CN103421857B - 一种单端孢霉烯b族毒素的合成方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于生物毒素合成技术领域，与生物发酵技术领域有关。本发明以大米颗粒为原料，经接种镰刀菌复苏、产分生孢子、分生孢子接种大米产毒培养基培养，培养基甲醇液提取、饱和、萃取、柱层析、水解和结晶等工艺过程，制备出一种单端孢酶类毒素-3Ac-DON和DON毒素结晶。一次结晶后毒素经核磁和质谱结构鉴定准确无误，含量不低于94%。传统提取工艺相比，本发明的一步法柱层析即可分离纯化出3Ac-DON毒素，步骤简单快捷产量高，制备的毒素性质稳定纯度高，显著降低了毒素合成成本，合成的3Ac-DON毒素经一步水解可得到DON，整个过程操作避免了色素干扰，简单，省时省力。得到的两种毒素均可以广泛应用于毒理学、代谢实验等各种毒素领域。

Description

一种单端孢霉烯B族毒素的合成方法

技术领域

本发明属于一种单端孢霉烯B族毒素的合成方法，该方法包含三乙酰基脱氧雪腐镰刀菌烯醇毒素和脱氧血腐镰刀菌烯醇毒素，即3Ac-DON和DON毒素，本发明涉及拟禾谷镰刀菌为菌种，采用自制培养基，通过控制培养条件和固液萃取、液液萃取、柱层析等一系列分离纯化得到一种生物毒素标准品即3Ac-DON毒素，同时用3Ac-DON毒素经碱水解得到DON毒素。

背景技术

3Ac-DON毒素（Ⅰ），化学名为3α-乙酰基,7α,l5-二羟基-l2，l3-环氧单端孢酶-9-烯-8酮和DON毒素（Ⅱ），化学名为(3α,7α),l5-三羟基-l2，l3-环氧单端孢酶-9-烯-8酮，均属于是B型单端孢酶烯族化合物，为一种倍半萜衍生物。3Ac-DON毒素的分子量为338.4g/mol，分子式为C₁₇H₂₂O₇；DON毒素的分子量为296.3g/mol，分子式为C₁₅H₂₀O₆。在我国镰刀菌毒素中DON毒素是镰刀菌毒素中最为常见的一种毒素，在一些欧洲国家，如意大利、法国、西班牙等，禾谷镰刀菌也是玉米属作物中最高发的污染菌种（LogriecoandBottalico,1988;Bottalicoetal.,1989）。人和动物在误食污染谷物或者粮食食品后，会对人体和动物体造成一系列危害如厌食、呕吐、腹泻，严重时危害造血系统。由于DON毒素污染多发于常温，分布广泛，每年给各国经济作物带来严重损失，从70年代开始便备受关注。这类毒素也难以化学合成，目前均采用生物合成的方法来制备毒素。

目前国际上现存的合成路线主要是通过生物发酵来合成DON毒素。生物合成是以产毒的禾谷镰刀菌菌株接种于固体或液体培养基，较为精确控制培养条件，找到最适产毒条件并在此条件下培养产毒的方法。原理是通过人工感染谷物或含有禾谷镰刀菌所需营养成分的液体培养基，培养后进行分离纯化出毒素纯品。然而传统提取工艺流程太过繁琐，仅柱层析多达3步甚至更甚，一些报道的方法如水饱和法重复率低下且分离效果差，且在分离过程中所用试剂毒性大。徐剑宏等人采用液体培养，一定程度上解决了培养过程中产生的色素对分离纯化的干扰，但是其纯度仍然偏低。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种单端孢霉烯B族毒素的合成方法，所述的毒素可以作为3Ac-DON和DON毒素对照品，为研究3Ac-DON和DON毒素的毒性、代谢等一系列相关研究提供足够的物质基础，本发明利用尽可能简便的方法来提取获得DON毒素，采用自制大米培养基，提取采用常用有机溶剂并可以重复利用，有效解决传统合成工艺路线长、收率低、成本高、处理繁琐复杂、试剂毒性强、环境污染严重、不易于分离的问题。

