DD268975A1 - Verfahren zur herstellung von enzym-traeger-komplexen - Google Patents
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Abstract
Es wird ein Verfahren zur Herstellung von Enzym-Traeger-Komplexen beschrieben, mit dessen Hilfe es moeglich ist, in ein im wesentlichen aus vinylaromatischen Monomeren hergestelltes Polymer gleichzeitig Aminomethyl- und Aldehydgruppen einzufuehren und an dasselbe Enzyme oder Proteine kovalent zu binden. Das Verfahren besteht darin, dass in das Polymere durch aufeinanderfolgende polymeranaloge Reaktionen zunaechst Chlormethyl- und dann Hexamethylentetraaminomethyl-Gruppen eingefuehrt werden und diese dann durch Einwirkung einer nicht zu ihrer vollstaendigen Umsetzung zu Aminomethylgruppen ausreichenden Menge Saeure simultan zum Teil zu Aldehyd- und zum Teil zu Aminomethyl-Gruppen umgesetzt werden. Derart gemischt funktionalisierte Polymere koennen direkt mit Enzymen oder anderen Biokatalysatoren zur Reaktion gebracht werden, wodurch letztere kovalent an das Polymere gebunden werden. Mit Hilfe der immobilisierten Enzyme koennen chemische Umsetzungen, die fuer die Lebensmittel- und Pharmaindustrie Bedeutung haben, speziell der enzymatische Abbau vorhydrolysierter Staerke zu Glucose, die Invertierung von Saccharose und die Gewinnung verschiedener L-Aminosaeuren aus ihren synthetisch hergestellten D,L-Formen, besonders vorteilhaft durchgefuehrt werden.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung funktionalisierter Polymerer auf Styrenbasis, an die Enzyme oder andere Biokatalysatoren ohne weitere Vorbehandlung kovalent gebunden werden können. Die so herstellbaren Enzym-Träger-Komplexe können in der Lebensmittelindustrie sowie in der chemischen und pharmazeutischen Industrie angewendet werden. Solche Anwendungsfälle sind beispielsweise die enzymatische Spaltung vorhydrolysierter Stärke zu hochwertiger Glucose, die Invertierung von Saccharose und die Herstellung verschiedener L-Aminosäuren aus ihren D, L-Formen.
In den DD-PS 141977,142131 und 149679 sind Verfahren zur Herstellung von Trägern auf Styrenbasis und zur Bindung von Enzymen an dieselben beschrieben. Ferner wird an dieser Stelle dargestellt, daß die Anwendung von Enzymen in immobilisierter Form besondere technische und ökonomische Vorteile bedingt, die sich vor allem in einer wesentlichen Enzymersparnis, einer Stabilisierung der Enzyme, einer erhöhten Endprodukt-Reinheit, erheblich kürzeren Reaktions- und Verweilzeiten sowie in der Möglichkeit einer kontinuierlichen Prozeßführung mit den damit verbundenen Vorteilen äußern.
Bei der Immobilisierung von Enzymen muß nun aber auf jeden Fall solchen Verfahren der Vorzug gegeben werden, bei denen das Enzym durch Hauptvalenzverbindungen an den Träger gebunden ist, weil erfahrungsgemäß nur so eine Inaktivierung des Enzym-Träger-Komplexes durch allmähliches Auswaschen des Enzyms verhindert werden kann.
