JPH0362393B2 - - Google Patents

Info

Publication number
JPH0362393B2
JPH0362393B2 JP23284286A JP23284286A JPH0362393B2 JP H0362393 B2 JPH0362393 B2 JP H0362393B2 JP 23284286 A JP23284286 A JP 23284286A JP 23284286 A JP23284286 A JP 23284286A JP H0362393 B2 JPH0362393 B2 JP H0362393B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
acid
enzyme
nad
reaction
mandelic acid
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired
Application number
JP23284286A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JPS6387986A (en
Inventor
Yukinae Yamazaki
Hidekatsu Maeda
Hideo Suzuki
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Original Assignee
Agency of Industrial Science and Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Agency of Industrial Science and Technology filed Critical Agency of Industrial Science and Technology
Priority to JP23284286A priority Critical patent/JPS6387986A/en
Publication of JPS6387986A publication Critical patent/JPS6387986A/en
Publication of JPH0362393B2 publication Critical patent/JPH0362393B2/ja
Granted legal-status Critical Current

Links

Landscapes

  • Preparation Of Compounds By Using Micro-Organisms (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】[Detailed description of the invention]

〔技術分野〕 本発明は、ペニシリン系やセフアロスポリン系
抗生物質又はエフエドリン等の交感神経作用薬等
の医薬品の原料もしくは合成中間体として有用な
マンデル酸の左旋性光学活性体〔(R)−左旋性マ
ンデル酸〕(以下、単に左旋性マンデル酸という)
を、その合成に必要な酵素をくり返し利用しなが
ら行う連続反応によつて工業的に有利に製造する
方法に関するものである。 〔従来技術〕 左旋性のマンデル酸の製造法としては、ラセミ
体の分別結晶による光学分割法、クロマトグラフ
イーによる光学分割法、有機化学的な不斉合成法
等が知られているが、これらの方法は、操作が煩
雑であるとか、収率が低い、生成物の光学純度が
低い等の欠点を有している。 一方、左旋性のマンデル酸を得るために、ベン
ゾイルギ酸を微生物菌体を用いて不斉還元する方
法(特開昭57−198096号公報)も知られている。
この方法によれば、前記の公知方法の欠点は除去
されるものの、微生物のプロテアーゼによる自己
消化のための活性低下が避けられず、また菌体内
成分や培地成分による製品の汚染・純度低下の問
題等が残る。本発明者らは、微生物菌体を用いず
に、微生物から取出した酵素を用いて合成するこ
とを考え、ストレプトコツクス属に属する微生物
から取出した酵素がその目的に適合することを見
出し、実際にこの酵素を応用して左旋性マンデル
酸を製造した。しかし、この方法は単なる反応槽
内で酵素を使用するものであり、回分反応ごとに
高価な酵素を使い捨てにする点で、経済性の上か
ら問題があつた。 〔目的〕 本発明者らは、酵素のくり返し使用をはかるべ
く鋭意研究を重ねた結果、上記の酵素及び反応に
必要な還元剤である還元型ニコチンアミド・アデ
ニン・ジヌクレオチド(NADH)をその場で再
生するために必要な他の1つの酵素を限外濾過器
の中で使用すれば、1週間以上連続的に左旋性マ
ンデル酸を生産できることを見出し、本発明を完
成するに致つた。 〔構成〕 即ち、本発明によれば、ストレプトコツクス属
細菌由来のベンゾイルギ酸還元能を有する酵素A
とギ酸脱水素酵素の溶液を限外濾過器に入れ、ベ
ンゾイルギ酸とギ酸を含む基質液を流して限外濾
過を行いつつ酵素反応を行うことを特徴とするマ
ンデル酸の左旋性光学活性体の連続的製造法が提
供される。 次に、本発明における酵素反応を示す。 この反応において、ギ酸の電子がギ酸脱水酵素
の作用によつてNAD〔酸化型ニコチンアミド・ア
デニン・ジヌクレオチド〕に渡されて還元型
NAD〔NADH〕となる。このNADHの電子が酵
素Aによつてベンゾイルギ酸に立体選択的に移転
される結果、不斉還元が起こり左旋性のマンデル
酸が生成する。同時にNADHは元のNADに戻
る。上式のサイクルはマンデル酸を除去し、原料
のギ酸とベンゾイルギ酸を供給する限り回転し続
ける。本発明では、反応液からマンデル酸のみを
取り出すために限外濾過膜を利用する。限外濾過
膜は低分子化合物は通過させるが高分子は通さな
い。上式の反応液を限外濾過すると、酵素Aとギ
酸脱水素酵素は濾過されないで反応液中にとどま
り、生成物のマンデル酸のみ外へととり出され
る。ところで、上式からわかるようにNADは系
内に保持されればくり返し使用できる反応要素で
ある。NADは本来低分子化合物であるので、そ
のままでは限外濾過膜を通過してしまう。この通
過を防止するためには、例えば高分子化合物に結
合させればよい。以上述べたところから明らかな
ように本発明を構成する物質的要素は次の4点で
ある。 (1)ベンゾイルギ酸還元能を有する酵素A、(2)ギ
酸脱水素酵素、(3)限外濾過膜と装置、及びNAD
も反応器内に保持せんとする場合には、(4)NAD
を結合した高分子物質。 まず(1)の酵素Aはストレプトコツクス属の細菌
の菌体を破壊し抽出することによつて調製する。
このために用いる菌株として、例えばストレプト
コツクスフアエカリス(Streptococcus
faecalis)が挙げられる。培地及び培養条件とし
ては菌体の増殖が良く、目的の酵素活性が高いも
のであればどのようなものでもよく、例えば、ト
マトジユース培地を用いて30℃で15〜25時間振と
う培養するなどの方法が挙げられる。集菌した菌
体の破壊には超音波処理など通常の方法を用いれ
ばよく、このようにして可溶化された目的酵素を
精製するためには、アフイニテイークロマトグラ
フイーやイオン交換クロマトグラフイーなど通常
の方法を用いればよい。この精製は、必らずしも
目的酵素を単一の蛋白質として単離するほどに行
うことを必要としない。普通には、菌体に由来す
る低分子成分、多糖類、核酸及びプロテアーゼや
NADHオキシダーゼなど妨害作用をなす酵素を
除いて、比活性を100U/mg程度に上昇させたも
のでも十分である。このためには例えば色素結合
樹脂によるアフイニテイークロマトグラフイーが
効果的である。しかし本発明は、これらの記述に
よつて何ら限定されるものではない。 この酵素Aの性質は次の通りである。 (1) 活性測定法:0.1mリン酸緩衝液(PH7.5)2.5
ml、83mMベンゾイルギ酸(ナトリウム塩)水
溶液0.2ml、及び10mg/mlNADH水溶液0.05ml
を混合して基質液を調製し、30℃に保温する。
酵素A溶液20μを添加・混合し、340nmにお
ける吸光度の時間変化を測定して初速度を求め
る。ブランクとしてはベンゾイルギ酸水溶液の
代りに水を用いて測定を行い、その時の吸光度
の変化速度を先の値から差し引く。初速度とし
てNADHの1μmolを1分間に変化させる酵素
量を1単位(U)とする。 (2) 精製酵素の比活性:91U/mg・蛋白質 (3) 分子量:ゲル濾過法を用いて測定して7200±
2000。SDS・ポリアクリルアミドゲル電気泳動
法を用いて測定した場合には3400±2000であつ
た。従つて本酵素Aは分子量34000付近のサブ
ユニツト2個からなる二量体蛋白であると考え
られる。 (4) 等電点:4.9〜5.0。 (5) 至適PH:ベンゾイルギ酸を基質とした場合は
PH4.5。逆反応として(−)−マンデル酸を基質
としてNAD+を補酵素として用いた場合はPH
9.2。 (6) 安定性に及ぼすPHの影響:種々の緩衝液を用
いて55℃で1時間加熱した時の残存活性が70%
を越えるPH領域は6.2〜5.5。同条件でPH7.2以上
及びPH4以下では完全に失活する。故に本酵素
AはPH6.5〜5.0の微酸性条件において安定であ
る。 (7) 加熱に対する安定性:2mMのメルカプトエ
タノールを含む0.1Mのリン酸緩衝液(PH6.0)
の中で1時間加熱した時の残存活性は、55℃で
35%、50℃で50%、45℃で80%であつた。次に
1%の牛血清アルブミンを安定化剤として共存
させた時の結果(残存活性)は55℃で70%、50
℃で87%、45℃で96%であつた。 (8) (−)−マンデル酸を製造するための実際の
条件を膜した条件における安定性:ベンゾイル
ギ酸0.1m、NAD1mM、2−メルカプトエタ
ノール2mM、牛血清アルブミン1%、ソルビ
ン酸カリウム(防腐剤)0.02%を含む15mMリ
ン酸緩衝液(PH6.3)に溶かした状態で30℃に
保温した時の酵素Aの残存活性は、5日目に73
%、10日目に52%、19日目に42%であつた。 (9) 冷蔵保存時における安定性:2mMのメルカ
プトエタノールと3.2Mの硫安を含む15mMリ
ン酸緩衝液(PH6.3)の中で4℃において、1
ケ月の間ほとんど失活しなかつた。 (10) ミカエリス定数:0.1Mリン酸緩衝液(PH
7.5)を用い30℃で測つた場合、ベンゾイルギ
酸については3.3mM、NADHについては35μ
