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DE102004059376A1 - GDH mutant with improved chemical stability - Google Patents

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DE102004059376A1
DE102004059376A1 DE102004059376A DE102004059376A DE102004059376A1 DE 102004059376 A1 DE102004059376 A1 DE 102004059376A1 DE 102004059376 A DE102004059376 A DE 102004059376A DE 102004059376 A DE102004059376 A DE 102004059376A DE 102004059376 A1 DE102004059376 A1 DE 102004059376A1
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gdh
amino acid
glucose dehydrogenase
enzyme
gdbs
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DE102004059376A
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German (de)
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Rupert Dr. Pfaller
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Wacker Chemie AG
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Consortium fuer Elektrochemische Industrie GmbH
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Abstract

Gegenstand der Erfindung ist Glucose-Dehydrogenase mit einer Aminosäuresequenz, die der Aminosäuresequenz einer GDH von Bacillus subtilis, umfassend einen Glutaminsäurerest an Position 96, entspricht mit dem Unterschied, dass der Glutaminsäurerest an Position 96 gegen eine umpolare bzw. hydrophobe Aminosäure oder Glycin ausgetauscht ist.The invention relates to glucose dehydrogenase having an amino acid sequence which corresponds to the amino acid sequence of a Bacillus subtilis GDH comprising a glutamic acid residue at position 96, with the difference that the glutamic acid residue at position 96 is replaced by a polar or hydrophobic amino acid or glycine.

Description

Die Erfindung betrifft eine Mutante des Enzyms Glucose Dehydrogenase (GDH) der Art Bacillus subtilis mit hoher Prozessstabilität bei Biotransformationen, ihre Herstellung und Verwendung zur Regenerierung von NADH, bzw. NADPH Redox-Cofaktoren bei enzymatisch katalysierten Reduktionsreaktionen.The The invention relates to a mutant of the enzyme glucose dehydrogenase (GDH) of the species Bacillus subtilis with high process stability in biotransformations, their preparation and use for the regeneration of NADH, or NADPH redox cofactors in enzymatically catalyzed reduction reactions.

Optisch aktive Hydroxyverbindungen sind wertvolle Synthesebausteine, z. B. bei der Herstellung pharmazeutischer Wirkstoffe oder von Agrochemikalien. Sie haben daher eine wichtige wirtschaftliche Bedeutung. Diese Verbindungen sind durch klassische chemische Verfahren oft nur schwer herstellbar. Die erforderlichen optischen Reinheiten für Anwendungen im pharmazeutischen oder agrochemischen Bereich sind auf diesem Wege nur schwer zu erreichen. Daher werden zur Herstellung chiraler Verbindungen im zunehmenden Maße biotechnologische Verfahren angewendet. Speziell Enzyme, die Carbonylverbindungen reduzieren können, finden wegen ihrer hohen Enantioselektivität vermehrt Verwendung.optical active hydroxy compounds are valuable synthetic building blocks, eg. As in the manufacture of pharmaceutical agents or agrochemicals. They therefore have an important economic importance. These connections are often difficult to produce by classical chemical methods. The required optical purities for pharmaceutical applications or agrochemicals are difficult to achieve in this way. Therefore, the production of chiral compounds is increasing Dimensions biotechnological Method applied. Especially enzymes, the carbonyl compounds can reduce because of their high enantioselectivity increased use.

Enzyme aus der Klasse der Oxidoreduktasen, die zur Herstellung chiraler Verbindungen durch Reduktion prochiraler Carbonylverbindungen eingesetzt werden, werden definitionsgemäß mit dem Sammelbegriff Carbonylreduktasen (in der Folge „CR") bezeichnet. In der Mehrzahl der Fälle ist das Produkt einer CR-Reaktion ein Alkohol. Es ist aber auch möglich, dass das Produkt einer CR-Reaktion ein Amin ist. Zu den unter dem Sammelbegriff Carbonylreduktasen zusammengefassten Enzymklassen zählen unter anderen Alkohldehydrogenasen (in der Folge „ADH"), Aldo-Ketoreduktasen („AKR"), Aldehydreduktasen, Glycerindehydrogenasen und die Fettsäuresynthase (bezeichnet als „FAS"). Aber auch Aminotransferasen oder Aminosäuredehydrogenasen (z. B. Threonindehydrogenase) sind zu den CRs zu zählen. Diesem breiten Spektrum reduzierender Enzyme ist gemeinsam, dass sie die Elektronen für die Reduktion der Carbonylverbindung aus Redox-Cofaktoren in deren reduzierter Form, üblicherweise NADH oder NADPH, beziehen. Diese Redox-Cofaktoren werden bei der Reaktion stöchiometrisch verbraucht, d. h. sie müssen entweder stöchiometrisch eingesetzt werden oder aber durch Oxidation eines Cosubstrats regeneriert werden. Der stöchiometrische Einsatz von NADH oder NADPH ist aufgrund des hohen Preises dieser Verbindungen unwirtschaftlich. Dieser Nachteil kann durch die sog. Cofaktor-Regenerierung umgangen werden. Voraussetzung dafür sind ein billiges Reduktionsmittel und ein Cofaktorreduzierendes Enzym. Erst die effiziente und billige Regenerierung des Redox-Cofaktors ermöglicht den technischen Einsatz biokatalytischer Reduktionsverfahren.enzymes from the class of oxidoreductases used to make chiral Compounds used by reduction of prochiral carbonyl compounds are, by definition, with the Collective term carbonyl reductases (hereinafter "CR") is designated. In the majority of cases the product of a CR reaction an alcohol. But it is also possible the product of a CR reaction is an amine. Among the collective term Carbonyl reductases summarized enzyme classes are among other aldehyde dehydrogenases (hereinafter "ADH"), aldo-ketoreductases ("AKR"), aldehyde reductases, Glycerol dehydrogenases and fatty acid synthase (referred to as "FAS"), but also aminotransferases or amino acid dehydrogenases (eg, threonine dehydrogenase) are to be counted among the CRs. this broad spectrum of reducing enzymes is common to them Electrons for the reduction of the carbonyl compound from redox cofactors in their reduced form, usually NADH or NADPH. These redox cofactors are used in the Reaction stoichiometric consumed, d. H. You need to either stoichiometric be used or regenerated by oxidation of a cosubstrate become. The stoichiometric Use of NADH or NADPH is due to the high price of this Uneconomical connections. This disadvantage can be caused by the so-called. Cofactor regeneration can be bypassed. Prerequisite for this is a cheap reducing agent and a cofactor reducing enzyme. First the efficient and cheap regeneration of the redox cofactor allows the technical use of biocatalytic reduction processes.

Verschiedene Möglichkeiten zur Cofaktor-Regenerierung sind bekannt: Beim Einsatz einer CR aus der Klasse der ADH's ist die Cofaktor-Regenerierung durch Oxidation eines billigen Alkohols (Cosubstrat), z. B. Isopropanol, möglich. Es werden also die stereoselektive Reduktion des Substrats und die Cofaktor-Regenerierung von einem Enzym besorgt. Dabei besitzen ADH's im allgemeinen den Nachteil, dass ihr pH-Optimum der Reduktion und Oxidation stark unterschiedlich sind, so dass die Gesamtreaktion nur mit verminderter Geschwindigkeit abläuft, was die Raum-Zeit-Ausbeuten beeinträchtigt. So wurde z. B. für die ADH aus Rhodococcus erythropolis ein pH-Optimum für die Reduktion von 5,5, für die Oxidation dagegen von 9,5 gefunden (Zelinski et al., J. Biotechnol. (1994) 33: 283-292). Zusätzliche Nachteile sind, dass nicht alle ADH's mit Isopropanol reagieren und außerdem bei den gewünschten hohen Raum-Zeit-Ausbeuten große Mengen Isopropanol eingesetzt werden müssen, bzw. große Mengen an Aceton anfallen, dem Reaktionsprodukt der Isopropanoloxidation. Bekanntermaßen sind beide Verbindungen in hohen Konzentrationen enzymschädigend. Schließlich kann die Einstellung eines Reaktionsgleichgewichts dazu führen, dass quantitative Reaktionsumsätze nicht erreicht werden, was zu reduzierten Ausbeuten und wegen ähnlicher physikalisch-chemischer Eigenschaften von Edukt (das Substrat der CR-Reaktion) und Produkt oftmals zu Schwierigkeiten bei der Produktisolierung führt.Various options for cofactor regeneration are known: when using a CR the class of ADH's is the cofactor regeneration by oxidation of a cheap alcohol (Cosubstrate), e.g. As isopropanol, possible. So it will be the stereoselective Obtained reduction of the substrate and the cofactor regeneration of an enzyme. It owns ADH's in general the disadvantage that their pH optimum reduction and Oxidation are very different, so the overall reaction only proceeds at a reduced rate, which affects the space-time yields. So z. For example the ADH from Rhodococcus erythropolis has a pH optimum for the reduction from 5.5, for the oxidation, on the other hand, of 9.5 (Zelinski et al., J. Biotechnol. (1994) 33: 283-292). additional Disadvantages are that not all ADH's react with isopropanol and also at the wished high space-time yields great Amounts of isopropanol must be used, or large quantities incurred in acetone, the reaction product of Isopropanoloxidation. As is known, Both compounds are enzyme damaging in high concentrations. Finally, can Setting a reaction equilibrium will cause quantitative reaction sales can not be achieved, resulting in reduced yields and similar physico-chemical properties of starting material (the substrate of CR reaction) and product often lead to difficulties in product isolation leads.

Bei Nicht-ADH CRs erfolgt aufgrund eines fehlenden Cosubstrats die Cofaktor-Regenerierung grundsätzlich auf andere Weise. Bekannt ist die gleichzeitige Verwendung der CR mit einem zweiten Enzym. Dabei reduziert eine CR das Substrat stereoselektiv zum gewünschten Produkt. Die Regenerierung des verbrauchten NADH, bzw. NRDPH Cofaktors wird durch ein zweites Enzym bewerkstelligt. Prinzipiell ist jedes Enzym zur Cofaktor-Regenerierung geeignet, das in einer enzymatischen Reaktion ein Substrat oxidiert und gleichzeitig NRD zu NADH, bzw. NADP zu NADPH reduziert. Man wird jedoch ein Enzym verwenden, das ein möglichst billiges Substrat oxidiert. Enzyme, die zur Cofaktor-Regenerierung eingesetzt werden können, sind z. B. Formiatdehydrogenase (FDH), Glutamatdehydrogenase, Glycerindehydrogenase und Glucose Dehydrogenase (GDH).at Non-ADH CRs undergo cofactor regeneration due to a lack of cosubstrate in principle in a different way. Known is the simultaneous use of the CR with a second enzyme. A CR reduces the substrate stereoselectively to the desired Product. The regeneration of the spent NADH or NRDPH cofactor is accomplished by a second enzyme. In principle, each is Enzyme suitable for cofactor regeneration, which in an enzymatic Reaction of a substrate oxidized and simultaneously NRD to NADH, or NADP reduced to NADPH. However, one will use an enzyme that a cheap as possible Substrate oxidized. Enzymes that can be used for cofactor regeneration are z. B. formate dehydrogenase (FDH), glutamate dehydrogenase, glycerol dehydrogenase and glucose dehydrogenase (GDH).

Bei Ganzzellbiotransformationen kann die Cofaktor-Regenerierung auch durch den zellulären Stoffwechsel erfolgen. Ein bekanntes Beispiel dafür sind Biotransformationen der Bäckerhefe Saccharomyces cerevisiae. Jedoch ist nicht jeder Mikroorganismus dafür geeignet. Nachteilig sind bei diesen Biotransformationen die generell niedrigen Raum-Zeit-Ausbeuten, sowie die Erfordernis eines intakten zellulären Stoffwechsels.In whole cell biotransformations, cofactor regeneration may also be due to the cellular matter change. A well-known example of this is biotransformations of the baker's yeast Saccharomyces cerevisiae. However, not every microorganism is suitable for it. Disadvantages of these biotransformations are the generally low space-time yields and the requirement for an intact cellular metabolism.

Unter den bekannten Cofaktor-regenerierenden Enzymen eignet sich die FDH nur zur Regenerierung des NADH Cofaktors. Nachteil der FDH ist die bekannt geringe spezifische Aktivität des Enzyms, was geringe Raum-Zeit-Ausbeuten bedingt. Außerdem ist damit zu rechnen, dass Ameisensäure (das Cosubstrat) oder deren Salze in großen Konzentrationen enzymschädigend auf die CR wirken. FDH-Mutanten mit Spezifität für NRDPH wurden beschrieben, der Einsatz im technischen Maßstab ist aufgrund ihrer niedrigen Aktivität nur von geringem Nutzen.Under The known cofactor-regenerating enzymes are FDHs only for the regeneration of the NADH cofactor. Disadvantage of the FDH is the known low specific activity of the enzyme, giving low space-time yields conditionally. Furthermore is to be expected that formic acid (the cosubstrate) or their Salts in large Concentrations enzyme damaging to act on the CR. FDH mutants with specificity for NRDPH have been described the use on an industrial scale is of little use because of its low activity.

Glutamatdehydrogenase eignet sich zur Regenerierung von NADPH, wobei Glutaminsäure zu α-Ketoglutarat oxidiert wird. Über ihre Verwendung zur Cofaktor-Regenerierung ist wenig bekannt.glutamate dehydrogenase is suitable for regenerating NADPH, glutamic acid being α-ketoglutarate is oxidized. about their use for cofactor regeneration is poorly understood.

GDH oxidiert Glucose zu δ-Gluconolacton, das in wässriger Lösung weiter zur Gluconsäure dehydratisiert. Vorteile der GDH, speziell der Enzyme aus der Gattung Bacillus, sind eine hohe spezifische Aktivität des Enzyms sowie die Möglichkeit, sowohl NRDH wie NADPH Cofaktoren zu regenerieren. Somit sind hohe Raum-Zeit-Ausbeuten und ein breiter Einsatz des Enzyms in Verbindung mit praktisch allen CRs gewährleistet. Außerdem ist Glucose als Cosubstrat ein billiges Reduktionsmittel. Nachteil der bekannten GDH's ist die schlechte chemische Stabilität des Enzyms, was den Einsatz großer Mengen Enzym erfordert.GDH oxidizes glucose to δ-gluconolactone, that in watery solution continue to gluconic acid dehydrated. Advantages of GDH, especially the enzymes of the genus Bacillus, are a high specific activity of the enzyme as well as the ability to Both NRDH and NADPH regenerate cofactors. Thus, high space-time yields and a broad use of the enzyme in conjunction with virtually all CRs guaranteed. Besides that is Glucose as Cosubstrat a cheap reducing agent. Disadvantage of known GDH's is the bad chemical stability of the enzyme, what the use greater Requires quantities of enzyme.

