DD228974A3 - Verfahren zur herstellung von carnitindehydrogenase - Google Patents

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DD228974A3
DD228974A3 DD24909083A DD24909083A DD228974A3 DD 228974 A3 DD228974 A3 DD 228974A3 DD 24909083 A DD24909083 A DD 24909083A DD 24909083 A DD24909083 A DD 24909083A DD 228974 A3 DD228974 A3 DD 228974A3
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carnitine
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dehydrogenase
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carnitine dehydrogenase
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Wulfdieter Schoepp
Angelika Schaefer
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Univ Leipzig
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Carnitindehydrogenase. Die Erfindung hat das Ziel, ein Verfahren zur Herstellung von Carnitindehydrogenase anzugeben, in dessen Verlauf nach einem einfachen Zellaufschlussverfahren eine Aktivitaet des Enzyms bereits im Proteinrohextrakt von mindestens 3 U/mg erzielt wird. Die Erfindung hat die Aufgabe, durch Einsatz einer mikrobiellen Enzymquelle im Zusammenwirken mit einer effektiven Reinigungstechnologie das gewuenschte Enzym mit hoher spezifischer Aktivitaet zur Verfuegung zu stellen. Die Aufgabe wird dadurch geloest, dass das Enzym Carnitindehydrogenase aus dem Stamm Pseudomonas putida ATCC 17633 hergestellt wird.