mであつた。 (11) 基質特異性:補酵素としてNADPHは
NADHの代用にならない。本酵素Aはベンゾ
イルギ酸以外にも各種のα−ケト酸を還元す
る。代表的なものは次の通りである(括弧の内
の数値は、10mMの濃度で使用した時の反応速
度をベンゾイルギ酸による値を100としての%
である):α−ケト酪酸(3)、α−ケトバレリ
アン酸(23)、α−ケトカプロン酸(24)、α−
ケトイソバレリアン酸(67)、α−ケトイソカ
プロン酸(132)、α−ケト−β−メチルバレリ
アン酸(63)、フエニルピルビン酸(60)、3−
ブロムピルビン酸(152)、及び3−クロロピル
ビン酸(17)。α−ケト酸の中でもピルビン酸、
オキザロ酢酸、α−ケトグルタル酸などには全
く活性を示さなかつた。 (12) 反応の立体選択性:ベンゾイルギ酸と
NADHを基質にして生成するマンデル酸を抽
出して旋光度を測定し、またジアステレオメリ
ツク誘導体としてガスクロマトグラフイー法で
光学純度を測定したところ、(R)−(−)−マル
デル酸が100%の光学純度で生成していること
が確認された。一方逆反応としてNAD+
(−)−マンデル酸又は(+)−マンデル酸(ア
ルドリツチ社製)を用いて活性を測定したとこ
ろ、(−)−マンデル酸は完全に酸化されたが、
(+)−マンデル酸はごくわずかしか反応しなか
つた。 (13) 阻害剤:本酵素Aはいくつかの重金属イオ
ンによつて活性を阻害される。代表的なものを
次にかかげる(括弧内は0.1Mトリス/HCl緩
衝液PH7.5を用いて測定した時の残存活性を金
属イオン無添加時の値を100として%で示した
ものと、その時の金属イオン濃度である):
Cu2+(9%、1mM)、Zn2+(0%、1mM)、
Ni2+(55%、1mM)、Mg+(6%、0.1mM)、
Hg2+(31%、0.1mM)、Cd2+(2%、1mM)。
また本酵素Aは0.5mMの−クロロマーキユ
リーベンゾエートによつて完全に阻害され、1
mMの−エチルマレイミドによつても60%阻
害される。 このように、本酵素Aはベンゾイルギ酸還元能
を有する点で新規であり、かつ酵素として高い比
活性を有し、実用的条件下において、簡単に失活
することはなく、そして左旋性のマンデル酸を光
学純度100%で生成するなど優れた性質を持つ酵
素である。 次に(2)のギ酸脱水素酵素は、(1)のベンゾイルギ
酸還元能を有する酵素Aと同程度かそれ以上に安
定であつて、かつ触媒作用をなすPH域が酵素Aの
使用PH域と重複しているものならばどのようなも
のでもよい。例えば市販されているカンデイダボ
イデイニイ(Candida boidinii)菌のギ酸脱水素
酵素などがその例としてあげられる。なお
NADHの再生のための酵素としてはギ酸脱水素
酵素以外にもアルコール脱水素酵素やグルコース
脱水素酵素の使用が当然期待できる。しかしなが
ら、平衡定数や副産物(ギ酸脱水素酵素の場合に
は炭酸ガスであり、グルコース脱水素酵素の場合
にはグルコノラクトンである)の除去の容易さな
どの点から、ギ酸脱水素酵素が最も効果的である
と考えられる。 (3)の限外濾過膜については、マンデル酸は完全
に通過せしめるが、上記の2つの酵素を完全に阻
止するだけの孔径の細孔を有し、実際の使用条件
下では安定であり、そして酵素や高分子物質を吸
着するような不都合な性質を有しないものならど
のようなものでも使用される。このようなものと
して、例えばAmicon社のPM−10メンブレンや
PM−30メンブレン等があげられる。限外濾過装
置としては、上述のような膜をセツトして簡便に
使用できるものならどんなものでもよい。ただ
し、PH電極の投入口、PH調整用酸・アルカリ液の
供給口、基質液の供給口、炭酸ガスの出口及び撹
拌器を備えていなければならない。またPHを一定
に保つための制御装置(PHスタツト)が必要であ
る。 次に、(4)のNADを結合して高分子物質として
は、酸化型(NAD型)の時にギ酸脱水素酵素に
対する活性が高く、還元型(NADH型)の時に
酵素Aに対する活性が高いものであればどのよう
な構造のものでもよい。もちろん、水溶性である
ということと、使用する限外濾過膜を通過しない
だけの分子量(およそ10000以上)を持つことは
当然である。このようなものとしては、NADに
化学修飾をほどこして重合性官能基を有する誘導
体としたもの(例えば 6−〔2−〔−〔2−〔
−(2−メタクリルアミドエチル)カーバモイル〕
エチル〕カーバモイル〕エチル〕−NAD)を、ア
クリルアミドや−ジメチルアクリルアミド
とラジカル反応で共重合させたもの等があげられ
る。これらは公知の方法によつて容易に合成され
る(Agric.Biol.Chem.誌vol.45、p.2277(1981);
特許第1226768号公報)。 最後に、反応の実施条件について説明する。ま
ず緩衝液を選定するが、中性付近で通常用いられ
るものならどのようなものでもよく、例えばリン
酸緩衝液やトリス・塩酸緩衝液などが挙げられ
る。緩衝液の濃度は数mMから200〜300mMの範
囲で適当に選べばよい。これよりも高濃度であつ
てもさしつかえない。PHは4から8の間の適当な
値とする。どの値にするかは、2つの酵素及び
NADとNADHの安定性及び2つの酵素が活性を
示すPH領域を考慮して決定する。本発明に用いる
ベンゾイルギ酸還元能を有する酵素Aの至適PHは
4.5付近であり、また加熱に対して最も安定とな
るPHは5.8〜6.0である。またギ酸脱水素酵素のう
ちCandida boidinii菌由来のものの至適PHは8で
あり、安定PH域は7付近である。これらの事実と
NADがアルカリ性で不安定であり、NADHが酸
性において不安定であることを考えると、上の酵
素の組合せの場合にはPHは6.5〜7.5とするのが実
際的であると結論される。この緩衝液には酵素の
安定化剤として2−メルカプトエタノールやジチ
オスレイトールを0.1〜2mM程度添加しておく
ことが望ましい。また硫安などの塩が安定化に効
果を示す場合にはそれも加えるよい。酵素Aと
Candida boidiniiのギ酸脱水素酵素は1〜2mの
硫安の存在で顕著に安定化される(PH6.5で60℃
で1時間加熱した時、硫安がないと両酵素とも完
全に失活するが、1Mの硫安があれば酵素Aは完
全に安定であり、ギ酸脱水素酵素も50%の活性を
維持する)。高濃度の硫安には酵素反応時の防腐
効果やマンデル酸の有機溶媒抽出時の塩析効果も
期待できる。これらの緩衝液にベンゾイルギ酸と
ギ酸をナトリウム塩やカリウム塩など適当な塩の
形として溶解させて基質液を調製する。NADを
使いすてにする場合はそれも基質液に添加する。
その濃度は、ベンゾイルギ酸の場合は、酵素Aに
対するミカエリス定数(30℃、PH7.5で3.3mM)
の10倍程度(約30mMないしは0.5%)から100倍
程度(約300mMないし5%)とすることが実際
的である。もちろんこの範囲以上でも以下でもさ
しつかえない。ギ酸の濃度はベンゾイルギ酸の濃
度より過剰とするが、2倍程度で十分である。
NADの濃度は使用するPHでのNAD及びNADH
の安定性及び全反応速度として要求される反応速
度等を考慮して適当に決定すればよいが、普通に
は酵素Aに対するNADHのミカエリス定数(30
℃、PH6.5で94μm)の10〜100倍程度の濃度とす
れば十分である。もちろんこれよりもはるかに低
い値にして、回転数(ターンオーバーナンバー)
を向上させることもさしつかえない。この基質液
の一定量を限外濾過器に入れ、これに両酵素と、
必要があれば高分子に結合されたNADを加えて
反応を開始する。この場合は、もちろん基質液に
NADは添加しない。酵素の使用量はリアクター
として要求される反応速度に応じて適当に決めれ
ばよい。高分子に結合されたNADの濃度は遊離
のNADを基質液に添加して使用する場合の濃度
に応じて設定するが、分解による減少を見こんで
大き目にしておくのがよい。 反応温度は30℃前後とするのがよい。反応液は
常時撹拌する。反応開始と同時に又は所定の変換
率に達してから吸引又は加圧により限外濾過を行
う。そして同時に濾過速度と等しい速度で基質液
を供給して限外濾過器内の反応液の体積を一定に
保つようにする。またPHスタツトにより所定のPH
に保つようにする。中性〜微酸性で反応を行う
と、例えば、ギ酸ナトリウムを基質にした時は、
ギ酸脱水素酵素の反応で生じるNaHCO3が分解
してCO2ガスが逃げNaOHが後に残る結果PHが
徐々に上昇するため、これを抑えるべく、酸の添
加を必要とする。このための酸としてはギ酸や酢
酸などが適当である。限外濾過の速度と基質液の
供給速度は所望の変換率を達成するように調節す
る。流速を上げれば変換率が低下することは当然
である。限外濾液から生成物の左旋性マンデル酸
を単離するには、有機溶媒抽出など通常の方法を
応用すればよい。例えば、反応液を希塩酸や希硫
酸などでPH2〜1の酸性とし、次で必要があれば
食塩などの塩を飽和濃度にまで溶かしこんだ後酢
酸エチルやエーテルなどで抽出を行うと、反応液
中のマンデル酸はほぼ定量的に回収される。有機
層を分け取り溶媒を留去した残渣を熱したベンゼ
ンなどに溶解させ、必要があれば活性炭処理等を
施した上で熱濾過を行い、濾液を冷却すれば左旋
性マンデル酸の結晶を得る。 〔実施例〕 次に実施例について本発明を更に詳細に説明す
る。 実施例 1 公知の方法(J.Biochem.,95109(1984)で合
成した 6−〔2−〔−〔2−〔−(2−メタクリ
ルアミドエチル)カーバモイル〕エチル〕カーバ
モイル〕エチル〕−NADを、アクリルアミドを
K2S2O8とNaHSO3の組合せを開始剤として用い
る公知の方法(Agric.Biol.Chem.、452277
(1981))でラジカル共重合させ、限外濾過と透析
によつて精製後、凍結乾燥して、ポリアクリルア
ミド結合NAD(以後PA−NADと略記する)の白
色固体を得た。上記文献に記載の方法で分析した
ところ補酵素的に活性なNADの含量は
48.8μmol/gであり、平均分子量は56000であつ
た。 ストレプトコツクス フアエカリス
(Streptococcus faecalis)IFO 12964をトマトジ
ユース・麦芽エキス・CoSO4の培地で通気撹拌培
養した。30℃で24時間培養後、集菌し、菌体を超
音波処理してベンゾイルギ酸還元能を有する酵素
Aを抽出した。これをMatrex Red A樹脂を充
填したカラムによるアフイニテイークロマトグラ
フイーで精製し、比活性621U/mg蛋白質の標品
