CN104372050A - 一种单磷酸阿糖腺苷的制备方法 - Google Patents

一种单磷酸阿糖腺苷的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种单磷酸阿糖腺苷的方法,通过先制备共表达嘌呤核苷磷酸化酶和尿苷磷酸化酶的基因工程菌,再利用该基因工程菌制备单磷酸阿糖腺苷的方法。其特征在于通过分子克隆的方法在基因工程菌中共同表达嘌呤核苷磷酸化酶和尿苷磷酸化酶,获得具有高酶比活的阿糖腺苷生物转化菌,应用本发明得到的菌体生产阿糖腺苷,反应底物浓度可提高到大于100mM,反应转化率超过90%,且反应菌体用量少至0.3%(菌体湿重/反应体积ml),反应时间短至6小时。

Description

一种单磷酸阿糖腺苷的制备方法
技术领域
本发明涉及采用生物法制备一种生物工程菌,再利用生物工程菌制备单磷酸阿糖腺苷的方法,属于生物工程技术领域。
背景技术
阿糖腺苷(adenosine Arabinoside,简称araA)是一种天然抗病毒化合物,具有广谱的抗病毒活性,临床使用的单磷酸阿糖腺苷主要用于治疗慢性乙型肝炎和其它病毒性感染如带状疱疹、单纯疱疹、生殖器疱疹等,此外在手足口病及儿童水痘方面也有一定的疗效。
现有技术中,阿糖腺苷的合成方法包括化学法合成和生物转化法合成。化学法工艺复杂,反应条件苛刻,原料成本高,使用重金属试剂,污染环境。生物转化法的基本原理是阿糖尿苷和磷酸根离子在尿苷磷酸化酶(EC 2.4.2.3)的作用下生成阿糖1-磷酸和相应碱基;阿糖1-磷酸和腺嘌呤在嘌呤核苷磷酸化酶(EC 2.4.2.1)的作用下生成阿糖腺苷和磷酸根离子。
生物转化方法具有反应条件温和,反应步骤简单,不使用有毒有害试剂,不污染环境的等优点。
20世纪90年代起国内已开始尝试利用生物转化合成阿糖腺苷。华东理工大学冯万祥、周兴明用大肠杆菌B23生物转化合成阿糖腺苷,对应腺嘌呤的转化率34%,对应阿糖尿苷的转化率12%,并指出工业化生产需要高酶活性的酶原菌[工业微生物,1994,24(4):11-14]。郭勇莉等人通过优化产气肠杆菌的发酵培养基配方并用胞苷或胞苷酸来诱导菌体的尿苷磷酸酶表达,希望提高菌体发酵得率和酶的比活,30mM阿糖尿苷的底物浓度下需要加入10%的菌体,反应时间6hr[生物技术,2006,16(1):32-35][中国医药工业杂志,2010,41(6):255-258]。魏晓琨、丁庆豹等人通过对产气肠杆菌ATCC13048诱变使其嘌呤核苷磷酸化酶和尿苷磷酸化酶相当于原始菌种分别提高了10倍和20倍,同样30mM阿糖尿苷的底物浓度下需要加入10%的菌体,反应时间6hr[中国专利申请号200710043257.5]。国内2010年刘国生、刑善涛报道从土壤中筛到一株具有高核苷磷酸化酶活性的AEM0812菌株,在约60mM阿糖尿苷和70mM腺嘌呤的底物浓度下加入8%菌体,反应至少50小时,以阿糖尿苷计转化率78%。上述方法都有菌体用量太大这一缺点,底物量低这两个缺点。
发明内容
本发明旨在解决上述问题。
本发明的目的之一是提供用一种高效生产单磷酸阿糖腺苷的方法,将前述基因工程菌应用于生产阿糖腺苷及单磷酸阿糖腺苷的方法。
本发明的目的之二是提供一种共表达嘌呤核苷磷酸化酶和尿苷磷酸化酶的基因工程菌及其制备方法。
发明人认为阿糖腺苷生物转化反应的关键是得到高表达的嘌呤核苷磷酸化酶和尿苷磷酸化酶菌体。
分子克隆技术已发展了三十多年,以大肠杆菌为宿主的相关克隆、表达技术已非常成熟。对一个已明白机理的生物转化反应,如参与的蛋白不多,想要获得多酶高表达的菌株,用分子克隆技术去克隆表达需要的蛋白通常是最直接有效的。本发明即是如此。利用PCR扩增或限制酶克隆或化学合成技术克隆大肠杆菌的尿苷磷酸化酶和嘌呤核苷磷酸化酶,并将他们克隆到能在大肠杆菌中表的目标质粒中相应位点,得到可以共同表达嘌呤核苷磷酸化酶和尿苷磷酸化酶的表达载体,再将此表达载体转入大肠杆菌,即得到所述的基因工程菌。
