CN103088090B - 一种n-乙酰葡萄糖胺异构酶在生产n-乙酰甘露糖胺中的应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种氨基酸序列如SEQ ID NO:2所示的N-乙酰葡萄糖胺异构酶在催化合成N-乙酰甘露糖胺中的应用。即以氨基酸序列如SEQ ID NO:2所示的N-乙酰葡萄糖胺异构酶为催化剂,以N-乙酰葡萄糖胺为底物,制备N-乙酰甘露糖胺。本发明首次将氨基酸序列如SEQ ID NO:2所示的N-乙酰葡萄糖胺异构酶应用于N-乙酰甘露糖胺制备中,取得很好的效果。
Description
技术领域
本发明属于生物技术领域,涉及一种N-乙酰葡萄糖胺异构酶(N-acetylglucosamine2-epimerase,AGE)的应用,尤其涉及一种来自海藻Prochlorococcus marinus str.MIT9215中的N-乙酰葡萄糖胺异构酶(PmAGE)在以N-乙酰葡萄糖胺(N-acetyl-D-glucosamine,GlcNAc)为底物生产N-乙酰甘露糖胺(N-acetyl-D-mannosamine,ManNAc)中的应用。
背景技术
N-乙酰甘露糖胺(N-acetyl-D-mannosamine,ManNAc)是一种重要的中间体,可用于抗流感药物前体及婴幼儿奶粉添加剂N-乙酰神经氨酸(N-acetyl-D-neuraminic acid,Neu5Ac)的合成。
以N-乙酰葡萄糖胺(N-acetyl-D-glucosamine,GlcNAc)为底物用于合成ManNAc,再以ManNAc和丙酮酸为底物经N-乙酰神经氨酸缩合酶(N-acetylneuraminic acid lyase,Nal)催化合成N-乙酰神经氨酸是目前最主要的合成Neu5Ac的途径。而把廉价的底物GlcNAc经异构反应生成其昂贵的同分异构体ManNAc是两步反应中的关键步骤。
迄今为止关于催化GlcNAc合成ManNAc的反应已有许多报道。概括起来主要有化学法和生物催化法。
化学催化法是在强碱性的条件下将GlcNAc异构成ManNAc,但是该方法对下游的底物及酶具有强烈的降解作用,因而不适合大规模应用[1]。
生物催化法采用AGE在温和的条件下催化GlaNAc生成ManNAc,因而避免了化学法中强碱对下游反应的抑制作用。但是AGE只存在在自然界极少的几个物种中。目前报道的AGE主要集中在哺乳动物,如猪[2]、人[3]、老鼠[4];以及淡水藻,如Synechocystis sp.PCC6803[5]和Anabaena sp.CH1[6]中;以及卵形拟杆菌Bacteroidesovatus ATCC8483[7]中。这些AGE的共同的特点是需要ATP作为激活剂。全细胞催化法可以克服反应体系中添加ATP的需要[8],但其缺陷是细胞膜降低了底物的传质造成反应速率降低,而且全细胞催化剂无法长期稳定地重复利用。与此相反,通过酶的固定化方式进行ManNAc生产可以克服底物的传质作用而且酶可以长期重复利用,但是却需要添加高成本的ATP[9]。本专利中研究的AGE可以在不需要添加ATP的情况下表现出很高的酶活,从而很好地解决了酶催化法合成ManNAc中的瓶颈。
本专利中涉及到的N-乙酰葡萄糖胺异构酶(PmAGE)是AGE的一种,其包含384个氨基酸,其在Genbank中的收录号为YP_001484631.1,(http://www.ncbi.nlm.nih.gov/protein/YP_001484631.1),其氨基酸序列如SEQ ID NO:2所示。编码该蛋白的基因含有1155bp碱基,其在Genbank中的收录号为NC_009840.1,(http://www.ncbi.nlm.nih.gov/nuccore/NC_009840.1?report=genbank&from=1224454&to=1225608),其基因序列如SEQ ID NO:1所示。至今未发现PmAGE用于ManNAc合成的报道。
【参考文献】:
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发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供N-乙酰葡萄糖胺异构酶在催化GlcNAc制备ManNAc中的应用。
为解决上述技术问题,本发明所采用的技术方案如下:
一种氨基酸序列如SEQ ID NO:2所示的N-乙酰葡萄糖胺异构酶在催化N-乙酰葡萄糖胺合成N-乙酰甘露糖胺中的应用。
