CN104263791A - 一种酶法制备11a,17a-二羟基-孕甾-1,4-二烯-3,20-二酮的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种酶法制备 11A,17A- 二羟基 - 孕甾 -1,4- 二烯 -3,20- 二酮的方法,将底物 11A,17A- 二羟基 - 孕甾 -1- 烯 -3,20- 二酮、 3- 甾酮 -1- 脱氢酶、甲萘醌、助溶剂加入到 pH8~11 的水相缓冲溶液中,在温度 30~50 ℃下,搅拌反应,得到 11A,17A- 二羟基 - 孕甾 -1,4- 二烯 -3,20- 二酮;其中,在起始反应体系中,底物的浓度为 5~10g/l ; 3- 甾酮 -1- 脱氢酶的投料量是底物质量的 0.5~4 倍,助溶剂为选自二甲基亚砜、聚乙二醇 -400 及吐温 -60 中的一种或多种的组合。本发明反应的底物浓度可达 10g/L ,在 3 小时内转化率最高可达 99% ,产品收率高,质量好,适合工业化生产。
Description
技术领域
本发明属于生物制药和生物化工技术领域,具体涉及一种酶法制备11A,17A-二羟基-孕甾-1,4-二烯-3,20-二酮的方法。
背景技术
由化合物1:11A-羟基孕甾-1,4-二烯-3-酮,其结构式为尤其是17位羟基α取代和20位有羰基的11A,17A-二羟基-孕甾-1,4-二烯-3,20-二酮(R1为羟基,R2为乙酰基,R3为羟基)为中间体可以制备得到多种具有良好消炎作用的甾体化合物,如泼尼松龙(商品名Donison)和地塞米松(Dexamethasone)等,这些药物在临床中有广泛和大量的应用。
由于目前植物甾醇已经逐渐替代了薯蓣皂素作为甾体生产的主要原料,因此利用发酵法和化学法由甾醇来源的4-雄烯二酮(4AD)为起始物制备化合物1(R1为羟基,R2为乙酰基,R3为羟基)的路线已有公开,具体为化合物2生成化合物1,化合物2的结构式为其中R1为羟基,R2为乙酰基,R3为羟基。化学合成法由于污染较大,已经逐渐被生物法取代,如中国专利CN102206696A和CN101760495A等均报道了利用节杆菌属(Arthrobacter sp.)的微生物发酵和整细胞转化制备产物。这些方法涉及到发酵、转化和提取等复杂过程,底物浓度约为20g/L,需要时间大于60小时,时空转化率低于0.3g/(L*h),且转化率和收率都较低(<90%),给产物的分离带来较大的困难。
野生菌株目标酶含量低的缺陷,可以利用重组基因技术加以克服。文献J.Biochem.117,1043-1049(1995)及Lett.Appl.Microbiol.44(2007)563-568报道了从简单节杆菌(Arthrobacter simplex)中得到了一段编码3-甾酮-1-脱氢酶(KSDH),可以催化由化合物2到化合物1的类似反应:4AD体外生物转化为雄二烯二酮(ADD),但是其底物浓度为100nm,不能转化完全,带来了分离困难,难以工业化应用。中国专利CN201110024534.4同样公开了利用来自分歧杆菌(Mycobacterium)中的3-羰基甾体脱氢酶催化从4AD至ADD的反应。但是,以上利用分离得到的酶催化的反应均不能转化化合物1中的R1基团为羟基的底物,而且即使在进行4AD转化时也存在底物浓度低、反应效率低等问题。通常在甾体转化领域中,酶由于底物特异性较强无法对相似的底物进行转化(Current Organic Chemistry,2012,16,2551-2582,Applied Microbiology Biotechnology,2012,96,133-142,Journalof Biochemistry,1995,117,1043-1049,Molecular Microbiology,1995,15,895-905,CN 102168099A等)。发明人通过实验惊奇地发现,利用某些特定的KSDH除了可以进行文献中报道的4AD转化为ADD的反应外,还能够进行由化合物2转化为化合物1(R1为羟基,R2为乙酰基,R3为羟基),而且比4AD转化为ADD的反应表现出更高的反应效率(约4倍)。为了更有效的进行该转化反应,发明人对该反应的电子受体进行了改进。虽然根据序列分析,KSDH含有NAD结合域,但是发明人发现常用于植物光合作用中作为电子受体甲萘醌作为该反应的电子受体的效果要明显优于常见的辅酶NAD及NADP。对于微生物甾体转化反应中常用的矿物油助溶剂,发明人发现替换为PEG等其他种类的助溶剂效果更佳。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足,提供一种利用分离的酶制备11A,17A-二羟基-孕甾-1,4-二烯-3,20-二酮的方法。
