CN101268197A - 用于将芳香卤代二腈转化为卤代氰基羧酸的新方法 - Google Patents

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CN101268197A CNA2006800341207A CN200680034120A CN101268197A CN 101268197 A CN101268197 A CN 101268197A CN A2006800341207 A CNA2006800341207 A CN A2006800341207A CN 200680034120 A CN200680034120 A CN 200680034120A CN 101268197 A CN101268197 A CN 101268197A
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Abstract

本发明涉及在腈水解酶例如Rhodococcus rhodochrous的存在下将芳香卤代二腈转化为相应的氰基羧酸的方法。

Description

用于将芳香卤代二腈转化为卤代氰基羧酸的新方法
发明领域
本发明涉及在腈水解酶的存在下将芳香卤代二腈转化为相应的氰基羧酸的方法。
背景技术
水解腈化合物的氰基以获得相应的羧酸是获得羧酸的一种常见方法。但是,化学合成中氰基的选择性水解反应一般为复杂的过程。通常需要保护特定的氰基。相反,通常使用其中仅多腈化合物(polynitrilecompound)的一部分氰基被水解以获得相应氰基羧酸的生物反应。
一般认为生物反应具有高的选择性。但是,由于往往因使用野生型微生物而引起的副反应,生物反应在许多场合下伴有杂质的生成。
腈水解酶是具有腈水解酶活性的酶,即催化腈化合物转化为羧酸这一反应的酶。生产这种酶的微生物包括Fusarium solani(参见Biochem.J.167,685-692(1977)),Nocardia sp.(参见Int.J.Biochem.,17,677-683(1985)),Arthrobacter sp.(参见Appl.Environ,Microbiol.,51,302-306(1986)),Rhodococcus rhodochrous J1(参见Eur.J.Biochem.,182,349-356(1989)),Rhodococcus rhodochrous K-22(参见J.Bacteriol.,172,4807-4815(1990)),Rhodococcus rhodochrous PA-34(参见Appl.Microbiol.Biotechnol.,37,184-190(1992))和Rhodococcus sp.ATCC39484(参见Biolechnol.Appl.Biochem.,l5,283-302 sp.(1992))。
近年来,已尝试利用这些微生物转化腈化合物的能力。在这些微生物中,Rhodococcus sp.ATCC39484菌株已被报道具有选择性水解含多个腈基的芳香多腈化合物的能力。但是,该微生物的腈水解酶已被报道对芳香多腈化合物具有相对低的活性(EP1142997 A1)。
美国专利4,629,700公开了通过相应腈的生物水解生产芳香酸的方法。EP178106公开了使用细菌来源的单腈水解酶(mononitrilase)通过选择性水解二腈化合物的氰基以产生氰基羧酸的方法。
EP1142997 A1公开了一种新的Rhodococcus细菌和水解腈化合物的氰基以产生相应羧酸的方法。
EP444640 A2公开了使用在内酰胺化合物存在下培养的Rhodococcus菌株的腈水解酶将腈转化为相应羧酸的方法。
Appl.Microbiol.Biotechnol.29(1988),231-233公开了使用Rhodococcus rhodochrous的腈水解酶J1来催化1,3-二氰基苯转化为3-氰基苯甲酸的反应。
Eur.J.Biochem.182(1989),349-356公开了使用Rhodococcusrhodochrous J1腈水解酶来催化单腈转化为相应羧酸。根据这些作者,当芳香卤代腈被用作底物时,该酶表现出很少的可检测的活性。
本发明的目的是通过增加活性和选择性促进卤代芳香二腈化合物转化为相应氰基苯甲酸的酶催化反应,从而使该反应适于工业规模。
发明内容
本发明提供了将式I的腈转化为式II的羧酸的方法。
其中X为卤素;
所述转化在腈水解酶的存在下进行。