具体的方法是,以氨基酸序列如SEQ ID NO:2所示的N-乙酰葡萄糖胺异构酶为催化剂,以N-乙酰葡萄糖胺为底物,不需要ATP作为辅因子,制备N-乙酰甘露糖胺。
更具体的方法是,表达基因序列如SEQ ID NO:1所示的重组菌,经过破碎与镍柱纯化后,将纯酶与N-乙酰葡萄糖胺在缓冲液中反应得到N-乙酰甘露糖胺。
其中,基因序列如SEQ ID NO:1所示的重组菌的构建方法如下:以Prochlorococcusmarinus str.MIT9215基因组为模板扩增出N-乙酰葡萄糖胺异构酶的基因并连接到pET-28a载体上,再将重组质粒转化入E.coli Rosetta(DE3)中。
其中,重组菌的表达方法如下:培养重组菌至OD600=0.8时添加0.5mM IPTG,在15℃、220rpm条件下诱导12h。
其中,镍柱纯化条件为:60mM咪唑溶液洗脱杂蛋白,500mM咪唑溶液洗脱纯酶。
其中,纯酶与N-乙酰葡萄糖胺的反应比为0.2-20U的纯酶与50-200mM N-乙酰葡萄糖胺反应。
其中,所述的缓冲液为pH7~8.5的磷酸缓冲液或pH7~8.5的Tris-HCl缓冲液,优选pH7.5的磷酸缓冲液或pH7.5的Tris-HCl缓冲液。
其中,纯酶与N-乙酰葡萄糖胺在缓冲液中反应条件为:温度35~38℃,反应时间0.2~2h;优选,温度37℃,反应时间0.5h。
发明人基于现代生物信息学思想,结合分子生物学技术,采用基因工程的手段从海藻Prochlorococcus marinus str.MIT9215克隆N-乙酰葡萄糖胺异构酶的基因,在大肠杆菌中表达后发现其能催化GlcNAc生产ManNAc。
有益效果:本发明首次将氨基酸序列如SEQ ID NO:2所示的N-乙酰葡萄糖胺异构酶应用于催化GlcNAc合成ManNAc中,取得很好的效果,其酶活高达2.37U/mg,而且该反应中不需要添加辅因子ATP,大大降低了生产成本。
附图说明
图1为N-乙酰葡萄糖胺异构酶基因的构建图。
具体实施方式
根据下述实施例,可以更好地理解本发明。然而,本领域的技术人员容易理解,实施例所描述的具体的物料配比、工艺条件及其结果仅用于说明本发明,而不应当也不会限制权利要求书中所详细描述的本发明。
实施例1:重组大肠杆菌E.coli Rosseta(pET28a-PmAGE)的构建。
1、N-乙酰葡萄糖胺异构酶基因的获取:
海洋来源的蓝藻Prochlorococcus marinus str.MIT9215(来自于MassachusettsInstitute of Technology的chisholm教授)细胞在液氮中冷冻1分钟后再转移到100℃沸水中温浴10分钟。将如此处理过的海藻作为PCR的模板。
构建表达载体所用的引物加设酶切位点,引物序列如下:
上游引物(PmAGE-sense含EcoR I)为:
5′CCGGAATTCATGCAAAAATATATAAACGAATATCTAAG
下游引物(PmAGE-anti含Not I)为:
ATTTGCGGCCGCTTATTTAAACAATGTTGTATTTTTT
所有引物均由南京金斯瑞公司合成。
基因的PCR条件:
94℃变性5min,按如下参数循环30次:94℃变性1min,60℃退火50s,72℃延伸1.5min。最后72℃延伸10min。
2、重组大肠杆菌E.coli Rosseta转化:
用EcoR I及Not I分别酶切pET-28a(pET-28a购于Novagen(默克中国))及所扩增含有两个酶切位点的目的基因,分别胶回收已双酶切的目的片段和表达载体,将已双酶切的表达载体pET-28a与目的基因用T4连接酶进行连接过夜,将10uL的连接产物pET-28a-PmAGE加入100uL的Rosetta(DE3)感受态细胞中,冰上放置30min,42℃热激90sec。冰上放置2min。加入预热的0.45mL培养基。220rpm37℃1h。将200uL菌液加入分别含有100μg/mL的卡那霉素和氯霉素的LB平板上,37℃过夜培养12~16h。构建图谱见图1。
实施例2:异构酶PmAGE的获取极其性质研究。
1、N-乙酰葡萄糖胺异构酶PmAGE的表达。
挑取重组菌E.coli Rosseta(pET-28a-PmAGE)至含抗生素的LB液体培养基中,37℃振荡培养过夜。然后按2%接种量分别接种到新鲜培养液中,37℃培养至OD600约为0.6时,加入IPTG至终浓度0.5mmol·L-1,15℃,220rpm,诱导表达12h后,离心(4℃,10000rpm,10min)。