を得た。カンデイダ ボイデイニイ(Candida
boidinii)のギ酸脱水素酵素はベーリンガー・マ
ンハイム・山之内社から購入した。 アミコン社製のPM−30メンブレンと52型限外
濾過器を用いて図面に示すようなバイオリアクタ
ーを組み立てた。0.1Mのリン酸乾燥液中に0.1M
ベンゾイルギ酸ナトリウム、0.2Mギ酸ナトリウ
ム、2mM 2−メルカプトエタノール、1M硫
安及び0.03%のソルビン酸カリウムを含む基質液
を調製し、PHを6.5とした。これが図の基質液B
である。基質液の一部をとり牛血清アルブミンを
0.2%、酵素Aを100U/ml、ギ脱水素酵素を
10U/ml及びPA−NADをNADの濃度として1
mMになるように溶かし、最後に新たに基質液を
加えて全量を30mlとしてから限外濾過器に入れた
(図の反応液A)。PHスタツトのリザーバーには、
5Mギ酸水溶液Dが入つている。限外濾過器は30
℃の恒温槽に浸した。反応液Aをマグネチツクス
ターラーで撹拌しつつ、ポンプP2で9ml/hrの
速度で吸引して限外濾過を行い、同時にポンプ
P1で基質液Bを9ml/hrの速度で供給した。PH
が上昇してくるから、それを6.5に保つようにPH
スタツト5を用いて5Mギ酸Dを添加した。発生
するCO2ガスはフイルター4を経て排出させた。
120時間目にPA−NADをNADとして30μmol追
加添加した。P2から出る濾液Cは毎日の分を
別々に貯めた。それぞれの水溶液は6NHClでPH
<2とし、次で食塩飽和の下に水層と同量、半分
量及び1/3量の酢酸エチルで抽出した。水層ごと
に酢酸エチル層を合し、濃縮後沸とうベンゼンか
ら結晶化させて左旋性マンデル酸の板状晶を得
た。収量、融点、比旋光度は表1の通りである。
流速の低下は膜の目づまりのためと思われる。収
率は濾液の体積を元に、そこに含まれていたベン
ゾイルギ酸の量に基いて計算した。融点と旋光度
のデータは光学的に純粋な左旋性マンデル酸につ
いての文献値と一致した。8日目からの収率低下
は両酵素の失活によるものであることがわかつ
た。この表の結果から1週間以上にわたつて、こ
のバイオリアクターで左旋性マンデル酸を連続生
産できることが明らかとなつた。
[Technical field] The present invention relates to a levorotatory optically active form of mandelic acid [(R)-levorotatory compound which is useful as a raw material or synthetic intermediate for pharmaceuticals such as penicillin and cephalosporin antibiotics or sympathomimetic drugs such as ephedrin. mandelic acid] (hereinafter simply referred to as levorotatory mandelic acid)
The present invention relates to an industrially advantageous method for producing , by a continuous reaction in which enzymes necessary for the synthesis are repeatedly used. [Prior Art] Known methods for producing levorotatory mandelic acid include optical resolution using fractional crystallization of racemic form, optical resolution using chromatography, and asymmetric synthesis using organic chemistry. This method has disadvantages such as complicated operations, low yield, and low optical purity of the product. On the other hand, in order to obtain levorotatory mandelic acid, a method of asymmetric reduction of benzoylformic acid using microbial cells (Japanese Patent Application Laid-open No. 198096/1983) is also known.
According to this method, although the drawbacks of the above-mentioned known methods are eliminated, a decrease in activity due to autolysis by microbial proteases is unavoidable, and there are also problems of product contamination and loss of purity due to intracellular components and culture medium components. etc. remain. The present inventors considered synthesis using enzymes extracted from microorganisms without using microbial cells, and found that enzymes extracted from microorganisms belonging to the genus Streptococcus are suitable for the purpose, and have actually applied this enzyme to produce levorotatory mandelic acid. However, this method simply uses enzymes in a reaction tank, and has an economical problem in that the expensive enzymes are discarded for each batch reaction. [Purpose] As a result of intensive research aimed at the repeated use of enzymes, the present inventors discovered that the above enzyme and reduced nicotinamide adenine dinucleotide (NADH), which is a reducing agent necessary for the reaction, could be used on the spot. The present inventors have discovered that levorotatory mandelic acid can be produced continuously for more than one week by using one other enzyme required for regeneration in an ultrafilter, and have completed the present invention. [Configuration] That is, according to the present invention, enzyme A having the ability to reduce benzoylformate derived from a bacterium of the genus Streptococcus
and formate dehydrogenase are put into an ultrafilter, and a substrate solution containing benzoylformic acid and formic acid is passed therethrough to carry out ultrafiltration while carrying out an enzyme reaction. A continuous manufacturing method is provided. Next, the enzymatic reaction in the present invention will be shown. In this reaction, electrons from formic acid are transferred to NAD (oxidized nicotinamide adenine dinucleotide) by the action of formate dehydratase, resulting in reduced form of NAD (oxidized nicotinamide adenine dinucleotide).