在本发明的一个实施方式中,卤素X分别位于式I和式II化合物的5-位。在本发明的另一实施方式中,X为氟。在本发明的另一实施方式中,5-氟-1,3-二氰基苯被转化为5-氟-3-氰基-苯甲酸。
在本发明的一个实施方式中,腈水解酶为野生型的腈水解酶。在本发明的另一实施方式中,腈水解酶为克隆的腈水解酶。在另一实施方式中,腈水解酶为Rhodococcus腈水解酶。在又一实施方式中,腈水解酶为Rhodococcus rhodochrous水解酶。在另一实施方式中,腈水解酶为由核酸序列SEQ ID No.1编码的腈水解酶。在又一实施方式中,腈水解酶具有氨基酸序列SEQ ID No.2。
本发明还涉及编码具有腈水解酶活性的多肽的核酸序列、包括所述核酸序列的核酸构建体和包括所述核酸序列或所述核酸构建体的载体。本发明还涉及由所述核酸序列编码的氨基酸序列和包括所述核酸序列、所述核酸构建体或包括所述核酸序列或所述核酸构建体的载体的微生物。
具体实施方式
根据本发明所述方法可在pH 4-11,尤其是在pH 4-9实施。在一个实施方式中,所述方法在约7的pH实施。
有可能在所述方法中使用按重量0.01到25%的腈。在一个实施方式中,使用了按重量0.1到10%的腈。在另一实施方式中,使用了按重量0.5到5%的腈。取决于所述的腈,可以在反应中使用不同量的腈。如果腈(羟腈)与相应醛和氢氰酸处于平衡,可使用腈的最小量(等于按重量0.01到5%之间的量)。
通常,底物浓度,即反应混合物中式I化合物的浓度位于20g/l到40g/l的范围内。
在本发明的上下文中,卤素指氟、氯、溴或碘。
在本发明的上下文中,选择性定义为所需产物总量的比例。
在本发明的上下文中,区域选择性是将式I化合物的仅一个氰基转化为式II相应羧酸的选择性水解。
根据本发明的方法可在0℃到80℃之间的温度下实施。在一个实施方式中,反应是在10℃到60℃之间实施。在另一实施方式中,反应是在15℃到50℃之间实施。
在所述方法中,有可能获得至少0.1到最多5U/mg腈水解酶的总活性。在一个实施方式中,总活性为0.1到最多0.2U/mg腈水解酶在一个实施方式中,总活性为0.5到最多(up to)2U/mg腈水解酶。底物转化95%后测定总活性。
有可能使用含有根据本发明的核酸、核酸构建体或载体的生长细胞用于本发明的方法。也可使用静息细胞或破裂细胞。破裂细胞意为例如已通过如溶剂处理使细胞成为可渗透的细胞或通过酶处理、机械处理(如法式细胞破碎器(French press)或超声)或任何其他方法被碎裂的细胞。此方法获得的粗提液可用于本发明的所述方法。也可在所述方法中使用纯化或部分纯化的酶。类似地,可以在所述反应中使用固定化微生物或酶。
根据本发明的方法制备的羧酸可通过萃取或结晶或通过萃取(extraction)和结晶从水性反应溶液中分离出来。就此目的,采用酸例如无机酸(HCl或H2SO4)或有机酸酸化该水性反应溶液,有利地达到pH值2以下,然后采用有机溶剂萃取。所述萃取可以重复数次以增加收率。可以使用的有机溶剂原则上为所有表现出对水的相界的有机溶剂,如果合适,在加入盐后。可能的溶剂为例如甲苯、苯、己烷、甲基叔丁基醚或乙酸乙酯的溶剂。还可通过将产物结合到离子交换剂并随后以无机酸或羧酸如HCl、H2SO4、甲酸或乙酸洗脱来纯化产物。作为另外一种选择,该产物可根据标准流程被结晶并直接从反应混合液中分离。
浓缩水相或有机相后,产物通常可以以良好的化学纯度分离,意为大于90%的化学纯度。但萃取后,含产物的有机相可能仍然只是被部分浓缩,产物可以被结晶。就此目的,可冷却溶液到0℃到10℃的温度。结晶也可直接从有机相发生。结晶的产物可再被溶解在相同或不同的溶剂中以重新结晶和被再次结晶。
但是,使用酸将水性反应溶液酸化到低于例如2的pH时,羧酸也可以从水性反应液中立即结晶析出。这使得水溶液可能需要通过加热以减少10到90%的体积来浓缩。在一个实施方式中,所述体积减少了20到80%。在另一实施方式中,所述体积减少了30到70%。结晶可通过冷却例如在0℃和10℃之间的温度下进行。
采用这些类型的操作(workup),本发明所述方法的产物可以分离得到60%到100%的收率。在一个实施方式中,收率为80%到100%。在另一实施方式中,基于反应中使用的腈,收率为90%到100%。在另一实施方式中,收率为95%到100%。在另一实施方式中,收率为98%到100%。在一个实施方式中,分离的产物具有>90%的化学纯度。在另一实施方式中,该纯度为>95%。在另一实施方式中,该纯度为>98%。
根据本发明的方法的选择性通常在90%到100%的范围内。
以这种方式获得的产物可用作制备药物或农用化学品的有机合成的起始原料。
