DE1642615C3 - Process for the enrichment of L-asparaginase - Google Patents
Process for the enrichment of L-asparaginaseInfo
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Description
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L-Asparaginase in Form eines mehr oder weniger rohen Enzympräparates ist bekannt Sie wurde nach gebräuchlichen Methoden der Enzymchemie aus tierischen oder pflanzlichen Materialien extrahiert und angereichert. Das Enzym spaltet die Amidbindung im L-Asparagin, wobei L-Asparaginsäure und Ammoniak entstehen. Man kann das Ammoniak mit Nesslers Reagens colorimetrisch bestimmen und hat dadurch eine Meßmethode für L-Asparaginase (Cancer Research, 26 [1966], Seiten 2213 - 2217).L-asparaginase in the form of a more or less crude enzyme preparation is known after Common methods of enzyme chemistry extracted from animal or vegetable materials and enriched. The enzyme cleaves the amide bond in L-asparagine, taking L-aspartic acid and ammonia develop. The ammonia can be determined colorimetrically with Nessler's reagent and thus has a measuring method for L-asparaginase (Cancer Research, 26 [1966], pages 2213-2217).
Da die L-Asparaginase-Einheit noch nicht völlig übereinstimmend definiert worden ist, soli sie hier wie folgt festgelegt werden:Since the L-asparaginase unit has not yet been fully defined in agreement, it should be described here as can be determined as follows:
Eine Einheit (30-Minuteneinheit) L-Asparaginase ist diejenige Enzym-Menge, die bei 37°C und bei pH 7,2 während 30 Minuten ein μ-Mol Ammoniak aus L-Asparagin abspaltet. Soweit aus der Literatur ersichtlich, sind bisher L-Asparaginase-Präparate beschrieben worden, welche maximal ca. 1000 E/mg enthalten (Biochemistry, 6 [1967], Seite 721).One unit (30-minute unit) of L-asparaginase is that amount of enzyme that is present at 37 ° C. and at pH 7.2 splits off a μ-mol of ammonia from L-asparagine over a period of 30 minutes. So much from the literature can be seen, L-asparaginase preparations have been described which contain a maximum of approx. 1000 U / mg (Biochemistry, 6 [1967], page 721).
Die Herstellung erfolgt unter anderem aus E.coli-Zellen, aus denen man das Enzym durch Behandlung mit Ultraschall freisetzte und die rohen Lösungen mit Ammoniumsulfat partiell sättigte. Hierbei wird das Enzym ausgesalzen und kann dann durch in der Enzymchemie übliche Säulenchromatographie weiter angereichert werden. L-Asparaginase hat nach der Injektion eine Wirkung gegen solche Geschwülste, die zu ihrem Wachstum L-Asparagin benötigen. Sie wird in steigendem Maße klinisch angewendet, ohne daß es bisher möglich wäre, die hierfür erforderlichen Mengen zur Verfügung zu stellen (Proc. N. A. S., 56 [1966], Seiten 1516-1519).The production takes place among other things from E. coli cells, from which the enzyme was released by treatment with ultrasound and the crude solutions with Partially saturated ammonium sulfate. Here the enzyme is salted out and can then pass through in the Enzyme chemistry customary column chromatography can be further enriched. L-asparaginase has after Injection has an effect against those tumors that need L-asparagine to grow. She will be in used clinically to an increasing extent without it being possible to date to obtain the quantities required for this available (Proc. N.A. S., 56 [1966], pp 1516-1519).