Bei der am weitest verbreiteten GDH für die Cofaktorregenerierung handelt es sich um eine GDH aus Bacillus megaterium (zusammengefasst in einem Übersichtsartikel von Kataoka et al., Appl. Microbiol. Biotechnol. (2003) 62: 437-445). GDH aus B. megaterium wird für Biotransformationen eingesetzt ( EP 0967271 ). Bei dem Enzym handelt es sich um ein Tetramer aus vier identischen Untereinheiten. Bekannt ist seine niedrige thermische Stabilität (Makino et al., J. Biol. Chem. (1989) 264: 6381-6385). Eine gewisse Stabilisierung wird erreicht durch hohe NaCl-Konzentrationen im Reaktionspuffer. Die Gensequenz der Bacillus megaterium GDH und Mutanten dieser GDH, die eine höhere Temperaturstabilität besitzen sind in Makino et al., J. Biol. Chem. (1989) 264: 6381-6385 offenbart. Diese Mutanten sind in ihren kinetischen Eigenschaften dem Wildtypenzym jedoch deutlich unterlegen (Nagao et al., FEBS Lett. (1989) 253, 113-116).The most widely used GDH for cofactor regeneration is a GDH from Bacillus megaterium (reviewed in a review by Kataoka et al., Appl. Microbiol. Biotechnol. (2003) 62: 437-445). GDH from B. megaterium is used for biotransformations ( EP 0967271 ). The enzyme is a tetramer of four identical subunits. Its low thermal stability is known (Makino et al., J. Biol. Chem. (1989) 264: 6381-6385). Some stabilization is achieved by high NaCl concentrations in the reaction buffer. The gene sequence of the Bacillus megaterium GDH and mutants of this GDH which have higher temperature stability are disclosed in Makino et al., J. Biol. Chem. (1989) 264: 6381-6385. However, these mutants are clearly inferior in their kinetic properties to the wild-type enzyme (Nagao et al., FEBS Lett. (1989) 253, 113-116).

Um mit GDH aus B. megaterium zur Cofaktor-Regenerierung bei Biotransformationen hohe Raum-Zeit-Ausbeuten zu erreichen, werden üblicherweise aufwändige Verfahrensschritte wie Zweiphasensysteme eingesetzt. Oft kann dann kein quantitativer Umsatz des Eduktes mehr erzielt werden. Zusätzlich bereitet dann oft die Abtrennung von nicht umgesetztem Edukt Schwierigkeiten bei der Produktisolierung. Auch ist ein Wiedereinsatz der GDH nicht bekannt, der die Wirtschaftlichkeit der Biotransformationen verbessern würde.Around with GDH from B. megaterium for cofactor regeneration in biotransformations To achieve high space-time yields are usually complex process steps used as two-phase systems. Often then can not be quantitative Sales of the reactant can be achieved more. In addition, then often prepares the Separation of unreacted educt Difficulty of product isolation. Also, a reuse of the GDH is not known, the cost-effectiveness biotransformations.

Ein durch Biotransformation hergestelltes Produkt von großer wirtschaftlicher Bedeutung ist (S)-4-Chlor-3-Hydroxybuttersäureethylester (S-CHBE), das großtechnisch als Synthesebaustein zur Herstellung der sogenannten Statine verwendet wird. Statine sind eine Klasse pharmakologischer Wirkstoffe, die als Cholesterinsenker in Medikamenten eingesetzt werden. Sie sind von enormer medizinischer Bedeutung bei der Vorbeugung und Behandlung der zum Herzinfarkt führenden Arteriosklerose. S-CHBE wird technisch in Biotransformationen aus 4Cl-ACE hergestellt. Als chlorierter sekundärer Alkohol besitzt S-CHBE eine hohe chemische Reaktivität und S-CHBE ist für die schnelle irreversible Inaktivierung der an der Biotransformation beteiligten Enzyme, speziell der Cofaktor-regenerierenden GDH, verantwortlich.One biotransformed product of great economic value Meaning is (S) -4-chloro-3-hydroxybutyric acid ethyl ester (S-CHBE), the industrially used as a synthesis building block for the production of so-called statins becomes. Statins are a class of pharmacological agents that used as a cholesterol-lowering drug. you are of tremendous medical importance in prevention and treatment the one leading to heart attack Arteriosclerosis. S-CHBE is technically transformed into biotransformations 4Cl-ACE produced. As a chlorinated secondary alcohol has S-CHBE a high chemical reactivity and S-CHBE is for the rapid irreversible inactivation of those involved in biotransformation Enzymes, especially the cofactor-regenerating GDH responsible.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine GDH zur Verfügung zu stellen, die nicht die Nachteile des Standes der Technik aufweist und insbesondere eine erhöhte chemische Stabilität gegen alpha-halogenierte Carbonylverbindungen oder alpha-halogenierte Alkohole aufweist.task Therefore, it is the object of the present invention to provide a GDH which does not have the disadvantages of the prior art and in particular an increased chemical stability against alpha-halogenated carbonyl compounds or alpha-halogenated alcohols having.

Ein Beispiel für eine solche Verbindung ist S-CHBE.One example for such a compound is S-CHBE.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine GDH mit einer im Vergleich zum Stand der Technik erhöhten Stabilität gegenüber Lösungsmitteln, die bei einer Biotransformation zum Einsatz kommen, zur Verfügung zu stellen. Beispiele für solche Lösungsmittel sind n-Butylacetat, welches als nicht wassermischbares Lösungsmittel bei Zweiphasen-Biotransformationen Verwendung findet, sowie Methyl-Tertiärbutylether (MTBE) als Lösungsmittel zur Produktextraktion aus wässrigen Biotransformationsansätzen.A Another object of the invention is a GDH with a comparison increased to the prior art stability across from solvents which are used in a biotransformation available to put. examples for such solvents are n-butyl acetate, which is a non-water-miscible solvent in two-phase biotransformations, as well as methyl tertiary butyl ether (MTBE) as a solvent for product extraction from aqueous Biotransformationsansätzen.

Die Aufgabe wird gelöst durch eine GDH mit einer Aminosäuresequenz, die der Aminosäuresequenz einer GDH von Bacillus subtilis umfassend einen Glutaminsäurerest an Position 96 entspricht mit dem Unterschied, dass der Glutaminsäurerest an Position 96 gegen eine unpolare bzw. hydrophobe Aminosäure oder Glycin ausgetauscht ist.The Task is solved by a GDH with an amino acid sequence, the amino acid sequence of a GDH of Bacillus subtilis comprising a glutamic acid residue at position 96 corresponds with the difference that the glutamic acid residue at position 96 against a nonpolar or hydrophobic amino acid or glycine is exchanged.

Die Aminosäuresequenz einer erfindungsgemäßen Bacillus subtilis GDH-Mutante umfassend einen Alaninrest an Position 96 entspricht vorzugsweise SEQ. ID. NO: 1.The amino acid sequence a Bacillus according to the invention subtilis GDH mutant comprising an alanine residue at position 96 preferably SEQ. ID. NO: 1.

Bevorzugt befindet sich bei der erfindungsgemäßen GDH an Position 96 eine Aminosäure ausgewählt aus der Gruppe Glycin, Alanin, Valin, Leucin, Isoleucin, Prolin, Methionin, Phenylalanin, Tyrosin, und Tryptophan.Prefers is in the GDH according to the invention at position 96 a amino acid selected from the group glycine, alanine, valine, leucine, isoleucine, proline, methionine, Phenylalanine, tyrosine, and tryptophan.

Besonders bevorzugte befindet sich bei der erfindungsgemäßen GDH an Position 96 eine Aminosäure ausgewählt aus der Gruppe Glycin, Alanin, Valin, Leucin und Isoleucin.Especially preferred is in the GDH according to the invention at position 96 a Amino acid selected from the group glycine, alanine, valine, leucine and isoleucine.

Insbesondere bevorzugt befindet sich bei der erfindungsgemäßen GDH an Position 96 die hydrophobe Aminosäure Alanin.Especially Preferably located in the GDH according to the invention at position 96 the hydrophobic amino acid Alanine.

Die erfindungsgemäßen GDHs, im folgenden auch GDH-Mutanten genannt, zeichnen sich vor allem durch eine überraschend hohe chemische Stabilität gegen (S)-4-Chlor-3-Hydroxybuttersäureethylester (S-CHBE) aus. Darüber hinaus besitzen die GDH-Mutanten eine hohe Stabilität gegenüber Lösungsmitteln wie n-Butylacetat und MTBE, die häufig bei Biotransformationen verwendet werden. Schließlich weisen die GDH-Mutanten nicht den Nachteil einer stark erniedrigten enzymatischen Aktivität im Vergleich zum Wildtypenzym auf, wie bei ähnlichen Enzymen aus der Gattung Bacillus megaterium beobachtet.The GDHs according to the invention, in the following also called GDH mutants, are characterized mainly by a surprise high chemical stability against (S) -4-chloro-3-hydroxybutyric acid ethyl ester (S-CHBE). About that In addition, the GDH mutants possess a high stability across from solvents such as n-butyl acetate and MTBE that often be used in biotransformations. Finally, the GDH mutants exhibit not the disadvantage of a greatly decreased enzymatic activity in comparison to the wild-type enzyme, as in similar ones Enzymes from the genus Bacillus megaterium observed.

Die erfindungsgemäßen GDH-Mutanten eignen sich aufgrund ihrer hohen Prozessstabilität für Biotransformationen mit hoher E-dukt- und Produktkonzentration, für Zweiphasensysteme und zur Wiederverwendung des Biokatalysators. Die Erfindung dient daher zur Verbesserung der Wirtschaftlichkeit bei Biotransformationen.The GDH mutants according to the invention Due to their high process stability, they are suitable for biotransformations with high yields Product and product concentration, for two-phase systems and reusing the biocatalyst. The invention serves therefore to improve the profitability of biotransformations.

Die Erfindung betrifft ferner ein Gen codierend für eine erfindungsgemäße GDH. Ein bevorzugte Ausführungsform eines solchen Gens ist charakterisiert durch SEQ. ID. NO 2.The The invention further relates to a gene encoding a GDH according to the invention. A preferred embodiment such a gene is characterized by SEQ. ID. NO 2.

Erfindungsgemäße Gene sind ferner auch alle durch den degenerierten genetischen Code bedingten Varianten der Gene codierend für eine erfindungsgemäße GDH.Genes according to the invention are also all variants due to the degenerate genetic code coding for genes a GDH according to the invention.

Ein erfindungsgemäßes Gen lässt sich herstellen aus einem GDH-Gen aus B. subtilis. Das Gen kann aus genomischer DNS von B. subtilis mit an sich bekannten Methoden wie PCR isoliert und in einen Expressionsvektor kloniert werden. Dadurch ist die Produktion des erfindungsgemäßen Enzyms und seiner genetischen Varianten in rekombinanter Form möglich. Beispielsweise kann das Gen aus dem B. subtilis Stamm LK5 DSM 13487 (hinterlegt nach dem Budapester Vertrag bei der DSMZ Deutsche Sammlung für Mikroorganismen und Zellkulturen GmbH, Braunschweig) verwendet werden.One gene of the invention let yourself produce from a GDH gene from B. subtilis. The gene may be from B. subtilis genomic DNA isolated by methods known per se, such as PCR, and into an expression vector be cloned. This is the production of the enzyme of the invention and its genetic variants in recombinant form. For example the gene can be obtained from the B. subtilis strain LK5 DSM 13487 (US Pat after the Budapest contract with the DSMZ German collection for microorganisms and Zellkulturen GmbH, Braunschweig).

Das GDH-Wildtypenzym aus dem Stamm Bacillus subtilis LK5 ist charakterisiert durch die in SEQ ID NO: 3 angegebene Proteinsequenz und die dafür kodierende Gensequenz (SEQ ID NO: 4). Die Proteinsequenz aus SEQ ID NO: 3 ist zu 99 % identisch mit der in Lampel et al., J. Bacteriol. (1986) 166: 238-243 offenbarten Proteinsequenz der GDH aus Bacillus subtilis, bzw. zu 83 % identisch mit der Proteinsequenz der GDH aus Bacillus megaterium.The GDH wild-type enzyme from the strain Bacillus subtilis LK5 is characterized by the protein sequence given in SEQ ID NO: 3 and the coding therefor Gene sequence (SEQ ID NO: 4). The protein sequence of SEQ ID NO: 3 is 99% identical to that described in Lampel et al., J. Bacteriol. (1986) 166: 238-243 disclosed protein sequence of the GDH from Bacillus subtilis, or 83% identical to the protein sequence of the GDH from Bacillus megaterium.

In der vorliegenden Anmeldung beziehen sich alle Homologiewerte auf Ergebnisse, die mit dem Computerprogramm "Wisconsin Package Version 10.3, Accelrys Inc." erhalten wurden. Die Homologiebestimmung erfolgte durch Vergleich der Proteinsequenzen mit dem Unterprogramm "gap". Hierbei werden die voreingestellten Parameter "gap creation penalty 8" und "gap extension penalty 2" verwendet.In In the present application all homology values refer to Results obtained with the computer program "Wisconsin Package Version 10.3, Accelrys Inc. ". The homology determination was carried out by comparison of the protein sequences with the subprogram "gap". Here are the default parameters "gap creation penalty 8 "and" gap extension penalty 2 "used.

Aus der Kristallstruktur einer B. megaterium GDH (Yamamoto et al., J. Biochem. (2001) 129: 303-312) ist bekannt, dass das enzymatisch aktive GDH-Tetramer durch hydrophobe Wechselwirkung zwischen den einzelnen Untereinheiten stabilisiert wird. Eine Verstärkung der hydrophoben Wechselwirkung, z. B. durch eine NaCl-Konzentration von 1-2 M oder durch Zusatz von Glycerin, ermöglicht in begrenztem Umfang die Erhöhung der thermischen Stabilität. Über einen Einfluss auf eine chemische Inaktivierung des Enzyms durch Verbindungen wie S-CHBE lassen sich aus dieser Beobachtung keine Vorhersagen treffen.Out the crystal structure of a B. megaterium GDH (Yamamoto et al., J. Biol. Biochem. (2001) 129: 303-312) it is known that the enzymatic active GDH tetramer by hydrophobic interaction between the individual Subunits is stabilized. An enhancement of the hydrophobic interaction, z. B. by a NaCl concentration of 1-2 M or by addition of glycerol to a limited extent the increase the thermal stability. About one Influence on chemical inactivation of the enzyme by compounds Like S-CHBE, no predictions can be made from this observation to meet.