2、N-乙酰葡萄糖胺异构酶PmAGE的纯化。
将收集的菌泥用含300mM NaCl和30%甘油的磷酸缓冲(50mM,pH7.5)重悬,超声破碎细胞(功率300W,超声5s,间歇5s,共5min),离心(4℃,12000rpm,15min)取上清。
将收集到的上清酶液添加到Ni-NTA柱中,冰上保温30分钟。弃去穿透液后,用含60mM咪唑,300mM NaCl和30%甘油的磷酸缓冲(50mM,pH7.5)洗去杂蛋白。再用含500mM咪唑,300mM NaCl和30%甘油的磷酸缓冲(50mM,pH7.5)将目标蛋白PmAGE洗脱下来。用12%的SDS-PAGE检测酶的纯度,得到电泳纯的PmAGE。将纯化后的PmAGE用Tris-HCl缓冲(pH7.5)透析(M.W.3000的透析膜,透析24小时)。蛋白浓度采用Brandford法进行测定。
3、N-乙酰葡萄糖胺异构酶PmAGE的底物特异性的研究。
酶活的检测方法:采用Agilent1200高效液相色谱,串联两根Bio-Rad Aminex87-H柱进行检测(以10mM H2SO4为流动相,流速0.4ml/min,折光示差检测器)。酶活的定义:每分钟内生产1μmol产物所需的酶量为一个酶活单位U。
在6管分别含有100mM的果糖、100mM甘露糖、100mM GlcNAc、100mMManNAc、2mM6-磷酸果糖和2mM6-磷酸甘露糖Tris-HCl缓冲(pH7.5)中加入30ug/ml的纯酶PmAGE。37℃水浴反应30分钟。
结果显示,重组菌E.coli Rosseta(pET28a-PmAGE)对底物GlcNAc的比酶活为2.4U/mg,对底物ManNAc的比酶活为12.5U/mg。对其他底物均没有表现出催化活性。
4、ATP对N-乙酰葡萄糖胺异构酶PmAGE影响的研究。
在含100mM GlcNAc的Tris-HCl缓冲(pH7.5)中添加ATP(0-50mM),再加入30ug/ml的纯酶PmAGE。37℃水浴反应30分钟。
其逆反应为在含100mM ManNAc的Tris-HCl缓冲(pH7.5)中添加ATP(0-50mM),再加入30ug/ml的纯酶PmAGE。37℃水浴反应30分钟。
表1
结果显示,PmAGE的酶活对ATP没有依赖性,低浓度ATP(5цm-5mM)对PmAGE的酶活没有显著影响,而高浓度的ATP(20-100mM)对PmAGE具有显著的抑制作用,具体数据见表1。
Claims (8)
1.一种氨基酸序列如SEQ ID NO:2所示的N-乙酰葡萄糖胺异构酶在催化N-乙酰葡萄糖胺合成N-乙酰甘露糖胺中的应用;
表达基因序列如SEQ ID NO:1所示的重组菌,经过破碎与镍柱纯化后,将纯酶与N-乙酰葡萄糖胺在缓冲液中反应,以氨基酸序列如SEQ ID NO:2所示的N-乙酰葡萄糖胺异构酶为催化剂,以N-乙酰葡萄糖胺为底物,不添加ATP作为辅因子,制备N-乙酰甘露糖胺。
2.根据权利要求1所述的应用,其特征在于,基因序列如SEQ ID NO:1所示的重组菌的构建方法如下:以Prochlorococcus marinus str.MIT9215基因组为模板扩增出N-乙酰葡萄糖胺异构酶的基因并连接到pET-28a载体上,再将重组质粒转化入E.coliRosetta DE3中。
3.根据权利要求1所述的应用,其特征在于,重组菌的表达方法如下:培养重组菌至OD600=0.8时添加0.5mM IPTG,在15℃、220rpm条件下诱导12h。
4.根据权利要求1所述的应用,其特征在于,镍柱纯化条件为:60mM咪唑溶液洗脱杂蛋白,500mM咪唑溶液洗脱纯酶。
5.根据权利要求1所述的应用,其特征在于,纯酶与N-乙酰葡萄糖胺的反应比为0.2-20U的纯酶与50-200mM N-乙酰葡萄糖胺反应。
6.根据权利要求1所述的应用,其特征在于,所述的缓冲液为pH7~8.5的磷酸缓冲液或pH7~8.5的Tris-HCl缓冲液。
7.根据权利要求1所述的应用,其特征在于,纯酶与N-乙酰葡萄糖胺在缓冲液中反应条件为:温度35~38℃,反应时间0.2~2h。
8.根据权利要求7所述的应用,其特征在于,纯酶与N-乙酰葡萄糖胺在缓冲液中反应条件为:温度37℃,反应时间0.5h。
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