CN100374553C - 一种硝基苯硝基还原酶及其编码基因与应用 - Google Patents
一种硝基苯硝基还原酶及其编码基因与应用 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种硝基苯硝基还原酶及其编码基因与应用。本发明的硝基苯硝基还原酶的氨基酸残基序列如SEQIDNO:1所示。本发明的硝基苯硝基还原酶及其编码基因将在对氨基酚和邻氨基酚类芳香族化合物的生产中发挥重要作用。
Description
技术领域
本发明涉及微生物生物技术和基因工程技术领域中一种硝基苯硝基还原酶及其编码基因与应用。
背景技术
我国已成为世界上最大的解热镇痛药生产国,阿司匹林、扑热息痛、安乃近等品种的产量均超10000吨,非那西丁、氨基比林、安替比林等品种的产量超过1000吨。目前我国解热镇痛药的产量增长很快,预计今后还将以每年8%左右的速度增长。随着解热镇痛药的增长,其中间体也获得了长足的发展。2003年国内扑热息痛消费量快速增加,出口也呈迅猛增长势头,出口量为28163吨,全年出口量同上一年相比增幅达1倍左右。到2004年其出口增速虽然放慢,但依然有所增长,2004年1至5月扑热息痛的出口量为12501吨,略高于去年同期。对氨基酚是合成扑热息痛的重要中间体,近年来也增长迅速。同时,邻氨基酚是染料、医药、香料中间体,主要用于制造色酚AS-PH、广泛应用于染料行业,也用于医药工艺和香料行业,如:邻位香兰素等。因此,随着印染业、香料业和医学界的发展,市场对合成这些产品的中间体的需求也会不断加大。
目前,对氨基酚和邻氨基酚等芳香族化合物的生产是采用加纯氢的化学工艺,不仅成本高(需要纯氢),而且容易给环境造成污染。利用酶促反应的生物加工和转化是近年来新兴的生物工程技术,可以在常温常压条件下以非常经济、高效的方法转化加工获得高纯度的高品质产品,目前已经在生物制药领域、生物化工领域得到应用,如手性药物的生产和丙烯酰胺的生产。硝基苯硝基还原酶或具有类似的硝基还原催化功能的酶蛋白的发现使硝基苯类的生物转化成为可能。
发明内容
本发明的目的是提供一种硝基苯硝基还原酶及其编码基因。
本发明所提供的硝基苯硝基还原酶,来源于睾丸酮丛毛单胞菌(Comamonastestosteroni)CNB1 CGMCC No.1028菌株,是具有下述氨基酸残基序列之一的蛋白质:
1)序列表中的SEQ ID№:1;
2)将序列表中SEQ ID №:1的氨基酸残基序列经过一至十个氨基酸残基的取代、缺失或添加且具有硝基苯硝基还原酶功能的蛋白质。
其中,序列表中的序列1由227个氨基酸残基组成。
上述硝基苯硝基还原酶的编码基因也属于本发明的保护范围。它可具有下述核苷酸序列之一:
1)序列表中SEQ ID №:2的DNA序列;
2)编码序列表中SEQ ID №:1蛋白质序列的多核苷酸;
3)在高严谨条件下可与序列表中SEQ ID №:2限定的DNA序列杂交的核苷酸序列。
所述高严谨条件可为在0.1×SSPE(或0.1×SSC),0.1%SDS的溶液中,在65℃下杂交并洗膜。
其中,序列表中的SEQ ID №:2由684个碱基组成,其编码序列为自5’端第1到第684位碱基,编码具有序列表中SEQ ID №:1的氨基酸残基序列的蛋白质。
含有本发明基因的表达载体、细胞系及宿主菌均属于本发明的保护范围。
本发明的硝基苯硝基还原酶可按如下方法表达:将含有上述硝基苯硝基还原酶编码基因的重组表达载体导入宿主细胞得到转化子,培养该转化子,表达得到硝基苯硝基还原酶。