In Makino et al., J. Biol. Chem. (1989) 264: 6381-6385 werden Genmutationen offenbart, die zu einer Erhöhung der Temperaturstabilität der GDH aus B. megaterium führen. Eine dieser Mutationen ersetzte die negativ geladene Aminosäure Glutaminsäure an Position 96 durch eine ungeladene Aminosäure, wie z. B. Alanin oder Glycin. Die erhöhte Temperaturstabilität in dieser Mutante wird dadurch erklärt, dass die negative Ladung der Glutaminsäure zu einer elektrostatischen Abstoßung der einzelnen Untereinheiten des GDH-Enzyms führt, was vor allem bei höheren Temperaturen und pH-Werten zu einer Dissoziation und Inaktivierung des Enzyms führt. Die Einführung einer ungeladenen Aminosäure reduziert die elektrostatische Abstoßung und erhöht die thermische Stabilität des Enzyms. Aus diesen Beobachtungen lassen sich keine Aussagen über die Veränderung der chemischen Stabilität ableiten. Der Fachmann erwartet eher keinen Zusammenhang zwischen thermischer und chemischer Stabilität, da die Enzyminaktivierung durch eine Verbindung wie S-CHBE nicht durch Beeinflussung ionischer oder hydrophober Wechselwirkungen erfolgt, sondern durch chemische Modifikation reaktiver Aminosäurereste im GDH-Protein.In Makino et al., J. Biol. Chem. (1989) 264: 6381-6385 discloses gene mutations revealed that to an increase the temperature stability GDH from B. megaterium. One of these mutations replaced the negatively charged amino acid glutamic acid in position 96 by an uncharged amino acid, such as Alanine or glycine. The increased temperature stability in this Mutant is explained by that the negative charge of glutamic acid to an electrostatic rejection the individual subunits of the GDH enzyme leads, especially at higher temperatures and pH values leads to dissociation and inactivation of the enzyme. The introduction an uncharged amino acid reduces the electrostatic repulsion and increases the thermal stability of the enzyme. From these observations, no statements can be made about the change the chemical stability derived. The expert expects rather no connection between thermal and chemical stability, since the enzyme inactivation by a compound like S-CHBE not by affecting ionic or hydrophobic interactions, but by chemical Modification of reactive amino acid residues in the GDH protein.

Daher ist der Befund, dass die Einführung einer erfindungsgemäß definierten Mutation in dem GDH Enzym aus B. subtilis die chemische Stabilität dieses Enzyms drastisch erhöht, ohne dass gleichzeitig eine Stabilisierung durch NaCl-Konzentrationen von 1-2 M erforderlich ist, überraschend. Die erfindungsgemäße Mutation, die bei der GDH aus Bacillus subtilis zu einer erhöhten chemischen Stabilität führt, bewirkt bei Mutationen der GDH aus Bacillus megaterium nur eine Erhöhung der Temperaturstabilität.Therefore is the finding that the introduction an inventively defined Mutation in the GDH enzyme from B. subtilis the chemical stability of this Enzyme drastically increased, without simultaneously stabilizing by NaCl concentrations of 1-2 M is required, surprisingly. The mutation according to the invention, which in the GDH from Bacillus subtilis to an increased chemical stability leads, causes mutations of the GDH from Bacillus megaterium only one increase the temperature stability.

Die besonders bevorzugte erfindungsgemäße GDH-Mutante, bei der eine Glutaminsäure an Position 96 ersetzt ist durch Alanin, wird bezeichnet als GDBS-E96A. Die Gensequenz dieser Mutante ist spezifiziert durch die in SEQ ID NO: 2 aufgeführte DNS-Sequenz bzw. die daraus abgeleitete Aminosäuresequenz (SEQ ID NO: 1).The Particularly preferred GDH mutant according to the invention, in which a glutamic acid at position 96 is replaced by alanine, referred to as GDBS-E96A. The gene sequence of this mutant is specified by the sequences shown in SEQ ID NO: 2 listed DNS sequence or the deduced amino acid sequence (SEQ ID NO: 1).

Unerwarteterweise bewirken die erfindungsgemäßen Mutationen in GDBS-E96A eine drastische Erhöhung der chemischen Stabilität gegenüber enzymschädigenden Verbindungen wie S-CHBE.unexpectedly cause the mutations of the invention in GDBS-E96A a drastic increase the chemical stability across from enzyme-damaging Compounds like S-CHBE.

Die erfindungsgemäße GDBS-E96A zeichnet sich dementsprechend durch eine hohe Prozessstabilität bei Biotransformationen aus wie z. B. der enzymatischen Synthese von S-CHBE aus 4Cl-ACE.The GDBS-E96A according to the invention is characterized by a high process stability in biotransformations from such. B. the enzymatic synthesis of S-CHBE from 4Cl-ACE.

Die erfindungsgemäße GDH, z. B. das GDBS-E96A Protein kann durch an sich bekannte Methoden in rekombinanter Form hergestellt werden. Dazu wird ein erfindungsgemäßes GDH Gen, vorzugsweise das GDBS-E96A Gen, in einen geeigneten Expressionsvektor kloniert, dieser in einen Produktionswirt transformiert, transformierte Zellen kultiviert, wobei die erfindungsgemäße GDH entweder konstitutiv oder nach Induktion der Genexpression produziert wird. Darüber hinaus kann in dem gleichen Produktionswirt neben der erfindungsgemäßen GDH eine oder auch mehrere CRs in rekombinanter Form hergestellt werden.The GDH according to the invention, z. B. the GDBS-E96A protein can be prepared by methods known per se in recombinant form. For this purpose, a GDH according to the invention Gene, preferably the GDBS-E96A gene, into a suitable expression vector cloned, transformed into a production host, transformed Cells are cultivated, wherein the GDH according to the invention either constitutively or produced after induction of gene expression. Furthermore can in the same production host in addition to the GDH invention one or more CRs are produced in recombinant form.

Die Erfindung umfasst somit auch Expressionsvektoren, die zur rekombinanten Produktion einer erfindungsgemäßen GDH, vorzugsweise der GDH GDBS-E96A geeignet sind. Wo gewünscht lassen sich mit den erfindungsgemäßen Expressionsvektoren auch eine oder mehrere CRs in einem Wirtsorganismus produzieren.The The invention thus also encompasses expression vectors which are recombinant Production of a GDH according to the invention, preferably the GDH GDBS-E96A are suitable. Where desired themselves with the expression vectors according to the invention also produce one or more CRs in a host organism.

Das auf diese Weise hergestellte GDH Enzym kann dann direkt in den Zellen des Produktionswirts weiterverwendet werden oder aber nach Aufschluss der Zellen als Proteinextrakt bzw. nach entsprechender Aufarbeitung durch z. B. Säulenchromatographie als gereinigtes Protein.The GDH enzyme produced in this way can then be directly in the cells be used by the production host or after digestion the cells as protein extract or after appropriate workup by z. For example, column chromatography as a purified protein.

Für die Enzymproduktion sind bakterielle und eukaryontische Expressionssysteme geeignet. Wirtsorganismen für die Enzymproduktion sind vorzugsweise ausgewählt aus Escherichia coli, Stämmen der Gattung Bacillus, Hefen wie Pichia pastoris, Hansenula polymorpha oder Saccharomyces cerevisiae sowie Pilzen wie Aspergillus oder Neurospora, sie sind aber nicht auf die genannten Wirtsorganismen beschränkt.For enzyme production Bacterial and eukaryotic expression systems are suitable. Host organisms for the enzyme production are preferably selected from Escherichia coli, strains of Genus Bacillus, yeasts such as Pichia pastoris, Hansenula polymorpha or Saccharomyces cerevisiae as well as fungi such as Aspergillus or Neurospora, but they are not on the mentioned host organisms limited.

Zu den bevorzugten Expressionssystemen zählen E. coli, Bacillus, Pichia pastoris, S. cerevisiae, Hansenula polymorpha oder Aspergillus.To the preferred expression systems include E. coli, Bacillus, Pichia pastoris, S. cerevisiae, Hansenula polymorpha or Aspergillus.

Besonders bevorzugte Expressionssysteme für die Produktion des GDH Enzyms sind E. coli, Pichia pastoris und S. cerevisiae.Especially preferred expression systems for the production of the GDH enzyme are E. coli, Pichia pastoris and S. cerevisiae.

Das so produzierte erfindungsgemäße GDH Protein, vorzugsweise GDBS-E96A, entweder in ganzen Zellen oder als Zellextrakt bzw. als gereinigtes Protein vorliegend, kann in Biotransformationen zur Regenerierung von NADH- und NADPH Cofaktoren verwendet werden. Es zeichnet sich dadurch aus, dass es nach einer Behandlung mit S-CHBE bis zu einer Konzentration von 10 % (v/v) (entsprechend einer Konzentration von 710 mM) in einem wässrigen Medium bei pH 7,0 und 30°C für 2,5 h weniger als 30 % seiner Aktivität im Vergleich zum unbehandelten Enzym verliert. Die Wildtyp GDH (entsprechend der in SEQ ID NO: 3 aufgeführten Proteinsequenz) ist dagegen bereits nach einer Behandlung mit 3 (v/v) S-CHBE für 30 min bei pH 7,0 und 30°C zu 100 % inaktiv. Diese erfindungsgemäß hohe chemische Stabilität ist Grundlage für die Verwendung der GDH Mutante in Biotransformationen.The thus produced GDH protein according to the invention, preferably GDBS-E96A, either in whole cells or as a cell extract or as a purified protein, can be used in biotransformations for the regeneration of NADH and NADPH cofactors. It is characterized by the fact that it is after a Treatment with S-CHBE up to a concentration of 10% (v / v) (corresponding to a concentration of 710 mM) in an aqueous medium at pH 7.0 and 30 ° C for 2.5 h less than 30% of its activity in Compared to the untreated enzyme loses. By contrast, the wild-type GDH (corresponding to the protein sequence shown in SEQ ID NO: 3) is already 100% inactive after treatment with 3 (v / v) S-CHBE for 30 min at pH 7.0 and 30 ° C. This inventively high chemical stability is the basis for the use of the GDH mutant in biotransformations.

In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung zeichnet sich die erfindungsgemäße GDH-Mutante dadurch aus, dass es nach einer Behandlung mit S-CHBE bis zu einer Konzentration von 10 % (v/v) in einem wässrigen Medium bei pH 7,0 und 30°C für 2,5 h weniger als 20 % seiner Aktivität im Vergleich zum unbehandelten Enzym verliert.In a preferred embodiment invention, the GDH mutant according to the invention is characterized in that that after treatment with S-CHBE up to a concentration of 10% (v / v) in an aqueous Medium at pH 7.0 and 30 ° C for 2.5 h less than 20% of its activity compared to untreated Enzyme loses.

In einer besonders bevorzugten Ausführung der Erfindung zeichnet sich die GDH-Mutante dadurch aus, dass es nach einer Behandlung mit S-CHBE bis zu einer Konzentration von 10 % (v/v) in einem wässrigen Medium bei pH 7,0 und 30°C für 2,5 h weniger als 10 % seiner Aktivität im Vergleich zum unbehandelten Enzym verliert.In a particularly preferred embodiment invention, the GDH mutant is characterized in that it after treatment with S-CHBE up to a concentration of 10% (v / v) in an aqueous medium at pH 7.0 and 30 ° C for 2.5 h less than 10% of its activity compared to untreated Enzyme loses.

Ferner zeichnet sich die erfindungsgemäße GDH-Mutante durch eine hohe Lösungsmittelstabilität gegenüber n-Butylacetat und MTBE aus. In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung ist die GDH-Mutante charakterisiert dadurch, dass sie nach einer Behandlung in wässriger Lösung in einem Zweiphasengemisch unter ständigem Mischen, um eine Phasentrennung zu verhindern, mit 20 % (v/v) eines der beiden Lösungsmittel n-Butylacetat oder MTBE für 2 h bei 30°C und pH 7,0, nicht mehr als 20 % seiner Aktivität verliert.Further the GDH mutant according to the invention is distinguished by a high solvent stability against n-butyl acetate and MTBE. In a preferred embodiment of the invention is the GDH mutant characterized by being after treatment in water solution in a two-phase mixture with constant mixing to phase separation Prevent with 20% (v / v) of either solvent n-butyl acetate or MTBE for 2 h at 30 ° C and pH 7.0, does not lose more than 20% of its activity.

In einer besonders bevorzugten Ausführung verliert die GDH-Mutante unter diesen Bedingungen nicht mehr als 10 % seiner Aktivität.In a particularly preferred embodiment loses the GDH mutant under these conditions no more than 10% of its activity.

Die Anwendung der erfindungsgemäßen GDH ist jedoch nicht nur auf Biotransformationen beschränkt. Es findet auch in anderen Anwendungen Verwendung. Bekannt sind z. B. die Verwendung in Biosensoren, z. B. zur Glucosebestimmung. Das erfindungsgemäße Enzym kann aber auch zur Herstellung von Gluconsäure, bzw. deren Salze, durch Oxidation von Glucose, verwendet werden. Darüber hinaus umfasst die Erfindung auch die Verwendung der erfindungsgemäßen GDH-Mutante zur Oxidation anderer Zucker, wie z. B. 2-Deoxyglucose oder D-Glucosamin.The Application of the GDH according to the invention however, is not limited to biotransformations only. It is also used in other applications. Are known z. B. the use in biosensors, z. For glucose determination. The enzyme according to the invention but can also for the production of gluconic acid, or their salts, by Oxidation of glucose, can be used. In addition, the invention includes also the use of the GDH mutant according to the invention for the oxidation other sugars, such as B. 2-deoxyglucose or D-glucosamine.

Erfindungsgemäße Biotransformationszusammensetzungen umfassen eine erfindungsgemäße GDH-Mutante, ein CR-Enzym, einen Redox-Cofaktor ausgewählt aus NAD, NADH, NADP oder NADPH, ein Reduktionsmittel, vorzugsweise Glucose oder 2-Deoxyglucose sowie ein zu reduzierendes Substrat (Edukt) für das CR-Enzym, ausgewählt aus der Klasse der Carbonylverbindungen.Biotransformation compositions according to the invention comprise a GDH mutant according to the invention, a CR enzyme, a redox cofactor selected from NAD, NADH, NADP or NADPH, a reducing agent, preferably Glucose or 2-deoxyglucose and a substrate to be reduced (Educt) for the CR enzyme selected from the class of carbonyl compounds.