Description

- 2 - 249 090
erfindungsgemäß hergestellte Enzym ist gut lagerfähig. Bei spezifischen Aktivitäten von 10-20 U/mg sind maximal folgende Fremdaktivitäten nachweisbar:
MDH, LDH jeweils <0,1%
Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden.
Ausführungsbeispiel
Die Kultivierung von Pseudomonas putida ATCC 17633 wird in einem Medium durchgeführt, das pro 1 folgende Bestandteile enthält:
K2HPO,, 7,46 g; NaH2PO4, 0,54 g; MgSO4 · 7H2O, 20 mg;
CaCI2 2H2O, 20 mg; Fe(NH4)2(SO4)2 · 6H20,10 mg;
Als N-Quelle dient (NH4J2SO4 (1 g/l), als C-Quelle D, L-Carnitin HCI (5 g/l).
Die Bakterien werden auf dem gleichen Medium unter Verwendung von gasförmigem Hexan als C-Quelle (0,015% in der zugeführten Luft) vorkultiviert. Das Überimpfen erfolgt im Verlaufe der logarithmischen Wachstumsphase, die Animpfdichten liegen bei Ejoom ~ 0,1. Die Kultivierung erfolgt in einem 10 I-Fermentationsgefäß mit einem Füllinhalt von 7 I unter intensivem Rühren und einem Lufteintrag von 2-10 l/h. Nach einer Kultivierungszeit von 20-30 h bei 300C- die Trübung der Kultur beträgt danach Ej0J"1 = 1,5-2,5 — werden die Bakterien durch Zentrifugation geerntet und anschließend in 0,05 mol/l Phosphatpuffer pH 8 resuspendiert
100 ml-Portionen dieser Suspension werden bei -800C eingefroren und 60 min bei dieser Temperatur belassen. Anschließend werden die Proben für 4 h bei 300C gehalten. Nach Zentrifugation bei 10000 xg für 30 min befinden sich mindestens 75% der Aktivität an Carnitindehydrogenase im zellfreien Überstand. Die spezifische Aktivität des Enzyms liegt unter diesen Bedingungen bei Werten zwischen 2-4 U/mg, der Proteingehalt beträgt etwa 5 mg/ml.
Aus dieser Lösung wird bei 40C durch Zugabe von Ammoniumsulfat bis zu einer Endkonzentration von 70% Sättigung der überwiegende Teil des Proteins gefällt. Die gesamte Aktivität der Carnitindehydrogenase befindet sich im Präzipität. Nach Zentrifugieren wird das Sediment in Ammoniumsulfatlösungen (abnehmende Konzentrationen in jeweils 0,05 mol/l Na2HPO4) bei 00C resuspendiert und erneut zentrifugiert. Auf diese Weise lassen sich im Konzentrationsbereich zwischen 50 und 45% Sättigung 90% der Gesamtaktivität an Carnitindehydrogenase im Überstand nachweisen (siehe Tabelle 2). Das Enzym (spezifische Aktivität 5-10 U/mg) kann durch Zugabe von Ammoniumsulfat auf eine Endkonzentration von 70% Sättigung wieder ausgefällt werden. Trägt man den durch Ammoniumsulfatextraktion gewonnenen Überstand (Ü 45) auf eine Säule, die 10-Carboxy-decylsepharose enthält, auf und eluiert bei 22°C mit Ammoniumsulfatlösungen (Sättigung 40, 35, 30%), wird die Carnitindehydrogenase bis zu einer spezifischen Aktivität von etwa 25 U/mg angereichert (Tabelle 3).
Tabelle 1
Gewinnung von Carnitindehydrogenase aus Ps putida bei Anwendung verschiedener Aufschlußverfahren Die Bakterien werden nach Kultivierung auf D, L-Carnitin durch Zentrifugation geerntet, in 0,05 mol/l Phosphatpuffer pH 8 resuspendiert (Ejojj"1 ~ 20) und jeweils 20 ml davon anschließend durch Ultraschallbehandlung (4min bei 50 W/cm2) bzw. Einfrieren (30 min; -80°C)/Wiederauftauen (1 h; 30°C) aufgeschlossen.
Aufschluß- Gesamtakti Gesamtaktivi Gesamt ing) spez. Akt.
verfahren vität nach tät im Über protein Überstand
Zellaufschluß stand nach Auf im Über (U/mg)
(U) schluß und Zentrifu-stand
gation bei
15 000 xg (U)
Ultraschall 180 177 120 1,5
Einfrieren/ Wiederauf tauen 177 183 80 2,3
Tabelle 2
Fraktionierte Ammoniumsulfatextraktion der Carnitindehydrogenase
Die Angaben beziehen sich auf 320 ml eines Proteinextraktes (4,5 mg Protein/ml), der durch Einfrieren/Wiederauftauen gewonnen wurde.
(NH4J2SO4 Volumen Aktivität Protein spez. Aktivität Ausbeute
(%-Sättigung) (ml) (U) (mg) (U/mg) (%)
60 (Sediment) 3 950 1 700 2,3
60 (Überstand) 50
55 (LI 1) 57 35 0,8
55 (Ü 2) 50 105 2,6
55 (Ü 3) 50 40 120 0,3 1,0
45 (Ü 1) 54 1 144 178 6,4 29
45 (Ü 2) 52 1 548 210 7,4 39
45 (Ü 3) 42 670 110 6,1 17
35 (Ü 1) 48 220 585 0,4 5,5
Tabelle 3
Reinigung der Carnitindehydrogenase an 10-Carboxydecylsepharose
Auf eine Säule, die 18 ml 10-Carboxydecyl-Sepharose enthält und mit einer (NH4)2 SO4-Lösung (45% Sättigung) äquilibiert ist, werden 106 ml einer Carnitindehydrogenase-Lösung in 45% gesättigter Ammoniumsulfatlösung aufgetragen. Die Lösung enthält 2 080 U des Enzyms und.329 mg Protein. Die Elution wird bei 22°C durchgeführt.
- 3 - 249 090 O
Fraktion
(Nr.)
ml
(NH4I2SCX1 (% Sättigung)
Aktivität
(U)
Protein spez. Akt. Aus
beute
(mg) (U/mg) (%)
1. 106 45
2. 25 45
3. · 25 45
4. 25 40
CJl 25 40
6. 25 35
7. 25 35
8. 25 35
9. 25 35
10. 25 30
11. 20 30
12. 25 30
22 2,2 0,6 1,3 1,9 43
177
225
167
386
546
520
25 7 8,5
18 12,5 11
17,5 9,5 8
19 20 18,5
22 25 26
46 11 25

Claims (3)