Derartige Verfahren sind in der Literatur vielfach beschrieben (G.BAUM, Biotechnol. Bioeng. 17, [1975], 253-270; G. MANECKE, W. BEIER, Angew. Makromol. Chem. 97, (1981), 23-33; G.P.ROYER, Reviews in Catal. Rev.-Sci. Eng. 22, [1980], 29-73; G. MANECKE, H. G. VOGT, Biochemie 62, [1980], 603-613; R.GOLDMAN, L.GOLDSTEIN, E.KATCHALSKI in .Biochemical Aspects of Reactions un Solid Supports [Stark, G. A. Ed.], Acad. Press, New York [1971 ]), wobei speziell die Bindung des Enzyms über am Träger fixierte Aldehydgruppen, die durch Umsetzung eines Aminogruppen enthaltenden Polymeren mit Gutaraldehyd eingeführt werden, zu günstigen Trägern führt (vgl. o.g. Veröffentlichung von BAUM und DD-PS 149679). Bei der Herstellung solcher Trägermaterialien existiert aber der Nachteil, daß die beispielsweise als Zwischenprodukt bei der in DD-PS 79152 beschriebene Synthese relativ leicht zugänglichen Polymeren mit Aminomethylgruppen noch einem zusätzlichen Syntheseschritt, nämlich der Behandlung mit Glutaraldehyd unterworfen werden müssen. Andere Verfahren zur Aktivierung von Trägern zwecks kovalenter Bindung von Enzymen sind z. B. von GOLDMAN et al. .Biochemical Aspects of Reactions on Solid Supports" (G.A.StarkEd.), Acad. Press, New York(1971);WELBOECKundJAWOREK(Chmia29I1975],109);MANECKE(Chimia 28 [1974], 467) und LYNN (»Immobilized Ezymes, Antigenes, Antibodies and Peptides", (H.H.Weetall Ed.), Marcel Dekker Inc., New York [1975], 1,1) angegeben. Sie alle bestehen darin, daß der bereits funktionalisierte Träger mit einem Agens behandelt wird, das mit ihm hauptvalenzmäßig reagiert und zusätzlich eine reaktive chemische Gruppierung enthält, die das später zugegebene Enzym kovalent bindet.
Die bekannten Verfahren zur effektiven Bindung des Enzyms an den Träger erfordern also grundsätzlich die Anwendung eines Hifisstoffes wie Glutaraldehyd usw. und eines zusätzlichen Arbeitsganges. Dabei muß eventuell mit toxikologisch bedenklichen Substanzen wie Chinonen oder Triazinderivaten gearbeitet werden, so daß der Einsatz des gebildeten Enzym-Träger-Komplexes nicht zur Herstellung oder Behandlung von Lebensmitteln oder Pharmazeutika geeignet (st oder nur nach aufwendigen Reinigungsoperationen möglich wird.
Ziel der Erfindung
Ziel der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines Trägers für immobilisierte Enzyme, das ökonomisch günstig und ohne zusätzliche Aktivierung des Trägers Enzyme stabil und in aktiver Form zu binden vermag.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die oben genannten Nachteile der bisher bekannten technischen Problemlösungen dadurch zu vermeiden, daß ein Träger verwendet wird, der von vornherein direkt an das Polymergei üst gebundene Aldehydgruppen enthält, mit denen funktioneile Gruppen des zu bindenden Enzyms unter Ausbildung von Hauptvalenzbindungen reagieren können, und cVß ein den oben angegebenen Zwecken entsprechendos Trägerpolymerisat neben den Aldehydgruppen noch primäre oder sekundäre Aminogruppen enthält.
Sei dem Versuch, Trägerpolymere auf Styren-Basis vim Zv, eck der Immobilisierung von Enzymen an denselben herzustellen, die am Polymergerüst nebeneinander AldehydoMppen z<" Kovalenten Bindung dieser Enzyme und (vorzüglich primär Aminogruppen enthalten sollten, ergab sich überraschenderweise, daß es genügt, bei dem in DD-PS 1Λ9679 genannten und an sich bekannten (DD-PS 79152) Verfahren der Zersetzung eines Reaktionsproduktes aus mit Divinylbenzen vernetztem Poly(chlormethylstyren) mit Hexamethylentetramin (Urotropin) mittels Säure die angewandte Säuremenge gezielt herabzusetzen, um in einem Reaktionsschritt das in erwünschter Weise gemischt funktionalisierte Trägermaterial zu erhalten. Während man mit dem Ziel, ein nur Aminomethylgruppen enthaltendes Polymeres (d. h. vernetztes Polyfaminorr ethylstyren!), zu erhalten, eine Menge an Umsetzungsprodukt aus vernetztem Poly(chlormethylstyren) mit Urotropin, die einer molaren Monge der Monomereinheit entspricht, mit mindestens 500ml konzentrierter Salzsäure in einem geeigneten Lösungsmittel (z. B. Methanol) durch Kochen am Rückfluß umsetzt, bewirkt eine Senkung der Salzsäuremenge auf weniger als 50% der ungegebenen Menge eine nachweisbare Bildung von Aldehydgruppen; bei einer Senkung auf weniger als 25% der oben angegebenen Menge treten Aldehyd- und Aminomethylgruppen in vergleichbaren Mengen auf.