Die erfindungsgemäße Zusammensetzung wird genutzt in einem Verfahren zur Herstellung von chiralen Alkoholen oder chiralen Aminen, wobei die erfindungsgemäße GDH die kostengünstige Regenerierung von NADH bzw. NADPH-Cofaktoren bewirkt, die bei der enantioselektiven Reduktion des Edukts durch die CR verbraucht werden.The Composition according to the invention is used in a process for the preparation of chiral alcohols or chiral amines, wherein the GDH invention, the cost-effective regeneration of NADH or NADPH cofactors, which in the enantioselective Reduction of the reactant can be consumed by the CR.

Die Erfindung bezieht sich also auch auf Verfahren, bei denen eine erfindungsgemäße GDH zur Cofaktor-Regenerierung verwendet wird. Die Einsatzmenge der GDH im Verhältnis zum CR-Enzym ist dabei nicht festgelegt. Die Biotransformation wird dabei vorzugsweise in einem gepufferten, wässrigen Medium ausgeführt. Es ist aber auch möglich, die Biotransformation in einem zweiphasigen Gemisch durchzuführen, bestehend aus einer gepufferten, wässrigen Phase und einer zweiten, nicht mit Wasser mischbaren Phase, vorzugsweise einem organischen Lösungsmittel.The The invention therefore also relates to processes in which a GDH according to the invention for Cofactor regeneration is used. The input quantity of the GDH in relation to the CR enzyme is not specified. The biotransformation becomes preferably carried out in a buffered, aqueous medium. It but it is also possible to carry out the biotransformation in a two-phase mixture, consisting from a buffered, watery Phase and a second, not water-miscible phase, preferably an organic solvent.

Insbesondere umfasst die Erfindung auch Verfahren, bei denen die GDH aufgrund ihrer hohen chemischen Stabilität, entweder alleine oder zusammen mit der CR, aus dem Reaktionsansatz zurückgewonnen werden kann für eine Wiederverwendung mit dem Ziel, die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens zu erhöhen. Die Wiedergewinnung bezieht sich dabei auf Verfahren, wo das Reaktionsprodukt in an sich bekannter Weise nach Reaktionsende durch Extraktion mit einem in der wässrigen Phase nicht löslichen Lösungsmittel extrahiert wird und das Enzym mit der wässrigen Phase für den Wiedereinsatz zurückgewonnen wird. Dabei kann die Extraktion kontinuierlich oder diskontinuierlich erfolgen.Especially The invention also includes methods in which the GDH due their high chemical stability, either alone or together with the CR, from the reaction mixture be recovered can for a reuse with the goal, the profitability of the procedure to increase. The recovery refers to processes where the reaction product in a conventional manner after completion of the reaction by extraction with one in the watery one Phase insoluble solvent is extracted and the enzyme with the aqueous phase for reuse recovered becomes. The extraction can be continuous or discontinuous respectively.

Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst außerdem alle CR-Enzyme, die als Edukt einer Biotransformation eine Carbonylverbindung reduzieren können, wobei als Reduktionsmittel NADH oder NADPH verbraucht wird.The method according to the invention also comprises all CR enzymes which can reduce a carbonyl compound as the starting material of a biotransformation, wherein NADH or NADPH ver as reducing agent ver is needed.

Bevorzugte CRs sind alle Enzyme, die eine Carbonylverbindung zu einem Alkohol, insbesondere einen chiralen Alkohol, reduzieren können.preferred CRs are all enzymes that are a carbonyl compound to an alcohol, especially a chiral alcohol, can reduce.

Besonders bevorzugt sind CRs aus der Gruppe der ADHs, der AKRs, der Glycerindehydrogenasen, der Aldehydreduktasen und der Fettsäuresynthasen.Especially preferred are CRs from the group of ADHs, AKRs, glycerol dehydrogenases, Aldehyde reductases and fatty acid synthases.

Insbesondere bevorzugt sind ADH's aus den Gattungen Lactobacillus, Rhodococcus, Thermoanaerobacter (bzw. Thermoanaerobium), sowie AKRs, Glycerindehydrogenasen, Aldehydreduktasen und Fettsäuresynthasen aus Hefen oder filamentösen Pilzen.Especially preferred are ADH's from the genera Lactobacillus, Rhodococcus, Thermoanaerobacter (or Thermoanaerobium), as well as AKRs, glycerol dehydrogenases, aldehyde reductases and fatty acid synthases from yeasts or filamentous Mushrooms.

Die erfindungsgemäße GDH und die CR können im erfindungsgemäßen Verfahren entweder vollständig gereinigt oder teilweise gereinigt eingesetzt werden oder in Zellen enthalten (Ganzzellverfahren) verwendet werden. Dies schließt die Möglichkeiten ein, dass die GDH und die CR getrennt oder aber auch zusammen in den Zellen (Co-Expression) enthalten sind. Die eingesetzten Zellen können dabei nativ, permeabilisiert oder lysiert vorliegen. Die Einsatzmengen der CR und der erfindungsgemäßen GDH in dem erfindungsgemäßen Verfahren sind dabei nicht festgelegt, dem Fachmann ist aber geläufig, dass mit einem möglichst geringen Enzymeinsatz bei hoher Raum-Zeit-Ausbeute ein möglichst quantitativer Umsatz des Substrates zum Produkt erfolgen soll.The GDH according to the invention and the CR can in the process according to the invention either completely be used purified or partially purified or in cells contained (whole cell method) are used. This excludes the possibilities one that the GDH and the CR separated or together in the Cells (co-expression) are included. The cells used can native, permeabilized or lysed. The quantities used the CR and the GDH according to the invention in the method according to the invention are not fixed, but the person skilled in the art is familiar with that with one as possible low enzyme use at high space-time yield a possible quantitative conversion of the substrate to the product is to take place.

Als Substrate der Biotransformationen, bei denen die erfindungsgemäße GDH die Regenerierung von NADH bzw. NADPH bewerkstelligt, können allgemein Carbonylverbindungen verwendet werden, bevorzugt solche mit 3 bis 40 C-Atomen.When Substrates of the biotransformations in which the GDH according to the invention the Regeneration of NADH or NADPH can be general Carbonyl compounds are used, preferably those with 3 bis 40 C atoms.

In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden prochirale Carbonylverbindungen der allgemeinen Formel (I) R1-C(O)-R2 (I)eingesetzt, wobei
R1 und R2 unabhängig voneinander ausgewählt werden aus der Gruppe enthaltend C1-C20-Alkyl, C3-C20-Cycloalkyl, C5-C20-Aryl, C1-C20-Heteroaryl, C2-C20-Alkenyl, C5-C20-Aralkyl, C5-C20-Alkylaryl oder R1 und R2 zusammen einen Ring bilden können
und R1 und R2 gegebenenfalls unabhängig voneinander mit einem oder mehreren Resten Z substituiert sein können, wobei
Z ausgewählt wird aus der Gruppe enthaltend Fluor, Chlor, Brom, Iod, -CN, -NO2, -NO, -NR3OR3, -CHO, SO3H, -COOH oder -R3 und
R3 für Wasserstoff steht oder die Bedeutung von R1 haben kann und
in R1 und R2 gegebenenfalls unabhängig voneinander eine oder mehrere Methylengruppen durch gleiche oder verschiedene Gruppen Y ersetzt sein können, wobei
Y ausgewählt wird aus der Gruppe enthaltend -CR3=CR3-, -C=C-, -C(O)-, -C(O)O-, -OC(O)-, -C(O)OC(O)-, -O-, -O-O-, -CR3=N-, -C(O)-NR3-, N=N-, -NR3-NR3-, -NR3-O-, -NR3-, -P(O)(OR3)O-, -OP(O)(R3)O-, -P(R3)-, P(O)(R3)-, -S-, -S-S-, -S(O)-, -S(O)2-, -S(O)NR3-, -S(O)(OR3)O-, -Si(R3)2-, Si(R3)2O-, -Si(R3)(OR3)-, -OSi(R3)2O-, -OSi(R3)2-oder -Si(R3)2OSi(R3)2-.
In a preferred embodiment of the process according to the invention, prochiral carbonyl compounds of the general formula (I) R1-C (O) -R2 (I) used, where
R1 and R2 are independently selected from the group consisting of C1-C20 alkyl, C3-C20 cycloalkyl, C5-C20 aryl, C1-C20 heteroaryl, C2-C20 alkenyl, C5-C20 aralkyl, C5-C20 Alkylaryl or R1 and R2 together can form a ring
and R1 and R2 may optionally be independently substituted with one or more Z radicals, wherein
Z is selected from the group consisting of fluorine, chlorine, bromine, iodine, -CN, -NO2, -NO, -NR3OR3, -CHO, SO3H, -COOH or -R3 and
R3 is hydrogen or may have the meaning of R1 and
in R 1 and R 2, optionally independently of one another, one or more methylene groups may be replaced by identical or different groups Y, where
Y is selected from the group consisting of -CR3 = CR3-, -C = C-, -C (O) -, -C (O) O-, -OC (O) -, -C (O) OC (O) -, -O-, -OO-, -CR3 = N-, -C (O) -NR3-, N = N-, -NR3-NR3-, -NR3-O-, -NR3-, -P (O ) (OR3) O-, -OP (O) (R3) O-, -P (R3) -, P (O) (R3) -, -S-, -SS-, -S (O) -, - S (O) 2-, -S (O) NR3-, -S (O) (OR3) O-, -Si (R3) 2-, Si (R3) 2O-, -Si (R3) (OR3) - , -OSi (R3) 2O-, -OSi (R3) 2-or -Si (R3) 2OSi (R3) 2-.

Bevorzugte C5-C20-Aryl oder C1-C20-Heteroaryl-Reste für R1 und R2 werden insbesondere ausgewählt aus der Gruppe enthaltend -Phenyl, -Naphthyl, -Indolyl, -Benzofuranyl, -Thiophenyl, -Pyrrolyl, -Pyridinyl, -Imidazolyl, -Oxazolyl, -Isoxazolyl, -Furanyl, oder -Thiazolyl.preferred C5-C20-aryl or C1-C20-heteroaryl radicals for R1 and R2 are in particular selected from the group comprising -phenyl, -naphthyl, -indolyl, -benzofuranyl, Thiophenyl, pyrrolyl, pyridinyl, imidazolyl, oxazolyl, isoxazolyl, -Furanyl, or -Thiazolyl.

Die Verbindungen der allgemeinen Formel (I) können im allgemeinen auch als Salze eingesetzt werden.The Compounds of the general formula (I) can in general also be described as Salts are used.

Besonders bevorzugte Verbindungen der allgemeinen Formel (I) werden ausgewählt aus der Klasse der α-Ketoester, β-Ketoester, γ-Ketoester, α-Diketone, β-Diketone, γ-Diketone, δ-Diketone, α- Halogenketone, β-Halogenketone, αα-Dihalogenketone, α-Alkoxyketone, α-Acyloxyketone, β-Alkoxyketone, α-Alkinketone, Alkenketone, αα-Dialkoxyketone, ββ-Dialkoxyketone, Arylketone, Heteroarylketone.Especially Preferred compounds of general formula (I) are selected from the class of α-ketoesters, β-ketoesters, γ-ketoesters, α-diketones, β-diketones, γ-diketones, δ-diketones, α-haloketones, β-haloketones, αα-dihalo ketones, α-alkoxy ketones, α-acyloxy ketones , β-alkoxy ketones, α-alkene ketones, Alkene ketones, αα -dialkoxyketones, ββ-dialkoxyketones, Aryl ketones, heteroaryl ketones.

Insbesondere eignen sich als Verbindungen der allgemeinen Formel (I) 3-Oxo-butansäuremethylester, 3-Oxo-butansäureethylester, 4-Chlor-3-oxo-butansäuremethylester, 4-Chlor-3-oxo-butansäureethylester, 3-Oxo-pentansäuremethylester, 3-Oxo-pentansäureethylester, 1-Chlor-propan-2-on, 1,1-Dichlor-propan-2-on, 3-Oxo-butan-2-on, 2,6-Dimethyl-hexan-3,5-dion, 2,7-Dimethyl-hexan-3,6-dion, 2,4-Hexandion, 2,4-Pentandion, 3-Oxo-butansäuretertbutylester, 2,5-Hexandion, 4-Trimethylsilyl-3-butin-2-on, 4-Triisopropylsilyl-3-butin-2-on, 1-Chlor-4-trimethylsilyl-3-butin-2-on, 1-Chlor-4-triisopropylsilyl-3-butin-2-on oder 1-Chlor-butin-2-on, 1-Chlorbutan-3-on, Butanon, Pentan-2-on, Hexan-2-on, Heptan-2-on, Octan-2-on, 3-Penten-2-on, 4,4-Dimethoxybutan-2-on, 1-Acetoxypropan-2-on, Cyclopent-2-en-1-on, 3-Oxotetradecansäuremethylester, 3-Oxododecansäuremethylester, 1,1-Dimethoxy-4-methyl-3-pentanon, 2-Oxo-propionsäureethylester, 1,4-Dichlorbutanon, Acetophenon, 3-Methylbutanon, 1-Benzyloxy-propan-2-on oder 2-Methylcyclopentanon.Particularly suitable compounds of the general formula (I) are methyl 3-oxo-butanoate, ethyl 3-oxo-butanoate, methyl 4-chloro-3-oxo-butanoate, ethyl 4-chloro-3-oxo-butanoate, Methyl 3-oxo-pentanoate, ethyl 3-oxo-pentanoate, 1-chloro-propan-2-one, 1,1-dichloro-propan-2-one, 3-oxo-butan-2-one, 2,6-dimethyl hexane-3,5-dione, 2,7-dimethyl-hexane-3,6-dione, 2,4-hexanedione, 2,4-pentanedione, tert-butyl 3-oxobutanoate, 2,5-hexanedione, 4-trimethylsilyl 3-butyn-2-one, 4-triisopropylsilyl-3-butyn-2-one, 1-chloro-4-trimethylsilyl-3-butyn-2-one, 1-chloro-4-triisopropylsilyl-3-butyne-2 or 1-chloro-butyn-2-one, 1-chlorobutan-3-one, butanone, pentan-2-one, hexan-2-one, heptan-2-one, octan-2-one, 3-pentene 2-one, 4,4-dimethoxybutan-2-one, 1-acetoxypropan-2-one, cyclopent-2-en-1-one, methyl 3-oxotetradecanoate, methyl 3-oxododecanoate, 1,1-dimethoxy-4-methyl 3-pentanone, 2-oxo-propionic acid ethyl ester, 1,4-dichlorobutanone, acetophenone, 3-methylbutanone, 1-benzyloxy-propan-2-one or 2-methylcyclopentanone.