为解决以上技术问题,本发明采取如下技术方案:
一种酶法制备11A,17A-二羟基-孕甾-1,4-二烯-3,20-二酮的方法,其是将底物11A,17A-二羟基-孕甾-1-烯-3,20-二酮、3-甾酮-1-脱氢酶、甲萘醌、助溶剂加入到pH 6.5~11的水相缓冲溶液中,在温度15℃~50℃下,搅拌反应生成所述的11A,17A-二羟基-孕甾-1,4-二烯-3,20-二酮,反应时间为3~24小时,转化率为10~99%,其中,
在起始反应体系中,底物的浓度为5~10g/l;
所述的3-甾酮-1-脱氢酶的投料质量是所述底物质量的0.5~4倍;
所述的助溶剂为选自二甲基亚砜、聚乙二醇-400及吐温-60中的一种或多种的组合,助溶剂的投料体积为反应体系总体积的2%~50%。
本发明底物的结构式为;
本发明的产物11A,17A-二羟基-孕甾-1,4-二烯-3,20-二酮的结构式为:
优选地,所述甲萘醌与所述的底物的投料质量比为1:1~10。
根据一个具体和优选方面:所述的助溶剂为二甲基亚砜,其投料体积为反应体系总体积的9%~11%。
根据又一具体和优选方面:所述的溶剂为聚乙二醇-400,其投料体积为反应体系总体积的10%~50%。
根据又一具体和优选方面:所述的溶剂为吐温-60,其投料体积为反应体系总体积的2.5%~10%。
优选地,所述的水相缓冲溶液为磷酸盐缓冲溶液或三羟甲基氨基甲烷-盐酸缓冲溶液。
优选地,所述的水相缓冲溶液的pH为8~9.5。
优选地,使所述反应在温度30℃~45℃下进行。
优选地,所述的3-甾酮-1-脱氢酶为为重组蛋白,来源于微生物。例如来源于简单节杆菌(Arthrobacter simplex IFO12069)中的KSDH,及与其基因和蛋白序列较为相似的酶。
根据本发明,3-甾酮-1-脱氢酶可以商购获得,或者根据文献J.Biochem.117,1043-1049及文献Lett.Appl.Microbiol.44(2007)563-568来合成对应的KSDH基因片段,再结合常规制备方法来获得相应的KSDH酶粉。一个具体的制备过程为:将KSDH基因片段与pET28a或pET30a等表达质粒的酶切产物连接,转入感受态E.coli BL21(DE3)菌株,筛选得到阳性克隆子,接种到含有抗性的液体LB培养基中,于35~40℃培养至OD600至0.7~0.9,加入诱导剂IPTG,继续培养15~17小时,离心收集沉淀,加入磷酸盐缓冲液悬浮,冰水浴中超声波破碎9~11分钟,离心取上清,冻干即得所述的3-甾酮-1-脱氢酶。
由于以上技术方案的实施,本发明与已有技术相比具有如下优势:
本发明采用3-甾酮-1-脱氢酶来催化合成目标产物,为首次用分离酶对该产物进行合成,且对反应条件进行了综合设计,特别是特定电子受体和助溶剂的采用,使得反应的底物浓度可高达10g/L,3小时内转化率最高可达99%,产品收率高,质量好,适合工业化生产。
附图说明
附图1为实施例2中的HPLC/MS谱图,其中保留时间为2.402分钟的是产物,2.924分钟的是底物;
附图2为实施例3中的转化率随温度的变化图;
附图3为实施例4中的转化率随pH的变化图;
附图4为实施例8中的HPLC/MS谱图,其中保留时间为2.393分钟的是产物,2.914分钟为底物;
附图5为本发明的反应方程式。
具体实施方式
实施例1(KSDH的制备):
采用常规方法制备获得了KSDH酶粉:将文献J.Biochem.117,1043-1049及文献Lett.Appl.Microbiol.44(2007)563-568中所述的来源于简单节杆菌(Arthrobacter simplex IFO12069)的KSDH基因片段(由苏州金唯智生物科技有限公司合成),与pET30a质粒的酶切产物连接,转入感受态E.coli BL21(DE3)菌株,筛选得到阳性克隆子,接种到含有抗性的液体LB培养基中,于37℃培养至OD600至0.8,加入诱导剂IPTG,继续培养16小时,离心收集沉淀,加入磷酸盐缓冲液悬浮,冰水浴中超声波破碎10分钟,离心取上清,冻干得到KSDH酶粉。