Es konnte festgestellt werden, daß die so gewonnenen gemischt funktionalisierten Trägerpolymeren in der gleichen Weise zur Bildung eines Enzym-Träger-Komplexes mit technisch ausnutzbarer Aktivität befähigt sind, wie die nach uinem herkömmlichen Verfahren hergestellten und ausschließlich Aminomethylgruppen enthaltenden Polymeren nach einer Aktivierung mit Glutaraldehyd, Benzochinon oder anderen Mitteln. Dabei wurde eine ähnliche Abhängigkeit der Aktivität des Enzym-Träger-Komplexes von der physikalischen Struktur des Trägerpolymeren beobachtet, wie sie in DD-PS 149679 beschrieben ist, d.h. es ergab sich, daß nur poröse Trägerpolymere eine technisch ausnutzbare Aktivität vermitteln, und unter ihnen solche, deren Po.-enstruktur durch Verwendung von 0,75 bis 0,90Gew.-Teilen eines porenbildenden Hilfsstoffes pro Gew.-Teil Monomere, die sich wiederum aus vinylaromatischen Stoffen mit einer Vinylgruppe und vernetzenden Monomeren mit mindestens zwei nicht konjugierten Vinylgruppen im Massenverhältnis 8:2 bis 9,5:0,5 zusammensetzten, determiniert wird, die besten Ergebnisse zeigen.
fie Herstellung der erfindungsgemäßen Trägerpolymere für immobilisierte Enzyme geht dementsprechend folgendermaßen vorsieh:
Es wird ein Gemisch aus monovinylaromatischen Verbindungen und vernetzenden Monomeren, dem vorzugsweise ein porenbildender Hilfsstoff zugesetzt wird, wobei für diese drei Komponenten vorteilhaft die oben angegebenen gegenseitigen Verhältnisse eingehalten werden, hergestellt. Als monovinylaromatlsche Komponenten kommen vorzüglich Styron oder ein Alkylderivat desselben in Frage, als Vernetzer vorzüglich Divinylbenzen oder eine andere Verbindung mit zwei oder mehr nicht konjugierten Doppelbindungen. Als porenbildender Hilfsstoff kommt jeder Stoff in frage, der mit den Monomeren mischbar ist, aber das entstehende Polymere nicht löst und so wenig quillt, daß bei der Polymerisation eine Phasentrennung eintreten muß. Es werden vorzüglich paraffinische Kohlenwasserstoffe im Siedebereich von 336 bis 523K (auch als Gemische) verwendet. Die Polymerisationsreaktion wird radikalisch initiiert, indem das beschriebene Gemisch in Gegenwart eines in der Wärme in Radikale zerfallenden Stoffes v/ie Dibenzoylperoxid oder Azo-bis(isobuttersäurenitril) auf Temperaturen zwischen 323und423K erwärmt wird. Diese Polymerisation wird vorzugsweise nach der bekannten Technologie der Suspensions-(Perl-)polymerisation durchgeführt. In das entstandene vernetzte Polymere werden nach bekannten Methoden an den aromatischen Kern gebundene Chlormethylgruppen eingeführt, wobei vorzugsweise die in GB-PS 654706,700470,649851 und 679852 beschrieben« Reaktion mit Monochlordimethylether in Gegenwart von Friedel-Crafts-Katalysatoren benutzt wird. Das so erhaltene chlormethylierte Polymere wird dann in einem organischen Lösungsmittel bei 303 bis 373K mit Hexamethylentetramin umgesetzt. Als Lösungsmittel kommen vorzugsweise niedere Alkohole und Halogenkohlenwasserstoffe in Frage, die bei einer Reaktionstemperatur sieden, so daß die Umsetzung unter Rückfluß vor sich geht. Anschließend wird das so umgesetzte Produkt mit einem organischen Lösungsmittel (vorzüglich Methanol) oder mit Wasser gewaschen und dnnn auf die erfindungsgemäße Weise zersetzt; der ZeiSetzung kann eine Nacharninierung mit Ammoniak zur Überführung der bei der Reaktion mit Hexamethylentetramin nicht umgesetzten Chlormethylgruppen zu Aminomethylgruppen vorangehtn: Eine Menge des feuchten Harzes, die 100g Trockensubstanz enthält, wird mit weniger als 120 (vorzugsweise 30 bis 70) ml