Die Verbindungen der allgemeinen Formel (I) werden im erfindungsgemäßen Verfahren in einer Menge von 1 % bis 50 % bezogen auf das Gesamtvolumen eines jeden Reaktionsansatzes eingesetzt, bevorzugt von 3 % bis 30 %, insbesondere von 5 % bis 20 %.The Compounds of the general formula (I) are used in the process according to the invention in an amount of 1% to 50% based on the total volume of a each reaction batch used, preferably from 3% to 30%, in particular from 5% to 20%.

Die Reaktionsmischung sollte generell einen pH-Wert von 5 bis 9 haben, bevorzugt von 6 bis 8.The Reaction mixture should generally have a pH of 5 to 9, preferably from 6 to 8.

Die wässrige Phase (Reaktionsmedium) enthält bevorzugt einen Puffer, insbesondere einen Kaliumphosphat/Kaliumhydrogenphosphat-, Tris(hydroxymethyl)aminomethan/HCl- oder Triethanolamin/HCl-Puffer mit einem pH-Wert von 5 bis 10, vorzugsweise ein pH-Wert von 6 bis 9. Die Pufferkonzentration sollte von 5 mM bis 150 mM betragen.The aqueous Phase (reaction medium) contains prefers a buffer, in particular a potassium phosphate / potassium hydrogen phosphate, Tris (hydroxymethyl) aminomethane / HCl or triethanolamine / HCl buffer with a pH of 5 to 10, preferably a pH of 6 to 9. The buffer concentration should be from 5 mM to 150 mM.

Zusätzlich kann die wässrige Phase auch Magnesiumionen enthalten, beispielsweise in Form von zugesetztem MgCl2 in einer Konzentration von 0.2 mM bis 10 mM, bevorzugt 0.5 mM bis 2 mM bezogen auf die eingesetzte Wassermenge. Daneben kann die wässrige Phase weitere Salze, wie beispielsweise NaCl, vorzugsweise in einer Konzentration von 50-200 mM, sowie weitere Zusätze wie beispielsweise Dimethylsulfoxid, Glycerin, Glycol, Ethylenglycol oder bekannt Enzym-stabilisierende Zucker, wie Trehalose, Sorbitol oder Mannitol enthalten.In addition, can the watery Phase also contain magnesium ions, for example in the form of added MgCl2 in a concentration of 0.2 mM to 10 mM, preferably 0.5 mM to 2 mM based on the amount of water used. Besides can the watery Phase further salts, such as NaCl, preferably in one Concentration of 50-200 mM, and other additives such as dimethyl sulfoxide, glycerol, Glycol, ethylene glycol or known enzyme-stabilizing sugars, such as trehalose, sorbitol or mannitol.

Als Coenzym können NADP, NADPH, NAD, NADH oder deren Salze eingesetzt werden. Die Konzentration an Coenzym in der wässrigen Phase beträgt bevorzugt von 0.01 mM bis 0.25 mM, besonders bevorzugt von 0.02 mM bis 0.1 mM.When Coenzyme can NADP, NADPH, NAD, NADH or salts thereof. The concentration to coenzyme in the aqueous Phase is preferably from 0.01 mM to 0.25 mM, more preferably from 0.02 mM to 0.1 mM.

Die Temperatur des Reaktionsgemisches beträgt bevorzugt von 0°C bis 70°C, besonders bevorzugt von 20°C bis 50°C.The Temperature of the reaction mixture is preferably from 0 ° C to 70 ° C, especially preferably from 20 ° C up to 50 ° C.

Im Laufe der Reaktion kann weiteres Reduktionsmittel, vorzugsweise in Form von Glucose, oder Edukt insbesondere in Form von Carbonylverbindungen der allgemeinen Formel (I), zugegeben werden. Die Zugabe kann dabei jeweils kontinuierlich (als sog. „Feed") oder aber auch in Portionen (sog. „batchweise") erfolgen.in the During the reaction, further reducing agent, preferably in the form of glucose, or educt in particular in the form of carbonyl compounds of general formula (I). The addition can be in each case continuously (as so-called "feed") or else in portions (so-called "batchwise").

Im erfindungsgemäßen Verfahren wird der pH des Ansatzes infolge der Oxidation von Glucose zu Gluconsäure kontinuierlich abnehmen, was durch Gegentitrieren mit einer Base korrigiert wird. Der pH des Reaktionsgemisches wird konstant gehalten durch Zugabe einer Base, ausgewählt aus Natronlauge, Kalilauge, Ammoniak (sog., dem Fachmann geläufiges, „pH-stat" Verfahren) oder aber durch Zugabe von Calciumcarbonat, aus dem durch Säureeinwirkung gasförmiges Kohlendioxid freigesetzt wird.in the inventive method the pH of the batch becomes continuous due to the oxidation of glucose to gluconic acid what is corrected by counter-titration with a base. The pH of the reaction mixture is kept constant by addition a base, selected from sodium hydroxide solution, potassium hydroxide solution, ammonia (so-called. "pH-stat" method familiar to those skilled in the art) or but by adding calcium carbonate, from the acid gaseous Carbon dioxide is released.

Je nach Art und Menge der eingesetzten Alkohol-Dehydrogenase und der eingesetzten Verbindung der allgemeinen Formel (I) beträgt die Reaktionszeit zwischen 30 min und 200 h, bevorzugt 6 h bis 60 h.ever the type and amount of alcohol dehydrogenase used and the used compound of general formula (I) is the reaction time between 30 minutes and 200 hours, preferably 6 hours to 60 hours.

Die Extraktion des Produktes erfolgt nach an sich bekannten Methoden, vorzugsweise mit einem mit Wasser nicht mischbaren, organischen Lösungsmittel. Die Extraktion kann dabei diskontinuierlich (batchweise) oder kontinuierlich erfolgen. Wie dem Fachmann bekannt, werden dabei Temperatur und Druck so eingestellt, dass eine optimale Extraktion des Produktes aus der wässrigen Phase gewährleistet ist.The Extraction of the product is carried out according to methods known per se, preferably with a water immiscible, organic Solvent. The extraction may be discontinuous (batchwise) or continuous respectively. As known to those skilled in the process, temperature and Pressure adjusted so that optimal extraction of the product from the watery Phase guaranteed is.

Als organische Lösemittel sind alle mit Wasser nicht mischbaren Lösemittel geeignet, die den gebildeten sekundären Alkohol aus der wässrigen Phase isolieren können.When organic solvents are all water immiscible solvents suitable, the formed secondary Alcohol from the watery Phase can isolate.

Bevorzugt werden organische Lösemittel, ausgewählt aus der Gruppe der Ester und/oder Ether, verwendet.Prefers become organic solvents, selected from the group of esters and / or ethers used.

Besonders bevorzugt werden Ethylacetat, Methylacetat, Propylacetat, Isopropylacetat, Buhylacetat, Tertbutylacetat, Diethylether, Diisopropylether, Dibutylether und MTBE oder deren Mischungen verwendet.Especially preferred are ethyl acetate, methyl acetate, propyl acetate, isopropyl acetate, Buhylacetat, Tertbutylacetat, diethyl ether, diisopropyl ether, dibutyl ether and MTBE or mixtures thereof.

Insbesondere bevorzugte Lösungsmittel sind MTBE, Ethylacetat und Butylacetat.Especially preferred solvents are MTBE, ethyl acetate and butyl acetate.

Nach der Abtrennung der organischen Extraktionsphase wird diese vorzugsweise destillativ aufgearbeitet, wobei eine Anreicherung des Reaktionsproduktes erreicht und die teilweise bis vollständige Abtrennung von Nebenprodukten vom Extraktionslösemittel bewirkt wird und dieses erneut zur Extraktion eingesetzt werden kann.To the separation of the organic extraction phase, this is preferably worked up by distillation, with an enrichment of the reaction product achieved and the partial to complete separation of by-products from the extraction solvent is effected and this are used again for extraction can.

Durch Aufreinigung der organischen Extraktionslösung enthaltend das Rohprodukt, beispielsweise mittels Feindestillation, erhält man das gewünschte Endprodukt. Das Endprodukt zeichnet sich typischerweise durch Ausbeuten > 90 % und einem Enantiomerenüberschuss ee > 90 %, bevorzugt durch Ausbeuten > 95 % und ee > 97 % aus.By Purification of the organic extraction solution containing the crude product, for example by means of fine distillation, to obtain the desired end product. The final product is typically characterized by yields> 90% and an enantiomeric excess ee> 90%, preferred by yields> 95 % and ee> 97%.

Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst auch den Wiedereinsatz eines wässrigen, enzymhaltigen Reaktionsmediums zur Umsetzung von Carbonylverbindungen zu chiralen Alkoholen. Die sich ergebenden hohen Raum-Zeit-Leistungen und der durch wiederholten Einsatz der Enzymlösung geringe Enzymverbrauch pro Mol Produkt ermöglichen die kostengünstige Umsetzung von Carbonylverbindungen zu chiralen Alkoholen unter Verwendung von Enzymen.The inventive method also includes the reuse of an aqueous, enzyme-containing reaction medium for the conversion of carbonyl compounds to chiral alcohols. The resulting high space-time performances and by repeated Use of the enzyme solution Low enzyme consumption per mole of product enable cost-effective implementation of carbonyl compounds to chiral alcohols using of enzymes.

Die erfindungsgemäße GDH-Mutante GDBS-E96A zeichnet sich durch eine unerwartet hohe chemische Stabilität aus, die durch den Stand der Technik nicht zu erwarten war. Für den Fachmann überraschend ergeben sich unter Einbeziehung der erfindungsgemäßen, chemisch stabilen, GDH-Mutante GDBS-E96A zur Cofaktor-Regenerierung die dargestellten Vorteile bei der enzymkatalysierten Herstellung chiraler Alkohole, ausgehend von prochiralen Carbonylverbindungen. The GDH mutant according to the invention GDBS-E96A is characterized by an unexpectedly high chemical stability, the was not expected by the prior art. Surprisingly revealed to the person skilled in the art including the inventive, chemically stable, GDH mutant GDBS-E96A for cofactor regeneration the advantages shown in the enzyme-catalyzed preparation chiral alcohols, starting from prochiral carbonyl compounds.

Die Erfindung wird durch die folgenden Beispiele beschrieben: The Invention is described by the following examples:

1. Beispiel:1st example:

Isolierung und Klonierung des GDH-Gens aus genomischer B. subtilis DNS.Isolation and cloning of the GDH gene from genomic B. subtilis DNA.

Verwendet wurde der B. subtilis Stamm LK5. Genomische DNS aus Bacillus subtilis wurde nach an sich bekannten Methoden isoliert (Makino et al., J. Biol. Chem. (1989) 264: 6381-6385). Das GDH Gen wurde durch PCR mit der Pfu DNS-Polymerase (Stratagene) nach den Angaben des Herstellers mit genomischer DNS aus Bacillus subtilis LK5 und den Primern gdbs-a (SEQ ID NO: 5) und gdbs-b (SEQ ID NO: 6) amplifiziert. Die Primer wurden aus der publizierten Sequenz (Lampel et al., J. Bacteriol. (1986) 166: 238-243) abgeleitet und hatten folgende Sequenzen:
Oligo gdbs-a:
5'-GCAGAATTCATGTATCCGGATTTAAAAGG-3' SEQ ID NO: 5
Oligo gdbs-b:
5'-CACGCGGCCGCTTAACCGCGGCCTGCCTGG-3' SEQ ID NO: 6
The B. subtilis strain LK5 was used. Genomic DNA from Bacillus subtilis was isolated by methods known per se (Makino et al., J. Biol. Chem. (1989) 264: 6381-6385). The GDH gene was isolated by PCR with Pfu DNA polymerase (Stratagene) according to the manufacturer's instructions with genomic DNA from Bacillus subtilis LK5 and the primers gdbs-a (SEQ ID NO: 5) and gdbs-b (SEQ ID NO: 6 ) amplified. The primers were derived from the published sequence (Lampel et al., J. Bacteriol. (1986) 166: 238-243) and had the following sequences:
Oligo gdbs-a:
5'-GCAGAATTCATGTATCCGGATTTAAAAGG-3 'SEQ ID NO: 5
Oligo gdbs-b:
5'-CACGCGGCCGCTTAACCGCGGCCTGCCTGG-3 'SEQ ID NO: 6

Primer gdbs-a enthielt am 5'-Ende eine Eco RI Schnittstelle, Primer gdbs-b enthielt am 5'-Ende eine Not I Schnittstelle. Bei der PCR-Reaktion von genomischer Bacillus subtilis DNS mit den Primern gdbs-a und gdbs-b entstand ein DNS-Fragment von 780 bp Größe.primer gdbs-a contained at the 5'-end an Eco RI site, primer gdbs-b contained a distress I at the 5 'end Interface. In the PCR reaction of genomic Bacillus subtilis DNA with the primers gdbs-a and gdbs-b resulted in a DNA fragment of 780 bp size.

Vektor pGDBSpic für die Expression in Pichia pastoris:Vector pGDBSpic for expression in Pichia pastoris:

Das durch die PCR-Reaktion hergestellte 780 bp DNS-Fragment der B. subtilis GDH wurde mit Eco RI und Not I geschnitten und in den mit Eco RI und Not I geschnittenen und dephosphorylierten Vektor pPIC3 (Invitrogen) kloniert. Es entstand der Vektor pGDBSpic (1). Sequenzierung des klonierten GDH Gens ergab die in SEQ ID NO: 4 aufgeführte DNS-Sequenz. Der Expressionsvektor pGDBSpic ist zur Expression des GDH Gens in der Hefe Pichia pastoris geeignet.The 780 bp DNA fragment of the B. subtilis GDH produced by the PCR reaction was cut with Eco RI and Not I and cloned into the Eco RI and Not I cut and dephosphorylated vector pPIC3 (Invitrogen). The vector pGDBSpic ( 1 ). Sequencing of the cloned GDH gene revealed the DNA sequence set forth in SEQ ID NO: 4. The expression vector pGDBSpic is suitable for the expression of the GDH gene in the yeast Pichia pastoris.

