisbad bei 0°C über Nacht inkubiert und anschließend in einer auf 4°C vorgekühlten Zentrifuge zentrifugiert (Thermo Scientific™ Multifuge X1R, TX-400 Rotor, 10 min 6300 rpm) . Der Überstand wurde abgetrennt, das Präzipitat mit 1000 ml 80% (v/v) Ethanol 30 min bei RT gerührt und anschließend 10 min bei 6300 rpm zentrifugiert. Der Überstand wurde abgetrennt und das Präzipitat weiterverwendet. Approach 2: The evaporated 70 ml batch from Example 7 was mixed with 280 ml ethanol at room temperature so that the final ethanol concentration in the mixture was 80% (v/v). The batch was stirred for 30 min (magnetic stirrer), incubated overnight in an ice bath at 0°C and then centrifuged in a centrifuge pre-cooled to 4°C (Thermo Scientific™ Multifuge X1R, TX-400 rotor, 10 min 6300 rpm). The supernatant was separated, the precipitate was stirred with 1000 ml 80% (v/v) ethanol for 30 min at RT and then centrifuged for 10 min at 6300 rpm. The supernatant was separated and the precipitate was reused.
Ansatz 3: Der eingedampfte Ansatz des Stammes W3110 x pCys- CSma-CSADcc-CDOrn aus Beispiel 7 von 86 ml Volumen wurde bei Raumtemperatur mit 342 ml Ethanol versetzt, sodass die Ethanol-Endkonzentration im Gemisch 80% (v/v) betrug. Der Ansatz wurde 30 min gerührt (Magnetrührer) , im Eisbad auf 0°C abgekühlt und anschließend über einen Zellulose Faltenfilter (Fisherbrand™ QL 115; 185 mm Durchmesser, 2-3 pm Porengröße) filtriert und der Filterkuchen mit 880 ml 80% (v/v) Ethanol nachgewaschen. Das Filtrat wurde verworfen. Der nicht getrocknete Filterkuchen wurde weiter verwendet. Mixture 3: The evaporated mixture of the strain W3110 x pCys- CSma-CSADcc-CDOrn from Example 7 (86 ml volume) was mixed with 342 ml ethanol at room temperature so that the final ethanol concentration in the mixture was 80% (v/v). The mixture was stirred for 30 min (magnetic stirrer), cooled to 0°C in an ice bath and then filtered through a cellulose pleated filter (Fisherbrand™ QL 115; 185 mm diameter, 2-3 pm pore size) and the filter cake was washed with 880 ml 80% (v/v) ethanol. The filtrate was discarded. The undried filter cake was reused.
Beispiel 9: Kristallisation Example 9: Crystallization
Ansatz 1: Das Präzipitat aus Beispiel 8 wurde in 200 ml H2O durch Erhitzen in einem Wasserbad bei 90°C gelöst und danach unter leichtem Rühren (200 rpm) im ausgeschalteten Wasserbad langsam auf RT abgekühlt (über Nacht) , dann im Eisbad auf 0°C abgekühlt und anschließend über einen Faltenfilter (Fisherbrand™ QL 115; 185 mm Durchmesser, 2-3 pm Porengröße) filtriert. Das Filtrat (Mutterlauge) wurde abgetrennt und von einem Aliquot der Taurin-Gehalt durch HPLC bestimmt. Der Tauringehalt betrug 53,8 g/L (10,8 g in 200 ml Filtrat) . Das Kristallisat wurde mit 100 ml Ethanol gewaschen und bei 37°C getrocknet. Das getrocknete Kristallisat wurde ausgewogen. Die Auswaage des Kristallisats betrug 28,5 g. 21,3 mg des Kristallisats wurden eingewogen, in 1 ml H2O gelöst (21,3 g/L Konzentration) und der Tauringehalt durch HPLC bestimmt. Der Tauringehalt betrug 20,7 g/L, entsprechend einem Tauringehalt des Kristallisats von 97,2%. Die Taurinausbeute in 28,5 g Kristallisat betrug somit 27,7 g. Die prozentuale Taurinausbeute, bezogen auf die eingesetzte Menge von 41,4 g Taurin aus Beispiel 6, Ansatz 1A, betrug 66,9%. Den Tauringehalt von 10,8 g der wiederverwendbaren Mutterlauge mit einbezogen, betrug die wiedergefundene Menge Taurin 38,5 g (92,9% der eingesetzten Menge von 41,4 g Taurin aus Ansatz 1A in Beispiel 6) . Approach 1: The precipitate from Example 8 was dissolved in 200 ml H 2 O by heating in a water bath at 90°C and then