本发明通过以下技术方案实现：

本发明利用发酵法生产DON毒素，其中菌种采用禾谷镰刀菌，经菌种复苏、分生孢子液制备、控制培养温度发酵、萃取、一步柱层析和结晶来生物合成3Ac-DON毒素。具体步骤包括如下：

3Ac-DON毒素制备：

（1）菌种复苏：生产菌种为禾谷镰刀菌FusariumgraminearumDSMNo.4528（菌株来源见实施例1），将该菌的菌粉在无菌蒸馏水下室温复水一夜后，接种至马铃薯葡萄糖琼脂培养基（或称复苏培养基PDA，或称PDA培养基），在10-30℃下培养4-10天；

（2）分生孢子液制备：取培养4-10天的马铃薯葡萄糖琼脂培养基，挑取菌丝至分生孢子培养基，在光照强度为1000lux，15-30℃，200rpm摇床培养3-5天；

（3）大米接种培养：将摇床培养3-5天后的分生孢子液，接种到在121℃高压蒸汽下每次灭菌30分钟，每天一次和灭菌两天后的大米产毒培养基中，接种后置于28℃下黑暗培养7-9天；

（4）3Ac-DON毒素的分离纯化：将步骤（3）的大米产毒培养基用甲醇搅拌浸泡，抽滤回收，滤液减压旋转蒸发至水相浑浊残留，水相残留采用氯化钠饱和；乙酸乙酯萃取，将乙酸乙酯相蒸去得棕3Ac-DON粗毒素；用丙酮石油醚洗脱，收集3Ac-DON毒素纯洗脱液，蒸去洗脱液得到白色固体，乙酸乙酯溶解后冷却结晶；

（5）DON毒素的制备：将所得3Ac-DON晶体溶解于甲醇中，向其中逐滴滴加0.5mol/LNaOH，并用TLC监测反应过程，待3Ac-DON完全水解后停止，用1mol/L柠檬酸调至中性；将反应液旋转蒸干，加入少量蒸馏水稀释，用乙酸乙酯萃取3次，DON即在乙酸乙酯层；将蒸干后的DON毒素单一部分采用少量乙酸乙酯溶解，放入4℃冰箱，静置过夜，待白色晶析出，收集放入真空干燥器干燥（干燥条件见实施例）。

本发明的优点在于：

1、本发明采用三步前处理（浸泡、饱和、萃取），一步柱层析即可获得3Ac-DON毒素结晶，相比传统工艺步骤极大简化，且样品处理方法简便，易操作。

2、本发明利用3Ac-DON极性较色素的极性弱，更利于分离的优点，将成功分离得到的3Ac-DON毒素结晶经碱水解得到DON毒素。其方法简单，易操作，转化率在90%以上，得到的DON毒素为白色固体，无色素干扰。

3、与Sigma公司生产的标准品进行比对，本发明所得产物纯度高，能用于各类试验。一步柱层析分离纯化制得的3Ac-DON毒素纯度和由3Ac-DON制备的DON毒素的含量均高达94%以上。

4、本发明所合成采用的试剂和原料为常用低廉低毒，并且一些试剂可以回收重复利用，降低了毒素合成成本。

更详细的技术方案如《具体实施方式》所述。

附图说明

图1：为本发明所合成的3Ac-DON毒素紫外吸收图谱。

图2：为本发明所合成的DON毒素紫外吸收图谱。

图3：为本发明所合成的3Ac-DON毒素的一级质谱图。

图4：为本发明所合成的DON毒素的一级和二级质谱图（ESI[M-H]-)。

图5：为本发明所合成的3Ac-DON毒素核磁氢谱。

图6：为本发明所合成的DON毒素核磁氢谱。

图7：为本发明所采用DON毒素（美国Sigma公司）化学标准品（对照）的标准曲线。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明作进一步说明，但不是对本发明的限制。

