发明内容
本发明的目的是获得一种高效全细胞催化鹅去氧胆酸合成熊去氧胆酸的方法。涉及一种在大肠肝菌细胞中高效表达双酶的方法,使用这种方法构建的共表达7α-类固醇脱氢酶(7α-HSDH)和乳酸脱氢酶(LDH)的重组大肠杆菌,以及构建的共表达7β-类固醇脱氢酶(7β-HSDH)突变子和醇脱氢酶(LKADH)的重组大肠杆菌;本发明也包括上述酶基因序列、编码的酶蛋白序列、产生此类酶的方法,以及上述重组大肠杆菌全细胞在胆酸化合物的酶促合成中,特别是在熊去氧胆酸(UDCA)合成中的用途;此外,本发明也包括使用全细胞合成UDCA的新方法,以及UDCA的后提取方法。
技术方案
一种串联形成双基因表达模块,其特征在于双基因表达模块为模块1或模块
2;其中所述模块1的序列依次由SeqIDNO:1,SeqIDNO:5,SeqIDNO:
2,SeqIDNO:3组成;所述模块2的序列依次由SeqIDNO:1,SeqIDNO:
9,SeqIDNO:2,SeqIDNO:7组成。
一种重组大肠杆菌,其特征在于含有权利要求1所述的模块1。
一种重组大肠杆菌,其特征在于含有权利要求2所述的模块2.
一种高效全细胞催化鹅去氧胆酸合成熊去氧胆酸的方法,其特征在于由如下步骤实现:
A、采用含有模块1的重组大肠杆菌细胞催化底物鹅去氧胆酸CDCA合成3α-羟基-7-氧代-5β-胆烷酸7-KLCA,反应液酸化后得到3α-羟基-7-氧代-5β-胆烷酸7-KLCA粗品,同时采用乳酸脱氢酶及丙酮酸钠使得辅酶循环再生;
B、采用含有模块2的重组大肠杆菌细胞催化步骤A中所述的3α-羟基-7-氧代-5β-胆烷酸7-KLCA粗品,反应液液酸化过滤后得到UDCA粗品,同时采用醇脱氢酶及异丙醇使得辅酶循环再生。
所述的一种高效全细胞催化鹅去氧胆酸合成熊去氧胆酸的方法,其特征在于所述的熊去氧胆酸粗品在有机溶剂中加碱溶解、回流、过滤除去固形物以及酸化分离的获得精制成品。
具体介绍如下:
一种如附图2所示,使用单一启动子和双核糖体结合位点(RibosomeBindingsite,RBS)在大肠杆菌中实现双基因高效共表达的方法,其特征在于所述的每个基因前有一段包含核糖体结合位点的序列以实现双基因的高效表达,此序列如SeqIDNO:1和SeqIDNO:2。使用上述方法构建的共表达7α-类固醇脱氢酶(7α-HSDH)基因和乳酸脱氢酶(LDH)基因的重组大肠杆菌,其中7α-类固醇脱氢酶基因来源于大肠杆菌(Escherichiacoli)K-12,基因序列如SeqIDNO:3所示,其编码的蛋白序列如SeqIDNO:4;乳酸脱氢酶基因来源于魏斯氏菌(Weissellasp.),基因序列如SeqIDNO:5所示,其编码的蛋白序列如SeqIDNO:6。
上述重组大肠杆菌细胞的应用,其特征在于所述的使用全细胞催化鹅去氧胆酸CDCA合成熊去氧胆酸UDCA前体3α-羟基-7-氧代-5β-胆烷酸7-KLCA,反应中所需要的辅酶由细胞自身的乳酸脱氢酶催化丙酮酸钠而合成,从而实现辅酶的循环再生。
使用上述方法构建的共表达7β-类固醇脱氢酶(7β-HSDH)基因和醇脱氢酶(LKADH)基因的重组大肠杆菌,其中7β-类固醇脱氢酶基因为来源于活波瘤胃菌属(Ruminococcusgnavus)的突变子,基因序列如SeqIDNO:7所示,其编码的蛋白序列如SeqIDNO:8;密码子优化的醇脱氢酶基因来源于高加索酸奶乳杆菌(Lactobacilluskefir),基因序列如SeqIDNO:9所示,其编码的蛋白序列如SeqIDNO:10。
上述重组大肠杆菌细胞的应用,其特征在于所述的使用全细胞催化3α-羟基-7-氧代-5β-胆烷酸7-KLCA合成熊去氧胆酸UDCA,反应中所需要的辅酶由细胞自身的醇脱氢酶催化异丙醇而合成,从而实现辅酶的循环再生。
一种熊去氧胆酸的合成方法,其特征在于采用上述重组大肠杆菌细胞催化底物鹅去氧胆酸CDCA合成3α-羟基-7-氧代-5β-胆烷酸7-KLCA,反应液酸化后得到7-KLCA粗品,同时采用所述乳酸脱氢酶(LDH)及丙酮酸钠使得辅酶循环再生;其特征也在于采用所述的重组大肠杆菌细胞催化如上所述的3α-羟基-7-氧代-5β-胆烷酸7-KLCA粗品,反应液液酸化过滤后得到UDCA粗品,同时采用上述醇脱氢酶及异丙醇使得辅酶循环再生。