所述的肠杆菌是DH5α、BL21或Jm109。
所述的目标质粒是下列之一pETDuet-1,pACYCDuet-1,pCDFDuet-1,pRSFDuet-1,pCOLADuet-1。
制备所述的共表达嘌呤核苷磷酸化酶和尿苷磷酸化酶的基因工程菌的方法如下:利用PCR扩增或限制酶克隆或化学合成技术克隆大肠杆菌的尿苷磷酸化酶和嘌呤核苷磷酸化酶,并将他们克隆到能在大肠杆菌中表的目标质粒中相应位点,得到可以共同表达嘌呤核苷磷酸化酶和尿苷磷酸化酶的表达载体,再将此表达载体转入大肠杆菌,即得到所述的基因工程菌。
具体可按如下步骤进行:
(1)根据genebank中公布的大肠杆菌嘌呤核苷磷酸化酶的基因序列和尿苷磷酸化酶的基因序列,分别设计并合成引物;
(2)分别PCR扩增嘌呤核苷磷酸化酶的基因序列和尿苷磷酸化酶的基因序列;
(3)把嘌呤核苷磷酸化酶的基因序列和尿苷磷酸化酶的基因序列克隆到目标质粒中;
(4)把含有嘌呤核苷磷酸化酶基因和尿苷磷酸化酶基因的目标质粒转入大肠杆菌,即得所述基因工程菌。
本发明可以通过以下方式调整了嘌呤核苷磷酸化酶和尿苷磷酸化酶在基因工程菌中的表达比例,达到最优化:表达基因序列的优化;基因转录启动子的优化;核糖体结合位点的优化。嘌呤核苷磷酸化酶和尿苷磷酸化酶最佳的表达比例以蛋白浓度为参照在1∶3到3∶1之间;以酶活为参照最好1∶1,范围从2∶1到1∶2都可以接受。
本发明二酶共表达的基因工程菌表达的嘌呤核苷磷酸化酶和尿苷磷酸化酶可以是细胞内表达,也可以通过在目标质粒中插入信号肽使之细胞周质表达。胞内表达的菌体可以不处理直接投料用于阿糖腺苷的生产,或可以通过纯化后用于阿糖腺苷的生产;周质表达的菌体也可以直接于阿糖腺苷的生产,或通过简单的渗透压变化提取的方法得到含嘌呤核苷磷酸化酶和尿苷磷酸化酶混合纯酶液,其中这两种蛋白占总蛋白的含量80%以上,纯度达90%以上为最佳。
所述的共表达嘌呤核苷磷酸化酶和尿苷磷酸化酶的基因工程菌应用于生产阿糖腺苷,可做如下优化:
(1)反应需要底物阿糖尿苷,底物腺嘌呤;两者浓度可以是5mM-300mM;;浓度之比可以从3∶1到1∶3不等;
(2)反应需要磷酸根离子参与,其浓度与嘌呤核苷磷酸化酶和尿苷磷化酶的反应速度相关。根据菌体表达的嘌呤核苷磷酸化酶和尿苷磷化酶的蛋白比例,通过调整磷酸根浓度可协调生物反应过程的这两个酶的反应速度,不使任意一个酶的反应速度过低而成为整个反应速度的限制瓶颈。磷酸根浓度可以在5mM-600mM之间;
(3)反应pH控制应综合考虑酶活最适pH、酶稳定pH、产物得率最大pH。通常选在pH6.0-10.0之间;
(4)本发明中的二酶共表达的基工程菌体或其纯化酶液都可用于阿糖腺苷的生产反应。菌体直接使用方式的用量为0.1-10%(菌体湿重/反应体积);纯化酶液方式的用量为与0.1-10%菌体(菌体湿重/反应体积)酶活力相当的酶液量;
(5)反应温度的选择要考虑到酶的最大反应速度、酶的稳定性和底物的溶解度。其范围在25℃-80℃。
所述的共表达嘌呤核苷磷酸化酶和尿苷磷酸化酶的基因工程菌应用于生产阿糖腺苷,具体操作步骤:
(1)将所述的共表达嘌呤核苷磷酸化酶和尿苷磷酸化酶的基因工程菌在LB液体中培养至OD600nm=0.4-0.8时,加入终浓度为0.4-1mM的IPTG进行诱导表达3-5小时产生和积累嘌呤核苷磷酸化酶和尿苷磷酸化酶,离心取菌体;
(2)在磷酸钠溶液PH6.0-9.0、浓度5mM-600mM,阿糖尿苷和腺嘌呤的浓度为5-300mM,反应温度30℃-80℃,菌体用量0.1-10%(菌体湿重g/溶液体积ml)的条件下,反应时间1-24小时,分离纯化后即得到阿糖腺苷。
