CN104561194A - 一种n-乙酰神经氨酸醛缩酶在催化合成n-乙酰神经氨酸中的应用 - 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-乙酰神经氨酸醛缩酶在催化合成N-乙酰神经氨酸中的应用。即以氨基酸序列如SEQ?ID?NO:2所示的N-乙酰神经氨酸醛缩酶为催化剂,以N-乙酰甘露糖胺和丙酮酸为底物,制备N-乙酰神经氨酸。本发明首次将氨基酸序列如SEQ?ID?NO:2所示的N-乙酰神经氨酸醛缩酶应用于N-乙酰神经氨酸制备中,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-乙酰神经氨酸醛缩酶(N-acetylneuraminic acid lyase,Nal)的应用,尤其涉及一种来自谷氨酸棒杆菌Corynebacterium glutamicum ATCC13032中的Nal在以N-乙酰甘露糖胺(N-acetyl-D-mannosamine,ManNAc)以及丙酮酸为底物生产N-乙酰神经氨酸(N-acetylneuraminic acid,Neu5Ac)中的应用。
背景技术
N-乙酰神经氨酸(N-acetyl-D-neuraminic acid,Neu5Ac)是一种重要的奶粉添加剂,可以提高婴幼儿的免疫力[1],同时又可以作为抗A、B型流感病毒药物合成前体[2]。以ManNAc和丙酮酸为底物经Nal催化合成Neu5Ac是目前最主要的合成Neu5Ac的途径。Nal已经被运用到Neu5Ac的工业合成中[3-5],Nal催化ManNAc和丙酮酸合成Neu5Ac是一个可逆的反应。Nal在自然界的分布非常广泛,在细菌和哺乳动物中都有发现[6]。许多病原菌入侵人体后利用Nal来分解人体的Neu5Ac作为自身的碳源和氮源[6],因此目前从病原菌中报道了大量的Nal。除了病原菌来源的Nal外,也有从食品安全(generally regarded as safe,GRAS)的菌株中发现的Nal。比如Lactobacillus plantarum WCFS1[7]和Taphylococcus carnosus TM300[8]。由于底物丙酮酸价格低廉[9]、温度稳定性高[10],Nal已经被广泛运用在了Neu5Ac的合成中。但是目前所有的Nal都有一个共同的缺陷:在催化合成Neu5Ac的可逆反应中,Nal更倾向于分解Neu5Ac[7,8,11-14]。
为获得高活性的Nal并解决Nal的化学平衡偏向于分解Neu5Ac的问题,本专利从食品安全的菌株Corynebacterium glutamicum ATCC13032[15]克隆并表达了N-乙酰神经氨酸醛缩酶(CgNal)。其是Nal的一种,包含312个氨基酸,其在Genbank中的收录号为NP_601846,其氨基酸序列如SEQ ID NO:2所示。编码该蛋白的基因含有939bp碱基,其在Genbank中的收录号为NC_003450.3,其基因序列如SEQ ID NO:1所示。至今未发现CgNal用于Neu5Ac合成的报道。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种N-乙酰神经氨酸醛缩酶(Nal)在催化N-乙酰甘露糖胺(ManNAc)和丙酮酸合成N-乙酰神经氨酸(Neu5Ac)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-乙酰神经氨酸醛缩酶(Nal)在催化N-乙酰甘露糖胺(ManNAc)与丙酮酸合成N-乙酰神经氨酸(Neu5Ac)反应中的应用。
具体的方法是,以氨基酸序列如SEQ ID NO:2所示的N-乙酰神经氨酸醛缩酶为催化剂,以N-乙酰甘露糖胺与丙酮酸为底物,合成N-乙酰神经氨酸。
更具体的方法是,表达含有如SEQ ID NO:1所示的基因序列的重组菌,破碎后的粗N-乙酰神经氨酸醛缩酶或进一步经镍柱纯化后得到的纯N-乙酰神经氨酸醛缩酶与N-乙酰甘露糖胺和丙酮酸在缓冲液中反应得到N-乙酰神经氨酸。
其中,所述的含有如SEQ ID NO:1所示的基因序列的重组菌按如下方法构建得到:以Corynebacterium glutamicum ATCC13032基因组为模板扩增出N-乙酰神经氨酸醛缩酶Nal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,表达含有如SEQ ID NO:1所示的基因序列的重组菌的方法是:培养重组菌至OD600=04-0.8时添加终浓度0.2-1.0mmol·L-1IPTG,在15-37℃、150-220rpm条件下诱导4-12h。优选的方法是:培养重组菌至OD600为0.6时添加终浓度0.2mmol·L-1IPTG,在30℃、220rpm条件下诱导10h。