It becomes NAD [NADH]. As a result of stereoselective transfer of electrons from NADH to benzoylformic acid by enzyme A, asymmetric reduction occurs and levorotatory mandelic acid is produced. At the same time, NADH returns to its original NAD. The above cycle continues to rotate as long as mandelic acid is removed and the raw materials formic acid and benzoylformic acid are supplied. In the present invention, an ultrafiltration membrane is used to extract only mandelic acid from the reaction solution. Ultrafiltration membranes allow low-molecular compounds to pass through, but not macromolecules. When the reaction solution of the above formula is ultrafiltered, enzyme A and formate dehydrogenase remain in the reaction solution without being filtered, and only the product mandelic acid is taken out. By the way, as can be seen from the above formula, NAD is a reaction element that can be used repeatedly if it is retained within the system. Since NAD is originally a low-molecular compound, it will pass through the ultrafiltration membrane as it is. In order to prevent this passage, for example, it may be bonded to a polymer compound. As is clear from the above description, the following four material elements constitute the present invention. (1) Enzyme A with benzoylformate reducing ability, (2) formate dehydrogenase, (3) ultrafiltration membrane and device, and NAD
(4) NAD
A polymer substance that combines First, enzyme A (1) is prepared by destroying and extracting the cells of a bacterium belonging to the genus Streptococcus.
Bacterial strains used for this purpose include, for example, Streptococcus faecalis
faecalis). As the medium and culture conditions, any medium may be used as long as it allows for good growth of the bacterial cells and the desired enzyme activity is high, such as culturing with shaking at 30°C for 15 to 25 hours using tomato youth medium. Methods include: Conventional methods such as ultrasonication can be used to destroy the collected bacterial cells, and affinity chromatography, ion exchange chromatography, etc. can be used to purify the target enzyme solubilized in this way. Any normal method may be used. This purification does not necessarily need to be carried out to the extent that the target enzyme is isolated as a single protein. Usually, low-molecular components derived from bacterial cells, polysaccharides, nucleic acids, proteases, etc.
Excluding interfering enzymes such as NADH oxidase, enzymes with increased specific activity of about 100 U/mg are sufficient. For this purpose, for example, affinity chromatography using a dye-binding resin is effective. However, the present invention is not limited in any way by these descriptions. The properties of this enzyme A are as follows. (1) Activity measurement method: 0.1m phosphate buffer (PH7.5) 2.5
ml, 0.2ml of 83mM benzoylformic acid (sodium salt) aqueous solution, and 0.05ml of 10mg/ml NADH aqueous solution
Prepare the substrate solution by mixing and keep warm at 30℃.
Add and mix 20μ of Enzyme A solution, and measure the change in absorbance over time at 340 nm to determine the initial velocity. Measurement is performed using water instead of the benzoylformic acid aqueous solution as a blank, and the rate of change in absorbance at that time is subtracted from the previous value. As an initial rate, the amount of enzyme that changes 1 μmol of NADH in 1 minute is defined as 1 unit (U). (2) Specific activity of purified enzyme: 91U/mg protein (3) Molecular weight: 7200± as measured using gel filtration method
2000. When measured using SDS/polyacrylamide gel electrophoresis, it was 3400±2000. Therefore, this enzyme A is considered to be a dimeric protein consisting of two subunits with a molecular weight of around 34,000. (4) Isoelectric point: 4.9~5.0. (5) Optimal pH: When using benzoylformic acid as a substrate
PH4.5. In the reverse reaction, when (−)-mandelic acid is used as a substrate and NAD + is used as a coenzyme, the PH
9.2. (6) Effect of PH on stability: 70% residual activity when heated at 55℃ for 1 hour using various buffer solutions
The pH range exceeding 6.2 to 5.5. Under the same conditions, it is completely inactivated at pH 7.2 or higher and pH 4 or lower. Therefore, this enzyme A is stable under slightly acidic conditions of pH 6.5 to 5.0. (7) Stability against heating: 0.1M phosphate buffer containing 2mM mercaptoethanol (PH6.0)
The residual activity after heating for 1 hour at 55℃
35%, 50% at 50°C, and 80% at 45°C. Next, when 1% bovine serum albumin was coexisted as a stabilizer, the results (residual activity) were 70% at 55℃, 50%
It was 87% at ℃ and 96% at 45℃. (8) Stability under conditions that mirror the actual conditions for producing (-)-mandelic acid: 0.1 m benzoylformate, 1 mM NAD, 2 mM 2-mercaptoethanol, 1% bovine serum albumin, potassium sorbate (preservative) ) The residual activity of enzyme A when dissolved in 15mM phosphate buffer (PH6.3) containing 0.02% and kept at 30°C was 73 on the 5th day.