slowly cooled to RT (overnight) with gentle stirring (200 rpm) in the switched off water bath, then cooled to 0°C in an ice bath and then filtered through a pleated filter (Fisherbrand™ QL 115; 185 mm diameter, 2-3 pm pore size) filtered. The filtrate (mother liquor) was separated and the taurine content of an aliquot was determined by HPLC. The taurine content was 53.8 g/L (10.8 g in 200 ml filtrate). The crystals were washed with 100 ml ethanol and dried at 37°C. The dried crystals were weighed. The final weight of the crystals was 28.5 g. 21.3 mg of the crystals were weighed, dissolved in 1 ml H 2 O (21.3 g/L concentration) and the taurine content was determined by HPLC. The taurine content was 20.7 g/L, corresponding to a taurine content of the crystals of 97.2%. The taurine yield in 28.5 g of crystals was therefore 27.7 g. The percentage taurine recovery based on the input amount of 41.4 g of taurine from Example 6, Batch 1A, was 66.9%. Including the taurine content of 10.8 g of the reusable mother liquor, the amount of taurine recovered was 38.5 g (92.9% of the input amount of 41.4 g of taurine from Batch 1A in Example 6).
Ansatz 2: Das Präzipitat aus Beispiel 8 wurde in 40 ml H2O durch Erhitzen in einem Wasserbad bei 90°C gelöst und danach im ausgeschalteten Wasserbad langsam unter leichtem Rühren (200 rpm) auf RT abgekühlt (über Nacht) , dann im Eisbad auf 0°C abgekühlt und anschließend über einen Faltenfilter (Fisherbrand™ QL 115; 185 mm Durchmesser, 2-3 pm Porengröße) filtriert. Das Filtrat (Mutterlauge) wurde abgetrennt und von einem Aliquot der Taurin-Gehalt durch HPLC bestimmt. Der Tauringehalt betrug 67,1 g/L (2,3 g in 35 ml Filtrat) . Das Kristallisat wurde mit 50 ml Ethanol gewaschen und bei 37°C getrocknet. Das getrocknete Kristallisat wurde ausgewogen. Die Auswaage des Kristallisats betrug 8,4 g. 20,0 mg des Kristallisats wurden eingewogen, in 1 ml H2O gelöst (20 g/L Konzentration) und der Tauringehalt durch HPLC bestimmt. Der Tauringehalt betrug 19,2 g/L, entsprechend einem Tauringehalt des Kristallisats von 96,0%. Die Taurinausbeute in 8,4 g Kristallisat betrug somit 8,1 g. Die prozentuale Taurinausbeute, bezogen auf die eingesetzte Menge von 11,3 g Taurin aus Beispiel 5, betrug 71,7%. Den Tauringehalt von 2,3 g der wiederverwendbaren Mutterlauge mit einbezogen, betrug die wiedergefundene Menge Taurin 10,4 g (92,0% der eingesetzten Menge von 11,3 g Taurin) . Approach 2: The precipitate from Example 8 was dissolved in 40 ml H 2 O by heating in a water bath at 90°C and then slowly cooled to RT in the switched off water bath with gentle stirring (200 rpm) (overnight), then cooled to 0°C in an ice bath and finally filtered through a pleated filter (Fisherbrand™ QL 115; 185 mm diameter, 2-3 pm pore size). The filtrate (mother liquor) was separated and the taurine content of an aliquot was determined by HPLC. The taurine content was 67.1 g/L (2.3 g in 35 ml filtrate). The crystals were washed with 50 ml ethanol and dried at 37°C. The dried crystals were weighed. The final weight of the crystals was 8.4 g. 20.0 mg of the crystals were weighed, dissolved in 1 ml H 2 O (20 g/L concentration) and the taurine content was determined by HPLC. The taurine content was 19.2 g/L, corresponding to a taurine content of the crystals of 96.0%. The taurine yield in 8.4 g of crystals was therefore 8.1 g. The percentage taurine yield, based on the amount used of 11.3 g Taurine from Example 5 was 71.7%. Including the taurine content of 2.3 g of the reusable mother liquor, the recovered amount of taurine was 10.4 g (92.0% of the initial amount of 11.3 g of taurine).