其中,镍柱纯化条件为:20mmol·L-1咪唑溶液洗脱杂蛋白,500mmol·L-1咪唑溶液洗脱纯酶。
其中,N-乙酰神经氨酸醛缩酶与N-乙酰葡萄糖胺和丙酮酸的反应用量为:0.36~300U·mL-1粗酶或纯酶与100~1000mmol·L-1N-乙酰甘露糖胺及100~2000mmol·L-1丙酮酸进行反应。
其中,所述的缓冲液为20-200mmol·L-1pH7~8.8的Tris-HCl缓冲液或20-200mmol·L-1pH9.0~9.5的甘氨酸-NaOH缓冲液,优选pH7~8.5Tris-HCl缓冲液,最优选pH7.5Tris-HCl缓冲液或pH8.5的Tris-HCl缓冲液。
其中,在缓冲液中的反应条件为:温度25~60℃,反应时间0.1~12h;优选温度35~45℃,反应时间0.15~0.5h;最优选:温度40℃,反应时间0.15~0.5h。
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谷氨酸棒状杆菌ATCC13032克隆N-乙酰神经氨酸醛缩酶的基因,在大肠杆菌中表达后发现其能催化ManNAc和pyruvate生产Neu5Ac。
有益效果:本发明首次将氨基酸序列如SEQ ID NO:2所示的N-乙酰神经氨酸醛缩酶应用于催化ManNAc和pyruvate合成Neu5Ac中,取得很好的效果,其酶活高达 12U/mg,由于这个反应是个可逆反应,相对于其它来源的醛缩酶而言,该醛缩酶的化学平衡更偏向于N-乙酰神经氨酸即唾液酸合成方向,同时酶的表达效果很好,没有形成包涵体,可溶性酶表达量很大,是来源于大肠杆菌的醛缩酶基因的表达量的5倍,同时谷氨酸棒杆菌是一个食品级安全的菌。
附图说明
图1为N-乙酰神经氨酸醛缩酶基因的构建图。
图2为CgNal(来自于谷棒ATCC13032)和EcNal(来自于大肠杆菌)表达后蛋白电泳图。其中,1为CgNal粗酶,2为CgNal纯酶,3为EcNal粗酶,4为EcNal纯酶,5为Marker。
图3为pH对CgNal酶活的影响。
图4为温度对CgNal酶活的影响。
图5为CgNal在温浴过程中酶活的变化。
图6为pH7.5下金属离子及表面活性剂对CgNal酶活的影响。
图7为pH8.5下金属离子及表面活性剂对CgNal酶活的影响。
图8为以CgNal为催化剂合成Neu5Ac过程中产物的浓度变化。
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-CgNal)的构建。
1、N-乙酰神经氨酸醛缩酶基因的获取:
谷氨酸棒杆菌Corynebacterium glutamicum ATCC13032进行基因组的提取,然后以提取的基因组为模板,进行PCR。
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(CgNal-sense含BamH I)为:
5’-GACAGCAAATGGGTCGCGGATCCATGGCTTCCGCAACTTTCACCG-3’
下游引物(CgNal-anti含HindⅢ)为:
5’-TGCTCGAGTGCGGCCGCAAGCTTTTAAGCGGTGTACAGGAATTCATC-3’
所有引物均由苏州金唯智公司合成。
基因的PCR条件:
按如下参数循环30次:98℃变性10s,68℃退火延伸1min,最后72℃延伸10min。2、重组大肠杆菌E.coli Rosseta(DE3)转化:
用BamH I及HindⅢ分别酶切pET-28a载体(pET-28a购于Novagen(默克中国)),确认载体完全线性化之后分别胶回收PCR的目的片段和线性化的表达载体,然后通过一步法定向克隆无缝克隆试剂盒(ClonExpress),将10uL的连接产物pET-28a-CgNal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5min。加入预热的0.9mL LB培养基。200rpm37℃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:醛缩酶CgNal的获取。
1、N-乙酰神经氨酸醛缩酶CgNal的表达。