%, 52% on day 10 and 42% on day 19. (9) Stability during refrigerated storage: 1% at 4°C in 15mM phosphate buffer (PH6.3) containing 2mM mercaptoethanol and 3.2M ammonium sulfate.
It remained almost inactive for several months. (10) Michaelis constant: 0.1M phosphate buffer (PH
7.5) at 30℃, 3.3mM for benzoylformic acid and 35μ for NADH.
It was m. (11) Substrate specificity: NADPH as a coenzyme
Not a substitute for NADH. This enzyme A reduces various α-keto acids in addition to benzoylformic acid. Typical examples are as follows (the numbers in parentheses are % of the reaction rate when used at a concentration of 10mM, based on the value of benzoylformic acid as 100).
): α-ketobutyric acid (3), α-ketovaleric acid (23), α-ketocaproic acid (24), α-
Ketoisovaleric acid (67), α-ketoisocaproic acid (132), α-keto-β-methylvaleric acid (63), phenylpyruvic acid (60), 3-
Brompyruvate (152), and 3-chloropyruvate (17). Among α-keto acids, pyruvic acid,
It showed no activity against oxaloacetic acid, α-ketoglutaric acid, etc. (12) Stereoselectivity of reaction: with benzoylformic acid
Mandelic acid produced using NADH as a substrate was extracted and its optical rotation was measured, and its optical purity was measured as a diastereomeric derivative by gas chromatography. % optical purity. On the other hand, when the activity was measured using NAD + and (-)-mandelic acid or (+)-mandelic acid (manufactured by Aldrich) as a reverse reaction, (-)-mandelic acid was completely oxidized, but
(+)-Mandelic acid reacted only slightly. (13) Inhibitor: The activity of this enzyme A is inhibited by some heavy metal ions. Typical examples are listed below (in parentheses are the residual activity measured using 0.1M Tris/HCl buffer pH 7.5, expressed as a percentage with the value without metal ions added as 100), and metal ion concentration):
Cu 2+ (9%, 1mM), Zn 2+ (0%, 1mM),
Ni 2+ (55%, 1mM), Mg + (6%, 0.1mM),
Hg 2+ (31%, 0.1mM), Cd 2+ (2%, 1mM).
In addition, this enzyme A was completely inhibited by 0.5mM p -chloromercury benzoate, and 1
It is also inhibited by 60% by mM N -ethylmaleimide. As described above, this enzyme A is novel in that it has the ability to reduce benzoylformate, has high specific activity as an enzyme, is not easily inactivated under practical conditions, and is similar to levorotatory Mandel. It is an enzyme with excellent properties such as producing acid with 100% optical purity. Next, the formate dehydrogenase (2) is as stable as or more stable than the enzyme A having the benzoylformate reducing ability of (1), and the pH range in which it performs catalytic action is within the pH range used by enzyme A. Any item may be used as long as it overlaps with . For example, commercially available formate dehydrogenase from the Candida boidinii bacterium can be cited. In addition
In addition to formate dehydrogenase, alcohol dehydrogenase and glucose dehydrogenase can be expected to be used as enzymes for NADH regeneration. However, from the viewpoint of equilibrium constant and ease of removal of byproducts (carbon dioxide in the case of formate dehydrogenase and gluconolactone in the case of glucose dehydrogenase), formate dehydrogenase is the most It is considered to be effective. The ultrafiltration membrane (3) allows mandelic acid to pass through completely, but has pores with a pore size large enough to completely block the two enzymes mentioned above, and is stable under actual usage conditions. Any material can be used as long as it does not have the disadvantageous property of adsorbing enzymes or polymeric substances. For example, Amicon's PM-10 membrane and
Examples include PM-30 membrane. As the ultrafiltration device, any device may be used as long as it can be easily used by installing the above-mentioned membrane. However, it must be equipped with an input port for the PH electrode, a supply port for the acid/alkaline solution for pH adjustment, a supply port for the substrate liquid, an outlet for carbon dioxide gas, and a stirrer. A control device (PH stat) is also required to keep the pH constant. Next, as a polymer substance that binds NAD (4), it has high activity against formate dehydrogenase when it is in the oxidized form (NAD type), and has high activity against enzyme A when it is in the reduced form (NADH type). It may have any structure. Of course, it is water-soluble and has a molecular weight (approximately 10,000 or more) that does not pass through the ultrafiltration membrane used. As such, NAD is chemically modified to form a derivative having a polymerizable functional group (for example, N 6 -[2-[ N -[2-[ N
-(2-methacrylamidoethyl)carbamoyl]