Vektor pGDHyexl für die Expression in Saccharomyces cerevisiae:Vector pGDHyexl for expression in Saccharomyces cerevisiae:

Das GDH-Gen wurde aus dem Vektor pGDBSpic mit Eco RI und Not I herausgeschnitten und isoliert. Das dabei erhaltene 780 bp Fragment wurde in den mit Not I und Eco RI geschnittenen und dephosphorylierten S. cerevisiae Expressionsvektor pYEXL (Clontech) kloniert. Dadurch entstand der Expressionsvektor pGDHyexl (2). In pGDHyexl steht das GDH Gen unter Kontrolle des PGK-Promoters (Phosphoglyceratkinase Gen). Das URA3 Selektionsmarkergen komplementiert eine Uracil Auxotrophie in transformierten S. cerevisiae Stämmen. Vektor pGDHyexl ist als autonom replizierender Vektor für die Expression des GDH-Gens in S. cerevisiae geeignet.The GDH gene was excised from vector pGDBSpic with Eco RI and Not I and isolated. The resulting 780 bp fragment was cloned into the Not I and Eco RI cut and dephosphorylated S. cerevisiae expression vector pYEXL (Clontech). This gave rise to the expression vector pGDHy exl ( 2 ). In pGDHyexl the GDH gene is under the control of the PGK promoter (phosphoglycerate kinase gene). The URA3 selection marker gene complements uracil auxotrophy in transformed S. cerevisiae strains. Vector pGDHyexl is suitable as an autonomously replicating vector for the expression of the GDH gene in S. cerevisiae.

Integrativer Vektor pGDHnts für die Expression der GDH in S. cerevisiae: Integrative Vector pGDHnts for the Expression of GDH in S. cerevisiae:

Vektor pGDHyexl wurde mit Nde I geschnitten und der linearisierte Vektor anschließend mit Pfu DNS-Polymerase behandelt, um die überhängenden, einzelsträngigen DNS-Enden aufzufüllen. Es folgte ein Verdau mit Hind III. Dabei entstanden neben einem 2,4 kb auch ein 6,6 kb DNS-Fragment, das neben der GDH-Expressionskassette auch das URA3 Selektionsmarkergen enthielt. Das 6,6 kb Genfragment wurde durch präparative Gelelektrophorese gereinigt und in mit Hpa I und Hind III geschnittenen und dephosphorylierten Vektor pNTS kloniert.vector pGDHyexl was cut with Nde I and the linearized vector subsequently treated with Pfu DNA polymerase to the overhanging, single-stranded DNA ends fill. This was followed by digestion with Hind III. It was created next to one 2.4 kb also a 6.6 kb DNA fragment, in addition to the GDH expression cassette also contained the URA3 selection marker gene. The 6.6 kb gene fragment was by preparative Gel electrophoresis purified and cut in with Hpa I and Hind III and dephosphorylated vector pNTS cloned.

Vektor pNTS (3) enthielt ein 980 bp großes DNS-Fragment aus dem Genbereich der repetitiven ribosomalen rDNA aus S. cerevisiae. Das NTS-Genfragment wurde durch PCR mit der Taq DNS-Polymerase (Qiagen) mit den Primern ntsA (SEQ ID NO: 7) und ntsB (SEQ ID NO: 8) aus genomischer DNS aus S. cerevisiae isoliert. Die Primer waren aus der publizierten Sequenz (Gendatenbankdatei SCNTS1.gb pl1. Primer ntsA: ab bp 11. Primer ntsB: ab bp 990, in revers-komplementärer Orientierung) ausgewählt worden und hatten folgende Sequenzen:
Primer ntsA:
5'-GCGGGATCCGGCGCGCCATCCGGGTAAAAACATG-3' SEQ ID NO: 7
Primer ntsB:
5'-GCGATCGATGGCGCGCCTATGCTAAATCCCATAAC-3' SEQ ID NO: 8
Vector pNTS ( 3 ) contained a 980 bp DNA fragment from the gene region of the repetitive ribosomal rDNA from S. cerevisiae. The NTS gene fragment was isolated by PCR with the Taq DNA polymerase (Qiagen) with the primers ntsA (SEQ ID NO: 7) and ntsB (SEQ ID NO: 8) from S. cerevisiae genomic DNA. The primers were selected from the published sequence (gene database file SCNTS1.gb p1, primer ntsA: ab bp 11th primer ntsB: ab bp 990, in reverse-complementary orientation) and had the following sequences:
Primer ntsA:
5'-GCGGGATCCGGCGCGCCATCCGGGTAAAAACATG-3 'SEQ ID NO: 7
Primer ntsB:
5'-GCGATCGATGGCGCGCCTATGCTAAATCCCATAAC-3 'SEQ ID NO: 8

Primer ntsA enthielt am 5'-Ende eine Bam HI Schnittstelle, gefolgt von einer Asc I Schnittstelle. Primer ntsB enthielt am 5'-Ende eine Cla I Schnittstelle, gefolgt von einer Asc I Schnittstelle.primer ntsA contained at the 5'-end a Bam HI interface, followed by an Asc I interface. Primer ntsB contained at the 5 'end a Cla I interface, followed by an Asc I interface.

Das bei der PCR-Reaktion gebildete PCR-Fragment wurde mit Bam HI und Cla I geschnitten und in den mit Bam HI und Cla I geschnittenen und dephosphorylierten Bluescript Vektor (Stratagene) kloniert, wodurch der Vektor pNTS (3) entstand.The PCR fragment formed during the PCR reaction was cut with Bam HI and Cla I and cloned into the Bam HI and Cla I cut and dephosphorylated Bluescript vector (Stratagene), whereby the vector pNTS (FIG. 3 ) originated.

Vektor pecGDBS für die Expression in Escherichia coli:Vector pecGDBS for expression in Escherichia coli:

Plasmid-DNS des Expressionsvektors pGDBSpic wurde dazu verwendet, um das GDH-Gen mit den Primern gdbs-c (SEQ ID NO: 9) und gdbs-d (SEQ ID NO: 10) in einer PCR-Reaktion mit der Pfu DNS-Polymerase herzustellen. Die Primer hatten folgende Sequenzen:
Oligo gdbs-c:
5'-GAATTCGGTCTCAAATGTATCCGGATTTAAAAGG-3' SEQ ID NO: 9
Oligo gdbs-d:
5'-GTAAAGCTTGGTCTCTGCGCTTTAACCGCGGCCTGCCTGGA-3' SEQ ID NO: 10
Plasmid DNA of the expression vector pGDBSpic was used to generate the GDH gene with the primers gdbs-c (SEQ ID NO: 9) and gdbs-d (SEQ ID NO: 10) in a PCR reaction with the Pfu DNA polymerase manufacture. The primers had the following sequences:
Oligo gdbs-c:
5'-GAATTCGGTCTCAAATGTATCCGGATTTAAAAGG-3 'SEQ ID NO: 9
Oligo gdbs-d:
5'-GTAAAGCTTGGTCTCTGCGCTTTAACCGCGGCCTGCCTGGA-3 'SEQ ID NO: 10

Primer gdbs-c enthielt am 5'-Ende eine Eco RI Schnittstelle gefolgt von einer Bsa I Schnittstelle. Primer gdbs-d enthielt am 5'-Ende eine Hind III Schnittstelle gefolgt von einer Bsa I Schnittstelle.primer gdbs-c contained at the 5'-end an Eco RI interface followed by a Bsa I interface. The primer gdbs-d contained at the 5'-end a Hind III site followed by a Bsa I site.

Bei der PCR-Reaktion von pGDBSpic Plasmid-DNS mit den Primern gdbs-c und gdbs-d entstand ein DNS-Fragment von 780 bp Größe. Das DNS-Fragment wurde mit Bsa I geschnitten und in den mit Bsa I geschnittenen und dephosphorylierten Vektor pASK-IBA3 (sog. „Strep-tag" Protein Produktionssystem der Firma IBA, Institut für Bioanalytik) kloniert. Es entstand der Vektor pecGDBS ( 4). Sequenzierung des klonierten GDH Gens ergab die in SEQ ID NO: 4 aufgeführte DNS-Sequenz. Der Expressionsvektor pecGDBS ist zur Expression des GDH Gens in E. coli geeignet.In the PCR reaction of pGDBSpic plasmid DNA with the primers gdbs-c and gdbs-d, a DNA fragment of 780 bp size was generated. The DNA fragment was cut with Bsa I and cloned into the Bsa I-cut and dephosphorylated vector pASK-IBA3 (so-called "Strep-tag" protein production system from IBA, Institute for Bioanalytics) to give the vector pecGDBS ( 4 ). Sequencing of the cloned GDH gene revealed the DNA sequence set forth in SEQ ID NO: 4. The expression vector pecGDBS is suitable for expression of the GDH gene in E. coli.

2.Beispiel:2.Example:

Herstellung der Mutante GDBS-E96AProduction of the mutant GDBS-E96A

Zur gezielten Mutagenese (sog. „site-directed" Mutagenese) des GDH-Gens, kloniert in den Expressionsvektor pecGDBS, wurde der „Quick Change" Mutagenese Kit der Fa. Stratagene verwendet. Als Primer für die Mutagenese wurden GDmut1 (SEQ ID NO: 11) und GDmut2 (SEQ ID NO: 12) verwendet. Die Primer hatten folgende Sequenzen:
GDmut1:
5'-AATGCCGGTCTTGCAAATCCTGTGCCATCTC-3' SEQ ID NO: 11
GDmut2:
5'-GAGATGGCACAGGATTTGCAAGACCGGCATT-3' SEQ ID NO: 12
For targeted mutagenesis (so-called "site-directed" mutagenesis) of the GDH gene, cloned into the expression vector pecGDBS, the "Quick Change" mutagenesis kit from Stratagene was used. As primers for mutagenesis, GDmut1 (SEQ ID NO: 11) and GDmut2 (SEQ ID NO: 12) were used. The primers had the following sequences:
GDmut1:
5'-AATGCCGGTCTTGCAAATCCTGTGCCATCTC-3 'SEQ ID NO: 11
GDmut2:
5'-GAGATGGCACAGGATTTGCAAGACCGGCATT-3 'SEQ ID NO: 12

Die Mutagenese wurde entsprechend den Angaben des Herstellers durchgeführt. Der resultierende Vektor mit dem mutierten GDH-Gen wurde als pecGDBS-E96A (5) bezeichnet. Die erfolgreiche Einführung der Mutation wurde durch DNS-Sequenzierung überprüft. Die DNS-Sequenz der GDH-Mutante GDBS-E96A ist in SEQ ID NO: 2 aufgeführt. Die aus SEQ ID NO: 2 abgeleitete Proteinsequenz ist in SEQ ID NO: 1 aufgeführt. Der Expressionsvektor pecGDBS-E96A ist zur Expression des GDH Gens in E. coli geeignet.The mutagenesis was carried out according to the manufacturer's instructions. The resulting vector with the mutant GDH gene was identified as pecGDBS-E96A ( 5 ) designated. The successful introduction of the mutation was verified by DNA sequencing. The DNA sequence of the GDH mutant GDBS-E96A is listed in SEQ ID NO: 2. The protein sequence derived from SEQ ID NO: 2 is listed in SEQ ID NO: 1. The expression vector pecGDBS-E96A is suitable for expression of the GDH gene in E. coli.

Autonom replizierender Vektor pGDBS-E96Ayexl zur Expression der GDH-Mutante in S. cerevisiae:Autonomously replicating Vector pGDBS-E96Ayex1 for expression of the GDH mutant in S. cerevisiae:

Durch PCR-Reaktion mit den Primern gdbs-a (SEQ ID NO: 5) und gdbs-b (SEQ ID NO: 6, siehe 1. Beispiel), pecGDBS-E96A Plasmid-DNS und Pfu DNS-Polymerase wurde das mutierte GDH-Gen als 780 bp Fragment hergestellt, mit Eco RI und Not I geschnitten und in den mit Eco RI und Not I geschnittenen und dephosphorylierten Vektor pYEXL kloniert (siehe 1. Beispiel). Die korrekte DNS-Sequenz des mutierten GDH-Gens wurde durch Sequenzierung überprüft. Es entstand der Expressionsvektor pGDBS-E96Ayexl (6), der zur Expression des mutierten GDH-Gens in S. cerevisiae geeignet ist.By PCR reaction with the primers gdbs-a (SEQ ID NO: 5) and gdbs-b (SEQ ID NO: 6, see Example 1), pecGDBS-E96A plasmid DNA and Pfu DNA polymerase, the mutated GDH- Gene was prepared as a 780 bp fragment, cut with Eco RI and Not I and cloned into the Eco RI and Not I cut and dephosphorylated vector pYEXL (see Example 1). The correct DNA sequence of the mutant GDH gene was verified by sequencing. The result was the expression vector pGDBS-E96Ayexl ( 6 ) suitable for expression of the mutated GDH gene in S. cerevisiae.

Integrativer Vektor pGDBS-e96aNTS zur Expression der GDH-Mutante in S. cerevisiae:Integrative vector pGDBS-e96aNTS for expression of the GDH mutant in S. cerevisiae:

Aus dem Vektor pGDBS-E96Ayexl wurde das GDH-Gen mit Eco RI und Bgl II als 780 bp großes Genfragment isoliert. Aus dem integrativen Vektor pGDHnts wurde das Wildtyp GDH-Gen durch Verdau mit Eco RI und Bgl II herausgeschnittenen, das 9,7 kb große Vektorfragment isoliert und dephosphoryliert. Das 780 bp große Genfragment der GDH-Mutante wurde in das Vektorfragment kloniert. Es entstand der integrative Expressionsvektor pGDe96aNTS (7), der für die Expression der GDH-Mutante in S. cerevisiae geeignet ist.From the vector pGDBS-E96Ayexl the GDH gene was isolated with Eco RI and Bgl II as a 780 bp gene fragment. From the integrative vector pGDHnts, the wild-type GDH gene was excised by digestion with Eco RI and Bgl II, the 9.7 kb vector fragment isolated and dephosphorylated. The 780 bp gene fragment of the GDH mutant was cloned into the vector fragment. The integrative expression vector pGDe96aNTS ( 7 ), which is suitable for the expression of the GDH mutant in S. cerevisiae.