挑取重组菌E.coli Rosseta(pET-28a-CgNal)至含抗生素的LB液体培养基中,37℃振荡培养过夜。然后按1(v/v)%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0.2mmol·L-1,30℃,200rpm,诱导表达10h后,离心(4℃,10000rpm,10min)。
2、N-乙酰神经氨酸醛缩酶CgNal的纯化。
将收集的菌泥用100mmol·L-1Tris-HCl(PH7.5)缓冲重悬,超声破碎细胞(功率300W,超声3s,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(Ni-NTA His·Bind Resin,Novagen)中,冰上保温30分钟。弃去穿透液后,用含20mmol·L-1咪唑的100mmol·L-1Tris-HCl(pH7.5)洗去杂蛋白。再用含500mmol·L-1咪唑的100mmol·L-1Tris-HCl(pH7.5)将目标蛋白CgNal洗脱下来。以来自大肠杆菌的醛缩酶EcNal[16]为对照,用12%的SDS-PAGE检测酶的纯度及表达量,如图2所示。将纯化后的CgNa用Bradford法进行蛋白浓度的测定。
实施例3:醛缩酶CgNal酶学性质的研究。
1、CgNal酶活的检测方法
CgNal的酶活分为Neu5Ac合成反应的酶活以及Neu5Ac分解反应的酶活。Neu5Ac合成反应的酶活定义为每分钟合成1μmol Neu5Ac所需的酶量,Neu5Ac分解反应酶活定义为每分钟分解1μmol Neu5Ac所需的酶量。Neu5Ac分解反应的酶活检测液为0.1M丙酮酸,0.1·mol·L-1ManNAc和0.1mol·L-1Tris-HCl(pH7.5或8.5);Neu5Ac分解反应的酶活检测液为100mmol·L-1Neu5Ac和0.1mol·L-1的Tris-HCl(pH7.5或8.5)。纯化后的Nal加到1ml的酶活检测液中至终浓度为30μg/ml(约0.36U/ml)。在37℃下反应20分钟后,在沸水中加热5min终止反应,12000g离心10分钟并用0.22μm滤头过滤样品。
采用Agilent1200高效液相色谱,一根Bio-Rad Aminex87-H柱进行检测底物及产物(以5mmol·L-1H2SO4为流动相,流速0.6ml/min,折光示差检测器)。
2、不同pH值下CgNal的酶活
pH对CgNal的影响采用如下缓冲:0.1M Tris-HCl(pH7-8.8)和0.1M的甘氨酸-NaOH缓冲(pH9.0-9.5)。在不同的pH的酶活检测液中检测酶活,从而检测pH对酶活的影响。检测结果显示,在pH7.5-8.4之间CgNal的Neu5Ac分解反应活性远大于Neu5Ac合成反应的活性;而当pH8.6-8.8之间时,Neu5Ac的分解活性与Neu5Ac合成的活性接近(图3)。
3、温度对CgNal的影响
分别用pH7.5的温度梯度(25℃-60℃)来检测醛缩酶CgNal的正向酶活和反向酶活,找出最适反应温度。在pH7.5的条件下,CgNal的最适温度为40℃,Neu5Ac的分解和合成反应的最适温度一致。在pH8.5条件下,Neu5Ac合成方向的最适温度为40℃,Neu5Ac分解方向为45℃(图4)。将CgNal在0.1M Tris-HCl pH8.5的缓冲,37℃条件下温浴48h,并检测温浴过程中酶活的变化,从而确定CgNal的稳定性。在温浴的前10h内,CgNal的Neu5Ac合成活性体现出上升趋势,36h的温浴仍能保持出发活力的80%左右(图5)。
4、金属离子及表面活性剂对CgNal活性的影响
在CgNal的酶活检测液中加入5mM的CaCl2,NaCl,BaCl2,FeCl3,KCl,ZnCl2,CoCl2,MgCl2,NH4Cl,NiSO4,EDTA,CTAB和SDS,并以不添加任何金属离子和表面活性剂的样品作为对照。检测CgNal在pH7.5和pH8.5条件下的酶活。pH8.5条件下的CgNal的酶活远大于pH7.5条件下的CgNal酶活,而且金属离子对于CgNal在不同pH条件下 的影响差别很大。在pH7.5条件下,ZnCl2,CoCl2,NiSO4,CTAB和SDS都促进了CgNal在合成Neu5Ac方向的反应,同时也抑制了分解Neu5Ac方向的反应(图6)。而对于pH8.5条件下的金属离子对于CgNal没有明显的激活作用。CgNal,ZnCl2,CTAB和SDS促进了Neu5Ac合成相对于Neu5Ac分解方向的优势,但却整体降低了酶活性(图7)。因此,在合适的pH及金属离子、表面活性剂的作用下CgNal在合成Neu5Ac方向的速率大于Neu5Ac分解方向的速率。