Es wurde nun gefunden, und dies ist der Gegenstand des Schutzbegehrens, daß man L-Asparaginase dadurch anreichern kann, daß man in ihren rohen wäßrigen Lösungen mit Polyäthylenglycol L-Asparaginase-haltige Niederschläge erzeugt und diese nach an sich bekannten Methoden zerlegt. Man geht bei dem erfindungsgemäßen Verfahren so vor, daß man die rohen Enzymlösungen, die 1 bis 30, vorzugsweise 1 — 10% L-Asparaginase enthalten, mit wäßrigen Lösungen des Polyäthylenglycols versetzt. Hierbei liegt die optimale Konzentration der Fällungslösung bei 40 bis 60% Polyäthylenglycol; es können jedoch auch Lösungen wesentlich niedrigerer Konzentration verwendet werden. Das optimale Molekulargewicht des verwendeten Polyäthylenglycols liegt zwischen 1000 und 5000. Niedrigere und höhere Molekulargewichte sind weniger gut geeignet. Die genannten wäßrigen Polyäthylenglycollösungen werden bis zu einer Endkonzentration von !5 bis 40%; vorzugsweise 18 bis 30%, zugesetzt. Das sich bildende Sediment schleudert man f>5 ab, zur überstehenden klaren Lösung gibt man weitere Polyäthylenglycollösung, schleudert erneut ab und wiederholt diesen Vorgang beliebig oft. Einige der beiIt has now been found, and this is the subject of the protection request, that L-asparaginase can be enriched by generating precipitates containing L-asparaginase in their crude aqueous solutions with polyethylene glycol and breaking them down by methods known per se. The process according to the invention is carried out in such a way that the crude enzyme solutions, which contain 1 to 30%, preferably 1 to 10%, of L-asparaginase are mixed with aqueous solutions of polyethylene glycol. The optimal concentration of the precipitation solution is 40 to 60% polyethylene glycol; however, solutions of much lower concentration can also be used. The optimal molecular weight of the polyethylene glycol used is between 1000 and 5000. Lower and higher molecular weights are less suitable. The aqueous polyethylene glycol solutions mentioned are used up to a final concentration of! 5 to 40% ; preferably 18 to 30% added. The sediment that forms is thrown off for f> 5 , further polyethylene glycol solution is added to the supernatant clear solution, centrifuged again and this process is repeated as often as desired. Some of the at
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60 dieser Fraktionierung anfallenden Niederschläge enthalten überwiegend biologisch aktives Material neben geringen Mengen inerter Proteine. Die Reinigung der Niederschläge von anhaftendem Polyäthylenglycol kann so erfolgen, daß man sie in Wasser löst die Lösung von unlöslichen Bestandteilen befreit und mit einem Überschuß Aceton fällt. Hierbei flockt L-Asparaginase aus, während Polyäthylenglycol in Lösung bleibt Es ist auch möglich, mit anderen Lösungsmitteln zu fällen, wie ,ο z. B. mit niederen Alkoholen. Andererseits kann man aus der Lösung des Niederschlages das Polyäthylenglycol auch mit solchen Lösungsmitteln, die das Enzym nicht denaturieren und die nicht mit Wasser mischbar sind, extrahieren, ζ. B. mit Diisopropyläther. Weiterhin ist es ,5 möglich, aus dem'gelösten Niederschlag des Polyäthylenglycols, das ein Molekulargewicht von 10 000 nicht überschreiten soll, durch Dialyse zu entfernen und das Enzym durch Gefriertrocknung der nicht dialysablen Anteile zu gewinnen. Es ist auch möglich, den Niederschlag zu trocknen und dann mit Aceton oder anderen Lösungsmittels zu extrahieren. 60 precipitates resulting from this fractionation mainly contain biologically active material in addition to small amounts of inert proteins. The precipitates can be cleaned of adhering polyethylene glycol by dissolving them in water, removing insoluble constituents from the solution and precipitating it with an excess of acetone. Here, L-asparaginase flocculates while polyethylene glycol remains in solution. It is also possible to use other solvents to precipitate, such as, ο z. B. with lower alcohols. On the other hand, the polyethylene glycol can also be extracted from the solution of the precipitate using solvents which do not denature the enzyme and which are not miscible with water, ζ. B. with diisopropyl ether. Furthermore, 5 it is possible from dem'gelösten precipitation of Polyäthylenglycols, which should not exceed a molecular weight of 10,000, by dialysis to remove and recover the enzyme by freeze-drying of not dialyzable shares. It is also possible to dry the precipitate and then extract it with acetone or another solvent.
Zweckmäßig führt man diese Operationen bei einer Temperatur, die zwischen 0 und + 40° C liegen kann, aus. Die Fällung des Enzyms aus den wäßrigen Lösungen ist unabhängig vom pH-Wert. Man arbeitet zweckmäßig in pH-Bereichen zwischen 4 und 10.These operations are expediently carried out at a temperature which can be between 0 and + 40 ° C. The precipitation of the enzyme from the aqueous solutions is independent of the pH. One works appropriately in pH ranges between 4 and 10.
Von einer amerikanischen Arbeitsgruppe wurde im Jahre 1967 ein Verfahren zur teüweisen Fraktionierung von Serum bzw. Plasma mit Polyäthylenglycol beschrieben (Fed. Proc. 1967, Seite 3218).In 1967 an American working group developed a method for partial fractionation of serum or plasma with polyethylene glycol (Fed. Proc. 1967, page 3218).