所述的一种熊去氧胆酸的合成方法,其特征在于获得熊去氧胆酸粗品在有机溶剂中加碱溶解、回流、过滤除去固形物以及酸化分离的获得精制成品。
本发明原理:
本发明提供的用于熊去氧胆酸UDCA合成的方法如附图1所示。以鹅去氧胆酸为底物,通过使用共表达来源于大肠杆菌(Escherichiacoli)K-12的7α-类固醇脱氢酶基因和来源于魏斯氏菌(Weissellasp.)的乳酸脱氢酶基因的重组大肠杆菌细胞,将鹅去氧胆酸氧化成3α-羟基-7-氧代-5β-胆烷酸7-KLCA,同时使用细胞自带的乳酸脱氢酶/丙酮酸钠体系来实现辅酶NAD+的循环再生。进一步通过使用共表达来源于活波瘤胃菌属(Ruminococcusgnavus)的7β-类固醇脱氢酶突变子基因和来源于高加索酸奶乳杆菌(Lactobacilluskefir)的醇脱氢酶基因的重组大肠杆菌细胞,将3α-羟基-7-氧代-5β-胆烷酸7-KLCA一步还原成熊去氧胆酸UDCA,同时使用细胞自带的醇脱氢酶/异丙醇体系来实现辅酶NADP+的循环再生。上述的重组大肠杆菌全细胞催化体系能高效地、专一地将高浓度底物鹅去氧胆酸转化成UDCA,从而能实现酶法UDCA合成的工业化生产。
本发明的目的是具体通过以下技术方案实现的:
1、共表达7α-类固醇脱氢酶(7α-HSDH)和乳酸脱氢酶(LDH)的重组大肠杆菌细胞的构建以及摇瓶发酵和酶活鉴定
如附图2所示,来源于大肠杆菌(Escherichiacoli)K-12的7α-类固醇脱氢酶基因(基因序列:SeqNO:3,编码的蛋白序列:SeqIDNO:4)和来源于魏斯氏菌(Weissellasp.)的乳酸脱氢酶基因(基因序列:SeqIDNO:5,编码的蛋白序列:SeqIDNO:6)通过特定的连接序列(SeqIDNO:1)串联后。将上述合成的串联的双基因插入到表达载体pET21a(+)的NdeI和XhoI位点得到含双基因表达模块的重组DNApET21a(+)-LDH-7αHSDH。经过测序验证后,此重组DNA转入大肠杆菌宿主BL21(DE3)。获得的重组大肠杆菌接种在小体积的LB培养基(100μg/mL氨苄)中,30~37℃过夜培养后,以5-10%的接种量接入相应体积的LB培养基(100μg/mL氨苄)中,继续在30~37℃培养直至OD600达到1.0。加入终浓度为0.1~0.2mM的异丙基-β-D-硫代半乳糖吡喃糖苷(IPTG),在25~30℃下诱导表达3~5小时后离心收集细胞。细胞悬浮于1/20发酵液体积的100mM的磷酸缓冲液(pH8.0)并超声破碎,离心后得到重组的7α-HSDH和LDH混合粗酶液。7α-HSDH酶活测定以鹅去氧胆酸为底物,在一个3mL的反应混合物中包含:2.89mL的0.2mMNAD+(50mM磷酸钾缓冲液,pH8.0中配制),10μL的150mM鹅去氧胆酸,100μL稀释的酶液,在340nm处测定吸光值增加。LDH酶活测定以丙酮酸钠为底物,在一个3mL的反应混合物中包含:2.8mL的0.2mMNADH(50mM磷酸钾缓冲液,pH8.0中配制),100μL的34mM丙酮酸钠,100μL稀释的酶液,在340nm处测定吸光值减少。二者酶活性单位(单位/mL)计算公式为:[△A340/分钟×3(mL)×粗酶稀释倍数]/[6.22×0.1(mL)]。
表一大肠杆菌共表达双酶7α-HSDH和LDH的摇瓶发酵酶活
酶名称 |
酶活(单位/mL酶液) |
7α-HSDH |
698.8±67.9 |
LDH |
1069.2±114.3 |
2、共表达7β-类固醇脱氢酶(7β-HSDH)和醇脱氢酶(LKADH)的重组大肠杆菌细胞的构建以及摇瓶发酵和酶活鉴定