实施例1培养基的制备

马铃薯葡萄糖琼脂培养基（或称复苏培养基PDA，或简称为PDA培养基）的制备：将市购的马铃薯用蒸馏水洗净，去皮，用刀切成3厘米长宽小块。取土豆块200g，放入1L烧杯中，加入蒸馏水400mL煮沸10min后，纱布过滤。弃去土豆块，留取滤液，加入葡萄糖20g；琼脂20g；加热溶解后，补蒸馏水至1000mL，在121℃下高压蒸汽灭菌20min，备用，使用前将该灭菌后的培养基在微波炉中加热溶解，在常规的超净工作台上倾倒平皿，冷却后用封口膜封口后备用。

分生孢子悬液培养基（CMC培养基）的制备：称取羧甲基纤维素钠7.5g，磷酸二氢钾0.5g，酵母粉0.5g，硝酸铵0.5g，七水硫酸镁0.25g，加入1L蒸馏水的烧杯中加热溶解后再用蒸馏水补充至1L,然后分装至500mL锥形瓶，每瓶装分生孢子悬液培养基200mL。封口膜扎紧，121℃下高压蒸汽下灭菌20min；备用。

大米产毒培养基的制备：取市售的商品籼米粒100g，筛选干净去除表面灰尘，放入500mL锥形瓶后加水50mL，浸泡过夜后，在121℃高压蒸汽下灭菌每次30分钟，每天一次，共两天。一次性准备大米培养基90瓶左右供应下述试验的应用。

实施例2菌种的复苏和分生孢子液的制备

菌种复苏：取出装有菌种FusariumgraminearumDSMNo.4528（商购自德国DSMZ公司，中国进口代理商为北京中原合聚经贸有限公司）的干粉瓶，将密封的瓶口放置在酒精灯上烧灼2min，用移液枪吸取少量无菌蒸馏水滴在灼烧后的瓶口，灼烧后的瓶口在冷水浸湿下裂开，用无菌镊子打开瓶口，小心取出玻璃碎片。取出盛装有干粉的玻璃套管，用无菌镊子取出菌粉块，放入10mL灭过菌的培养瓶中，加入2-3mL灭菌后的蒸馏水，用封口膜封口，室温静置过夜。将静置过夜复水的菌悬液小心混匀，用移液枪套取灭菌后的枪头小心吸取数滴复水悬液加入到PDA培养基中，用封口膜封口，在28℃下光照（光照强度为1000lux）培育3~5天。

分生孢子液的制备：取培养3-5天后的PDA培养基，在常规的超净工作台中小心取下封口膜，在酒精灯无菌区用接种环缓慢的挑取生长旺盛的菌丝，将培养有DON毒素的培养皿中菌丝放入到灭菌的CMC培养基中，用封口膜封口扎紧，在台式冷冻恒温振荡器中28℃下，200rpm光照（光照强度为1000lux）下摇培3~5天。

实施例3利用产毒培养基培养产毒

将实施例2得到的分生孢子液于台式冷冻恒温振荡器中培养7天后，取摇床培养的CMC分生孢子培养基，在常规的超净工作台中用接种环将分生孢子小心刮下，混匀成悬液，用移液枪套取灭菌后的枪头，在酒精灯无菌区小心吸取2mL分生孢子悬液并将其加入90个分装大米灭菌后的锥形瓶中，用封口膜封口扎紧；接种完成后，将接种后的锥形瓶放置在灭菌后的霉菌培养箱（培养温度设定为28℃，相对湿度设定为50%），避光；每天用手将从霉菌培养箱取出锥形瓶震荡均匀，保证充足的氧气和毒素的分布均匀，促进毒素的产生。