用于构建含有上述硝基苯硝基还原酶编码基因的重组表达载体的出发载体可为基因工程领域中的质粒表达载体、病毒表达载体、酵母表达载体等载体,如pGEX系列载体、pET系列载体、Cosmid载体、pPIC9K。宿主选择与上述表达载体相适应的宿主。所述转化子的培养条件与其出发宿主的培养条件相同,需诱导表达外源基因的转化子,采用相应的诱导物诱导表达本发明的硝基苯硝基还原酶。当以细菌为宿主时,可将上述硝基苯硝基还原酶编码基因连接到载体SuperCos 1后,以GigapackIII XL包装蛋白包装,或将该基因连接到其他表达载体,然后将包装好的载体或连接载体转化到感受态大肠杆菌或其他细菌(如假单胞菌),经LB培养基或其他培养基培养,含有连接基因片段的菌落就为转化子,以SuperCos 1为载体的转化子不需要诱导就可以表达酶活性,而以其他的表达载体为载体的转化子则需要载体相应的诱导物诱导表达酶活性。这些转化子可以用于生产本发明的硝基苯硝基还原酶或直接用于对氨基酚和邻氨基酚类芳香族化合物及其相关衍生化合物的生物转化生产。
本发明的硝基苯硝基还原酶在大肠杆菌中的表达量可达1000-1500mg/L。该酶可以催化硝基苯类化合物进行硝基还原反应,首先形成羟氨基苯类化合物,进而形成对氨基酚或邻氨基酚类化合物。其以硝基苯为底物的比活性可达121.3U·mg-1·min-1。酶促实验表明,本发明的硝基苯硝基还原酶不仅能催化硝基苯硝基的还原反应,而且能以邻氯硝基苯、间氯硝基苯、对氯硝基苯和2,4-二硝基氯代苯为底物进行硝基还原反应,此酶的底物范围很广,能催化绝大多数含硝基的芳香族化合物。
本发明为生物生产对氨基酚和邻氨基酚类化合物及其相关衍生化合物提供了一种新的硝基苯硝基还原酶,该酶可以催化硝基苯类化合物进行硝基还原反应,形成羟氨苯,进而形成对氨基酚或在羟氨苯歧位酶作用下形成邻氨基酚类化合物。本发明的硝基苯硝基还原酶及其编码基因将在对氨基酚和邻氨基酚类芳香族化合物及其相关衍生化合物的生产中发挥重要作用。
具体实施方式
以下实施例中的实验方法如无特别说明均为常规方法。
实施例1、本发明的硝基苯硝基还原酶基因的获得
将睾丸酮丛毛单胞菌(Comamonas testosteroni)CNB1 CGMCC No.1028菌株在LB平板上的单菌落挑到LB培养液中,30℃振荡培养,收集菌体,提取基因组DNA,用Mbo I部分酶切至30kb左右的片断。用SuperCos 1作为载体(购自StratageneCompany,USA),载体先用Xba I酶切后,去磷酸化,再用BamH I酶切成6.8kb和1.1kb的两个片段。将基因组部分酶切的片段和处理后的载体在16℃用T4 DNA连接酶连接。连接好的片段用Gigapack III XL包装蛋白(购自Stratagene Company,USA)包装。转染至大肠杆菌XL 1-blue MR(购自Stratagene Company,USA)中,建立Cosmid基因文库。用2-氨基苯酚作为底物筛选文库,在2-氨基苯酚水溶液中30℃培养两天,溶液为无色的克隆为阳性克隆,从基因文库中筛选到3个阳性克隆。将其中一个克隆的质粒提取出来测序。对测序结果进行ORF分析,在NCBI上进行blastx比对,从序列中分析出编码硝基苯硝基还原酶的基因序列,其编码的氨基酸序列与来源于[Pseudomonas putida HS12]的nitrobenzene nitroreductase(登录号为AAK26512)的序列相似性为92%;与来源于[Pseudomonas pseudoalcaligenes.JS45]的nitrobenzene nitroreductase(登录号为AAT71308)的序列相似性为88%。该基因的核苷酸序列和其编码的氨基酸序列分别如序列表中序列2和序列1所示。
实施例2、本发明的硝基苯硝基还原酶的表达及其功能鉴定
1、本发明的硝基苯硝基还原酶的表达
提取睾丸酮丛毛单胞菌(Comamonas testosteroni)CNB1 CGMCC No.1028菌株的基因组DNA,以其为模板,在引物1:5’-GACGTTTCATATGCCGACCAGCCCGTTC-3,(带下划线的碱基为NdeI识别位点,粗体为起始密码子)和引物2:5’-TGGGATCCTAATTCGTGGACGAAGGTGG-3’(带下划线的碱基为BamH I识别点,粗体为终止密码子)的引导下,PCR扩增本发明的硝基苯硝基还原酶基因。其中,50μl PCR反应体系为:模板(60ng/μl)0.5μl;dNTP(每种10mM)1μl;引物(各25μM)1μl;10×缓冲液5μl;ddH2O 42.1μl;Taq(5U/μl)0.4μl。