3. Beispiel:3rd example:

Expression von GDH-Genen in E. coliExpression of GDH genes in E. coli

Verwendet wurden die Expressionsvektoren pecGDBS und pecGDBS-E96A. Plasmid-DNS wurde nach an sich bekannten Methoden in den E. coli Stamm Top 10F' (Invitrogen) transformiert. Als Kontrolle diente E. coli Top 10F', mit dem pASK-IBA3 Leervektor transformiert. Jeweils ein Klon wurde ausgewählt und in einer Schüttelkolbenanzucht nach den Angaben des Herstellers des pASK-IBA3 Vektors (IBA Institut für Bioanalytik) kultiviert. Von den E. coli-Stämmen wurde in LBamp-Medium (10 g/l Trypton, 5 g/l Hefeextrakt, 5 g/l NaCl, 0,1 mg/ml Ampicillin) eine Vorkultur hergestellt (Anzucht bei 37°C und 120 rpm über Nacht). Je 2 ml Vorkultur wurden als Inokulum einer Hauptkultur von 100 ml LBamp Medium (300 ml Erlenmeyerkolben) verwendet. Die Hauptkulturen wurden bei 30°C und 180 rpm geschüttelt, bis eine Zelldichte OD600 von 0,5 erreicht wurde. Dann wurde der Induktor Anhydrotetracyclin (IBA Institut für Bioanalytik, Endkonzentration 2 μg/ml) zugegeben und weitere 3 h bei 30°C und 180 rpm geschüttelt.used the expression vectors were pecGDBS and pecGDBS-E96A. Plasmid DNA was transformed according to methods known per se into the E. coli strain Top 10F '(Invitrogen). As control served E. coli Top 10F ', transformed with the pASK-IBA3 empty vector. One clone each was selected and in a shake flask cultivation according to the manufacturer of the pASK-IBA3 vector (IBA Institut for bioanalytics). From the E. coli strains was in LBamp medium (10 g / l tryptone, 5 g / l yeast extract, 5 g / l NaCl, 0.1 mg / ml ampicillin) produced a preculture (cultivation at 37 ° C and 120 rpm over Night). 2 ml of each preculture were used as inoculum of a main culture of 100 ml LBamp medium (300 ml Erlenmeyer flask). The main cultures were at 30 ° C and shaken 180 rpm, until a cell density OD600 of 0.5 was reached. Then the Inducer Anhydrotetracycline (IBA Institute of Bioanalytics, final concentration 2 μg / ml) added and a further 3 h at 30 ° C. and shaken 180 rpm.

Zur Analyse der GDH-Produktion wurden jeweils 1 ml der E. coli Zellen in an sich bekannter Weise mit einem sog. „French®Press" Hochdruckhomogenisator (SLM-AMINCO) aufgeschlossen und ein Zellextrakt durch Zentrifugation (15 min 15000 rpm, Sorvall SS34 Rotor) isoliert. Aliquots der Zellextrakte wurden zur photometrischen Bestimmung der GDH-Aktivität verwendet. Während im Kontrollstamm keine GDH-Aktivität gemessen werden konnte, betrug die spezifische GDH-Aktivität in Zellextrakten 34,8 U/mg Protein für das Wildtypenzym und 30,8 U/mg für die Mutante GDBS-E96A (entspricht 88,5 % der spezifischen Aktivität der Wildtyp-GDH). Beide GDH-Enzyme haben somit vergleichbare enzymatische Eigenschaften. Die Mutante GDBS-E96A aus B. subtilis hat damit unerwartet bessere enzymatische Eigenschaften als die analoge Mutante aus Bacillus megaterium, die nur noch ca. 30 der Aktivität des Wildtypenzyms besaß ((Nagao et al., FEBS Lett. (1989) 253, 113-116).Were used for the GDH-production analysis in each case 1 of the E. ml coli cells in a conventional manner with a so-called. "French ® Press" high-pressure homogenizer (SLM-AMINCO) open and rpm a cell extract by centrifugation (15 min 15000, Sorvall SS34 rotor Aliquots of the cell extracts were used to photometrically determine GDH activity, while in the control strain no GDH activity could be measured, the specific GDH activity in cell extracts was 34.8 U / mg protein for the wild-type enzyme and 30.8 U The mutant GDBS-E96A (equivalent to 88.5% of the specific activity of the wild-type GDH) has the same enzymatic properties as GDB-E96A from B. subtilis and has unexpectedly better enzymatic properties than the GDB-E96A mutant analogous mutant from Bacillus megaterium, which only had about 30% of the activity of the wild-type enzyme (Nagao et al., FEBS Lett. (1989) 253, 113-116).

Spektralphotometrische Bestimmung der GDH-Aktivität:spectrophotometric Determination of GDH activity:

Der Messansatz von 1 ml Volumen zur photometrischen Bestimmung von GDH-Aktivität war zusammengesetzt aus Messpuffer (0,1 M Kaliumphosphat, pH 7,0, 0,1 M NaCl), 10 mg/ml Glucose, 2 mM NADP und GDH-haltigem Zellextrakt. Messtemperatur war 25°C. Die Reaktion wurde gestartet durch Zugabe der Glucose (aus einer 40-fach konzentrierten Stammlösung) und die Extinktionszunahme infolge der Bildung von NADPH bei einer Wellenlänge von 340 nm gemessen (Extinktionskoeffizient von NADPH: ε = 0,63 × 104 l × Mol–1 × cm–1). Ein Unit GDH-Aktivität ist definiert als die Bildung von 1 μmol NADPH/min unter Testbedingungen.The 1 ml volume for the photometric determination of GDH activity was composed of measurement buffer (0.1 M potassium phosphate, pH 7.0, 0.1 M NaCl), 10 mg / ml glucose, 2 mM NADP and GDH-containing cell extract , Measurement temperature was 25 ° C. The reaction was started by adding the glucose (from a 40X concentrated stock solution) and the absorbance increase due to the formation of NADPH measured at a wavelength of 340 nm (extinction coefficient of NADPH: ε = 0.63 × 10 4 l × mol -1 × cm -1 ). One unit of GDH activity is defined as the formation of 1 μmol NADPH / min under assay conditions.

Zur Bestimmung der spezifischen Aktivität wurde die Proteinkonzentration der Zellextrakte in an sich bekannter Weise mit dem sog. „BioRad Proteinassay" der Fa. BioRad bestimmt.to Determination of the specific activity was the protein concentration the cell extracts in a conventional manner with the so-called. "BioRad Protein Assay "the Company BioRad determined.

4. Beispiel: 4th example:

Expression von GDH-Genen in der Hefe S. cerevisiaeExpression of GDH genes in the yeast S. cerevisiae

Ausgangsstamm war der S. cerevisiae Stamm CM3260 (Uracil-, Histidin-, Tryptophanauxotrophie, beschrieben in Dancis et al., Cell (1994) 76: 393-402). Das transformierte Expressionskonstrukt war pGDe96ants. pGDe96ants enthielt das mutierte GDH-Gen GDBS-E96A unter Kontrolle des PGK-Promotors. Selektionsmarker war das URA3 Gen (Uracil Selektion). Der Vektor wurde vor der Transformation mit Asc I geschnitten, um die Expressionskassette freizusetzen. Die Transformation des Hefestammes CM3260 erfolgte nach der dem Fachmann geläufigen Lithiumacetat-Methode (Gietz and Woods, Biotechniques (2001) 30: 816-831).starting strain was the S. cerevisiae strain CM3260 (uracil, histidine, tryptophan auxotrophy, described in Dancis et al., Cell (1994) 76: 393-402). The transformed Expression construct was pGDe96ants. pGDe96ants contained the mutant GDH gene GDBS-E96A under control of the PGK promoter. selection marker was the URA3 gene (uracil selection). The vector was before the transformation cut with Asc I to release the expression cassette. The transformation of the yeast strain CM3260 took place after the Professional common Lithium acetate method (Gietz and Woods, Biotechniques (2001) 30: 816-831).

Transformanten wurden isoliert und durch Schüttelkolbenanzucht auf GDH-Aktivität getestet. Dazu wurde jeweils 50 ml YPD-CSL Medium (10 g/l Hefeextrakt, 20 g/l Pepton, 20 g/l Glucose, 20 g/l Mais Quellwasser, „Corn Steep Liquor") mit einer Transformante beimpft und vier Tage bei 28°C und 140 rpm (Infors Schüttler) inkubiert. Die Zellen wurden, wie im 3. Beispiel für E. coli beschrieben, mit der „French®Press" aufgeschlossen und die Zellextrakte auf GDH-Aktivität untersucht. Aus dem Vergleich von ca. 50 getesteten Transformanten ging der Stamm GD34 als bester GDH-Produzent hervor. Die spezifische GDH-Aktivität in Rohextrakten (bestimmt wie im 3. Beispiel beschrieben) betrug 1 U/mg Protein. Im CM3260 Kontrollstamm konnte keine GDH-Aktivität gemessen werden.Transformants were isolated and tested for GDH activity by shake flask culture. For this purpose, in each case 50 ml of YPD-CSL medium (10 g / l yeast extract, 20 g / l peptone, 20 g / l glucose, 20 g / l corn spring water, "Corn Steep Liquor") was inoculated with one transformant and four days at 28 The cells were incubated with the " French® Press" and the cell extracts were analyzed for GDH activity, as described in the 3rd example for E. coli, and 140 rpm (Infors shaker). From the comparison of about 50 transformants tested, the strain GD34 emerged as the best GDH producer. The specific GDH activity in crude extracts (determined as described in Example 3) was 1 U / mg protein. In the CM3260 control strain no GDH activity could be measured.

5. Beispiel:5th example:

Chemische Stabilität der GDH-Mutante GDBS-E96AChemical stability of the GDH mutant GDBS-E96A

Verglichen wurde die GDH-Aktivität in Zellextrakten aus der Anzucht in E. coli (Siehe 3. Beispiel) nach Vorbehandlung mit dem enzymschädigenden Produkt S-CHBE, das bei der Biotransformation von 4Cl-ACE entsteht. Außerdem wurde die Stabilität gegen die Lösungsmittel n-Butylacetat und MTBE untersucht.Compared became the GDH activity in cell extracts from the culture in E. coli (see 3rd example) after pretreatment with the enzyme-damaging product S-CHBE, the formed in the biotransformation of 4Cl-ACE. It was also the stability against the solvents investigated n-butyl acetate and MTBE.

In einem ersten Test wurden gleiche Enzymaktivitäten von Wildtyp GDH und Mutante GDBS-E96A in Messpuffer (siehe 3. Beispiel) bei 30°C und pH 7,0 mit S-CHBE in einer Konzentration von 3 (v/v) behandelt und die GDH-Aktivität nach verschiedenen Inkubationszeiten bestimmt. Tab. 1 zeigt, dass das Wildtypenzym nach 30 min vollständig inaktiv war. Die Mutante GDBS-E96A war dagegen nach einer Inkubation von 120 min bei 30°C zu noch mehr als 90 % aktiv.In In a first test, the same enzyme activities of wild type GDH and mutant were observed GDBS-E96A in measuring buffer (see 3rd example) at 30 ° C and pH Treated with S-CHBE at a concentration of 3 (v / v) and 7.0 the GDH activity determined after different incubation times. Table 1 shows that the wild-type enzyme was completely inactive after 30 min. The mutant GDBS-E96A, on the other hand, was still closed after incubation for 120 min at 30 ° C more than 90% active.

Tabelle 1: Kinetik der Inaktivierung von Wildtyp GDH und GDH-Mutante GDBS-E96A durch Vorinkubation (30°C, pH 7,0) mit 3 (v/v) S-CHBE

Figure 00260001
Table 1: Kinetics of inactivation of wild type GDH and GDH mutant GDBS-E96A by preincubation (30 ° C, pH 7.0) with 3 (v / v) S-CHBE
Figure 00260001

In einem zweiten Test wurde die GDH-Mutante mit steigenden Mengen S-CHBE inkubiert (dosisabhängige Inaktivierung) und anschließend die GDH-Aktivität bestimmt. Wie in Tab. 2 dargestellt, wurde unter Reaktionsbedingungen (30°C, pH 7,0) nach einer 2,5 h Inkubation mit S-CHBE in Konzentrationen bis 10 (v/v) (entspricht einer 0,71 M Konzentration) keine signifikante Inaktivierung des Enzyms beobachtet.In In a second test, the GDH mutant was treated with increasing amounts of S-CHBE incubated (dose-dependent Inactivation) and then the GDH activity certainly. As shown in Tab. 2, under reaction conditions (30 ° C, pH 7.0) after 2.5 h incubation with S-CHBE in concentrations up to 10 (v / v) (equivalent to a 0.71M concentration) is not significant Inactivation of the enzyme was observed.

Tabelle 2: Dosisabhängige Inaktivierung der GDH-Mutante GDBS-E96A durch Vorinkubation (2,5 h 30°C, pH 7,0) mit steigenden Mengen S-CHBE

Figure 00260002
Table 2: Dose-dependent inactivation of the GDH mutant GDBS-E96A by preincubation (2.5 h 30 ° C, pH 7.0) with increasing amounts of S-CHBE
Figure 00260002

In einem dritten Test wurden gleiche Enzymaktivitäten von Wildtyp GDH und Mutante GDBS-E96A in Messpuffer (siehe 3. Beispiel) bei 30°C und pH 7,0 mit steigenden Mengen n-Butylacetat oder MTBE inkubiert (dosisabhängige Inaktivierung) und anschließend die GDH-Aktivität bestimmt. Wie in Tab. 3 dargestellt, wurde unter Reaktionsbedingungen (30°C, pH 7,0) nach einer 2,5 h Inkubation mit n-Butylactet oder MTBE in Konzentrationen bis 20 (v/v) keine signifikante Inaktivierung (n-Butylacetat), bzw. eine Inaktivierung < 20 % (MTBE) der GDH-Mutante GDBS-E96A beobachtet, während die Wildtyp-GDH 50 % (n-Butylacetat), bzw. bis zu 90 % (MTBE) inaktiviert wurde.In In a third test the same enzyme activities of wild type GDH and mutant were observed GDBS-E96A in measuring buffer (see 3rd example) at 30 ° C and pH 7.0 with increasing amounts of n-butyl acetate or MTBE incubated (dose-dependent inactivation) and subsequently the GDH activity certainly. As shown in Tab. 3, under reaction conditions (30 ° C, pH 7.0) after 2.5 h incubation with n-butyl acetate or MTBE in concentrations to 20 (v / v) no significant inactivation (n-butyl acetate), resp. an inactivation <20 % (MTBE) of the GDH mutant GDBS-E96A, while the wild-type GDH 50% (n-butyl acetate), or up to 90% (MTBE) was inactivated.

Tabelle 3: Dosisabhängige Inaktivierung der Wildtyp-GDH und der GDH-Mutante GDBS-E96A durch Vorinkubation (2 h 30°C, pH 7,0) mit steigenden Mengen n-Butylacetat oder MTBE

Figure 00270001
Table 3: Dose-dependent inactivation of the wild-type GDH and the GDH mutant GDBS-E96A by preincubation (2 h 30 ° C, pH 7.0) with increasing amounts of n-butyl acetate or MTBE
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Diese Ergebnisse bedeuten eine signifikante und nach dem Stand der Technik nicht zu erwartende Verbesserung der chemischen Stabilität der GDH-Mutante GDBS-E96A gegenüber dem Wildtypenzym.These Results mean a significant and state of the art unanticipated improvement in the chemical stability of the GDH mutant GDBS-E96A opposite the wild-type enzyme.