实施例43Ac-DON毒素的分离纯化

将产3Ac-DON毒素大米培养基接种培养9天后，从霉菌培养箱中取出大米培养基，小心将大米培养基在干燥箱中干燥（干燥条件：65℃,24h）过夜。次日将每100g大米培养物用400mL70%甲醇搅拌浸泡过夜，浸提3次，用70%的甲醇浸提液经抽滤回收。滤液收集后，调节旋转蒸发仪的水温至65℃，减压旋转蒸发70%甲醇至水相浑浊残留，收集水相。水相用氯化钠饱和后搅拌均匀，静置过夜，滤去沉淀，收集水相。在2L分液漏斗上将饱和后的水相按水相：有机相按照体积比为2:1的比例用乙酸乙酯萃取，收集乙酸乙酯层，反复萃取水相3次。将萃取后的乙酸乙酯蒸干，得到棕黄色粗毒素。将所得到的棕黄色粗毒素用二氯甲烷复溶，无水硫酸钠干燥，过滤，旋转蒸干，浓缩，准备上样。按样品:硅胶体积比为1:40的比例称取硅胶，用石油醚：丙酮（体积比为4：1）溶解后倒入玻璃层析柱中装柱，加压保证硅胶面结实平坦，待液面快与硅胶柱面平齐时关闭柱底阀门，确保柱中硅胶不与空气接触。用少量二氯甲烷溶解粗毒素，巴氏滴管小心吸取粗毒素溶液沿硅胶柱内侧缓慢加入，并打开阀门。待样品全部进入硅胶柱后，关闭阀门；加入石油醚：丙酮（体积比4：1）500mL，打开阀门；每30mL左右接一管洗脱液并不断在柱顶添加洗脱液。用玻璃毛细管从洗脱液中蘸取少量洗脱液，在薄层层析小板上点样，对照点样3Ac-DON毒素标准品。用三种展开系统，即：石油醚:丙酮（体积比为1:1）、氯仿:无水乙醇（体积比为17:1）、乙酸乙酯:石油醚（体积比为2:1）对照3Ac-DON毒素化学对照品确定是否含有3Ac-DON毒素，收集含有3Ac-DON毒素较纯的洗脱液，含有3Ac-DON毒素且杂质较多的洗脱液并入粗毒素蒸干可以重复过柱。收集3Ac-DON毒素纯洗脱液，打开旋转蒸发仪调节温度至50℃，蒸去洗脱液得到淡黄色固体。用300mL的乙酸乙酯溶解后，过滤去白色细小沉淀。将滤液移入500mL干净的圆底烧瓶。再次蒸干，逐步加入少量石油醚：丙酮（体积比4：1），并加热溶解。待刚刚全部溶解后，将乙酸乙酯液转入4℃冰箱中静置，结晶。将将提取结晶后的滤液滤出，收集结晶，用冷的正己烷荡洗结晶3次，并入所述滤液蒸干后可按前述步骤再次尝试结晶。将荡洗后的3Ac-DON毒素结晶放入真空干燥箱中干燥（干燥条件：真空度-0.1MPa，40℃,24-48h），最后将收集所得固体结晶在常温干燥条件下保存。

实施例5DON毒素的制备

称取3Ac-DON晶体350mg，溶解于10mL甲醇中，向其中逐滴滴加0.5mol/LNaOH，并用TLC监测反应过程，待3Ac-DON完全水解后停止用1mol/L柠檬酸调至中性。将反应液旋转蒸干，加少量蒸馏水稀释，用乙酸乙酯萃取3次，DON即在乙酸乙酯层。将蒸干后的DON毒素单一部分采用少量乙酸乙酯溶解，放入4℃冰箱，静置过夜，待白色晶析出，收集所得结晶放入真空干燥器干燥（干燥条件：真空度-0.1MPa，40℃,24-48h），得到DON毒素纯品。

实施例63Ac-DON毒素的结构确定

UV鉴定：将实施例5获得3Ac-DON毒素样品溶解于甲醇中，以甲醇作为参比溶液，在Agilent8453分光光度计上进行测定。紫外鉴定图谱见图1：无特征吸收峰，219nm处为C=O和C=C的共轭吸收峰。