根据本领域已知方法(如Sambrook等人.“Molecular Cloning”,ColdSpring Harbor Laboratory,1989),通过合成和表达腈水解酶,本领域的技术人员可生产核酸序列SEQ.ID No.1,该核酸序列编码Rhodococcus腈水解酶。SEQ ID No.2示出了相应氨基酸序列。
根据本发明的核酸构建体意为根据SEQ ID No.1的腈水解酶的基因序列,该序列已被功能性地连接到一个或多个调节信号以增加基因表达。这些调节序列为例如结合诱导物或抑制物并从而调节该核酸表达的序列。除了这些新的调节序列外,还有可能在实际结构基因的前面存在这些序列的天然调节序列,且在适宜情况下,这些序列的天然调节序列已被基因修饰使得天然调节被关闭并增加这些基因的表达。但所述核酸构建体可具有更简单的结构,也就是说没有附加的调节信号插入到序列SEQ ID No.1的前面,且带有其调节序列的天然启动子没有被删除。相反,该天然调节序列以这样一种方式突变,使得这种调节不再发生并增加了基因表达。所述核酸构建体可附加地包括一个或多个功能性地连接到启动子的增强子序列,这些增强子序列使得所述核酸序列表达增加成为可能。根据本发明的核酸可在该构建体中具有一个或多个拷贝。该构建体还可包括另外的标记,例如适于选择该构建体的抗生素抗性或营养缺陷互补基因。
用于本发明所述方法的调节序列的例子位于启动子例如cos、tac、trp、tet、trp-tet、lpp、lac、lpp-lac、lacIq、T7、T5、T3、gal、trc、ara、SP6、λ-PR或λ-PL启动子中,其可用于革兰氏阴性菌。其他调节序列位于例如革兰氏阳性菌启动子amy和SPO2上,和真菌或酵母启动子ADC1、MFα、AC、P-60、CYC1、GAPDH、TEF、rp28和ADH中。在这方面的其他例子为来自如Hansenula的丙酮酸脱羧酶和甲醇氧化酶的启动子。还有可能使用人工启动子用于调节。
所述核酸构建体可插入到载体例如质粒、噬菌体或其他用于在宿主生物表达的DNA,这些载体使得基因在宿主内的最佳表达成为可能。这些载体代表了本发明的进一步发展。此类质粒在E.coli中的例子为pLG338、pACYC184、pBR322、pUC18、pUC19、pKC30、pRep4、pHS1、pHS2、pPLc236、pMBL24、pLG200、pUR290、pIN-III113-B1、λgt11或pBdCI;在Streptomyces中是pIJ101、pIJ364、pIJ702或pIJ361;在Bacillus中是pUB110、pC194或pBD214;在Corynebacterium中是pSA77或pAJ667;在真菌中是pALS1、pIL2或pBB116;在酵母中是2μM、pAG-1、YEp6、YEp13或pEMBLYe23或在植物中是pLGV23、pGHlac+、pBIN19、pAK2004或pDH51。所述质粒代表了可能质粒的小部分选择。其他质粒为本领域技术人员熟知,并可在例如书中《Cloning Vectors》(eds.PouwelsP.H等人.Elsevier,Amsterdam-New York-Oxford,1985,ISBN 0 444904018)找到。
所述核酸构建体也可含有3′和/或5′末端调节序列以增加所存在的其他基因的表达,根据所选择的宿主生物和一个或多个基因,选择这些末端调节序列用于最佳表达。
这些调节序列旨在使这些基因和蛋白质的特异表达成为可能。这可能意味着例如根据宿主生物,该基因仅在诱导后表达或过表达,或该基因被立即表达和/或过表达。
这些调节序列或因子还可能积极地影响并从而增加引入基因的表达。因此,通过使用强的转录信号例如启动子和/或增强子,调节元件的增强可发生在转录水平。但是,也有可能通过如提高mRNA的稳定性来增强翻译。
在所述载体的另一个实施方式中,包括根据本发明的核酸构建体或根据本发明的核酸的所述载体也可以线性DNA形式被引入到微生物中,并通过异源重组或同源重组被整合到宿主生物的基因组中。该线性DNA可由线性化载体例如质粒组成,或仅由所述核酸构建体组成或所述核酸组成。
为了实现异源基因在生物体内的最佳表达,所述核酸序列可被修饰以符合该生物中特异使用的密码子用法。基于对相关生物其他已知基因的计算机分析,该密码子用法可以容易地被建立起来。
