Brevet FR2545501A1 — publié le 19841109

I La présente invention a pour objet un procédé de purification et-de-concentration simultanées d'une enzyme, la dextrane- saccharase à partir d'un surnageant de culture de la bactérie productrice de l'enzyme. Les dextranes sont des polymères du glucose qui sont obtenus par transformation enzymatique du saccharose Ces polysaccharides ont diverses applications industrielles en fonction de leur masse molaire On peut citer comme exemples l'utilisation des dextranes de haute masse molaire dans o 10 l'industrie pétrolière en tant qu'agent viscosigène, l'utilisationdesdextranes de masse molaire moyenne dans l'industrie alimentaire et celle des dextranes de faible masse molaire dans l'industrie pharmaceutique. De nombreuses souches bactériennes faisant partie des genres LACTOBACILLUS, STREPTOCOCCUS ou LEUCONOSTOC p Qssèdent une activité dextrane-saccharase Cependant parmi celles-ci, la souche de LEUCONOSTOC MESENTEROIDES NRRL B 512 (F) qui excrète l'enzyme dextrane-saccharase, lorsqu'elles: est cultivée en présence de saccharose, présente des propriétés particulièrement intéressantes de stabilité, une productivité importante et un caractère non pathogène, qui ont permis de la mettre en oeuvre sur le plan industriel De plus, la dextrane-saccharase issue de cette souche bactérienne produit un dextrane linéaire très peu ramifié ( 95 % de liaisons glycosidiques 1 -i 6) et soluble dans l'eau, qualités qui en font un produit indus- triel très intéressant. Les procédés industriels actuels de synthèse enzymati- que des dextranes mettant en oeuvre la dextrane-saccharase de LEUCONOSTOC MESENTEROIDES B 512 (F) présentent toutefois des inconvénients. En effet, le procédé industriel consiste à produire l'enzyme dextranesaccharase dans des fermenteurs de très grande taille L'enzyme une fois excrétée par la bactérie. L MESENTEROIDES NRRL B 512 (F),peu ou pas purifiée, est mise en contact avec son substrat, le saccharose, il y a alors production de dextrane brut dont on ne peut contrôler efficacement les conditions de synthèse. Ce dextrane est ensuite soumis à divers traitements physico- chimiques pour sa récupération et purification, le rende- ment global de la réaction est ainsi relativement faible. La présente invention a pour but un procédé économique de purification de l'enzyme dextrane-saccharase de LEUCONOSTOC-MESENTEROIDES, pouvant en outre, s'intégrer aisément dans un procédé de production de l'enzyme fonc- tionnant en continu La productivité élevée ainsi obtenue alliée à une technique de purification, faisant l'objet de la présente invention, simple et remarquablement efficace jusfifie l'utilisation de cette préparation enzy- matique au plan industriel et permet en outre par un con- trôle précis des conditions de synthèse l'obtention de divers types de dextranes suivant le domaine d'application envisagé. Les développements récents des procédés de synthèse enzymatique ont amené les chercheurs à se pencher sur les problèmes de purification des enzymes De nombreuses techniques de purification sont utilisées dans ce but, on peut citer à titre d'exemples la filtration et ses variantes micro-et ultra-filtration, la centrifugation, la chromato- graphie, la précipitation, l'extraction liquide-liquide, qui a eu récemment des développements mettant en oeuvre le phénomène dit de démixtion de phase A ce sujet on peut citer les travaux de M R KULA (Applied Biochemistry and Bioengineering Vol 2 pp 71 95 Academic Press 1977 et brevet US 4 144 130) qui décrivent une technique de purification de diverses enzymes mettant en oeuvre la démixtion de phase entre deux polymères, le polyethylène glycol et le dextrane qui, à certaines concentrations en solution aqueuse, deviennent incompatibles provoquant ainsi l'apparition de deux phases liquides distinctes entre lesquelles se partagent les substances présentes dans le milieu en fonction