Die selektive Ausfällung eines bestimmten Enzyms, wie z. B. der L-Asparaginase mit Polyäthylenglycollösungen, ist bisher jedoch ohne Analogie in der Enzymchemie.The selective precipitation of a particular enzyme, such as B. L-asparaginase with polyethylene glycol solutions, has so far been without analogy in enzyme chemistry.
Den Vorteil des neuen Verfahrens gegenüber den bisher bekannten Methoden, z. B. der bekannten Fällung mit Ammonsulfat, zur Anreicherung von L-Asparaginase sehen wir in den folgenden Punkten:The advantage of the new method over the previously known methods such. B. the known precipitation with ammonium sulfate, for the enrichment of L-asparaginase, we see in the following points:
1. Man kann praktisch beliebige Mengen Rohasparaginase einsetzen, ohne dabei die Ausbeuten zu verschlechtern.1. You can use practically any amounts of crude asparaginase without increasing the yields worsen.
2. Man arbeitet in sehr konzentrierten wäßrigen Lösungen. Dadurch kann das Enzym leicht durch Fällung mit Lösungsmitteln oder durch Gefriertrocknung in angereicherter Form gewonnen werden.2. One works in very concentrated aqueous solutions. This allows the enzyme to easily pass through Precipitation with solvents or obtained in enriched form by freeze-drying will.
3. Man kann überschüssiges Polyäthylenglycol leicht mit Lösungsmitteln entfernen.3. Excess polyethylene glycol can easily be removed with solvents.
4. Das Verfahren stellt einen wesentlichen Schritt auf dem Wege zur Gewinnung kristallisierter Asparaginase dar.4. The process represents an essential step in the process of obtaining crystallized asparaginase represent.
Die bei den nachstehenden Beispielen als Ausgangsmaterial verwendete Roh-L-Asparaginase wird wie folgt gewonnen:The raw L-asparaginase used as the starting material in the examples below is like follows won:
10%ige Maisquellwasserlösung (bezogen auf Trokkensubütanz) wird mit 2 η-Kalilauge auf pH 7,0 eingestellt, 20 Minuten, auf 12O0C erhitzt und nach Abkühlung in der Überlaufzentrifuge geklärt. 30 Liter dieser klaren Maisquellwasserlösung werden mit 170 Liter Leitungswasser verdünnt Nach Zusatz und Lösung von 1,20 kg Natriumlactat und 400 g Ammoniumsulfat wird die erhaltene Nährlösung in einem Fermenter 40 Minuten bei 1100C sterilisiert, anschließend abgekühlt und dann mit 500 ecm einer 18 Stunden bei 3Ö°C gewachsenen Sehüttelkultur von Escherichia coli ATCC 9637 in Nährbouillon beimpft. Der Fermentationsansatz wird bei 300C mit 80 Liter Luft/Minute bei 150 Umdrehungen des Rührwerkes pro10% corn steep liquor solution (based on Trokkensubütanz) η potassium hydroxide solution to a pH of 7.0 is adjusted with 2, 20 minutes heated to 12O 0 C and clarified, after cooling in the overflow centrifuge. 30 liters of this clear corn steep liquor solution is diluted with 170 liters of tap water by addition and solution of 1.20 kg sodium lactate and 400 g of ammonium sulfate, the nutrient solution is sterilized in a fermenter for 40 minutes at 110 0 C, then cooled and then with 500 cc of a 18 hours Sehüttel culture of Escherichia coli ATCC 9637 grown at 30 ° C in nutrient broth. The fermentation batch is at 30 0 C with 80 liters of air / minute at 150 revolutions of the stirrer per
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Minute belüftet. Nach einer Wachstumszeit von 17 Stunden werden die Bakterien, welche L-Asparaginase enthalten, in der Überlaufzentrifuge abgetrennt und in 20 Liter destilliertem Wasser resuspendiert. In diese Suspension läßt man unter Rührung 80 Liter Aceton einlaufen, trennt die ausgeflockten Bakterien in der Überlaufzentrifuge ab und resuspendiert die Zellmasse wiederum in 20 Liter destilliertem Wasser. Zur Extraktion der L-Asparaginase aus den Bakterienzellen wird die Suspension 4,5 Stunden bei 300C gerührt. Während dieser Zeit wird das pH durch Zusätze von 1 η-Natronlauge bei 7,5 bis 7,8 gehalten. Durch Abtrennung der extrahierten Bakterienzellen in der Überlaufzentrifuge erhält man ca. 17 liter einer klaren Lösung, aus der man neben anderen Zellinhaltstoffen die L-Asparaginase durch Zusatz von 68 Liter Aceton ausfällt. Die entstandene Fällung wird isoliert, mit Aceton nachgewaschen und im Vakuum bei 25 bis 300C getrocknet. Die so erhaltene Roh-L-Asparaginase hat eine enzymatische Aktivität von ca. 100 Einheiten (30-Minuteneinheiten) pro mg.Minute ventilated. After a growth time of 17 hours, the bacteria which contain L-asparaginase are separated off in the overflow centrifuge and resuspended in 20 liters of distilled water. 