本发明还提供一种制备单磷酸阿糖腺苷的方法,应该用本发明得到的阿糖腺苷经惰性气体保护在缚酸剂、催化剂的作用下经磷酸化后,处理即得单磷酸阿糖腺苷。
本发明提到的上述特征,或实施例提到的特征可以任意组合。本案说明书所揭示的所有特征可与任何组合物形式并用,说明书中所揭示的各个特征,可以任何可提供相同、均等或相似目的的替代性特征取代。因此除有特别说明,所揭示的特征仅为均等或相似特征的一般性例子。
下面结合具体实施例,进一步阐述本发明。应理解,这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。下列实施例中未注明具体条件的实验方法,通常按照常规条件或按照制造厂商所建议的条件。
除非另行定义,文中所使用的所有专业与科学用语与本领域熟练人员所熟悉的意义相同。此外,任何与所记载内容相似或均等的方法及材料皆可应用于本发明方法中。文中所述的较佳实施方法与材料仅作示范之用。
附图说明
图1:为实例1中构建的含有嘌呤核苷磷酸化酶基因的表达质粒图谱,deoD为大肠杆菌嘌呤核苷磷酸化酶基因。
图2:为实例1中构建的含有嘌呤核苷磷酸化酶基因和尿苷磷酸化酶基因的共表达质粒图谱,deoD为大肠杆菌嘌呤核苷磷酸化酶基因,udp为大肠杆菌尿苷磷酸化酶基因。
实施例
实施例1
嘌呤核苷磷酸化酶和尿苷磷酸化酶共表达的大肠杆菌菌种构建。
(1)根据genebank中公布的序列设计引物
大肠杆菌嘌呤核苷磷酸化酶基因引物设计
引物(A):5′-CCCATGGCTACCCCACACATTAATGCAG-3′
引物(B):5′-CCAAGCTTGGTTACTCTTTATCGCCCAGCAGAAC-3′
大肠杆菌尿苷磷酸化酶基因引物设计
引物(C):5′-CGCCATATGTCCAAGTCTGATGTTTTTC-3′
引物(D):5′-CCGCTCGAGTTACAGCAGACGACGCGCCG-3′
(2)PCR扩增基因
PCR反应模板为大肠杆菌DH5α基因组DNA
PCR反应体系(30μl):
PCR反应条件:
PCR产物纯化采用《天根PCR产物回收试剂盒》回收。
(3)表达质粒的构建
用NcoI和HindIII分别双酶切质粒pETDuet-1和嘌呤核苷磷酸化酶基因扩增产物,酶切产物用《天根琼脂糖胶DNA回收试剂盒》回收,然后采用T4DNA连接酶在4℃进行间接反应16hr;连接后的反应产物转化宿主菌E.coli JM109感受态细胞,挑选阳性克隆,在LB培养基中37℃过夜培养后提取小量质粒进行酶切和电泳验证,得到含有嘌呤核苷磷酸化酶基因的表达质粒;用NdeI和XhoI分别双酶切含有嘌呤核苷磷酸化酶基因的表达质粒和尿苷磷酸化酶基因扩增产物,酶切产物用《天根琼脂糖胶DNA回收试剂盒》回收,然后采用T4DNA连接酶在4℃进行间接反应16hr;连接后的反应产物转化宿主菌E.coli JM109感受态细胞,挑选阳性克隆,在LB培养基中37℃过夜培养后提取小量质粒进行酶切合电泳验证,得到含有嘌呤核苷磷酸化酶基因和尿苷磷酸化酶基因的表达质粒。
(4)表达菌种的构建
把含有嘌呤核苷磷酸化酶基因和尿苷磷酸化酶基因的表达质粒转化JM109DE3感受态细胞,挑选阳性克隆,菌株命名UP-I。
实施例2
UP-I的摇瓶发酵
培养条件:挑取单克隆菌株UP-I接种到含氨苄青霉素(100微克/毫升)的50ml LB液体培养基,37℃,220rpm。当OD600达到0.6时加入IPTG(终浓度为0.5mM)诱导,诱导后继续培养4小时,离心收集得菌体0.3g,-20℃保存。
实施例3
用实施例2得到的菌体进行生物转化反应