5、CgNal的酶反应动力学常数的测定
CgNal在pH7.5及pH8.5条件下对底物ManNAc,Neu5Ac和丙酮酸的酶促反应动力常数实在不同浓度的底物条件下测定的。测定对于丙酮酸的动力常数时,固定ManNAc的浓度为100mM,丙酮酸浓度在1-100mM浓度之间变化。测定对于ManNAc的动力学常数时,固定丙酮酸浓度为100mM,ManNAc的浓度在1-400mM之间变化。测定对于Neu5Ac的动力学常数时,Neu5Ac的浓度在1-200mM之间变化。CgNal在pH7.5及pH8.5条件下对于Neu5Ac,ManNAc和丙酮酸的动力学常数表1所示。当pH从7.5上升至8.5时,底物的Km与Vmax值均有很大的提高。
表1CgNal的动力学常数
实施例4:以CgNal为催化剂催化合成Neu5Ac。
在20ml的反应体系中,反应液为50mM Tris-HCl(pH7.5和pH8.5)中含有0.8mol·L-1ManNAc,2mol·L-1丙酮酸。1mL同等条件下诱导剂纯化的CgNal(180U/mL)和EcNal(64U/mL)加到反应液中。催化条件为37℃,200rpm下进行12h。pH适时调整为7.5和8.5并取样检测反应过程中ManNAc,丙酮酸和Neu5Ac的含量。催化结果显示,CgNal的产量远高于ECNal的产量,12h内CgNal最高合成185g/LNeu5Ac。在催化的前6h内pH8.5的产量都明显高于pH7.5,之后pH8.5的产量与pH7.5的产量在EcNal以及CgNal的催化结果中都很接近(图8)。
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Claims (9)
1.一种氨基酸序列如SEQ ID NO:2所示的N-乙酰神经氨酸醛缩酶在催化N-乙酰甘露糖胺与丙酮酸合成N-乙酰神经氨酸反应中的应用。
2.根据权利要求1所述的应用,其特征在于,以氨基酸序列如SEQ ID NO:2所示的N-乙酰神经氨酸醛缩酶为催化剂,以N-乙酰甘露糖胺与丙酮酸为底物,合成N-乙酰神经氨酸。
3.根据权利要求2所述的应用,其特征在于,表达含有如SEQ ID NO:1所示的基因序列的重组菌,破碎后的粗N-乙酰神经氨酸醛缩酶或进一步经镍柱纯化后得到的纯N-乙酰神经氨酸醛缩酶与N-乙酰甘露糖胺和丙酮酸在缓冲液中反应得到N-乙酰神经氨酸。
4.根据权利要求3所述的应用,其特征在于,所述的含有如SEQ ID NO:1所示的基因序列的重组菌按如下方法构建得到:以Corynebacterium glutamicum ATCC13032基因组为模板扩增出N-乙酰神经氨酸醛缩酶的基因并连接到pET-28a载体上,再将重组质粒转化入E.coli Rosetta(DE3)中。
5.根据权利要求3所述的应用,其特征在于,表达含有如SEQ ID NO:1所示的基因序列的重组菌的方法是:培养重组菌至OD600=04-0.8时添加终浓度0.2-1.0mmol·L-1IPTG,在15-37℃、150-220rpm条件下诱导4-12h。
6.根据权利要求3所述的应用,其特征在于,镍柱纯化条件为:20mmol·L-1咪唑溶液洗脱杂蛋白,500mmol·L-1咪唑溶液洗脱纯酶。
7.根据权利要求3所述的应用,其特征在于,N-乙酰神经氨酸醛缩酶与N-乙酰葡萄糖胺和丙酮酸的反应用量为:0.36~300U·mL-1粗酶或纯酶与100~1000mmol·L-1N-乙酰甘露糖胺及100~2000mmol·L-1丙酮酸进行反应。
8.根据权利要求3所述的应用,其特征在于,所述的缓冲液为pH7~8.8的Tris-HCl缓冲液或者pH9.0-9.5的甘氨酸-NaOH缓冲。
9.根据权利要求3所述的应用,其特征在于,在缓冲液中的反应条件为:温度25~60℃,反应时间0.1~12h。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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C06 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
C10 | Entry into substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20150429 |