Ansatz 3: Der Filterkuchen des Stammes W3110 x pCys-CSma- CSADcc-CDOrn aus Beispiel 8 wurde in 50 ml H2O durch Erhitzen in einem Wasserbad bei 90°C gelöst und danach im ausgeschalteten Wasserbad unter leichtem Rühren (200 rpm) langsam auf RT abgekühlt (über Nacht) , dann im Eisbad auf 0°C abgekühlt und anschließend über einen Faltenfilter (Fisherbrand™ QL 115; 185 mm Durchmesser, 2-3 pm Porengröße) filtriert. Das Filtrat von 80 ml Volumen (Mutterlauge) wurde abgetrennt und von einem Aliquot der Taurin-Gehalt durch HPLC bestimmt. Der Tauringehalt betrug 83,0 g/L (6, 6 g in 80 ml Filtrat) . Das Kristallisat wurde mit 100 ml Ethanol gewaschen und bei 37°C getrocknet. Das getrocknete Kristallisat wurde ausgewogen. Die Auswaage des Kristallisats betrug 10,1 g. 20 mg des Kristallisats wurden eingewogen, in 1 ml H2O gelöst und der Tauringehalt durch HPLC bestimmt. Der Tauringehalt betrug 19,54 g/L, entsprechend Tauringehalt des Kristallisats von 97,7%. Die Taurinausbeute in 10,1 g Kristallisat betrug somit 9,9 g. Die prozentuale Taurinausbeute, bezogen auf die eingesetzte Menge von 18,2 g Taurin aus Beispiel 6, betrug 54,2%. Den Tauringehalt von 6, 6 g der wiederverwendbaren Mutterlauge mit einbezogen, betrug die wiedergefundene Menge Taurin 16,5 g (90,7% der eingesetzten Menge von 18,2 g Taurin aus Ansatz 3 des Beispiels 6) . Approach 3: The filter cake of the strain W3110 x pCys-CSma- CSADcc-CDOrn from Example 8 was dissolved in 50 ml H 2 O by heating in a water bath at 90°C and then slowly cooled to RT in the switched off water bath with gentle stirring (200 rpm) (overnight), then cooled to 0°C in an ice bath and finally filtered through a pleated filter (Fisherbrand™ QL 115; 185 mm diameter, 2-3 pm pore size). The filtrate of 80 ml volume (mother liquor) was separated and the taurine content of an aliquot was determined by HPLC. The taurine content was 83.0 g/L (6.6 g in 80 ml filtrate). The crystals were washed with 100 ml ethanol and dried at 37°C. The dried crystals were weighed. The final weight of the crystals was 10.1 g. 20 mg of the crystals were weighed, dissolved in 1 ml H2O and the taurine content was determined by HPLC. The taurine content was 19.54 g/L, corresponding to a taurine content of the crystals of 97.7%. The taurine yield in 10.1 g of crystals was therefore 9.9 g. The percentage taurine yield, based on the amount of 18.2 g of taurine used from example 6, was 54.2%. Including the taurine content of 6.6 g of the reusable mother liquor, the amount of taurine recovered was 16.5 g (90.7% of the amount of 18.2 g of taurine used from batch 3 of example 6).

Claims

Patentansprüche Patent claims
1. Verfahren zur Isolierung von Taurin aus einer Fermenterbrühe nach mikrobieller Fermentation eines Produktionsstamms, das die folgenden Isolierungsschritte umfasst : i. Isolieren des Fermentationsüberstands durch Abtrennen der Biomasse von der Fermenterbrühe ii. Präzipitation von Taurin aus dem Fermentationsüberstand durch Zugabe eines mit Wassermischbaren Lösungsmittels 1 iii. Isolieren und Lösen des Taurin-Präzipitats in einem Lösungsmittel 2 iv. Kristallisieren des gelösten Taurins v. Isolieren und gegebenenfalls Trocknen des kristallisierten Taurins, wobei das isolierte Taurin in einer Reinheit >80% (w/w) erhalten wird. 1. A process for isolating taurine from a fermenter broth after microbial fermentation of a production strain, comprising the following isolation steps: i. isolating the fermentation supernatant by separating the biomass from the fermenter broth ii. precipitating taurine from the fermentation supernatant by adding a water-miscible solvent 1 iii. isolating and dissolving the taurine precipitate in a solvent 2 iv. crystallizing the dissolved taurine v. isolating and optionally drying the crystallized taurine, whereby the isolated taurine is obtained in a purity >80% (w/w).