de leur solubilité ou de leur affinité pour l'une ou l'autre des 2 phases dans les conditions opératoires. Le milieu de culture de la souche productrice de la dextrane saccharase contient d'autres enzymes extra cellulaires qu'il est important de pouvoir-éliminer; en particulier deux enzymes saccharolytiques capables d'utiliser le saccharose sont excretées par les souches de type LENCONOSTOC MESENTE- ROIDES, la levane-saccharase et l'invertase Ces deux enzymes sont particulièrement gênantes: d'une part elles diminuent le rendement en dextrane, d'autre part elles empêchent le contrôle satisfaisant de la production de dextranes Ces deux activités contaminante peuvent être schématisées comme suit: Saccharose _ levane + glucose levane-saccharase Saccharose) glucose + fructose invertase La présence de glucose révèle une activité contami- nante: en effet, une solution pure de dextrane-saccharase en présence de saccharose ne produit pas de glucose sous forme libre L'analyse du pourcentage relatif de, glucose et de fructose apparaissant en cours de purification lors de la mesure de l'activité dextrane-saccharase est donc un critère de pureté de l'enzyme. La présente inventiona pour objet de pallier les in- convénients précédents en proposant un procédé efficace, simple et économique de purification et de concentration simultanées de l'enzyme dextrane-saccharase mettant en oeuvre de façon originale l'extraction liquide-liquide par démixtion de phase. La présente invention a pour objet un procédé de purification et de concentration simultanées de l'enzyme dextrane-saccharase à partir du milieu de culture sur saccharose de la bactérie LEUCONOSTOC MESENTEROIDES productrice de l'enzyme, extra cellulaire,ledit milieu contenant du dextrane, caracterise en ce que dans une première étape on ajoute au milieu une solution aqueuse d'un polyether à une quantité telle qu'au sein du milieu apparaissent deux phases non miscibles et on maintient ce milieu sous agitation afin d'assurer un contact intime et prolongé entre les deux polymères et les substances biochi- miques, puis dans une deuxième étape on sépare la phase inférieure du milieu, riche en dextrane, de la phase su- périeure riche en polyether, la phase inférieure consti- tuant une préparation enzymatique enrichie en dextrane- saccharase. Le procédé se traduit par une séparation en deux phases du milieu de culture: une phase lourde riche en dextrane qui contient l'enzyme dextrane-saccharase concentrée et purifiée avec un coefficient de partage C phase supérieure K = C phase inférieure voisin de zéro. une phase plus légère riche en polyether qui contient les- impuretés, notamment les protéines et les sucres ainsi que les activités enzymatiques contaminantes, phase qui est éliminée. A titre d'exemple de polyethers utilisables dans le procédé de l'invention on peut citer: le polyethylène glycol (P E G) le polypropyleneglycol et leurs dérivés tels que: le methoxypolyethylèneglycol le trimethylamine polyethylèneglycol le sulfonate de polyethylèneglycol etc La masse molaire moyenne du polyether utilisé sera généralement comprise entre 400 et 2000 Cette masse molaire sera choisie en fonction de la nature du dextrane présent dans le milieu. La quantité de polyether ajoutée sera généralement telle que la teneur du milieu en polyalcool après addition de celui-ci sera comprise entre 1 à 15 % en poids La teneur optimale sera déterminée en fonction de la teneur en dex- trane dans le milieu. Le procédé est mis en oeuvre sensiblement à la tempé. rature ambiante c'est-à-dire à une température au plus égale à 30 C En outre, le p H du milieu sera généralement compris entre 4,5 et 7. Il sera avantageux pour faciliter la mise en oeuvre du procédé d'éliminer au préalable du milieu les cellules par exemple par centrifugation. A la suite des travaux de M R KULA mentionnés ci- dessus il a été montré qu'il était possible de purifier les