实施例2(KSDH催化反应验证):
底物10mg与KSDH酶粉40mg加入至2ml pH 7.0的磷酸盐缓冲液中,30℃搅拌反应20小时,HPLC/MS检测转化率为16.5%(如图1所示)。
实施例3(温度优化):
底物20mg与KSDH酶粉20mg加入至2ml pH 7.0的磷酸盐缓冲液中,不同温度搅拌反应,HPLC/MS检测转化率如图2所示。
实施例4(pH优化):
底物20mg与KSDH酶粉20mg加入至2ml不同pH的缓冲液中,40℃搅拌反应,HPLC/MS检测转化率如图3所示。
实施例5(助溶剂选择):
底物20mg,KSDH酶粉20mg以及不同助溶剂200微升加入至2ml pH9.0的Tris-HCl缓冲液中,40℃搅拌反应,HPLC/MS检测转化率,结果如表1所示。
表1
助溶剂 | 48小时转化率 |
吐温-60 | 53.1% |
曲拉通-X100 | 35.1% |
乙腈 | 4.9% |
乙酸丁酯 | 34.4% |
甲苯 | 35.1% |
二甲基亚砜 | 59.1% |
叔丁醇 | 34.8% |
甲基叔丁基醚 | 52.6% |
二氧六环 | 18.3% |
四氢呋喃 | 17.0% |
乙二醇 | 45.8% |
N-甲基吡咯烷酮 | 44.0% |
聚乙二醇 | 58.5% |
叔戊醇 | 20.7% |
异辛烷 | 40.5% |
对照 | 30.4% |
实施例6(助溶剂对比选择):
由于传统的甾体体内转化工艺中常采用矿物油或植物油作为助溶剂,在本反应中将不同浓度的PEG-400与常见植物油进行了对比。
底物20mg,KSDH酶粉20mg以及不同助溶剂加入pH 9.0的三羟甲基氨基甲烷-盐酸缓冲溶液(Tris-HCl缓冲溶液)中至最终体积为2ml,40℃搅拌反应,HPLC/MS检测转化率,结果如表2所示。
表2
助溶剂 | 48小时转化率 |
10%PEG-400 | 45.2% |
50%PEG-400 | 47.7% |
10%吐温-60 | 42.9% |
2.5%吐温-60 | 42.4% |
10%葵花子油 | 26.5% |
50%葵花子油 | 33.7% |
空白 | 21.8% |
其中,10%、50%等均为体积百分比。
实施例7(电子受体选择):
常用的甾体脱氢酶电子受体为NAD和硫酸吩嗪甲酯(Phenazinemethosulfate),在此项优化中,我们发现另一种电子受体甲萘醌(Menadionel)具有显著的优势。
底物20mg,KSDH酶粉10mg,不同量的电子受体,葵花子油0.6ml,加入pH 9.0的Tris-HCl缓冲液中至最终体积为2ml,40℃搅拌反应,HPLC/MS检测转化率,结果如表3所示。
表3
电子受体 | 空白对照 | NAD | NAD | 硫酸吩嗪甲酯 | 硫酸吩嗪甲酯 | 甲萘醌 | 甲萘醌 |
添加量 | 0 | 10mg | 20mg | 2mg | 18mg | 2mg | 10mg |
22h转化率 | 30.2% | 22.1% | 20.5% | 59.3% | 31.8% | 74.8% | 74.6% |
实施例8(克级制备反应):
反应方程式参见图5。
反应具体过程如下:底物2g,KSDH酶粉1g,甲萘醌2g,吐温-605ml,加入pH 9.0的Tris-HCl缓冲液中至最终体积为200ml,40℃搅拌反应3小时,HPLC/MS检测转化率为99.0%(如图4所示),反应完毕后,以硅藻土过滤,收集滤饼。滤饼以50mL甲醇洗涤8次,过滤,收集滤液,45℃条件下减压蒸馏(≤-0.09MPa)有机相至干燥,得白色固体。将上述固体以适量去离子水洗涤3次,过滤,收集滤饼,得白色固体,室温下溶于丙酮中,滴加适量去离子水,搅拌过夜,析出白色固体,过滤,滤液待用。将上述滤液旋蒸至干后,二次重结晶,条件同第一次重结晶,得到固体置于真空干燥箱中,50℃条件下干燥24h。收率:90%;纯度:99.7%。
实施例9