2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich beim mikrobiellen Produktionsstamm um einen Stamm der Art Escherichia coli handelt. 2. Process according to claim 1, characterized in that the microbial production strain is a strain of the species Escherichia coli.
3. Verfahren gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass vor Zugabe des Lösungsmittels 1 (Schritt ii) die Zugabe eines Oxidationsmittels und Inkubation mit diesem erfolgt. 3. Process according to one or more of claims 1 or 2, characterized in that before adding the solvent 1 (step ii), the addition of an oxidizing agent and incubation with it takes place.
4. Verfahren gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass es sich beim Oxidationsmittel um H2O2 handelt. 4. Process according to claim 3, characterized in that the oxidizing agent is H2O2.
5. Verfahren gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Inkubation mit dem Oxidationsmittel in einem kontinuierlichen Verfahren erfolgt . Verfahren gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Fermenterbrühe einen additiven molaren Gehalt an Hypotaurin und Taurin von mindestens 91, 6 mM im Fermentationsüberstand aufweist. Verfahren gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass vor Abtrennen der Biomasse (Schritt i) mindestens eine Maßnahme ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus (1) Einstellung des pH-Werts der Fermenterbrühe auf einen pH von höchstens 6,0 und (2) Temperaturerhöhung der Fermenterbrühe auf mindestens 50 °C und Inkubation für mindestens 5 min erfolgt. Verfahren gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der gewählten Maßnahmen in kontinuierlicher Form durchgeführt wird. Verfahren gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass es sich beim mit Wassermischbaren Lösungsmittel 1 um ein Lösungsmittel ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Ethanol, Isopropanol und deren Mischungen mit H2O handelt. Verfahren gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Volumen des Fermentationsüberstands vor der Zugabe des Lösungsmittels 1 (Schritt ii) reduziert wird. Verfahren gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass es sich beim Lösungsmittel 2 um Wasser handelt. Verfahren gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die erzielte molare Ausbeute Taurin mindestens 50% bezogen auf die eingesetzte, im Fermentationsüberstand enthaltene molare Menge Ausgangsprodukt, bestehend aus mindestens einer der Verbindungen ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Hypotaurin und Taurin, beträgt. 13. Verfahren gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Produktionsstamm eine cds umfasst, codierend für ein Protein mit der SEQ ID Nr. 2. 5. Process according to one or more of claims 3 or 4, characterized in that the incubation with the oxidizing agent takes place in a continuous process. Process according to one or more of claims 1 to 5, characterized in that the fermenter broth has an additive molar content of hypotaurine and taurine of at least 91.6 mM in the fermentation supernatant. Process according to one or more of claims 1 to 6, characterized in that before separating the biomass (step i) at least one measure selected from the group consisting of (1) adjusting the pH of the fermenter broth to a pH of at most 6.0 and (2) raising the temperature of the fermenter broth to at least 50 °C and incubating for at least 5 minutes is carried out. Process according to claim 7, characterized in that at least one of the selected measures is carried out in continuous form. Process according to one or more of claims 1 to 8, characterized in that the water-miscible solvent 1 is a solvent selected from the group consisting of ethanol, isopropanol and mixtures thereof with H 2 O. Process according to one or more of claims 1 to 9, characterized in that the volume of the fermentation supernatant is reduced before the addition of the solvent 1 (step ii). Process according to one or more of claims 1 to 10, characterized in that the solvent 2 is water. Process according to one or more of claims 1 to 11, characterized in that the molar yield of taurine achieved is at least 50% based on the molar amount contained in the fermentation supernatant. Starting product consisting of at least one of the compounds selected from the group consisting of hypotaurine and taurine. 13. Process according to one or more of claims 1 to 12, characterized in that the production strain comprises a cds coding for a protein with SEQ ID No. 2.
14. Verfahren gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Produktionsstamm eine cds umfasst, codierend für ein Protein mit der SEQ ID Nr. 4. 14. The method according to one or more of claims 1 to 13, characterized in that the production strain comprises a cds encoding a protein having SEQ ID No. 4.