80 liters of acetone are run into this suspension with stirring, the flocculated bacteria are separated off in the overflow centrifuge and the cell mass is again resuspended in 20 liters of distilled water. To extract the L-asparaginase from the bacterial cells, the suspension is stirred at 30 ° C. for 4.5 hours. During this time, the pH is kept at 7.5 to 7.8 by adding 1 η sodium hydroxide solution. By separating the extracted bacterial cells in the overflow centrifuge, approx. 17 liters of a clear solution are obtained, from which L-asparaginase, along with other cell constituents, is precipitated by adding 68 liters of acetone. The resulting precipitate is isolated, washed with acetone and dried at 25 to 30 ° C. in vacuo. The crude L-asparaginase obtained in this way has an enzymatic activity of about 100 units (30-minute units) per mg.
Das so erhaltene Ausgangsmaterial kann gegebenenfalls wie folgt vorgereinigt werden:The raw material obtained in this way can optionally be pre-cleaned as follows:
50 g Rohasparaginase mit einer Aktivität von 100 E/mg werden in 100 ml m/15 Trispuffer vom pH 8,5 unter Rühren bei Raumtemperatur gelöst. Die Lösung wird in Anteilen von jeweils 100 ml im Wasserbad für i 5 Minuten auf 59,5°C erwärmt, wobei eine starke Ausflockung von inaktiven Proteinen eintritt, während das Enzym unverändert in Lösung bleibt. Die vereinigten Denaturierungsansätze werden abgekühlt und bei 60G0 U/Minute klargeschleudert. Die Lösung besitzt eine spezifische Aktivität von 200 bis 300 E/mg Protein. Sie wird hier als Lösung A bezeichnet. Lösung A kann in Anlehnung an die bekannte Fraktionierung von Enzymen mit Lösungsmitteln (Biochem. J., 48 [1951], Seiten 42 bis 48) mit Aceton fraktioniert werden, wobei die L-Asparaginase in dem Niederschlag, der beim Einstellen der Lösung von 30 auf 50% Aceton ausfällt, enthalten ist. Man gelangt auf diese Weise zu Präparaten mit ca. 500 E/mg.50 g of crude asparaginase with an activity of 100 U / mg are dissolved in 100 ml of m / 15 Tris buffer with a pH of 8.5 dissolved with stirring at room temperature. The solution is in 100 ml portions in a water bath for i heated to 59.5 ° C. for 5 minutes, with strong flocculation of inactive proteins occurring during the enzyme remains unchanged in solution. The combined denaturation batches are cooled and at 60G0 RPM spun clear. The solution has a specific activity of 200 to 300 U / mg protein. It is referred to as Solution A here. Solution A can be based on the known fractionation of Enzymes with solvents (Biochem. J., 48 [1951], pages 42 to 48) are fractionated with acetone, with the L-asparaginase in the precipitate that precipitates when the solution is adjusted from 30 to 50% acetone, is included. In this way, preparations with approx. 500 U / mg are obtained.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann man entweder von einer Roh-Asparaginase mit ca. 100 E/mg ausgehen oder von einem angereicherten Präparat. Besonders zweckmäßig als Ausgangsmaterial für die Fraktionierung mit'Polyäthylenglycol hat sich Lösung A erwiesen oder die daraus durch Acetonfrakticnierung zugängliche L-Asparaginase. Die Fraktioniergrenzen sind nicht konstant, da sie von der Art der Verunreinigungen abhängen. Es ist jedoch durch einen einfachen Vorversuch möglich, diese Grenzen zu ermitteln.In the method according to the invention, one can either use a crude asparaginase with about 100 U / mg start or from an enriched preparation. Particularly useful as a starting material for the Fractionation with polyethylene glycol has been found to be solution A or the result of acetone fractionation accessible L-asparaginase. The fractionation limits are not constant as they depend on the type of Depend on impurities. However, it is possible to set these limits with a simple preliminary experiment detect.