其中,10×缓冲液来自于TaKaRa Taq试剂盒(TaKaRa公司,Code No.:DR100A)。PCR温度条件为先94℃ 2min;然后94℃ 30sec,40℃ 45sec,72℃ 45sec,共30个循环;再72℃ 5min。将PCR扩增产物进行1%琼脂糖凝胶电泳,结果表明扩增到一条700bp左右的条带,大小与预测结果一致。回收大小约700bp的片段,克隆至pGEM-T载体,进行基因序列分析,结果表明扩增得到的硝基苯硝基还原酶基因具有序列表中SEQ ID NO:2的核苷酸序列。利用限制性内切酶NdeI和BamHI将该PCR扩增产物克隆入pET-21a(+)(购自Novagen公司,USA)中的相应位点,得到重组质粒,将重组质粒转化到感受态大肠杆菌BL21(DE3)中,然后在抗性LB培养基(氨苄青霉素100μg/ml)上进行筛选阳性克隆;在引物1和引物2的引导下,用菌落PCR的方法验证筛选到的阳性克隆(转化子);将转化子置于LB液体培养基中37℃、150rpm振荡培养,至菌密度OD600为0.8左右时,加入1mM的IPTG诱导1.5小时,表达硝基苯硝基还原酶。表达得到的酶蛋白在12%的SDS-PAGE上有一明显的诱导条带,大小为27kDa,与硝基苯硝基还原酶的理论大小相同。硝基苯硝基还原酶通过His·Tag柱子纯化(His·Bind Resin Chromatography,Novagen公司,USA),具体操作步骤按照产品手册进行,其表达量为1200mg/L。
2、本发明的硝基苯硝基还原酶活性的测定
硝基苯硝基还原酶在催化硝基苯或其他底物还原时需要以NAD(P)H为辅酶,而NAD(P)H在340nm处有最大吸收峰,紫外分光光度计测定单位时间内340nm处的光吸收值的减少量,可测得硝基苯硝基还原酶的比活。反应体系包括0.3μmol硝基苯,50mmol/L磷酸盐缓冲液(pH8.0)1mL,含有0.3-0.9mg硝基苯硝基还原酶的纯蛋白溶液,0.6μmol NAD(P)H,酶促反应总体积为3mL,室温下反应5min。NADPH摩尔消光系数ε=6.22 L mmol-1cm-1。1个单位的酶活力定义为每分钟还原1μmol硝基所需的酶量。结果表明该硝基苯硝基还原酶比活性为121.3U·mg-1·min-1。
3、硝基苯硝基还原酶的功能鉴定
以步骤1得到的硝基苯硝基还原酶做酶催化反应实验,分别以硝基苯、邻氯硝基苯、间氯硝基苯、对氯硝基苯和2,4-二硝基氯代苯为底物。实验结果如表1所示,表明此酶对这五种硝基芳烃化合物都具有硝基还原的催化活性,硝基还原的催化速率的大小分别为:硝基苯>对氯硝基苯>间氯硝基苯>邻氯硝基苯>2,4-二硝基氯代苯。反应条件如下:0.3μmol底物,50mmol/L磷酸盐缓冲液(pH8.0)1mL,含有0.3~0.9mg硝基苯硝基还原酶的纯蛋白溶液,0.6μmol NAD(P)H。酶促反应总体积为3mL,室温下反应5min,于340nm处检验光吸收值的变化速率。
表1本发明的硝基苯硝基还原酶的底物范围
底物 | 酶比活(U·mg<sup>-1</sup>·min<sup>-1</sup>) |
硝基苯 | 121.3 |
邻氯硝基苯 | 45.0 |
间氯硝基苯 | 60.6 |
对氯硝基苯 | 83.2 |
2,4-二硝基氯代苯 | 22.5 |
4、硝基苯硝基还原酶催化产物的鉴定
(1)羟氨苯歧位酶的制备