Examples include those obtained by copolymerizing ethyl [carbamoyl] ethyl]-NAD) with acrylamide or N , N -dimethylacrylamide through a radical reaction. These are easily synthesized by known methods (Agric.Biol.Chem. vol. 45, p. 2277 (1981);
Patent No. 1226768). Finally, the conditions for carrying out the reaction will be explained. First, a buffer solution is selected, and any buffer solution that is normally used around neutrality may be used, such as a phosphate buffer solution or a Tris/hydrochloric acid buffer solution. The concentration of the buffer solution may be appropriately selected within the range of several mM to 200-300 mM. Concentrations higher than this are acceptable. PH is an appropriate value between 4 and 8. Which value to choose depends on the two enzymes and
It is determined by considering the stability of NAD and NADH and the PH region in which the two enzymes exhibit activity. The optimum pH of enzyme A having the ability to reduce benzoylformate used in the present invention is
The pH is around 4.5, and the most stable against heating is 5.8 to 6.0. Furthermore, among formate dehydrogenases, the optimum pH for the one derived from Candida boidinii bacteria is 8, and the stable pH range is around 7. These facts and
Considering that NAD is unstable in alkaline conditions and NADH is unstable in acidic conditions, it is concluded that it is practical to set the pH to 6.5 to 7.5 in the case of the above enzyme combination. It is desirable to add about 0.1 to 2 mM of 2-mercaptoethanol or dithiothreitol to this buffer as an enzyme stabilizer. In addition, if a salt such as ammonium sulfate has a stabilizing effect, it may also be added. Enzyme A and
The formate dehydrogenase of Candida boidinii is significantly stabilized by the presence of 1-2 m ammonium sulfate (60°C at pH 6.5).
When heated for 1 hour, both enzymes are completely inactivated in the absence of ammonium sulfate, but with 1M ammonium sulfate, enzyme A is completely stable, and formate dehydrogenase also maintains 50% activity). Highly concentrated ammonium sulfate can be expected to have a preservative effect during enzymatic reactions and a salting-out effect during organic solvent extraction of mandelic acid. A substrate solution is prepared by dissolving benzoylformic acid and formic acid in the form of an appropriate salt such as sodium salt or potassium salt in these buffer solutions. If NAD is to be used up, it is also added to the substrate solution.
In the case of benzoylformic acid, its concentration is the Michaelis constant for enzyme A (3.3mM at 30℃, pH 7.5).
It is practical to set the concentration to about 10 times (about 30mM or 0.5%) to about 100 times (about 300mM or 5%). Of course, it may be above or below this range. The concentration of formic acid should be in excess of the concentration of benzoylformic acid, but about twice that is sufficient.
The concentration of NAD is NAD and NADH at the pH used.
The Michaelis constant (30
It is sufficient to set the concentration to about 10 to 100 times that of 94 μm at ℃ and PH6.5). Of course, the rotation speed (turnover number) should be much lower than this.
It is also acceptable to improve the A certain amount of this substrate solution is put into an ultrafilter, and both enzymes and
If necessary, NAD bound to a polymer is added to initiate the reaction. In this case, of course, use the substrate solution.
No NAD added. The amount of enzyme used may be appropriately determined depending on the reaction rate required for the reactor. The concentration of NAD bound to a polymer is set depending on the concentration when free NAD is used by adding it to the substrate solution, but it is better to set it high to take into account the decrease due to decomposition. The reaction temperature is preferably around 30°C. The reaction solution is constantly stirred. Ultrafiltration is carried out by suction or pressurization at the same time as the reaction starts or after a predetermined conversion rate is reached. At the same time, the substrate liquid is supplied at a rate equal to the filtration rate to keep the volume of the reaction liquid in the ultrafilter constant. In addition, the specified pH is determined by the PH stat.
Try to keep it. When the reaction is carried out in neutral to slightly acidic conditions, for example, when sodium formate is used as the substrate,