ESI-MS鉴定：取结晶后的3Ac-DON毒素5mg，放于10mL容量瓶用色谱纯乙腈定容后，按浓度10μg/mL进LC-MSIT-TOF检测，选用阴阳离子全扫描，二级检测离子选用阴离子模式下295.1187。液相条件如下：色谱柱为Cosmosil，5C18-AR-Ⅱ（250mm×4.6mm，5μm）；流动相为甲醇-乙腈-水，10:10:80（v/v/v）；流速为0.2mL/min，色谱柱温度为30℃，进样量10μL。鉴定谱图见图3，在IT-TOF上计算精确阴离子加甲酸根离子精确分子量为383.1348。3Ac-DON毒素结晶在IT-TOF上鉴定出m/z383.1304，与理论值符合。

核磁鉴定：取3Ac-DON毒素结晶5mg，样品用CDCl3溶解，TMS为内标，核磁扫描。核磁图谱见图5，3Ac-DON毒素核磁图谱扫描经与文献报道比对对应一致。

实施例7DON毒素的结构确定和含量检测

UV鉴定：将DON毒素样品溶解于甲醇中，以甲醇作为参比溶液，在Agilent8453分光光度计上进行测定。紫外鉴定图谱见图2：无特征吸收峰，219nm处为C=O和C=C的共轭吸收峰。

ESI-MS鉴定：取结晶后的DON毒素5mg，放于10mL容量瓶用色谱纯乙腈定容后，按浓度10μg/mL进LC-MSIT-TOF检测，选用阴阳离子全扫描，二级检测离子选用阴离子模式下295.1187。液相条件如下：色谱柱为Cosmosil，5C18-AR-Ⅱ（250mm×4.6mm，5μm）；流动相为甲醇-乙腈-水，10:10:80（v/v/v）；流速为0.2mL/min，色谱柱温度为30℃，进样量10μL。谱图见图4。DON毒素分子式为C₁₅H₂₀O₆，在IT-TOF上计算精确阴离子加H模式精确分子量为295.1187，阴离子加甲酸根离子精确分子量是341.1241。DON毒素结晶在IT-TOF上鉴定出m/z295.1041和341.1119，与理论值符合。对应DON毒素的二级质谱碎片离子m/z分别为265.0970，247.0874和229.0772。265.0970是DON毒素阴离子加H模式去6位-CH2-OH，在6位补上一个H后的碎片离子；247.084是在265.0970的基础上掉落3位-OH后在4位掉一个H后，3，4位形成双键结构的碎片离子；229.0772是在前面的基础上掉落7位的-OH后，6位掉落一个H形成的6，7位双键结构。所有碎片离子与理论值完全符合。

核磁鉴定：取DON毒素结晶5mg，样品用氘代三氯甲烷溶解，TMS为内标，核磁扫描。核磁图谱见图6。DON毒素核磁图谱扫描经同文献报道对应一致。

DON毒素的含量测定：通过购得的DON毒素化学对照品的含量，考察了本发明合成DON毒素结晶的含量，色谱条件同纯度测定。准确称取DON毒素化学标准品（DON化学标准品购自美国Sigma公司，纯度≥98%）10mg，用色谱纯乙腈10mL容量瓶定容。分别稀释为5μg/ml、10μg/ml、20μg/ml、40μg/ml、50μg/ml、100μg/ml，进行HPLC检测，每个浓度2个重复。将所测得峰面积与对应添加浓度进行拟合，绘制标准曲线，求出标准曲线回归方程和相关系数。经过化学对照品对应峰面积做出标准曲线如图7，浓度范围浓度范围5μg/ml~100μg/ml。对浓度（X）与相应峰面积（Y）进行回归分析，回归方程为：y=11812x–2677.8，R2=0.9998。

称取5份DON毒素结晶，每份20mg左右，用色谱纯乙腈10mL容量瓶定容。分别用甲醇乙腈水10:10:80（v/v/v）稀释为40μg/ml左右的浓度，以获得良好的线性范围。根据DON毒素结晶的峰面积对照DON毒素化学对照品的线性方程，计算DON毒素结晶的浓度。

