Aqueous Two-Phase Extraction of Proteins and Enzymes Using Tetraalkylammonium-Based Ionic Liquids
Total Page:16
File Type:pdf, Size:1020Kb
Aqueous two-phase extraction of proteins and enzymes using tetraalkylammonium-based ionic liquids Dissertation zur Erlangung des akademischen Grades doctor rerum naturalium (Dr. rer. nat.) der Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakultät der Universität Rostock vorgelegt von Susanne Elisabeth Dreyer Rostock 2008 urn:nbn:de:gbv:28-diss2009-0038-8 Referent: Prof. Dr. Udo Kragl, Universität Rostock Koreferenten: Prof. Dr. Uwe Bornscheuer, Universität Greifswald Prof. Dr. Jürgen Hubbuch, Universität Karlsruhe Tag der Verteidigung: 27. Januar 2009 Die vorliegende Arbeit wurde im Zeitraum von Juli 2005 bis Oktober 2008 am Institut für Chemie der Universität Rostock angefertigt. Danke Mein großer Dank gilt Herrn Prof. Dr. Udo Kragl, der es mir durch eine interessante Themenstellung nicht nur ermöglicht hat, in der Arbeitsgruppe „Technische Chemie“ zu promovieren, sondern mir durch viele Anregungen und Diskussionen auch durch die Höhen und Tiefen der Arbeit geholfen hat. Weiterhin möchte ich mich für die zahlreichen Möglichkeiten bedanken, an Konferenzen und Tagungen im In- und Ausland teilzunehmen, die oft mit interessanten neuen Ideen und Erfahrungen verbunden waren. Weiterhin möchte ich Herrn Prof. Dr. Uwe Bornscheuer und Herrn Prof. Dr. Jürgen Hubbuch für die freundliche Übernahme des Koreferates dieser Arbeit danken. Mein Dank geht auch an Dr. Thomas Daußmann für die Bereitstellung der Alkohol- dehydrogenase aus Lactobacillus brevis und der T ADH, sowie an die Firma Solvent Innovation GmbH für interessante Anregungen, viele Informationen und die Proben der ionischen Flüssigkeiten. Dr. Thomas Schmidt danke ich für die Leihgabe des Viskosimeters und die Einführung in dessen Bedienung. Ein großer Dank geht insbesondere an Herrn Dr. Ruth, Katja Neubauer und Christina Bathke, die mir in analytischen Fragen große Hilfestellungen und gute Ratschläge gegeben haben. Sebastian Trapp, Christian Westendorf, Juliana Ratzka, Florian Stein und Paulina Salim danke ich für die Unterstützung und interessanten Ergebnisse, die sie im Rahmen von ihren Tätigkeiten als studentische Hilfskraft bzw. wissenschaftliche Mitarbeiter zu dieser Arbeit beigetragen haben. Weiterhin möchte ich der Degussa Stiftung sowohl für die finanzielle Unterstützung als auch die Einladungen zu den Stipendiaten-Treffen danken, die nicht nur interessant und informativ, sondern stets auch persönlich bereichernd waren. Dem Forschungsschwerpunkt SPP1191- Ionic Liquids danke ich ebenfalls für die finanzielle Unterstützung. Danke, danke, danke! an die ganze Arbeitsgruppe „Technische Chemie”, die mich so herzlich in ihren Kreis aufgenommen und geduldig meine rheinländischen Eigenarten ertragen hat. Danke für die schöne, lustige und manchmal chaotische Arbeitsatmosphäre, die gemütlichen Tee- und Kuchenpausen, die Kicker-Spiele und die vielen Biologen-Witze! Besonders möchte ich mich noch einmal bei Julia, Katja, Daniela, Sandra, Vera, Annett und Jan bedanken, die mir nicht nur bei wissenschaftlichen, sondern auch persönlichen Fragen und Problemen immer zur Seite standen! Ein ganz großes „Danke“ auch an Frau Freitag, Frau Plagemann und Herrn Spallek für viele nette und aufmunternde Gespräche, Hilfestellung in allen Lebenslagen und die Leihgabe einer Latzhose. Mein besonderer Dank geht an meine Großeltern, meine Eltern Eva und Hinnerk Dreyer, meine Schwestern Barbara und Pisa, und an Staffan. Danke für die Unterstützung und Hilfe in jeder Situation und Lebenslage. Danke, dass Ihr trotz der großen Entfernung immer da ward! Für Eva, Hinnerk, Barbara und Pisa De Möh von hück es de joot ahl Zick vun üvvermorje. Our troubles of today are those ‘good old days’ of tomorrow. Kölsche Weisheit Abstract To meet the challenges of a growing market of industrial biotechnology, the development of new and innovative downstream methods for proteins and enzymes is of great importance. Within the scope of this thesis, the application of ionic liquids for the generation of aqueous two-phase systems and their potential use as an alternative technique for the purification of catalytically active enzymes was evaluated. The first objective comprised the characterisation of ionic liquid-based aqueous two-phase systems (IL-based ATPS). Several factors influencing the phase formation and composition were investigated, such as the type of phase-forming compounds, temperature and pH. By studying the partitioning of different model proteins, correlations between the protein features and system properties could be found, thereby providing a deeper understanding of the mechanisms influencing the partition process. Based on these findings, electrostatic interaction has been identified as the main driving force of protein partitioning in