6. Beispiel:6th example:

Ganzzellbiotransformation mit GDH-produzierenden Hefezellenwhole cell biotransformation with GDH-producing yeast cells

Für Biotransformationen wurde der rekombinante S. cerevisiae Stamm FasB-his6 verwendet. Der Stamm FasB-his6 ist abgeleitet vom GDH-produzierenden Stamm GD34. Er zeichnet sich durch eine erhöhte FAS CR-Aktivität aus und eignet sich für die Herstellung von S-CHBE und anderen chiralen β-Hydroxyestern, da die in üblichen Hefestämmen zu beobachtenden CR-Aktivitäten, die zu R-CHBE führen, in natürlicherweise geringer Aktivität vorhanden sind. Die Expressionssteigerung der FAS-Aktivität wurde, dem Stand der Technik entsprechend, erreicht durch Überexpression der sog. Fas1-Untereinheit der Hefe Fettsäuresynthase (beschrieben in Wenz et al., Nucleic Acids Res. (2001) 29: 4625-4632).For biotransformations the recombinant S. cerevisiae strain FasB-his6 was used. The strain FasB-his6 is derived from the GDH-producing strain GD34. It is characterized by an increased FAS CR activity and is suitable for the production of S-CHBE and other chiral β-hydroxy esters, as in the usual Yeast Strains observable CR activities, which lead to R-CHBE, in naturally lower activity available. The increase in expression of FAS activity was According to the state of the art, achieved by overexpression the so-called Fas1 subunit of yeast fatty acid synthase (described in Wenz et al., Nucleic Acids Res. (2001) 29: 4625-4632).

Die Anzucht des Hefestammes FasB-his6 erfolgte in Schüttelkolben. 6 × 250 ml YPD-CSL-Medium, jeweils in 1 l Erlenmeyerkolben, wurden mit dem Stamm FasB-his6 beimpft. Die Anzucht erfolgte durch Inkubation für vier Tage auf einem Orbitalschüttler (Infors) bei 28°C und 120 rpm. Zellen wurden entweder direkt für die Biotransformation weiterverwendet oder bei –20°C eingefroren.The cultivation of the yeast strain FasB-his6 was carried out in shake flasks. 6 × 250 ml of YPD-CSL medium, each in 1 liter Erlenmeyer flasks, were inoculated with the strain FasB-his6. Cultivation was by incubation for four days on an orbital shaker (Infors) at 28 ° C and 120 rpm. Cells were either directly reused for biotransformation or frozen at -20 ° C.

Ein Biotransformationsansatz wurde durchgeführt, indem 1,5 l FasB-his6 Zellen aus der Schüttelkolbenanzucht zentrifugiert und in Reaktionspuffer (0,1 M Kaliumphosphat, pH 7,0, 0,1 M NaCl, 2 M Glucose) aufgenommen wurden, so dass das Endvolumen 200 ml betrug. Die Zelldichte OD600 wurde bestimmt. Üblicherweise betrug die Gesamt-OD600 im Ansatz 30.000. Die Zellen wurden in einem thermostatisierbaren Reaktionsgefäß vorgelegt, auf 25°C temperiert und mit einem Magnetrührer gerührt. NADP wurde in einer Konzentration von 10 μM zugegeben. Das Reaktionsgefäß war über eine pH-Elektrode und eine Natronlauge (10 M Stammlösung) fördernde Bürette mit einem Titrator (Titroline alpha, Schott) verbunden, so dass die Biotransformation unter pH-stat-Bedingungen bei einem konstanten pH von 7,5 durchgeführt werden konnte. Das Substrat 4Cl-ACE, in n-Butylacetat gelöst, wurde kontinuierlich zudosiert.One Biotransformation approach was carried out using 1.5 L of FasB-his6 Cells from shake flask cultivation centrifuged and in reaction buffer (0.1 M potassium phosphate, pH 7.0, 0.1 M NaCl, 2 M glucose) were added so that the final volume 200 ml. The cell density OD600 was determined. Usually the total OD600 in the batch was 30,000. The cells were in one thermostated reaction vessel, heated to 25 ° C. and with a magnetic stirrer touched. NADP was added at a concentration of 10 μM. The reaction vessel was over one pH electrode and a sodium hydroxide solution (10 M stock solution) supporting burette with a titrator (Titroline alpha, Schott), so that the biotransformation under pH stat conditions at a constant pH of 7.5 could be. The substrate 4Cl-ACE, dissolved in n-butyl acetate, became continuously added.

In zwei Versuchsreihen wurden entweder 12 g (Ansatz A) oder 18 g (Ansatz B) des Substrates 4Cl-ACE mit n-Butylacetat gemischt, so dass das Endvolumen 40 ml betrug. Die Substratlösung wurde dann jeweils über eine Zeitdauer von 16–20 h kontinuierlich zudosiert. Die Endkonzentration des zudosierten Substrates im Ansatz A betrug 5 % (w/v), im Ansatz B 7,5 % (w/v).In two series of experiments were either 12 g (batch A) or 18 g (batch B) of the substrate 4Cl-ACE mixed with n-butyl acetate, so that the Final volume was 40 ml. The substrate solution was then each over a Duration of 16-20 h continuously added. The final concentration of the dosed Substrate A in the batch A was 5% (w / v), in batch B 7.5% (w / v).

Die Reaktion wurde nach 24 h gestoppt. Zur Aufarbeitung wurde der gesamte Biotransformationsansatz dreimal mit einem gleichen Volumen Essigester extrahiert, die Essigesterphasen vereinigt und in einem Rotationsverdampfer das Lösungsmittel entfernt. Die so gewonnene S-CHBE Rohfraktion wurde in an sich bekannter Weise durch chirale Gaschromatographie analysiert. In beiden Ansätzen wurde ein quantitativer Umsatz des eingesetzten 4Cl-ACE erzielt. Der durch Gaschromatographie bestimmte S-CHBE Gehalt der Rohfraktionen bzw. Enantiomerenüberschuss ee ist in Tab. 4 aufgeführt.The Reaction was stopped after 24 h. For workup was the entire Biotransformation approach three times with an equal volume of ethyl acetate extracted, the ethyl acetate phases combined and in a rotary evaporator the solvent away. The thus obtained S-CHBE crude fraction was known per se Manner analyzed by chiral gas chromatography. In both approaches was achieved a quantitative conversion of 4Cl-ACE used. The by gas chromatography certain S-CHBE content of the crude fractions or enantiomeric excess ee is listed in Tab. 4.

Tabelle 4 Produktion von S-CHBE durch Ganzzellbiotransformation mit GDH-überexprimierenden Hefezellen

Figure 00290001
Table 4 Production of S-CHBE by whole-cell biotransformation with GDH-overexpressing yeast cells
Figure 00290001

7. Beispiel:7. Example:

Biotransformation mit ZellextraktenBiotransformation with cell extracts

Die Anzucht des E. coli Stammes pecGDBS-E96A in Schüttelkolben und Extraktion des GDH Enzyms erfolgte wie im 3. Beispiel beschrieben. Die ADH aus Lactobacillus brevis (LB-ADH) war kommerziell verfügbar (Jülich Fine Chemicals GmbH).The Cultivation of the E. coli strain pecGDBS-E96A in shake flasks and extraction of the GDH enzyme was carried out as described in Example 3. The ADH out Lactobacillus brevis (LB-ADH) was commercially available (Jülich Fine Chemicals GmbH).

Ein Biotransformationsansatz von 100 ml Endvolumen enthielt neben Reaktionspuffer (0,1 M Kaliumphosphat, pH 6,5, 0,1 M NaCl, 1 mM Magnesiumsulfat, 2 M Glucose) GDBS-E96A GDH und LB-ADH, jeweils in 15 U/ml Dosierung, 50 μM NADP und als Substrat 12,9 g Acetessigsäuremethylester (ACMe) in einer Dosierung von 12,9 % (w/v). Der Ansatz wurde in einem thermostatisierbaren Reaktionsgefäß vorgelegt, auf 30°C temperiert und mit einem Magnetrührer gerührt. Das Reaktionsgefäß war über eine pH-Elektrode und eine Natronlauge (10 M Stammlösung) fördernde Bürette mit einem Titrator (Schott) verbunden, so dass die Biotransformation unter pH-stat-Bedingungen bei einem konstanten pH von 6,5 durchgeführt werden konnte.One Biotransformation batch of 100 ml final volume contained beside reaction buffer (0.1 M potassium phosphate, pH 6.5, 0.1 M NaCl, 1 mM magnesium sulfate, 2 M glucose) GDBS-E96A GDH and LB-ADH, each in 15 U / ml dosage, 50 μM NADP and 12.9 g of methyl acetoacetate (ACMe) in a Dosage of 12.9% (w / v). The approach was in a thermostatable Reaction vessel submitted, tempered to 30 ° C. and with a magnetic stirrer touched. The reaction vessel was over one pH electrode and a caustic soda solution (10 M stock solution) promotional burette connected to a titrator (Schott), so that the biotransformation be carried out under pH-stat conditions at a constant pH of 6.5 could.

Die Reaktion wurde nach 21 h gestoppt. Zur Aufarbeitung wurde der gesamte Biotransformationsansatz dreimal mit einem gleichen Volumen Essigester extrahiert, die Essigesterphasen vereinigt und in einem Rotationsverdampfer das Lösungsmittel entfernt. Die so gewonnene (R)-3-Hydroxybuttersäuremethylester (R-HBMe) Rohfraktion wurde durch chirale Gaschromatographie analysiert. Es wurde ein quantitativer Umsatz des eingesetzten ACMe erzielt. Der durch Gaschromatographie bestimmte R-HBMe Gehalt der Rohfraktionen war > 99 %, der Enantiomerenüberschuss ee betrug 100 %.The Reaction was stopped after 21 h. For workup was the entire Biotransformation approach three times with an equal volume of ethyl acetate extracted, the ethyl acetate phases combined and in a rotary evaporator the solvent away. The thus obtained (R) -3-hydroxybutyric acid methyl ester (R-HBMe) crude fraction was analyzed by chiral gas chromatography. It became one achieved quantitative sales of the used ACMe. The by gas chromatography certain R-HBMe content of the crude fractions was> 99%, the enantiomeric excess ee was 100%.

Es folgt ein Sequenzprotokoll nach WIPO St. 25.It follows a sequence listing according to WIPO St. 25. Dieses kann von der amtlichen Veröffentlichungsplattform des DPMA heruntergeladen werden.This can from the official publication platform downloaded from the DPMA.

Claims (10)

Glucose Dehydrogenase mit einer Aminosäuresequenz die der Aminosäuresequenz einer GDH von Bacillus subtilis umfassend einen Glutaminsäurerest an Position 96 entspricht mit dem Unterschied, dass der Glutaminsäurerest an Position 96 gegen eine unpolare bzw. hydrophobe Aminosäure oder Glycin ausgetauscht ist.Glucose dehydrogenase with an amino acid sequence that of the amino acid sequence a GDH of Bacillus subtilis comprising a glutamic acid residue at position 96 corresponds with the difference that the glutamic acid residue at position 96 against a nonpolar or hydrophobic amino acid or Glycine is exchanged. Glucose Dehydrogenase gemäß Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Aminosäuresequenz der Bacillus subtilis GDH umfassend einen Glutaminsäurerest an Position 96 SEQ. ID. NO: 1 entspricht.Glucose dehydrogenase according to claim 1, characterized that the amino acid sequence of Bacillus subtilis GDH comprising a glutamic acid residue at position 96 SEQ. ID. NO: 1 corresponds. Glucose Dehydrogenase gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Glutaminsäurerest an Position 96 gegen eine Aminosäure ausgewählt aus der Gruppe Glycin, Alanin, Valin, Leucin, Isoleucin, Prolin, Methionin, Phenylalanin, Tyrosin, und Tryptophan ausgetauscht ist.Glucose dehydrogenase according to claim 1 or 2, characterized characterized in that the glutamic acid residue at position 96 against an amino acid selected from the group glycine, alanine, valine, leucine, isoleucine, proline, Methionine, phenylalanine, tyrosine, and tryptophan. Glucose Dehydrogenase gemäß Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet, dass der Glutaminsäurerest an Position 96 gegen eine Aminosäure ausgewählt aus der Gruppe Aminosäure ausgewählt ist aus der Gruppe Glycin, Alanin, Valin, Leucin und Isoleucin ausgetauscht ist.Glucose dehydrogenase according to claim 3, characterized that the glutamic acid residue at position 96 against an amino acid selected from the group amino acid selected is replaced by glycine, alanine, valine, leucine and isoleucine is. Glucose Dehydrogenase gemäß Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet, dass der Glutaminsäurerest an Position 96 gegen die Aminosäure Alanin ausgetauscht ist.Glucose dehydrogenase according to claim 3, characterized that the glutamic acid residue at position 96 against the amino acid Alanine is exchanged. Glucose Dehydrogenase gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass sie bei einer Behandlung mit 10 (v/v) S-CHBE für 2,5 h bei 30°C, pH 7, eine Abnahme < 30 %, vorzugsweise < 20 % besonders bevorzugt < 10 % ihrer enzymatischen Aktivität im Vergleich zum unbehandelten Enzym zeigt.Glucose dehydrogenase according to one of claims 1 to 5, characterized in that in a treatment with 10 (v / v) S-CHBE for 2.5 hours at 30 ° C, pH 7, a decrease <30 %, preferably <20 % particularly preferred <10 % of their enzymatic activity compared to the untreated enzyme shows. Gen codierend für eine Glucose Dehydrogenase gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7.Gene coding for a glucose dehydrogenase according to a the claims 1 to 7. Verfahren zur Herstellung von chiralen Alkoholen oder chiralen Aminen durch eine Carbonylreduktase dadurch gekennzeichnet, dass eine Glucose Dehydrogenase gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 zur Regenerierung von NADH oder NADPH-Cofaktoren eingesetzt wird.Process for the preparation of chiral alcohols or chiral amines characterized by a carbonyl reductase characterized in that a glucose dehydrogenase according to one of claims 1 to 7 is used for the regeneration of NADH or NADPH cofactors. Verfahren nach Anspruch 9, wobei die Carbonylreduktase ausgewählt ist aus Gruppe der Alkohldehydrogenasen, der Aldo-Ketoreduktasen, der Glycerindehydrogenasen, der Aldehydreduktasen und der Fettsäuresynthasen.The method of claim 9, wherein the carbonyl reductase selected is from the group of the Alkohldehydrogenasen, the Aldo Ketoreduktasen, the Glycerol dehydrogenases, aldehyde reductases and fatty acid synthases. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9 zur Herstellung eines chiralen Alkohols der allgemeinen Formel (I).Process according to claim 8 or 9 for the preparation a chiral alcohol of the general formula (I).
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