enzymes en utilisant le phénomène de démixtion de phase. Cependant, il apparait clairement que lors du processus de purification les enzymes se répartissent entre les deux phasesumai-sque la fraction purifiée d'enzyme s'obtient uniquement à partir de la phase supérieure PEG, la phase inférieure dextrane servant essentiellement à capter les débris cellulaires et impuretés présentes dans le milieu. Or, il a été constaté par la demanderesse que dans le procédé de l'invention la quasi-totalité de l'enzyme dextrane-saccharase est entraînée dans la phase inférieure dextrane alors que les autres activités enzymatiques conta- minantes passent préférentiellement dans la phase supérieure polyether La phase inférieure dextrane peut ainsi servir de source de préparationsenzymatiques dextrane-saccharase et cela d'autant plus que cette purification s'accompagne d'une concentration très importante, le volume de la phase inférieure correspondant à quelques % du volume du milieu soumis à la démixtion de phase. Naturellement, le procédé pourra être mis en oeuvre en deux ou plusieurs étapes au cours desquelles la phase inférieure issue de l'étape antérieure sera soumise à une nouvelle extraction par démixtion de phase dans des condi- tions opératoires analogues, après l'avoir, le cas échéant, pour des raisons de facilité de mise en oeuvre, légèrement diluée. Ce procédé de purification en plusieurs étapes peut être réalisé en continu dans une colonne d'extraction li- quide-liquide fonctionnant à contre-courant. Le procédé de l'invention est illustré par les exemples ci-après, pour l'interprétation desquels les définitions ci-dessous sont nécessaires. DEFINITION DES ACTIVITES ENZYMATIQUE A partir du saccharose, trois réactions enzymatiques prin- cipales peuvent se produire: N G-F > Dextrane + n F dextrane-saccharase N G-F ' Levane + n G levane-saccharase N G-F n G + n F invertase G-F: saccharose G: glucose F: fructose La dextrane-saccharase libère exclusivement du fructose La levane-saccharase libère exclusivement du glucose L'invertase libère une quantité égale de fructose et glucose. Si l'on observe une production de glucose au cours de la mesure de l'activité saccharolytique, elle résulte d'une activité contaminante, invertase ou levane-saccharase. Mais, dans le but de permettre une expression claire des résultats la production de glucose a été attribuée à une activité levane-saccharase qui est largement prépondérante. Ainsi, l'activité levane-saccharase et l'activité dextrane- saccharase qui apparaissent dans les tableaux sont déter- minées ainsi: activité levane-saccharase (ULS): glucose total libéré activité dextrane-saccharase (UDS): fructose total libéré - activité saccharolytique totale: fructose + glucose METHODES DE MESURE 1 Mesure de l'activité enzymatique Pour doser spécifiquement le glucose et le fructose, une méthode de dosage enzymatique (hexokinase/ATP, glucose-6- phosphate déshydrogénase/NADP+, phospho-gluco-isomérase) a été utilisée. L'activité saccharolytique totale est mesurée par dosage des sueres réducteurs totaux (glucose + fructose) au moyen du réactif au DNS (acide dinitro-salicylique); SUMNER, 3 B. 3 Biol Chem 47,5 1921). 2 Mesure des protéines La méthode de Lowry a été utilisée LOWRY, O H, ROSEBROUGH NM, FARR A L, and R M RANDALL 3 Biol Chem 193 ( 1951) 265-275. 