适于根据本发明的核酸或所述核酸构建体的宿主生物原则上为所有的原核或真核生物。使用的宿主生物可为微生物,例如细菌、真菌或酵母。可使用革兰氏阳性或革兰氏阴性细菌,例如肠杆菌科(Enterobacteriaceae)、假单胞菌科(Pseudomonadaceae)、链霉菌科(Streptomycetaceae)、分歧杆菌科(Mycobacteriaceae)或Nocardiaceae科的细菌,尤其是Escherichia、Pseudomonas、Nocardia、Mycobacterium、Streptomyces或Rhodococcus属的细菌,具体地为大肠杆菌(Escherichiacoli)、Rhodococcus rhodochrous、Nocardia rhodochrous、Mycobacteriumrhodochrous或Streptomyces lividans属和种。
根据本发明的宿主生物还可包括至少一种用于折叠宿主合成的多肽的蛋白质物质,和尤其是本发明描述的具有腈水解酶活性的核酸序列和/或编码该物质的基因,其中该物质的量大于在所考虑的微生物中对应于基础量的量。编码该物质的基因位于染色体或染色体外元件例如质粒上。
实施例
1.无细胞提取物(CFE)生物催化剂的制备
使用E.coli DH 10B(来自Rhodococcus rhodochrous腈水解酶的pMS470-3-14-1-4)的甘油储藏菌接种添加有羧苄青霉素(100mg/l)的1升Terrific Broth(TB)培养基。生长68小时后,使用该培养物接种添加有羧苄青霉素(100mg/l)的9升TB培养基并使用IPTG作为诱导物。在实验室级别的发酵罐中生长41小时后,通过离心(12227×g,10分钟)充分生长的发酵液(OD600=16.7)收获细胞,以1kg细胞+3kg缓冲液的比例将细胞湿重生物物质重新悬浮到20mM HEPES/NaOH缓冲液中(pH 7.0,每克湿重细胞13μg benzonase酶),并在纳米喷流(nanojet)中以1600bar破坏细胞(运行两次)。获得1.04升的CFE,收率为86%(328克湿生物物质+880ml缓冲液)。
2.酶转化
1.5mol 5-氟-1,3-二氰基苯悬浮在反应器中的81 0.1M磷酸钠缓冲液中,pH保持在7.2。往该悬浮液中加入440ml的2.6wt%CFE腈水解酶。72小时后,于25℃达到>98%的转化。然后加入磷酸至pH为2.4,使反应停止。结晶的产物通过过滤收集。以其一半体积的水洗涤(搅拌)滤饼三次。最后在空气中干燥产物。收率:97%/1.45mol。
3.分析方法
采用反向LC在Inertsil ODS-3柱(购自Varian,50×4.6mm I.D.,3μm)上测定5-氟-1,3-二氰基苯通过腈水解酶反应向3-氰基-5-氟-苯甲酸的转化。使用50mM的磷酸水溶液(pH为2.7)和乙腈梯度(1.0ml/min,40℃)洗脱这些化合物。时间为零时,该梯度起始条件为97.5/2.5v/v%缓冲液/乙腈,10分钟时乙腈百分比增加到50%。10.1分钟时,梯度情况恢复到起始条件。总分析时间为12分钟。进样体积为5μl,采用分光光度计在UV220nm处进行检测。3-氰基-5-氟-苯甲酸、1,3-二氰基-5-氟苯和3-氰基-5-氟-苯甲酸酰胺的保留时间分别为6.75、7.75和5.2分钟。
序列表
<110>AstraZeneca AB
<120>用于将芳香卤代二腈转化为卤代氰基羧酸的新方法
<130>HNI 102033-1P WO SEQ LISTING
<150>SE0502100-1
<151>2005-09-22
<160>2
<170>PatentIn version 3.2
<210>1
<211>1098
<212>DNA
<213>Rhodococcus rhodochrous
<400>1
atggtcgaat acacaaacac attcaaagtt gctgcggtgc aggcacagcc tgtgtggttc    60
gacgcggcca aaacggtcga caagaccgtg tccatcatcg cggaagcagc ccggaacggg    120
tgcgagctcg ttgcgtttcc cgaggtattc atcccggggt acccgtacca catctgggtc    180
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<210>2
<211>366
<212>PRT
<213>Rhodococcus rhodochrous
<400>2
Met Val Glu Tyr Thr Asn Thr Phe Lys Val Ala Ala Val Gln Ala Gln