底物2g,KSDH酶粉1g,甲萘醌2g,PEG-40020ml,加入pH 9.0的Tris-HCl缓冲液中至最终体积为200ml,40℃搅拌反应3小时,HPLC/MS检测转化率为99.0%(如图4所示),后处理条件同实施例8,收率:91%;纯度:99.1%。
对比例1:
4AD 2g,KSDH酶粉1g,甲萘醌2g,吐温-605ml,加入pH 9.0的Tris-HCl缓冲液中至最终体积为200ml,40℃搅拌反应3小时,HPLC/MS检测转化率为25.9%。
对比例2:
4AD 2g,KSDH酶粉1g,甲萘醌2g,PEG-400100ml,加入pH 9.0的Tris-HCl缓冲液中至最终体积为200ml,40℃搅拌反应20小时,HPLC/MS检测转化率为52.2%。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点,其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施,并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰,都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1. 一种酶法制备11A,17A-二羟基-孕甾-1,4-二烯-3,20-二酮的方法,其特征在于:将底物11A,17A-二羟基-孕甾-1-烯-3,20-二酮、3-甾酮-1-脱氢酶、甲萘醌、助溶剂加入到pH 6.5~11的水相缓冲溶液中,在温度15℃~50℃下,搅拌反应生成所述的11A,17A-二羟基-孕甾-1,4-二烯-3,20-二酮,反应时间为3~24小时,转化率为10~99%,其中,
在起始反应体系中,所述底物的浓度为5~10g/l;
所述的3-甾酮-1-脱氢酶的投料质量是所述底物质量的0.5~4倍;
所述的助溶剂为选自二甲基亚砜、聚乙二醇-400及吐温-60中的一种或多种的组合,助溶剂的投料体积为反应体系总体积的2%~50%。
2. 根据权利要求1所述的酶法制备11A,17A-二羟基-孕甾-1,4-二烯-3,20-二酮的方法,其特征在于:所述甲萘醌与所述的底物的投料质量比为1:1~10。
3. 根据权利要求1所述的酶法制备11A,17A-二羟基-孕甾-1,4-二烯-3,20-二酮的方法,其特征在于:所述的助溶剂为二甲基亚砜,其投料体积为反应体系总体积的9%~11%。
4. 根据权利要求1所述的酶法制备11A,17A-二羟基-孕甾-1,4-二烯-3,20-二酮的方法,其特征在于:所述的溶剂为聚乙二醇-400,其投料体积为反应体系总体积的10%~50%。
5. 根据权利要求1所述的酶法制备11A,17A-二羟基-孕甾-1,4-二烯-3,20-二酮的方法,其特征在于:所述的溶剂为吐温-60,其投料体积为反应体系总体积的2.5%~10%。
6. 根据权利要求1所述的酶法制备11A,17A-二羟基-孕甾-1,4-二烯-3,20-二酮的方法,其特征在于:所述的水相缓冲溶液为磷酸盐缓冲溶液或三羟甲基氨基甲烷-盐酸缓冲溶液。
7. 根据权利要求1或6所述的酶法制备11A,17A-二羟基-孕甾-1,4-二烯-3,20-二酮的方法,其特征在于:所述的水相缓冲溶液的pH为8~9.5。
8. 根据权利要求1所述的酶法制备11A,17A-二羟基-孕甾-1,4-二烯-3,20-二酮的方法,其特征在于:使所述反应在温度30℃~45℃下进行。
9. 根据权利要求1所述的酶法制备11A,17A-二羟基-孕甾-1,4-二烯-3,20-二酮的方法,其特征在于:采用HPLC/MS监测反应进程,当检测转化率为大于等于99%时,结束反应,以硅藻土过滤,收集滤饼,滤饼用甲醇洗涤,过滤,收集滤液,40℃~45℃条件下减压蒸馏有机相至干燥,得白色固体,将所述白色固体用去离子水洗涤,过滤,收集滤饼,室温下溶于丙酮中,滴加去离子水,搅拌,析出白色固体,过滤,干燥即得所述11A,17A-二羟基-孕甾-1,4-二烯-3,20-二酮。
10. 根据权利要求1所述的酶法制备11A,17A-二羟基-孕甾-1,4-二烯-3,20-二酮的方法,其特征在于:所述的3-甾酮-1-脱氢酶为重组蛋白,来源于微生物。
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