3 Mesure des polymères (dextrane ou levane) Le polyéthylèneglycol et les oligosacharides présents sont d'abord éliminés par ultrafiltration dans une cartouche de fibres creuses (Amicon) dont le seuil de coupure est de 100 000, le polymère est ensuite dosé à l'aide du réactif à l'anthrone; SCOTT, T A and MELVIN, E H ( 1953) Anal Chem 25, 1656 Le levane est dosé spécifiquement suivant la technique décrite par P PERLOT Thèse de Docteur Ingénieur Institut National des Sciences Appliquées, TOULOUSE ( 1980). Il a été vérifié que le dextrane n'interferait pas avec cette technique. PRINCIPE DU CALCUL DE L'ACTIVITE: lmg de saccharose (masse molaire 342) libère 0,474 mg sous forme de polymère (levane ou dextrane: masse molaire du motif monomérique: 162) et 0,526 mg de sucre libre (fructose ou glucose: masse molaire 180). L'actitivé est mesurée en unités par ml de solution ou par mg de protéine Une unité représente la conversion de 1 mg de saccharose par heure à 30 C dans le tampon acétate de sodium 20 m M à p H 5,2. PRODUCTION DU SURNAGEANT DE CULTURE Dans un fermenteur on fait croître la bactérie LEUCONOSTOC MESENTEROIDES NRRL B 512 (F) en présence de saccharose. Lors de la fermentation les enzymes saccharolytiques et notamment la dextrane-saccharase sont excrétées dans le milieu par la bactérie L'enzyme dextrane-saccharase synthétise le dextrane dans le milieu. La fermentation est alors arrêtée, les cellules présentes sont éliminées par centrifugation et le surnageant de culture est recueilli pour être soumis au procédé de purification. EXEMPLE 1 Dans cet exemple on a traité un surnageant de culture obtenu comme indiqué ci-dessus de 500 ml de volume en y ajoutant-progressivement 175 ml d'une solution aqueuse de PEG 1500 à 50 % (poids/volume), l'homogénéisation du milieu étant assurée par une agitation magnétique Ensuite on sépare la phase inférieure dextrane de la phase supérieure PEC Des fractions de ces phases sont prélevées pour analyse On reprend ensuite 2,7 ml de la phase dextrane que l'on dilue à 45 ml par une solution tampon acétate de sodium 2 Om M p H 5,2 puis on pratique une deuxième séparation par démixtion de phase en y ajoutant 11,7 ml de la solution de PEG. Les résultats obtenus sont réunis dans les tableaux ci-après '. Ces résultats l A et l B)ont été obtenus après la première étape du procédé Ils mettent en évidence la présence de levanes en quantié non négligeable ( 35 %) dans le surnageant de fermen- tation ce qui indique la présence de levane-saccharase dans le surnageant En outre ce levane passe préférentiellement dans la phase PEC ( 90 %) au contraire du dextrane. Les résultats obtenus et résumés dans le tableau 1 B montrent que les sucres simples glucose et fructose passent préférentiellement dans la phase PEG (C phase supérieure PEG) Les coefficients de K = partage (C phase inférieure dextrane) sont respectivement de 0,84 pour le glucose et de 0,65 pour le fructose (voir tableau le ci-après) - On peut constaterà l'examen des résultats du tableau le un effet de concentration puisque la presque totalité de l'activité dextranesaccharase ( 90 %) est récupérée dans un volume correspondant à environ 5 % du volume de la solution de départ. En outre, on observe que la démixtion réalisée à partir du surnageant de culture se caractérise par la récupération dans la phase inférieure de seulement 53 % du dextrane présent dans la solution de départ qui cependant contient 90 % de l'activité dextrane-saccharase. Les résultats résumés dans le tableau ld montrent qu'au cours de la première démixtion l'essentiel de l'activité dextrane-saccharase passe dans la phase inférieure dextrane alors que la levane-saccharase se répartit également entre les deux phases, les coefficients de partage étant respec- tivement:9,00253 pour la dextrane-saccharase et 0,033 pour le levanesaccharase Au cours de la deuxième démixtion toute l'activité dextranesaccharase passe dans la phase dextrane (coefficient de partage A 0). EXEMPLE 2 Cet exemple est destiné à illustrer la purification de la dextranesaccharase par démixtion de phase en deux étapes et cela en présence d'une protéine ajoutée(albumine bovine) afin d'étudier son influence sur le procédé de purification. Au cours de la première étape on ajoute à 200 ml d'un surna- geant de culture 4144 mg d'albumine bovine On traite alors le surnageant selon le processus en deux étapes décrit à l'exemple 1 Lors de la première étape on ajoute 52 ml d'une solution de PEG 1500 à 50 % poids/volume Au cours de la deuxième étape, on reprend 6 ml de la phase dextrane issue de la première étape et les dilue à 33 ml au moyen de la solution tampon utilisée dans l'exemple 1, et on pratique la démixtion de phase par addition de 10,3 ml de PEG Les résultats obtenus sont résumés dans le tableau 2 Ils montrent une concentration dans la phase dextrane de l'activité spécifique dextrane-saccharase en dépit de la présence des protéines qui sont éliminées de la phase dextrane dans de fortes proportions (environ 90 %). 