1               5                   10                  15
Pro Val Trp Phe Asp Ala Ala Lys Thr Val Asp Lys Thr Val Ser Ile
            20                  25                  30
Ile Ala Glu Ala Ala Arg Asn Gly Cys Glu Leu Val Ala Phe Pro Glu
        35                  40                  45
Val Phe Ile Pro Gly Tyr Pro Tyr His Ile Trp Val Asp Ser Pro Leu
    50                  55                  60
Ala Gly Met Ala Lys Phe Ala Val Arg Tyr His Glu Asn Ser Leu Thr
65                  70                  75                  80
Met Asp Ser Pro His Val Gln Arg Leu Leu Asp Ala Ala Arg Asp His
                85                  90                  95
Asn Ile Ala Val Val Val Gly Ile Ser Glu Arg Asp Gly Gly Ser Leu
            100                 105                 110
Tyr Met Thr Gln Leu Ile Ile Asp Ala Asp Gly Gln Leu Val Ala Arg
        115                 120                 125
Arg Arg Lys Leu Lys Pro Thr His Val Glu Arg Ser Val Tyr Gly Glu
    130                 135                 140
Gly Asn Gly Ser Asp Ile Ser Val Tyr Asp Met Pro Phe Ala Arg Leu
145                 150                 155                 160
Gly Ala Leu Asn Cys Trp Glu His Phe Gln Thr Leu Thr Lys Tyr Ala
                165                 170                 175
Met Tyr Ser Met His Glu Gln Val His Val Ala Ser Trp Pro Gly Met
            180                 185                 190
Ser Leu Tyr Gln Pro Glu Val Pro Ala Phe Gly Val Asp Ala Gln Leu
        195                 200                 205
Thr Ala Thr Arg Met Tyr Ala Leu Glu Gly Gln Thr Phe Val Val Cys
    210                 215                 220
Thr Thr Gln Val Val Thr Pro Glu Ala His Glu Phe Phe Cys Glu Asn
225                 230                 235                 240
Glu Glu Gln Arg Lys Leu Ile Gly Arg Gly Gly Gly Phe Ala Arg Ile
                245                 250                 255
Ile Gly Pro Asp Gly Arg Asp Leu Ala Thr Pro Leu Ala Glu Asp Glu