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1000 ml Lösung A (gewonnen aus 50 g roher L-Asparaginase mit einer Aktivität von 112 E/mg) wurden auf 3°C gekühlt und mit 500 ml 50%iger Polyäthylenglycollösung versetzt. Das Sediment wurde durch Zentrifugieren gewonnen. Die anfallende L-Asparaginase erhielt die Bezeichnung »Fraktion 1«. Aus der überstehenden Lösung von Fraktion 1 (1468 ml) wurde mit 100 ml 50%iger Polyäthylenglycollösung weiteres Material ausgefällt und aufgearbeitet. Ausfällung = Fraktion 2. Die überstehende Lösung von Fraktion 2 (1550 ml) wurde erneut mit 100 ml Polyäthylenglycollösung versetzt und aufgearbeitet Ausfällung = Fraktion 3. Auf analogem Wege wurde Fraktion 4 gewonnen. Die bei dieser Fraktionierung erzielten Reinheitsgrade und Ausbeuten gehen aus der folgenden Tabelle hervor:1000 ml of solution A (obtained from 50 g of crude L-asparaginase with an activity of 112 U / mg) were added Cooled 3 ° C and treated with 500 ml of 50% polyethylene glycol solution. The sediment was centrifuged won. The L-asparaginase obtained was given the designation "Fraction 1". From the protruding Solution of fraction 1 (1468 ml) became further material with 100 ml of 50% strength polyethylene glycol solution precipitated and worked up. Precipitation = fraction 2. The supernatant solution from fraction 2 (1550 ml) 100 ml of polyethylene glycol solution were again added and the mixture was worked up. Precipitation = fraction 3. Fraction 4 was obtained in an analogous way. The degrees of purity achieved in this fractionation and Yields are shown in the following table:
Fraktions-Nr. Parliamentary group no.
Ausbeute
in gyield
in g
E/mgU / mg
% Einheiten,
bezogen auf
eingesetzte
Rohasparaginase% Units,
related to
used
Raw asparaginase
wurden inwere in
2 Liter V/asser gelöst und durch Zentrifugieren geklärt. Die Lösung wurde mit 1 n-KOH auf pH 8,5 eingestellt und mit Polyäthylenglycollösung analog Beispiel 1 fraktioniert Die dabei erhaltenen Fraktionen 2 und 3 wurden vereinigt. Ausbeute 12,0 g.2 liters v / ater dissolved and clarified by centrifugation. The solution was adjusted to pH 8.5 with 1N KOH and fractionated with polyethylene glycol solution as in Example 1. Fractions 2 and 3 obtained in this way were united. Yield 12.0g.
Einheiten/mg
Ausbeute, bezogen auf
eingesetzte EinheitenUnits / mg
Yield based on
deployed units
765765
88% der Theorie88% of theory
Die vereinigten Sedimente der in Beispiel 2 gewonnenen Fraktionen 2 und 3 wurden in 400 ml Wasser gelöst und erneut einer Fraktionierung mit Polyäthylenglycollösung unterzogen. Die so erhaltenen Sedimente der Fraktion 2 und 3 wurden 2mal in trockenem, tiefgekühlten Aceton dispergiert, zentrifugiert, in Wasser gelöst, über eine Seitz-K3-Schicht filtriert und lyophilisiertThe combined sediments of fractions 2 and 3 obtained in Example 2 were dissolved in 400 ml of water and subjected again to fractionation with polyethylene glycol solution. The sediments obtained in this way Fraction 2 and 3 were dispersed twice in dry, frozen acetone, centrifuged, dissolved in water, filtered through a Seitz K3 layer and lyophilized
5,0 g einer aus Lösung A durch Fraktionierung mit Aceton vorgereinigten L-Asparaginase mit 576 E/mg wurden in 100 ml Wasser gelöst und mit Polyäthylenglycollösung, wie in Beispiel 1 beschrieben, fraktioniert. Die bei dieser Fraktionierung erzielten Reinheitsgrade und Ausbeuten gehen aus der folgenden Tabelle hervor:5.0 g of an L-asparaginase prepurified from solution A by fractionation with acetone at 576 U / mg were dissolved in 100 ml of water and fractionated with polyethylene glycol solution as described in Example 1. The degrees of purity and yields achieved in this fractionation are shown in the following table:
Fraktions-Factional
Ausbeute
in gyield
in g
E/mgU / mg
% Einheiten,
bezogen auf
eingesetzte
Rohasparaginase% Units,
related to
used
Raw asparaginase
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