1. Verfahren zur Herstellung von Carnitindehydrogenase durch Kultivieren von Pseudomonas putida in Submerskultur und flüssigem Minimalmedium, dadurch gekennzeichnet, daß der Stamm ATCC 17633 bei eingeschränkter Sauerstoffversorgung gezüchtet wird.
- 1 - 248 090
Erfindungsanspruch:
2. Verfahren nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß 0,3 bis 1,5 I Luft pro Stunde und Liter Nährmedium eingeleitet werden.
3. Verfahren nach Punkt 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Zellaufschluß durch Einfrieren und Wiederauftauen erfolgt.
Anwendungsgebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Carnitindehydrogenase, die in der klinisch-chemischen Diagnostik zur Bestimmung von L-Camitin eingesetzt werden kann.
Charakteristik der bekannten technischen Lösungen
Carnitindehydrogenase wird kommerziell bisher nicht hergestellt. Untersuchungen bezüglich eines Einsatzes zur quantitativen Carnitinbestimmung liegen nicht vor. L-Carnitin wird quantitativ auf enzymatischem Wege z. Z. mit Hilfe von Carnitin-Acetyltransferase (EC 2.3.1.7.) in Kombination mit Acyl-CoA Synthetase (EC 6.2.1.2.) oder DTNB bestimmt (Pearson, D. J., Tubbs, P. K. and Chase, J. F. A. in Methoden der enzymatischen Analyse [H. U. Bergmeyer, Hrsg.] Akademie-Verlag Berlin 1970, S. 1710-1723). Beide Methoden weisen eine Reihe von Nachteilen auf, von denen neben den erheblichen Kosten die relativ komplizierte Handhabung und eine hohe Störanfälligkeit genannt werden müssen. Nachdem Möglichkeiten für die quantitative Bestimmung von L-Carnitin mit Hilfe des optischen Testes geschaffen wurden (Schöpp, W., Analyt. Biochem., in Vorbereitung), ist auch mit dem breiten Einsatz von Carnitindehydrogenase zu rechnen. Das Enzym wird von verschiedenen Pseudomonas-Spezies gebildet (Aurich, H., Kleber, H.-P., und Schöpp, W., Biochem. Biophys. Acta, 139, 505 (1976); Kleber, H.-P., Seim, H., Aurich, H. und Strack, E., Arch. Microbiol. 116, 213 [1978]). Die ermittelten spezifischen Aktivitäten liegen in den zellfreien Extrakten zwischen 1 und 1,5 U/mg.
Die US-PS 4 221 869 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung von Carnitindehydrogenase durch Kultivieren des Pseudomonas-Stammes CIP 52 191 unter üblichen Züchtungsbedingungen bei 30°C über 24 Stunden. Es wird Enzym mit einer Aktivität von 0,55 U/mg erhalten. Es ist ersichtlich, daß ein Produkt derart geringer Aktivität kommerziell nicht interessant ist. Ein wirksames Anreicherungsverfahren für das Enzym wird in der zitierten Patentschrift nicht angegeben.
Ziel der Erfindung
Die Erfindung hat das Ziel, ein Verfahren zur Herstellung von Carnitindehydrogenase anzugeben, in dessen Verlauf nach einem einfachen Zellaufschlußverfahren eine Aktivität des Enzyms bereits im Proteinrohextrakt von mindestens 3 U/mg erzielt wird und eine Anreicherung mit Hilfe weniger, jedoch effektiv wirkender TrennteOhniken auf Werte bis zu 25 U/mg kostengünstig möglich
Darüber hinaus soll ein Präparat gewonnen werden, das praktisch frei von Malat- und Laktatdehydrogenase ist. Das ist von wesentlicher Bedeutung, weil dadurch die erheblichen Vorteile der L-Carnitinbestimmung mit Carnitindehydrogenase nach dem optischen Test von W. Schöpp voll zur Geltung kommen.
Darlegung des Wesens der Erfindung