提取睾丸酮丛毛单胞菌(Comamonas testosteroni)CNB1 CGMCC No.1028菌株的基因组DNA,以其为模板,在引物3:5’-GTCCGAATTCAAGGAGACCCCTTCATGCC-3’(带下划线的碱基为EcoR I识别位点,粗体为起始密码子)和引物4:5’-GTCAAAGCTTTGCGGGAAGTCTGATGGT-3’(带下划线的碱基为HindIII酶切位点,粗体为终止密码子)的引导下,PCR扩增羟氨苯歧位酶基因。其中,50μl PCR反应体系为:模板(60ng/μl)0.5μl;dNTP(每种10mM)1μl;引物(各25μM)1μl;10×缓冲液5μl;ddH2O 42.1μl;Taq(5U/μl)0.4μl。其中,10×缓冲液来自于TaKaRa Taq试剂盒(TaKaRa公司,Code No.:DR100A)。PCR温度条件为先94℃ 2min;然后94℃ 30sec,58℃45sec,72℃ 45sec,共30个循环;再72℃ 5min。将PCR扩增产物进行1%琼脂糖凝胶电泳,结果表明扩增到一条450bp左右的条带,大小与预测结果一致。回收大小约450bp的片段,克隆至pGEM-T载体,进行基因序列分析,结果表明扩增得到的羟氨苯歧位酶基因具有序列表中SEQ ID NO:3的核苷酸序列,编码具有序列表中序列4的氨基酸残基序列的羟氨苯歧位酶。利用限制性内切酶EcoRI和HindIII将该PCR扩增产物克隆入pET-21a(+)(购自Novagen公司,USA)中的相应位点,得到重组质粒,将重组质粒转化到感受态大肠杆菌BL21(DE3)中,然后在抗性LB培养基(氨苄青霉素100μg/ml)上进行筛选;在引物3和引物4的引导下,用菌落PCR的方法验证筛选到的阳性克隆(转化子);将转化子置于LB液体培养基中37℃、150rpm振荡培养,至菌密度OD600为0.8左右时,加入1mM的IPTG诱导1.5小时,表达羟氨苯歧位酶。羟氨苯歧位酶通过His·Tag柱子纯化(His·Bind Resin Chromatography,Novagen公司,USA),具体操作步骤按照产品手册进行。
(2)硝基苯硝基还原酶催化产物的鉴定
酶促反应总体积为3mL,含有0.3μmol硝基苯,50mmol/L磷酸盐缓冲液(pH8.0)1mL,0.5mg硝基苯硝基还原酶纯蛋白,0.6μmol NAD(P)H。室温下反应5min后,再加入0.3mg步骤(1)的羟氨苯歧位酶反应5min后,加入等体积的乙酸乙酯,振荡萃取10min,5000rpm离心,取上层有机相,用氮气小心将乙酸乙酯吹干,将残留物用水溶解,进行HPLC分析,分析条件如下:HP1050型液相色谱仪;C-18反相柱(4.6mm,250mm,Agilent,USA);流动相为甲醇∶水=60∶40(v/v);流动相流速为1ml/min;检测波长为210nm。分析结果表明产物中有邻氨基酚(保留时间为2.766min),说明硝基苯经过硝基苯硝基还原酶的催化后,生成的产物为羟氨苯(羟氨基苯在羟氨苯歧位酶的作用下可形成邻氨基酚)。
序列表
<160>4
<210>1
<211>227
<212>PRT
<213>睾丸酮丛毛单胞菌(Comamonas testosteroni)
<400>1
Met Pro Thr Ser Pro Phe Ile Asp Asp Leu Ile Arg Asp Arg Arg Thr
1 5 10 15
Lys Arg Gly Phe Leu Asp Gln Pro Val Pro Ile Glu Met Val Lys Asp
20 25 30
Ile Leu Ser Val Ala Lys Tyr Thr Pro Ser Ser Ser Asn Thr Gln Pro
35 40 45
Trp Arg Cys Tyr Val Leu Thr Gly Glu Ala Arg Glu Arg Val Thr Thr
50 55 60
Ala Ala Val Glu Ala Tyr Arg Gly Ala Pro Glu Gly Leu Lys Pro Glu
65 70 75 80
Tyr Ser Tyr Phe Pro Glu Pro Leu His Glu Pro Tyr Ala Thr Arg Phe
85 90 95
Asn Ser Phe Arg Gly Gln Leu Gly Asp Ala Glu Gly Cys Cys Arg Ser
100 105 110
Asp Ile Thr Gly Arg Arg Arg Tyr Val Glu Arg Gln Phe Arg Phe Phe