            260                 265                 270
Glu Gly Ile Leu Tyr Ala Asp Ile Asp Leu Ser Ala Ile Thr Leu Ala
        275                 280                 285
Lys Gln Ala Ala Asp Pro Val Gly His Tyr Ser Arg Pro Asp Val Leu
    290                 295                 300
Ser Leu Asn Phe Asn Gln Arg Arg Thr Thr Pro Val Asn Thr Pro Leu
305                 310                 315                 320
Ser Thr Ile His Ala Thr His Thr Phe Val Pro Gln Phe Gly Ala Leu
                325                 330                 335
Asp Gly Val Arg Glu Leu Asn Gly Ala Asp Glu Gln Arg Ala Leu Pro
            340                 345                 350
Ser Thr His Ser Asp Glu Thr Asp Arg Ala Thr Ala Ser Ile
        355                 360                 365

Claims (22)

1. 将式I的腈转化为式II的羧酸的方法;
Figure A2006800341200002C1
其中X为卤素;
所述转化在腈水解酶的存在下进行。
2. 根据权利要求1所述的方法,其中所述腈水解酶为Rhodococcus腈水解酶。
3. 根据权利要求2所述的方法,其中所述腈水解酶为Rhodococcusrhodochrous腈水解酶。
4. 根据权利要求3所述的方法,其中所述腈水解酶为克隆的Rhodococcus rhodochrous腈水解酶。
5. 根据权利要求3所述的方法,其中所述腈水解酶为野生型Rhodococcus rhodochrous腈水解酶。
6. 根据权利要求1所述的方法,其中所述腈水解酶由SEQ ID No.1所描述的核酸序列编码。
7. 根据权利要求1所述的方法,其中所述腈水解酶具有SEQ ID No.2所描述的氨基酸序列。
8. 根据权利要求1-7任一项所述的方法,其中X位于式I和式II化合物的5-位上。
9. 根据权利要求1-8任一项所述的方法,其中X为氟。
10. 根据权利要求1-9任一项所述的方法,其中5-氟-1,3-二氰基苯转化为5-氟-3-氰基苯甲酸。
11. 根据权利要求1-10任一项所述的方法,其中所述腈水解酶在选自Escherichia、Rhodococcus、Nocardia、Streptomyces和Mycobacterium中任一属的细菌中表达。
12. 根据权利11所述的方法,其中所述腈水解酶在大肠杆菌中表达。
13. 根据权利要求1-12任一项所述的方法,其中所述方法在水性反应溶液中进行。
14. 根据权利要求1-13任一项所述的方法,其中所述反应在4到11的pH下进行。
15. 根据权利要求1-14任一项所述的方法,其中按重量0.01到25%的腈在所述方法中反应。
16. 根据权利要求1-15任一项所述的方法,其中所述方法在0℃到80℃的温度下进行。
17. 根据权利要求1-16任一项所述的方法,其中式II的所述化合物通过萃取或结晶或萃取和结晶以60%到100%的收率从所述反应溶液中分离出来。
18. 根据权利要求1-17任一项所述的方法,其中基于式I化合物的用量,式II化合物的收率为约90%到100%。
19. 根据权利要求1-18任一项所述的方法,其中所述总活性为0.1到最多5U/mg腈水解酶
20. 根据权利要求19所述的方法,其中所述总活性为0.1到最多0.2U/mg腈水解酶
21. 根据权利要求19所述的方法,其中所述总活性为0.5到最多2U/mg腈水解酶
22. 根据权利要求1-21任一项所述的方法,其中式II在反应混合物中的浓度为20g/l到40g/l。
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