如附图2所示,来源于活波瘤胃菌属(Ruminococcusgnavus)的密码子优化的7β-类固醇脱氢酶突变子基因(基因序列:SeqIDNO:7,编码的蛋白序列:SeqIDNO:8)和来源于高加索酸奶乳杆菌(Lactobacilluskefir)的醇脱氢酶基因(基因序列:SeqIDNO:9,编码的蛋白序列:SeqIDNO:10)通过特定的连接序列(SeqNO:1)串联。将上述合成的串联的双基因插入到表达载体pET21a(+)的NdeI和HindIII位点得到含双基因表达模块的重组DNApET21a(+)-LKADH-7βHSDH。经过测序验证后,此重组DNA转入大肠杆菌宿主BL21(DE3)。获得的重组大肠杆菌接种在小体积的LB培养基(100μg/mL氨苄)中,30~37℃过夜培养后,以5-10%的接种量接入相应体积的LB培养基(100μg/mL氨苄)中,继续在30~37℃培养直至OD600达到1.0。加入终浓度为0.1~0.2mM的异丙基-β-D-硫代半乳糖吡喃糖苷(IPTG),在25~30℃下诱导表达3~5小时后离心收集细胞。细胞悬浮于1/20发酵液体积的100mM的磷酸缓冲液(pH8.0)并超声破碎,离心后得到重组的7β-HSDH和LKADH混合粗酶液。7β-HSDH酶活测定以熊去氧胆酸为底物,在一个3mL的反应混合物中包含:2.89mL的0.2mMNADP+(50mM磷酸钾缓冲液,pH8.0中配制),10μL的150mM熊去氧胆酸,100μL稀释的酶液,在340nm处测定吸光值增加。酶活性单位(单位/mL)计算公式为:[△A340/分钟×3(mL)×粗酶稀释倍数]/[6.22×0.1(mL)]。醇脱氢酶LKADH酶活测定方法见US8257952。
表二大肠杆菌共表达双酶7β-HSDH和LKADH的摇瓶发酵酶活
酶名称 |
酶活(单位/mL酶液) |
7β-HSDH |
114.0±28.8 |
LKADH |
33.4±4.5 |
3、共表达双酶(LDH-7αHSDH或者LKADH-7βHSDH)的重组大肠杆菌细胞的高密度发酵产酶
将平板上单菌落接种到250~500mLLB培养基(100μg/mL氨苄)中,在30~37℃下振荡培养12~16小时。由此方法得到的种子液以5~10%的量接种到5L的起始培养基中,起始培养基含有:15~30g/L的甘油,25~30g/L的磷酸二氢钾,10~15g/L的硫酸胺,5-10g/L的七水硫酸镁,0.2~0.5g/L的七水硫酸铁。重组大肠杆菌在10L发酵罐里进行通气搅拌培养,温度30~37℃,pH6.0~7.0,调节搅拌和通气控制溶氧在15-30%。待起始培养基里的甘油耗尽后,开始流加诱导培养基(乳糖:40~50g/L,甘油:200-250g/L)诱导酶的产生。流加速度逐步增加,范围为60-250mL/小时。温度30~37℃,pH6.0~7.0,调节搅拌和通气控制溶氧在15-30%,总的诱导时间为8-12小时,直至细胞湿重达到100g/L以上。离心收集细胞于-20℃保存,用于催化鹅去氧胆酸CDCA合成熊去氧胆酸UDCA前体7-KLCA或者催化7-KLCA合成熊去氧胆酸UDCA。取少量细胞悬浮于同体积发酵液的100mM的磷酸缓冲液(pH8.0)中并超声破碎,离心后得到重组混合酶液后用于酶活测定。
表三大肠杆菌共表达双酶7α-HSDH和LDH的高密度发酵酶活
酶名称 |
酶活(单位/mL酶液) |
7α-HSDH |
482.0±72.1 |
LDH |
938.1±172.4 |
表四大肠杆菌共表达双酶7β-HSDH和LKADH的高密度发酵酶活
酶名称 |
酶活(单位/mL酶液) |
7β-HSDH |
141.9±9.8 |
LKADH |
44.7±7.1 |
4、重组大肠杆菌全细胞催化鹅去氧胆酸合成熊去氧胆酸以及熊去氧胆酸的提取和精制