115 120 125
Asp Ala Pro Val Gly Leu Ile Phe Thr Met Asp Arg Arg Leu Glu Trp
130 135 140
Ala Ser Phe Ile Cys Tyr Gly Cys Phe Leu Gln Asn Ile Met Leu Ala
145 150 155 160
Ala Lys Gly Arg Gly Leu Asp Thr Cys Pro Gln Gly Leu Trp Ser Leu
165 170 175
Gln His Pro Val Leu Arg Thr Glu Leu Asn Leu Pro Asp Asp Gln Met
180 185 190
Val Val Ala Gly Met Ser Leu Gly Trp Ala Asp Asn Ser Met Ala Val
195 200 205
Asn Gln Met Ser Met Ser Arg Val Glu Leu Glu Glu Phe Thr Thr Phe
210 215 220
Val His Glu
225
<210>2
<211>684
<212>DNA
<213>睾丸酮丛毛单胞菌(Comamonas testosteroni)
<400>2
atgccgacca gcccgttcat tgatgatctg atacgcgacc gtcgcacgaa gcgtggtttt 60
ctggatcagc cagtgccgat agaaatggtg aaggacatcc tttcagtggc aaagtatacg 120
cctagttcga gtaacaccca gccgtggcgc tgttatgttt taaccggtga ggcgcgcgag 180
cgcgttacta cggccgcggt ggaggcgtac cgcggagcac ccgaaggcct gaagccggag 240
tattcatact ttcctgaacc actgcatgaa ccctatgcga cccgtttcaa ttcgtttcgc 300
ggacaactgg gcgacgctga aggatgctgc cgaagtgata taaccgggcg gcgtcgatac 360
gtcgagcgcc agttccgttt tttcgacgcg ccggtaggcc tcattttcac gatggatcgc 420
cgtctggaat gggccagttt catttgctat ggctgctttc tccagaacat catgctggca 480
gccaagggtc gtggtctcga tacttgccct caaggactat ggtccctgca gcacccggtg 540
ctgcgcactg aactcaacct tcctgatgat caaatggtgg tagcggggat gtcgctgggc 600
tgggccgaca atagcatggc agtgaaccag atgagtatgt ccagggtgga actggaagag 660
ttcaccacct tcgtccacga atga 684
<210>3
<211>453
<212>DNA
<213>睾丸酮丛毛单胞菌(Comamonas testosteroni)
<400>3
atgcctgccc agccgaatgt cgcttatttc acccatcgcc ttctacaggc agggttcgtg 60
cttttccttc ttgggctcct gacgggtatt gtcattccag ccgcccaact tccgcgcatg 120
gcactgtcca gccatctcca gggcgtcatg aatggctcct tcctcatcgc tctcggactt 180
tgctggaagc atctcgttct tccgtcctgg gccgagagga tggcgttcct ttcggccatt 240