2545501 s EXEMPLE 3 Dans cet exemple on traite selon le procédé décrit dans l'exemple 1, mais ne comportant qu'une étape, 279 ml d'un surnageant de culture, auquel on a ajouté 170 000 unités invertase exogène, par 89 ml de PEG Cette addition d'unités invertase a pour but d'étudier l'influence de la présence d'invertase excédentaire sur la qualité de la purification. Les résultats sont résumés dans le tableau 3 a On peut constater que la présence en excès des unités invertase ne modifie en rien la purification de la dextrane-saccharase dans la phase dextrane, plus de 97 % des unités invertase passant dans la phase supérieure PEG. Les rendements sont indiqués dans le tableau 3 b; les coefficients de partage obtenus sont respectivement de 0,002 pour le dextrane-saccharase et de 1,37 pour l'inver- tase. EXEMPLE 4 Dans cet exemple on a traité par-le procédé de purification en une étape 40 ml d'une solution, déjà purifiée, de dextrane-saccharase, en présence d'invertase exogène en ajoutant au milieu 13,5 ml de la solution PEG. Les résultats obtenus sont résumés dans le tableau 4 On constate, comme dans l'exemple 3 précédent, qu'il ne reste plus d'activité dextranesaccharase dans la phase PEG,alors que l'essentiel de l'activité invertase subsiste dans la phase supérieure PEG. EXEMPLE 5 Dans cet exemple on a traité selon le procédé de l'inven- tion 150 ml d'un surnageant de fermentation, mais en lui appliquant cinq démixtion successives ce qui sur le plan quantitatif est représentatif de ce qu'on peut obtenir dans une colonne d'extraction fonctionnant en continu. Les résultats obtenus sont résumés dans le tableau 5 a On peut constater que pratiquement toute l'activité dextrane- saccharase est restée dans la phase dextrane avec un coefficient de concentration de plus de 20. 1 l En outre, plus de 75 % des unités levane-saccharase ont été éliminées L'activité spécifique a été multipliée par plus de mille Le coefficient de partage de la dextrane- saccharase est voisin de 0,002. Les rendements sont illustrés dans le tableau 5 b. Il faut enfin observer que la concentration et la purifi- cation s'effectuent dans un environnement stabilisant qui s'accompagne d'une élimination rapide du saccharose résiduel issu de la fermentation et donc permet l'arrêt de la synthèse des dextranes faute de substrat; il est en effet important de limiter au maximum la concentration de dextrane dans la solution enzymatique. TABLEAU l A Polysaccharides Levane levane Vol (m) totaux (g) (g) % (poids) Surnageant Surnageantao 500 4,65 1,64 35 de fermentation Phase PEG 655 1,9 1,47 75 Phase dextrane 20 2,45 TABLEAU l B volume (ml) glucose (%) fructose (%) Surnageant de fermentation 500 100 100 Phase PEG 655 96,5 95,5 Phase Dextrane 20 3,5 4,5 TABLEAU 1 D RENDEMENT PREMIERE DEMIXTIONREEEN PREMIERE DEMIXTION DEXTRANE-SACCHARASE Surnageant de Fermentation (solution à purifier) 100 _ _,, _ ,,, _ Phase PEG (supérieure) 7,5 Phase Dextrane (inférieure) 90 DEUXIEME DEMIXTION RENDEMENT DEXTRANE-SACCHARASE Solution de départ 100 Phase PEG (supérieure) 3 Phase Dextrane (inférieure) 83,5 TABLEAU 1 C Volume Unités U D S U L S Protéines Activité lère démixtion Saccharolytiques (mg Saccharose (mg Saccharose spécifique ml par heure) par heure) mg U D S / mg Solution de 500 76 500 67 420 9 090 2 809 24 départ , :, , _, ,,, Phase PEG 655 9 381 5 045 4 336 2 402 2 (supérieure) Phase Dextrane 20 64 688 60 710 3 978 110 555 (inférieure) 2 ème démixtion Solution de 45 8 844 8 188 656 16,2 510 départ ,,, , Phase PEGP 54,3 97 1 96 (supérieure) ,,,,, , ,,, , , ,,, Phase dextrane a(inférieure) 2,4 7 294 6 816 478 2,7 2 559 (inférieure) Fr" ut -é TABLEAU 2 Volume U D S U L S Protéines Albumine Protéines Activité lère démixtion de départ Exogène Totales spécifique ml mg mg mg UDS/ml Solution de départ 200 26 968 3 632 1 106 4 144 5 250 5,2 Phase PEG (supérieure) 244 rv O 952 4 628 O Phase dextrane (inférieure) 18 ? 