15. Verfahren gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Produktionsstamm eine cds umfasst, codierend für ein Protein mit der SEQ ID Nr. 6. 15. Method according to one or more of claims 1 to 14, characterized in that the production strain comprises a cds encoding a protein with SEQ ID No. 6.
PCT/EP2022/086041 2022-12-15 2022-12-15 Method for isolating taurine from taurine- and hypotaurine-containing fermentation media after microbial fermentation WO2024125795A1 (en)

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Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5972663A (en) 1997-06-19 1999-10-26 Consortium Fur Elektrochemische Industrie Gmbh Microorganisms and processes for the fermentative preparation of L-cysteine, L-cystine, N-acetylserine or thiazolidine derivatives
WO2017213142A1 (en) 2016-06-07 2017-12-14 味の素株式会社 Method for producing hypotaurine or taurine
US20190062757A1 (en) 2015-11-09 2019-02-28 Knipbio, Inc. Heterologous Expression of Taurine in Microorganisms
CN112410382A (en) * 2020-11-17 2021-02-26 黑龙江福康生物科技股份有限公司 Taurine and its processing method
WO2021259491A1 (en) 2020-06-26 2021-12-30 Wacker Chemie Ag Improved cysteine-producing strains
US20220371992A1 (en) * 2019-12-18 2022-11-24 Zhejiang Nhu Company Ltd. Method for preparing taurine and method for recovering mother liquor thereof

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5972663A (en) 1997-06-19 1999-10-26 Consortium Fur Elektrochemische Industrie Gmbh Microorganisms and processes for the fermentative preparation of L-cysteine, L-cystine, N-acetylserine or thiazolidine derivatives
US20190062757A1 (en) 2015-11-09 2019-02-28 Knipbio, Inc. Heterologous Expression of Taurine in Microorganisms
WO2017213142A1 (en) 2016-06-07 2017-12-14 味の素株式会社 Method for producing hypotaurine or taurine
US20220371992A1 (en) * 2019-12-18 2022-11-24 Zhejiang Nhu Company Ltd. Method for preparing taurine and method for recovering mother liquor thereof
WO2021259491A1 (en) 2020-06-26 2021-12-30 Wacker Chemie Ag Improved cysteine-producing strains
CN112410382A (en) * 2020-11-17 2021-02-26 黑龙江福康生物科技股份有限公司 Taurine and its processing method

Non-Patent Citations (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
"CAS", Database accession no. 207121-48-0
BELL ET AL., EUR. J. BIOCHEM, vol. 269, 2002, pages 4176 - 4184
BELL ET AL., EUR. J. BIOCHEM., vol. 269, 2002, pages 4176 - 4184
CYSTEIN-GEHALTS NACH GAITONDE, BIOCHEM. J., vol. 104, 1967, pages 627 - 633
LIN ET AL., IND. ENG. CHEM. RES., vol. 52, 2013, pages 13449 - 13458
MA ET AL., FOOD ANAL. METHODS, vol. 11, 2018, pages 415 - 425
MCKITRICKPIZER, J. BACTERIOL, vol. 141, 1980, pages 235 - 245
NAKAMORI ET AL., APPL. ENV. MICROBIOL, vol. 64, 1998, pages 1607 - 1611
OROSZ ET AL., EUR. J. BIOCHEM., vol. 201, 1991, pages 653 - 659
OROSZ: "Die CSADcc-rrnB DNS, bestehend aus der CSADcc-cds und dem rrnB-Terminator wurde synthetisch hergestellt", EUROFINS GENOMICS, 1991
REX ET AL., J. BACTERIOL, vol. 173, 1991, pages 5944 - 5953
UBUKA T ET AL: "Production of hypotaurine from l-cysteinesulfinate by rat liver mitochondria", AMINO ACIDS ; THE FORUM FOR AMINO ACID AND PROTEIN RESEARCH, SPRINGER-VERLAG, VI, vol. 35, no. 1, 25 January 2008 (2008-01-25), pages 53 - 58, XP019634536, ISSN: 1438-2199 *
VON HONJOH ET AL., AMINO ACIDS, vol. 38, 2010, pages 1173 - 1183
WADATAKAGI, APPL. MICROBIOL. BIOTECHNOL, vol. 73, 2006, pages 48 - 54

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