NaHCO 3 generated by the reaction of formate dehydrogenase decomposes, CO 2 gas escapes, and NaOH is left behind, resulting in a gradual increase in PH. To suppress this, it is necessary to add acid. Suitable acids for this purpose include formic acid and acetic acid. The rate of ultrafiltration and feed rate of substrate liquid are adjusted to achieve the desired conversion. Naturally, increasing the flow rate will decrease the conversion rate. To isolate the levorotatory mandelic acid product from the ultrafiltrate, conventional methods such as organic solvent extraction may be applied. For example, if the reaction solution is made acidic with a pH of 2 to 1 using dilute hydrochloric acid or dilute sulfuric acid, then if necessary, salt such as common salt is dissolved to saturation concentration, and then extracted with ethyl acetate or ether. The mandelic acid contained therein is recovered almost quantitatively. Separate the organic layer, distill off the solvent, dissolve the residue in hot benzene, etc., if necessary, perform hot filtration after treating with activated carbon, etc., and cool the filtrate to obtain crystals of levorotatory mandelic acid. . [Example] Next, the present invention will be described in more detail with reference to Examples. Example 1 N6- [ 2- [ N- [2-[ N- (2-methacrylamidoethyl)carbamoyl]ethyl]carbamoyl]ethyl]- synthesized by a known method (J.Biochem., 95109 (1984)) NAD, acrylamide
A known method using a combination of K 2 S 2 O 8 and NaHSO 3 as an initiator (Agric.Biol.Chem., 452277
(1981)), purified by ultrafiltration and dialysis, and freeze-dried to obtain a white solid of polyacrylamide-bonded NAD (hereinafter abbreviated as PA-NAD). When analyzed using the method described in the above literature, the content of coenzyme-active NAD was found to be
It was 48.8 μmol/g, and the average molecular weight was 56,000. Streptococcus faecalis IFO 12964 was cultured with aeration and stirring in a medium containing tomato youth, malt extract, and CoSO 4 . After culturing at 30° C. for 24 hours, the bacteria were collected, and the cells were subjected to ultrasonication to extract enzyme A having the ability to reduce benzoylformate. This was purified by affinity chromatography using a column packed with Matrex Red A resin to obtain a sample with a specific activity of 621 U/mg protein. Candida Boideini
boidinii) formate dehydrogenase was purchased from Boehringer Mannheim Yamanouchi. A bioreactor as shown in the drawing was assembled using Amicon's PM-30 membrane and a Model 52 ultrafilter. 0.1M in 0.1M phosphoric acid drying solution
A substrate solution containing sodium benzoylformate, 0.2M sodium formate, 2mM 2-mercaptoethanol, 1M ammonium sulfate, and 0.03% potassium sorbate was prepared, and the pH was adjusted to 6.5. This is substrate solution B in the figure.
It is. Take a portion of the substrate solution and add bovine serum albumin.
0.2%, enzyme A 100U/ml, dihydrogenase
10U/ml and PA-NAD as the concentration of NAD
The mixture was dissolved to a concentration of mM, and finally, a new substrate solution was added to bring the total volume to 30 ml, and the mixture was poured into an ultrafilter (reaction solution A in the figure). In the PH stat reservoir,
Contains 5M formic acid aqueous solution D. Ultrafilter is 30
Immersed in a constant temperature bath at ℃. While stirring the reaction solution A with a magnetic stirrer, ultrafiltration is performed by suctioning it at a rate of 9 ml/hr with pump P2 , and at the same time
At P1 , substrate solution B was supplied at a rate of 9 ml/hr. PH
will rise, so keep it at 6.5
5M formic acid D was added using a Stat5. The generated CO 2 gas was discharged through a filter 4.
At 120 hours, 30 μmol of PA-NAD was added as NAD. Filtrate C from P2 was pooled separately for each day. The pH of each aqueous solution is 6NHCl.
< 2, and then extracted with the same amount, half amount, and 1/3 amount of ethyl acetate as the aqueous layer while saturating with sodium chloride. The ethyl acetate layer and the aqueous layer were combined, concentrated, and then crystallized from boiling benzene to obtain plate crystals of levorotatory mandelic acid. The yield, melting point, and specific rotation are shown in Table 1.
The decrease in flow rate appears to be due to membrane clogging. The yield was calculated based on the volume of the filtrate and the amount of benzoylformic acid contained therein. The melting point and optical rotation data were consistent with literature values for optically pure levorotatory mandelic acid. It was found that the decrease in yield from day 8 was due to inactivation of both enzymes. From the results in this table, it is clear that levorotatory mandelic acid can be continuously produced in this bioreactor over a period of one week or more.