Die Erfindung hat die Aufgabe, durch Auswahl einer mikrowellen Enzymqueile sowie durch Anwenden neuer Kultivierungsbedingungen im Zusammenwirken mit einer effektiven Reinigungstechnologie das gewünschte Enzym mit hoher spezifischer Aktivität, frei von störenden Fremdaktivitäten, zur Verfügung zu stellen.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das EnzymCaTnitindehydrogenase~durch-K-ultivieretvdes Stammes Pseudomonas putida ATCC 17633 hergestellt wird. Dieser Stamm, der auch in der Sammlung des Jenaer Zentralen Instituts für Mikrobiologie und Experimentelle Therapie hinterlegt worden ist und dort die Bezeichnung ZIMET 10947 erhalten hat, wird erfindungsgemäß bei eingeschränkter Sauerstoffversorgung kultiviert. Im einzelnen werden folgende Verfahrensschritte absolviert.
Die Stammhaltung geschieht bevorzugt auf 2%igem Agar bei 4°C im Dunkeln unter Verwendung von Decan als C-Üuelle und (NH4)2SO4 als N-Quelle. Die Kultivierung von Pseudomonas putida auf Carnitin erfolgt durch Beimpfen aus einer Vorkultur, die unter Verwendung von z. B. gasförmigem Hexan gewonnen wurde. Kultiviert wird bei 20-40"C, in Submerskultur in einem flüssigen Minimalmedium. Die Züchtung wird erfindungsgemäß unter Belüftungsbedingungen durchgeführt, die einer stark eingeschränkten Sauerstoffversorgung der Mikroorganismen entsprechen. Unter diesen Bedingungen erreicht auch die Aktivität der Carnitindehydrogenase maximale Werte. Als N-Quelle werden (NH4J2SO4, NH4CI oder dgl. verwendet. Nach einer Wachstumszeit von 5-40 h - je nach physiologischem Zustand und Menge des Impfmaterials - werden die Bakterien geerntet (z. B. durch Zentrifugation) und anschließend ohne Zwischenschaltung eines Waschprozesses in Phosphatpuffer resuspendiert. Die Gewinnung des zellfreien Rohextraktes erfolgt vorzugsweise durch Einfrieren der Suspension und Wiederauftauen sowie anschließender Zentrifugation. Die hohe Leistungsfähigkeit dieses einfachen Aufschlußverfahrens kann besonders bei Vergleich mit einer Ultraschallbehandlung demonstriett werden (Tab. 1).
Aus den zellfreien Proteinextrakten kann Carnitindehydrogenase durch fraktionierte Salzfällung bzw. -extraktion, z. B. mit Ammoniumsulfat auf das 3- bis 5fache angereichert werden. Hierzu wird dem Proteinrohextrakt festes Ammoniumsulfat bis zu einer Endkonzentration von 70% Sättigung zugesetzt, wobei die gesamte Aktivität in das Sediment gelangt. Zur weiteren Anreicherung der Carnitindehydrogenase wird der Rückstand mit Ammoniumsulfatlösung, die jeweils 0,05 mol/l Na2HPO4 enthält, bei 00C und sinkender Konzentration an (NH4J2SO4 für jeweils 5 min gerührt. Das Enzym wird dabei in zunehmendem Maße gelöst. Die Hauptmenge löst sich im Konzentrationsbereich zwischen 50 und 45% gesättigter Ammoniumsulfatlösung, Carnitindehydrogenase kann direkt aus diesen Lösungen durch Anwendung der hydrophoben Chromatographie z. B. an 10-Carboxydecyl-Sepharose bis auf spezifische Aktivitäten von etwa 25 U/mg angereichert werden.
Die technisch-ökonomischen Vorteile der vorgeschlagenen Verfahrensweise bestehen darin, daß der Stamm Pseudomonas putida ATCC 17633 bereits primär im Vergleich zu bekannten Stämmen ein Vielfaches an Enzymaktivität produziert. Das ist sowohl der Eigenheit des eingesetzten Stammes geschuldet, der sich darin von allen anderen untersuchten Pseudomonas putida-Stämmen unterscheidet, als auch den speziellen Belüftungsbedingungen, d. h. der eingeschränkten Sauerstoffversorgung. Weitere Vorteile bringen das Aufschlußverfahren durch Einfrieren und die Anreicherung des Enzyms an 10-Carboxydecylsepharose. Das
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5156966A (en) * 1989-10-13 1992-10-20 Toyo Jozo Kabushiki Kaisha L-carnitine dehydrogenase and process for its production

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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US5156966A (en) * 1989-10-13 1992-10-20 Toyo Jozo Kabushiki Kaisha L-carnitine dehydrogenase and process for its production

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