全细胞催化鹅去氧胆酸CDCA合成熊去氧胆酸UDCA前体7-KLCA:将鹅去氧胆酸悬浮在50mM磷酸钾缓冲液(pH7.8)中,用2NNaOH调节pH至8.0。加入共表达7α-类固醇脱氢酶和乳酸脱氢酶的的大肠杆菌BL21(DE3)湿细胞(25%总反应体积,W/V)、0.1~0.5mMNAD+和340mM丙酮酸钠补充50mM磷酸钾缓冲液(pH8.0)至最终反应体积。底物终浓度在100g/L,反应在25℃、300~400rpm和pH7.8~8.0下进行,反应时间20~24小时。每隔一定时间取样在甲醇里稀释50~100倍,微孔过滤后10μL进样液相分析。液相检测使用安捷伦C-18柱为分析柱,1mM磷酸二氢钾:乙腈=45:55(体积比)为洗脱剂,柱温35℃,检测波长210nm。反应结束后,用2NNaOH调节反应液pH至产物全部溶解,然后加入0.5~1.0%硅藻土在50~60℃搅拌0.5~1小时后过滤。滤液在快速搅拌的情况下缓慢滴加盐酸溶液至pH为2.0左右,继续搅拌20~30分钟后过滤得到7-KLCA粗品。
全细胞催化7-KLCA合成熊去氧胆酸UDCA:将7-KLCA悬浮在50mM磷酸钾缓冲液(pH8.0)中,用2NNaOH调节pH至8.0。加入共表达7β-类固醇脱氢酶和醇脱氢酶的的大肠杆菌BL21(DE3)湿细胞(25%总反应体积,W/V)、0.1~0.5mMNADP+和20~35%异丙醇后补充50mM磷酸钾缓冲液(pH8.0)至最终反应体积。底物终浓度在100g/L,反应在25℃、300~400rpm和pH7.8~8.0下进行,反应时间20~24小时。每隔一定时间取样,按照上述方法进行样品处理和液相分析。反应结束后,用2NNaOH调节反应液pH至产物全部溶解,然后加入0.5~1.0%硅藻土在50~60℃搅拌0.5~1小时后过滤。滤液在快速搅拌的情况下缓慢滴加盐酸溶液至pH为2.0左右,继续搅拌20~30分钟后过滤得到熊去氧胆酸粗品。
熊去氧胆酸粗品的精制:在有机溶剂如乙酸乙酯里加入25-30%(重量比)的熊去氧胆酸粗品,加热到60~70℃用碱(如三乙胺)溶解后,继续搅拌回流1~2小时。待上述溶液冷却并过滤除去固形物后,用盐酸溶液调节滤液pH至2.0左右,过滤得到的结晶真空干燥后得到精制的熊去氧胆酸。
表五重组大肠杆菌全细胞催化鹅去氧胆酸CDCA合成熊去氧胆酸UDCA
有益效果
1、使用高效共表达7α-类固醇脱氢酶(7α-HSDH)和乳酸脱氢酶(LDH)的重组大肠杆菌,以及高效共表达7β-类固醇脱氢酶(7β-HSDH)和醇脱氢酶(LKADH)的重组大肠杆菌全细胞催化鹅去氧胆酸合成熊去氧胆酸,反应体系无需额外添加辅酶再生用酶,各步反应底物浓度高达100g/L,转化率大于99.5%,熊去氧胆酸总的重量收率88-94%;
2、大肠杆菌细胞可以通过发酵方法廉价易得,无需酶的提取和纯化,生产成本和产品质量优于化学合成方法,适合于工业化生产;
3、酶促反应条件温和,不使用化学法用到的金属钠或者Pd/C等催化氢化还原剂,工业化放大生产容易控制而且安全。产生的废水容易处理,环境友好;
4、酶促反应选择性高,与化学法比较副产物少,产品后提取和精制简单。
实施例7
在330mL乙酸乙酯中加入实施例6得到的全部熊去氧胆酸粗品,加热到60~70℃滴加三乙胺溶解后,继续搅拌回流2小时。待上述溶液冷却并过滤除去固形物后,用盐酸溶液调节滤液pH至2.0左右,过滤得到的结晶真空干燥后得到精制的熊去氧胆酸93.95g,从鹅去氧胆酸CDCA的重量收率约为94%,经检测符合欧洲药典标准。
SEQUENCELISTING
<110>南京普瑞特生物科技有限公司
刘志斌
<120>一种高效全细胞催化鹅去氧胆酸合成熊去氧胆酸的方法
<130>
<160>10
<170>PatentInversion3.3
<210>1
<211>14
<212>DNA
<213>ArtificialSequence
<220>
<223>串联双基因含RBS的前导序列
<220>
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<223>串联双基因之间含RBS的连接序列
<220>
<221>Unsure
<222>(1)..(14)
<400>2
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