5 513 2 732 292 87,4 2 ème démixtion Solution de départ 33 8 429 901 96 785 881 9,6 Phase PEG '(supérieure) 40,7 37 18 674 0,1 Phase Dextrane (inférieure) 2,6 7 268 911 222 32,7 ,,,,,i, i , I. %n 1 M'> %n 4. -n Ln TABLEAU 3 a 1 %O 4.a Volume U D S Unités Protéines Activité Invertase spécifique UDS/mg ml mg protéine Solution de départ 279 30 413 169 354 2 020 15,1 Phase PEG (supérieure) 354,8 0 162 000 1 983 e V' O Phase Dextrane (inférieure) 13,2 28 927 4 378 173 164,3 j-. TABLEAU 3 b TABLEAU 4 Dextrane Rendement Sacchar Invertase Solution départ 100 100 Phase PEG(supérieure) 96 Phase Dextrane 95 2,6 (inférieure-), __________________________________________________ 1 ______________________ U.D S Unités Protéines Activité Volume Invertase spécifique ml mg U D S /mg Solution de départ 40 2 203 5 330 1,6 1 377 Phase PEG 51 Vo 4 873 (supérieure) Phase Dextrane (inférieutrae> 2,5 1 735 286 0,92 1 886 (inférieure) TABLEAU 5 a Volume U D S Uo L S Protéines Activité Unités Unités spécifique dextrane- ml saccharas E saccharase mg UDS/mg Surnageant de fermentation fermenution à 150 16 815 2 535 962 18 (solution à purifier) Phase dextrane (inférieure) après 5 démix 7 15 885 615 0,75 21 180 tions TABLEAU 5 b Rendement Rendement U.D S U L S U L S. Solution de départ 16 815 100 2 535 100 Phase PEG 721 4,3 1 815 71,6 Phase dextrane après 5 démix 15 885 94,5 615 24,3 tions REVENDICATIONS l Procédé de purification et de concentration simul- tanées de l'enzyme dextrane-saccharase à partir d'un milieu de culture sur saccharose de la bactérie LEUCONOSTOC MESENTEROIDES productrice de l'enzyme extra-cellulaire, ledit milieu contenant du dextrane caractérisé en ce que dans une première étape on ajoute au milieu une solution aqueuse d'un polyether à une quantité telle qu'au sein du milieu apparaissent deux phases non miscibles et on maintient ce milieu sous agitation afin d'assurer un contact intime et prolongé entre les deux polymères et les substances bio-chimiques, puis, dans une deuxième étape, on sépare la phase inférieure du milieu, riche en dextrane, de la phase supérieure riche en polyether, la phase inférieure constituant une préparation enzy- matique enrichie en dextrane-saccharase. 2 Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que le polyether est un polyglycol de masse moléculaire comprise entre 400 et 20000. 3 Procédé selon l'une des revendications 1 et 2 caracté- risé en ce que la teneur du milieu en polyether après addition est comprise entre 1 et 15 % en poids. 4 Procédé selon l'une des revendications 1 à 3 caractérisé en ce qu'il est réalisé à température inférieure ou égale à 300 C et à un p H compris entre 4,5 et 7. Procédé selon l'une des revendications I à 4 caractérisé en ce que le milieu de culture est préalablement traité pour l'élimination des cellules. 6 Procédé selon l'une des revendications 1 à 5 caractérisé en ce qu'il est réalisé en plusieurs étapes successives, la solution traitée à chaque étape étant constituée par la phase dextrane recueillie à l'issue de l'étape pré- cédente. 7 Procédé selon la revendication 6 caractérisé en ce qu'il est réalisé en continu dans une colonne à extraction liquide-liquide fonctionnant à contre-courant. 8 Procédé selon l'une des revendications 1 à 7 caracté- risé en ce qu'il est appliqué à la purification de l'enzyme dextranesaccharase de la bacterie LEUCONOSTOC MESENTEROIDES NRRL B 512 (F)