acggggacat atgcgaactg ggcggcgacg ctgctttcag ctttcaccgg tgctgccccg 300
atgatgccca ttgccggtgg cggaagcgtt ggtactccct ttcacgaaat gctggtgtcc 360
ggcctcctgc tcttcctgat cctggccatg atcctcacct gcgtgcttgt gctgtggggg 420
cttcaccgtc ggtcgggtgt cccagcacca tga 453
<210>4
<211>150
<212>PRT
<213>睾丸酮丛毛单胞菌(Comamonas testosteroni)
<400>4
Met Pro Ala Gln Pro Asn Val Ala Tyr Phe Thr His Arg Leu Leu Gln
1 5 10 15
Ala Gly Phe Val Leu Phe Leu Leu Gly Leu Leu Thr Gly Ile Val Ile
20 25 30
Pro Ala Ala Gln Leu Pro Arg Met Ala Leu Ser Ser His Leu Gln Gly
35 40 45
Val Met Asn Gly Ser Phe Leu Ile Ala Leu Gly Leu Cys Trp Lys His
50 55 60
Leu Val Leu Pro Ser Trp Ala Glu Arg Met Ala Phe Leu Ser Ala Ile
65 70 75 80
Thr Gly Thr Tyr Ala Asn Trp Ala Ala Thr Leu Leu Ser Ala Phe Thr
85 90 95
Gly Ala Ala Pro Met Met Pro Ile Ala Gly Gly Gly Ser Val Gly Thr
100 105 110
Pro Phe His Glu Met Leu Val Ser Gly Leu Leu Leu Phe Leu Ile Leu
115 120 125
Ala Met Ile Leu Thr Cys Val Leu Val Leu Trp Gly Leu His Arg Arg
130 135 140
Ser Gly Val Pro Ala Pro
145 150
Claims (8)
1.硝基苯硝基还原酶,其氨基酸残基序列如SEQ ID NO:1所示。
2.权利要求1所述的硝基苯硝基还原酶的编码基因。
3.根据权利要求2所述的基因,其特征在于:所述硝基苯硝基还原酶编码基因的核苷酸序列如SEQ ID NO:2所示。
4.含有权利要求2或3所述的硝基苯硝基还原酶编码基因的表达载体。
5.含有权利要求2或3所述的硝基苯硝基还原酶编码基因的细胞系。
6.含有权利要求2或3所述的硝基苯硝基还原酶编码基因的宿主菌。
7.权利要求1所述的硝基苯硝基还原酶在对氨基酚和邻氨基酚类芳香族化合物生产中的应用。
8.权利要求2或3所述的硝基苯硝基还原酶编码基因在对氨基酚和邻氨基酚类芳香族化合物生产中的应用。
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Non-Patent Citations (1)
Title |
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一株降解对氯硝基苯的COMAMONAS SP.CNB1的分离鉴定及其降解特性. 吴建峰等.微生物学报,第44卷第1期. 2004 * |
Also Published As
Publication number | Publication date |
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CN1796548A (zh) | 2006-07-05 |
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