konzentrieiter Salzsäure in etwa 500ml Methanol mindestens 2 (vorzugsweise 4 bis 8) Stunden unter Erwärmen bis zum Rückfluß gerührt. Dann wird es von der Flüssigkeit getrennt und mit Wasser säurefrei gewaschen. Das so hergestellte Trägerpolym are, das in Form wasserfeuchter opaker Kugelchen (vorzugsweise im Korngrößenbereich von 0,2 bis 0,8 mm) vorliegt und in dom IR-spektroskopisch oder nach anderen Methoden der organischen Analyse Aldehydgruppen und Aminomethylgruppen nebeneinander nachgewiesen werden können, wird folgendermaßen mit dem zu immobilisierenden Enzym beladen: Eine gegebene Menge des feuchten Trägermaterials wird in einer dem jeweiligen Enzym angepaßten Pufferlösung mit einer entsprechenden Enzymmonge mindestens vier Stunden bei Raumtemperatur gerührt. Nach vier- bis fünfmaligem Waschen mit einem Puffersystem (vorzugsweise Natriumacetatpuffer pH 5,0/1 M NaCI) wird die Probe unter Wasser bei 277 K aufbewahrt. Die Prüfung der Aktivität des Enzym-Träger-Komplexes erfolgt nach einer für den jeweiligen Fall spezifischen Methode; bei immobilisierter Glucoamylase wird beispielsweise folgende Arbeitsweise angewendet:
Der feuchte Enzym-Träger-Komplex wird in einer temperierbaren Fritte mit 1%iger Stärkelösung gerührt, und die entstandene Glucose durch Umsetzung mit 3,5-Dinitrosalicylsäure besti. imt.
Es ist bemerkenswert, daß schon sehr geringe relativo Mengen an Aldehydgruppen, wie sie bei Anwendung von Salzsäuremengen, die an der oberen Grenze des angegebenen Bereiches liegen, erhalten werden, für eine kovalente Bindung befriedigender Enzymaktivitäten ausreichen. Ferner ist es interessant, c'aß bei den erfindungsgemäßen Trägerpolymeren die bisher übliche Umsetzung mit einem die Bindung des Enzyms vermittelnden Agens nicht nur unnötig, sondern sogar in bezug auf die Aktivität des Enzym-Ttäger-Komplexes schädlich ist.
der Erfindung boschreiben zu wollen:
sowie 5g MgSO4 · 7H2O aufgelöst. Dann wird durch Zugabe von 1,75g NaOH eine Mg(OH)2-Suspension hergestellt, au der bei338K ein Gemisch aus 114,0g Styren; 25,3g eines technischen Divinylbenzens, das 54,2 Gew.-% Divinylbenzen und 38,5Gew.-%
und 0,75g Azo- bis (isobuttersäurenitril) gegeben wird. Dieses Gemisch wird durch Rühren zu Tröpfchen von etwa 0,35mmmittlerem Durchmesser verteilt. Unter fortgesetztem Rühren wird 4 Stunden bei 343K und 4 Stunden bei 373K polymerisiert.
gebracht. Sowohl durch den Mantel, wie auch durch das Polymerisat werden Wasserdampf von etwa 0,12 MPa Druck geleitet, bisdas Kondensat des Dampfes, der das Polymerisat durchströmt hatte, keine organischen Bestandteile mehr enthält. Da» nunkreidig weiß aussehende Polymerisat wird bei 363K getrocknet und die Kornfraktion von 0,2 bis 0,5mm zur weiteren
50g dieses Polymerisates werden mit 250ml Monochlordimethylether und 10g Zinntetrachlorid β Stunden unter
säurefrei ist. Das lufttrockene Material wird dann in ein Gemisch von 360ml Methanol und 60g Hexamethylentetramin gegebenund 8 Stunden bei 303K gerührt. Dann wird es wieder abgetrennt, mit Methanol gewaschen und mit 400ml 25%iger
schließlich mit einem Gemisch aus 3GOmI Methanol und 40ml konzentrierter Salzsäure (etwa 30%ig) 6 Stunden unter Rühren am
mit dem an Aminomethylgruppen vergleichbar ist. Der Gehalt en ersteren wurde nach R. ULBRICH, A. SCHELLENBERGER, Z.
zu einem Wert von 2,79 mol pro g Trockensubstanz führte und damit auswies, daß nur etwa Va der nach dem elementaranalytischgemessenen Umsetzungsgrad bei der Chlormethylierung bei vollständiger Zersetzung zu erwartenden Aminomethylgruppenentstanden waren, hervor.