对应DON结晶物的峰面积和含量如表1，根据化学对照品的标准曲线拟合的线性方程来计算DON毒素结晶含量。

表1DON毒素结晶对应峰面积和含量

经过测定和计算，由本发明的一步法获得的DON毒素结晶含量为对照DON毒素化学标准品的94.47%（折算纯度含量为92.58%）。

Claims (1)

1.一种三乙酰基脱氧血腐镰刀菌烯醇毒素(3Ac-DON)和脱氧血腐镰刀菌烯醇毒素(DON)的生物合成方法，其特征在于，通过控制温度培养，在产毒高峰期进行萃取和柱层析分离得3Ac-DON毒素，将所得3Ac-DON毒素进一步经碱水解得到DON毒素；

其中：3Ac-DON毒素制备步骤如下所述：

(1)菌种复苏、孢子液制备及大米接种培养

菌种复苏：生产菌种为禾谷镰刀菌FusariumgraminearumDSMNo.4528，将该菌的菌粉在无菌蒸馏水下室温复水一夜后，接种至马铃薯葡萄糖琼脂培养基，在10-30℃下培养4-10天；

分生孢子悬液培养基的制备：

分生孢子悬液培养基，即CMC培养基：称取羧甲基纤维素钠7.5g，磷酸二氢钾0.5g，酵母粉0.5g，硝酸铵0.5g，七水硫酸镁0.25g，加入1L蒸馏水的烧杯中加热溶解后再用蒸馏水补充至1L,

从培养4-10天的马铃薯葡萄糖琼脂培养基挑取菌丝至分生孢子悬液培养基上，在光照强度为1000lux，15-30℃，200rpm摇床培养3-5天；

大米接种培养：

大米产毒培养基的制备：取籼米粒100g，筛选干净去除表面灰尘，放入500mL锥形瓶后加水50mL，浸泡过夜后，在121℃高压蒸汽下灭菌每次30分钟，每天一次，共两天；将摇床培养3-5天后的分生孢子液，接种到大米产毒培养基中，接种后置于28℃黑暗下培养7-9天；

(2)大米培养物3Ac-DON毒素的提取分离，其步骤如下：

固液萃取：向培养后的大米培养基中加入2-3倍体积的甲醇水溶液，并搅拌均匀，浸泡静置3天；

液液萃取：将浸泡3天后的甲醇液抽滤，收集甲醇液，旋转蒸发去除甲醇相，收集蒸去甲醇相后的浑浊水相采用氯化钠饱和过夜，滤去不溶沉淀，将过滤后的水相加入乙酸乙酯萃取，乙酸乙酯萃取液蒸干，收集所得3Ac-DON粗毒素；

柱层析：用少量乙酸乙酯溶解上步粗毒素后上样，用石油醚丙酮洗脱，每隔30mL收集，以DON毒素化学标准品为对照，收集含有3Ac-DON毒素单一染色点部分，旋转蒸干；

结晶：将蒸干后的3Ac-DON毒素单一部分采用少量石油醚丙酮溶解，放入4℃冰箱，静置过夜，待白色晶析出，收集放入真空干燥器干燥，即获得纯度不低于95％的3Ac-DON毒素结晶；

所述的DON毒素制备方法是：将步骤(2)所得的3Ac-DON毒素进行碱水解，其步骤如下：

碱水解：将3Ac-DON晶体溶解于甲醇中，向其中逐滴滴加0.5mol/LNaOH，并用薄层色谱监测反应过程，待3Ac-DON完全水解后停止，用1mol/L柠檬酸调至中性；

结晶：将反应液旋转蒸干，加入少量蒸馏水稀释，用乙酸乙酯萃取3次，DON即在乙酸乙酯层；将蒸干后的DON毒素单一部分采用少量乙酸乙酯溶解，放入4℃冰箱，静置过夜，待白色晶析出，收集放入真空干燥器干燥，干燥条件为真空度-0.1MPa，40℃,24-48h，即获得含量≥92.58％的DON毒素结晶。