IL-based ATPS. Moreover, a statistical model based on the model proteins’ physico-chemical properties has been established and provides a good start for predicting the protein partitioning in IL-based ATPS. With regard to the purification of enzymes, the main obstacle in developing a suitable extraction method represents the maintenance of the stability and the catalytic activity of the biocatalyst. Therefore, the application of IL-based ATPS for biocompatible extraction of enzymes from complex mixtures such as cell lysates was investigated. It was demonstrated that the ionic liquid AmmoengTM 110 in combination with an inorganic salt (K2HPO4/KH2PO4) can be used to establish an IL-based ATPS which provides the necessary conditions of pH and biocompatibility in order to maintain enzyme activity. Using efficient experimental design the partitioning of an ADH from Lactobacillus brevis (LB ADH) and an ADH from a thermophilic organism (T ADH) from a cell extract of E. coli was optimised with respect to the enrichment of the enzyme in the IL-containing phase. The specific enzyme activity in the upper phase could be increased to 206.7 ± 5.3 % for LB ADH and 403.4 ± 5.4 % for T ADH. The presence of ionic liquid within IL-based ATPS was also found to be advantageous thanks to its stability enhancing effect on both enzymes and its solubility enhancing effect on hydrophobic substrates. Thus, it could be shown that the IL-based ATPS offers the opportunity to combine the purification process of active biocatalysts with the performance of enzyme-catalysed reactions especially in case of the conversion of hydrophobic substrates. Advantages such as improved conversion and yield could be observed. Parts of this thesis as well as further results not included in this work have already been presented, published and filed as a patent. Publications Dreyer S, Lembrecht J, Schumacher J, Kragl U. (2007). Enzyme catalysis in non-aqueous media past-present-future. In R. Patel (Ed.) Biocatalysis in the Pharmaceutical and Biotechnology Industries, Taylor & Francis Group, Chapter 33, 791-829 Klembt S, Dreyer S, Eckstein M, Kragl U. (2007). Biocatalytic reactions in ionic liquids. In Wasserscheid, P., Welton, T. (eds.): Ionic Liquids in Synthesis (2nd edition), Wiley-VCH Weinheim Dreyer S, Kragl U. (2008). Ionic liquids for aqueous two phase extraction and stabilization of enzymes. Biotechnology and Bioengineering, Vol. 99, 6, 1416-1424 Dreyer S, Salim P, Kragl U. (2008). Driving forces of protein partitioning in an ionic liquid- based aqueous two phase system. Submitted to Biochemical Engineering Journal Patents Dreyer S, Kragl U. (2007). Verfahren zur Extraktion von Biomolekülen (Process for the extraction of biomolecules). German patent application, 102007001347.9, 04/01/2007 Altrichter J, Kragl U, Dreyer S (2008). Stabilisierung von Zellen durch ionische Flüssigkeiten (Stabilisation of cells by ionic liquids). German patent application, 102008039734.2, 26/08/2008 Oral presentations Dreyer S. (19/06/2007). Application of ionic liquids for aqueous two phase extraction. International Conference on Biopartitioning and Purification, Lisbon Dreyer S. (16/11/2007). Ionic liquids for the purification and stabilisation of proteins. Workshop Interaction of Ionic Liquids and Proteins, Rostock Dreyer S. (21/02/2008). Use of ionic liquids for protein purification. SPP1191 Ionic Liquid Winterschool, Leipzig Dreyer S. (03/09/2008). Ionic liquids for aqueous two phase extraction of enzymes: application and understanding. Presented by Julia Duwensee, Biocat, Hamburg Poster presentations Dreyer S, Trapp S, Kragl U. (30/05 01/06/2007). Stabilisation of two different alcohol dehydrogenases by a readily available ionic liquid. European Bioperspectives, Köln Dreyer S, Kragl U. (05/08 10/08/2007). Ionic liquid-based aqueous two phase extraction of enzymes. 2nd International Congress on Ionic Liquids (COIL 2), Yokohama Dreyer S, Kragl U. (09/10 - 11/10/2007). Ionische Flüssigkeiten für die Extraktion und Stabilisierung von Proteinen. Biotechnica, Hannover Dreyer S, Kragl U. (15/11 16/11/2007). Ionic liquid-based aqueous two phase extraction of enzymes. Workshop Interaction of Ionic Liquids and Proteins, Rostock Dreyer S, Kragl U. (27/03 - 29/03/2008). Protein distribution in ionic liquid-based aqueous two phase systems. International 10th Frühjahrssymposium of GDCh JCF, Rostock Index I I Index 1 Introduction .......................................................................................................1 2 Scope of work....................................................................................................4 3 Literature review ...............................................................................................7 3.1 Purification of proteins and enzymes ........................................................................7