400mg des feuchten Trägermaterials wurden in 3ml Phosphatpuffer nach SÖRENSEN pH 7,0 gegeben. Nach Hinzufügen von50μΙ Glucoamylase (Firma NOVO Industries) (EC 3.2.1.3.)—was einem Aktivitätsangebot von etwa 1500U/g entsprach—wurdedie Probe 4 Stunden bei Raumtemperatur gerührt. Anschließend wurde über eine Fritte kurz abgesaugt und fünfmal mit 25mM
bei 277 K aufbewahrt.
a) Aktivitätstest
30 mg des mit Enzym beladenen feuchten Trägermaterials wurden in eine temperierbare, mit einem Glasrührer versehene Fritte gegeben. Nach Zugabe von 20 ml 1 %iger Zulkowsky-Stärkelösung in 25 mM Natriumacetatpufftsr pH 4,5 wurde bei 310 K1 ε min schnell gerührt und dann abgesaugt. Von der Probe wurden 2ml abgenommen und die Anzahl der reduzierenden Gruppen mit 3,5-Dinitrosalicylsäure (P. BERNFELD, Methods Enzymol. 1 (1955], 145) bestimmt. Die Aktivität des Glucoamylase-Polystyron-Komplexes beträgt 210U/g.
b) Stabilitätstest
bei erhöhten Temperaturen (315-370K) inkubiert und deren Aktivität gemessen. Außerdem erfolgte im batch-Versuch die
wurde die Aktivität der Probe nach der oben beschriebenen Verfahrensweise bestimmt.
500g des feuchten Trägermaterials wurden in einer Lösung von 30 mg Invertase (EC 3.2.1.26) aus Saccharomyces cerevisiae (Fa.
gerührt. Nach Absaugen der Enzymlösung über eine Fritte wurde der Enzym-Träger-Komplex fünfmal mit 1M NaCI/0,025M
entspricht. j
0,025M Natriumacotatpuffer pH 4,5 bei 297K durch enzymatische Bestimmung der freigesetzten Glucosemenge mit Hufe der
angegebenen Bedingungen katalysiert.
500g feuchtes Trägermaterial wurden in einer Lösung von 50mg Aminoacylase (EC 3.4.1.14) aus Schweinenieren (Fa. Serva,
vom Trägermaterial mit Hilfe einer Fritto wurde dor Enzym-Träger-Komplex fünfmal mit 1M NaCI/0,1 M Phosphatpuffer pH 7,0und dreimal mit 0,"! M Phosphatpuffer pH 7,0 gewaschen und anschließend bei 277 K unter Wasser aufbewahrt.
(S. MOORE, W. Η.STEIN [1954], J. Biol. Chem. 211,907), wobei 1U die Freisetzung von 1 μΜοΙ L-Alanin unter den obenangegebenen Bedingungen katalysiert.
Claims (6)
1. Verfahren zur Herstellung von Enzym-Träger-Komplexen, gekennzeichnet dadurch, daß ein im wesentlichen aus Benzylhexamethylentetraamino-Einheiten bestehendes Copolymeres mit einer .nicht zur vollständigen Umsetzung derselben in Benzylamin-gruppen ausreichenden Mengen Säuro in einem organischen Lösungsmittel behandelt und anschließend ohne weitere Aktivierung mit einem Enzym oder Protein über kovalente Bindungen beladen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die zur Zersetzung der Benzylhexamethylentetraamino Gruppen verwendete Säuremenge geringer ist, als 4 Mol für eine dem Molekulargewicht der Monomereneinheit entsprechende Gewichtsmenge des trockenen Polymeren.
3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß zur Zersetzung der Bonzylhexarnethy' entetraamino-Gruppen Salzsäure angewendet wird.
4. Verfahren räch H „n Ansprüchen 1 bis 3, gekennzeichnet dadurch, daß ein mit Glucoamylase beladenes furiKtionafisiertes Polymeres zur enzymatischen Spaltung von Stärke oder deren Vorhydrolysaten verwendet wird.
5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, gekennzeichnet dadurch, daß ein mit Invertase beladenes funktionalisiertes Polymeres zur enzymatischen Spaltung von Saccharose in Glucose und Fructose verwendet wird.
6. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 5, gekennzeichnet dadurch, daß ein mit Arninoarylase beladenes funktionalisiertes Polymeres zur Gewinnung verschiedener L-Aminosäuren aus ihren synthetisch herstellbaren D, L-Formen verwendet wird.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DD24733983A DD268975A1 (de) | 1983-01-19 | 1983-01-19 | Verfahren zur herstellung von enzym-traeger-komplexen |
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Publications (1)
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