30mM磷酸钾缓冲液PH7.4100ml中含有100mM阿糖尿苷,100mM腺嘌呤,加入实施例1中发酵得到的菌体0.3g,50℃振荡反应6小时后,结晶纯化后得到阿糖腺苷2.48克。摩尔得率为92.8%。
实施例4
采用实施例1-3的方法制备阿糖腺苷约200g,取其中的60g,加二氯甲烷120ml,通氮气保护,滴加N,N-二异丙基乙胺(DIEA)60ml,加入4-二甲氨基吡啶(DMAP)2.5g,冷却降温至0℃至10℃,缓慢滴加三氯氧磷122.8g(0.8mol),滴加完毕后-5℃-0℃保温反应2h,反应结束,滤过,即得单磷酸阿糖腺苷。

Claims (6)

1.一种单磷酸阿糖腺苷的制备方法,其特征在于先制备共表达嘌呤核苷磷酸化酶和尿苷磷酸化酶的基因工程菌,再利用此工程菌制备单磷酸阿糖腺苷。
2.一种如权利要求1所述的共表达嘌呤核苷磷酸化酶和尿苷磷酸化酶的基因工程菌,其特征在于:
(1)基因工程菌株可以是大肠杆菌DH5α、BL21、Jm109;
(2)菌株细胞内含有一种表达质粒,所述的表达质粒是下列之一:pETDuet-1,pACYCDuet-1,pCDFDuet-1,pRSFDuet-1,pCOLADuet-1;
(3)在表达质粒上克隆了嘌呤核苷磷酸化酶基因和尿苷磷酸化酶基因,形成共表达体系;
(4)嘌呤核苷磷酸化酶基因可以是酶EC2.4.2.1中的任意一个基因;尿苷磷酸化酶基因可以是酶EC2.4.2.3中的任意一个基因;
(5)根据菌株细胞内含有表达质粒的不同,菌株具有下列之一的抗性:氨苄青霉素抗性,氯霉素抗性,链霉素抗性,卡那霉素抗性;
(6)此菌体在发酵过程中,通过加入诱导剂可诱导菌体大量合成嘌呤核苷磷酸化酶和尿苷磷酸化酶,所说的诱导剂可以是IPTG或乳糖等。
3.制备如权利1所述的共表达嘌呤核苷磷酸化酶和尿苷磷酸化酶的基因工程菌的方法如下:利用PCR扩增或限制酶克隆或化学合成技术克隆大肠杆菌的尿苷磷酸化酶和嘌呤核苷磷酸化酶,并将这两种酶克隆到大肠杆菌的表达质粒中相应位点,得到可以共同表达嘌呤核苷磷酸化酶和尿苷磷酸化酶的表达载体,再将此表达载体转入大肠杆菌,即得到所述的基因工程菌。
4.如权利要求3所述的共表达嘌呤核苷磷酸化酶和尿苷磷酸化酶基因工程菌的制备方法,其特征在于所述的方法按如下步骤进行:
(1)根据genebank中公布的大肠杆菌嘌呤核苷磷酸化酶的基因序列和尿苷磷酸化酶的基因序列,分别设计并合成引物;
(2)分别PCR扩增嘌呤核苷磷酸化酶的基因序列和尿苷磷酸化酶的基因序列;
(3)把嘌呤核苷磷酸化酶的基因序列和尿苷磷酸化酶的基因序列克隆到表达质粒中;
(4)把含有嘌呤核苷磷酸化酶基因和尿苷磷酸化酶基因的表达质粒转入大肠杆菌,即得所述基因工程菌。
5.如权利1-4任一项所述的共表达嘌呤核苷磷酸化酶和尿苷磷酸化酶的基因工程菌应用于生产单磷酸阿糖腺苷。
6.如权利5所述的共表达嘌呤核苷磷酸化酶和尿苷磷酸化酶的基因工程菌在生产单磷酸阿糖腺苷中应用,其特征在于,具体操作步骤:
(1)将所述的共表达嘌呤核苷磷酸化酶和尿苷磷酸化酶的基因工程菌在LB液体中培养至OD600nm=0.4-0.8时,加入终浓度为0.4-1mM的IPTG进行诱导表达3-5小时产生和积累嘌呤核苷磷酸化酶和尿苷磷酸化酶,离心取菌体;
(2)在磷酸钠溶液pH6.0-9.0、浓度5mM-600mM,阿糖尿苷和腺嘌呤的浓度为5-300mM,反应温度30℃-80℃,菌体用量0.1-10%(菌体湿重g/溶液体积m1)的条件下,反应时间1-24小时,分离纯化后即得到阿糖腺苷;
(3)将得到的阿糖腺苷经惰性气体保护在缚酸剂、催化剂的作用下经磷酸化后,处理即得单磷酸阿糖腺苷。
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