〔効果〕〔effect〕

本発明によれば、酵素及び場合によれば、補酵
素のNADも反応器外に放出することなく、くり
返し使用しつつ光学的に純粋な左旋性マンデル酸
を連続生産することができ、酵素及びNADの経
済的な使用をはかることができる。
According to the present invention, it is possible to continuously produce optically pure levorotatory mandelic acid while repeatedly using the enzyme and, if necessary, the coenzyme NAD without releasing it to the outside of the reactor. Economical use of NAD can be achieved.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

図面は本発明の実施に用いられるバイオリアク
ターの1例についての説明図である。 1……限外濾過膜、2……マグネチツクスター
ラー、3……PH電極、4……滅菌フイルター、5
……PHスタツト、6……恒温槽(30℃)、P1,P2
……ペリスタルチツクポンプ、A……反応液(酵
素とPA−NAD)、B……基質液(ギ酸とベンゾ
イルギ酸)、C……限外濾液(左旋性マンデル
酸)、D……5Mギ酸。
The drawing is an explanatory diagram of an example of a bioreactor used in carrying out the present invention. 1...Ultrafiltration membrane, 2...Magnetic stirrer, 3...PH electrode, 4...Sterilization filter, 5
...PH stat, 6...Thermostat (30℃), P 1 , P 2
...Peristaltic pump, A...Reaction solution (enzyme and PA-NAD), B...Substrate solution (formic acid and benzoylformic acid), C...Ultrafiltrate (levorotatory mandelic acid), D...5M formic acid.

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 1 ストレプトコツクス属細菌由来のベンゾイル
ギ酸還元能を有する酵素Aとギ酸脱水素酵素の溶
液を限外濾過器に入れ、ベンゾイルギ酸とギ酸を
含む基質液を流して限外濾過を行いつつ酵素反応
させることを特徴とするマンデル酸の左旋性光学
活性体の連続的製造法。
1. A solution of enzyme A, which has the ability to reduce benzoylformate derived from Streptococcus bacteria, and formate dehydrogenase is placed in an ultrafilter, and a substrate solution containing benzoylformate and formic acid is passed through to carry out an enzyme reaction while performing ultrafiltration. 1. A method for continuously producing a levorotatory optically active form of mandelic acid.
JP23284286A 1986-09-30 1986-09-30 Continuous production of levorotatory mandelic acid Granted JPS6387986A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP23284286A JPS6387986A (en) 1986-09-30 1986-09-30 Continuous production of levorotatory mandelic acid

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP23284286A JPS6387986A (en) 1986-09-30 1986-09-30 Continuous production of levorotatory mandelic acid

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JPS6387986A JPS6387986A (en) 1988-04-19
JPH0362393B2 true JPH0362393B2 (en) 1991-09-25

Family

ID=16945653

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP23284286A Granted JPS6387986A (en) 1986-09-30 1986-09-30 Continuous production of levorotatory mandelic acid

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JPS6387986A (en)

Also Published As

Publication number Publication date
JPS6387986A (en) 1988-04-19

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Umemura et al. Improvement of production of L-aspartic acid using immobilized microbial cells
JPH0516833B2 (en)
DE60128581T2 (en) PREPARATION OF ALPHA HYDROXY-CARBOXY ACID WITH THE HELP OF A COUPLED ENZYME SYSTEM
JPS5820267B2 (en) Alcohol oxidase and its production method
JPH0362393B2 (en)
US6653112B2 (en) Method for producing L-carnitine from crotonobetaine using a two stage continuous cell-recycle reactor
JPS5974983A (en) L-2-hydroxy-4-methylpentanoic acid-dehydrogenenase, obtaini-ng method thereof and production of 2-keto carboxylic acid and l-2-hydroxycarboxylic acid using same
EP0297944B1 (en) Production of beta-glucuronidase type enzyme, hydrolysis of glycyrrhizine and of beta-glycyrrhetinic acid
JP3017264B2 (en) Method for producing L-serine by enzymatic method
JP2006521101A (en) Combined cofactor-dependent enzyme reaction system in aqueous media
JP2001521760A5 (en)
JPH047677B2 (en)
JP3210080B2 (en) Method for producing theanine
JP3006615B2 (en) Method for producing D-β-hydroxy amino acid
JP3532922B2 (en) (R) -2-Amino-1-phenylethanol or a method for producing a halogen-substituted product thereof, optically active phenylserine or a method for producing a halogen-substituted product thereof, novel compound 3- (3-chlorophenyl) serine
JPH0474999B2 (en)
GB2108128A (en) Production of aspartase
JPH047678B2 (en)
SU785318A1 (en) Method of preparing bacterial lucipherase preparate
JPH04341195A (en) Production of optically active mandelic acid
JP2674078B2 (en) Process for producing D-α-amino acid
JPS6274285A (en) Stabilization of monomethylamine oxidase
JPH01277494A (en) Production of optical active alcohol
JP3129180B2 (en) Method for producing D-histidine
JP2801689B2 (en) Method of inhibiting intracellular serine degrading enzyme activity

Legal Events

Date Code Title Description
EXPY Cancellation because of completion of term