CN106282256B - 一种生产顺式-4-羟脯氨酸的生物转化法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种生产顺式‑4‑羟脯氨酸的生物转化法。本发明方法通过在大肠杆菌BL21(DE3)胞内共表达了脯氨酸羟化酶和脯氨酸转运蛋白,实现了高产顺式‑4‑羟脯氨酸在重组菌中的高效合成。与现有的顺式‑4‑羟脯氨酸发酵法相比,该方法操作简便、可持续、性价比高,具有良好的工业化前景。
Description
技术领域
本发明涉及微生物发酵领域,具体涉及一种生产顺式-4-羟脯氨酸的生物转化法。
背景技术
羟脯氨酸(hydroxyproline),亚氨基酸之一,通常在第四位上带有羟基,但有时也在第3位上。由于有两个不对称的碳原子,所以有4种立体异构体。在动物胶和骨胶原中含有L-羟脯氨酸。自然界中不存在D-羟脯酸。是生物体内广泛存在的具有生物活性的含氮碱,可以通过脯氨酸羟化酶生成。在食品、医学和工业上具有广泛的应用。在化妆品上, 羟脯氨酸可消除氧化剂和调整细胞的氧化还原状态的效果,化妆品中添加可保养皮肤和延缓衰老;以之为底物缩合反应生成二棕榈酰羟脯氨酸,可刺激胶原纤维收缩作用,高效清除皮肤氧自由基;N-乙酰羟脯氨酸具有保湿作用,化妆品中添加可有效维持表皮细胞的水分,使皮肤保持弹性;医学上,在食品和饮料中添加可防止过敏性炎症,衍生物 N-乙酰羟脯氨酸可用于治疗结蹄组织疾病和风湿性关节炎;顺式-4-羟脯氨酸作为抗癌药物治疗各种癌症,包括肝,膀胱,前列腺,肾盂等。防止骨胶原折叠成一个稳定的三螺旋构象,从而减少瘤细胞生长和纤维化过程中胶原过度沉积;抗肝纤维化、抗高血压。
随着经济快速发展,大气污染和全球变暖的趋势日益恶化。国内多采用生物提取法由明胶、骨胶、干酪素、大豆表皮等蛋白质,用盐酸水解,用亚硝化法提取亚氨酸后经树脂层析后精制、结晶而成,并且顺式-4-羟脯氨酸的生产还需要通过手性异构合成,生物法合成顺式-4-羟脯氨酸具有经济学和生态学双重意义,生物法合成顺式-4-羟脯氨酸的基因工程菌主要有大肠杆菌和酵母。
目前生物法合成顺式-4-羟脯氨酸主要有两种方式:发酵法和生物转化法。发酵法原料来源广泛且可再生,成本低,产量较高,污染也较小,但其调控过程比较复杂;生物转化法产量高,成本低,过程简单,有利于下游提取操作。大肠杆菌生长速率快,生产周期短,而大肠杆菌中底物转运进入细胞膜需要转运蛋白转运进入细胞,目前大肠杆菌中有脯氨酸转运蛋白PutP,通过过表达putp基因提高生产菌株的脯氨酸在胞内的底物浓度,来提高顺式-4-羟脯氨酸的转化效率,而加入底物α-酮戊二酸在初始反应液中导致反应液中酸度严重影响反应进行,需要调节pH至中性,然而使用α酮戊二酸钠代替α酮戊二酸,通过α-酮戊二酸钠和α-酮戊二酸以一定的配比作为缓冲加入反应解决了pH的问题。该方法能提高脯氨酸转运进入细胞速率即解决了生产过程中的脯氨酸转运进入细胞速率慢的问题,又解决了反应中高浓度的α-酮戊二酸会影响反应pH值问题。
发明内容
针对现有技术的不足,本发明的目的在于提供一种生产顺式-4-羟脯氨酸的生物转化法,该方法通过改变脯氨酸进入细胞的速度,提高了顺式-4-羟脯氨酸的产量,节省了调节pH步骤,简化了方法。
一种生产顺式-4-羟脯氨酸的生物转化法,通过加快底物脯氨酸的转运速率来提高顺式-4-羟脯氨酸的产率。
上述一种生产顺式-4-羟脯氨酸的生物转化法中,所述加快底物脯氨酸的转运速率,包括以下步骤:先构建过表达脯氨酸羟化酶基因ecp4h和脯氨酸转运基因putp的基因工程菌;再诱导培养基因工程菌获得全细胞,最后用全细胞催化反应生产顺式-4-羟脯氨酸。
作为上述方法优选的是,所述脯氨酸羟化酶基因ecp4h,GenBank: FU758039.1;脯氨酸转运基因putp Gene bankYP_003053684.1。
上述方法包括以下步骤:
步骤1,配种子培养基、发酵培养基、反应液、soc培养基、菌体洗液,并与培养皿、锥形瓶、离心管灭菌备用;
步骤2,构建得重组质粒,并转入宿主菌体内,然后在37℃下培养12-14h得菌种;
步骤3,向离心管中依次接入种子培养基、抗生素和菌种,培养9-10h得发酵菌种;
步骤4,向锥形瓶中接入发酵培养基和发酵菌种,摇床培养至OD至少为0.6时,加入至终浓度为0.8-1.2mmol的IPTG,诱导培养后,离心8-10min后倒掉上清,用菌体洗液洗涤滤渣2-4遍后得全细胞备用;
步骤5,向灭菌后锥形瓶中加入全细胞,保证加入的全细胞干重为0.41g/L,再加入缓冲溶液和反应液进行全细胞反应;
步骤6,每隔5-8h取样一次,并通过液相检测产物,待全细胞催化55-65h时结束得产物顺式-4-羟脯氨酸。
作为上述方法优选的是,步骤2中所述重组质粒为pET28a-EP4H和pACYC-PutP、pET28a-EP4H和pCDF-PutP或pET28a-EP4H-PutP。
作为上述方法优选的是,步骤3中培养条件为温度37℃、转速250rpm。
作为上述方法优选的是,步骤4中发酵菌种接入的量为1-2%;摇床培养的转速为200rpm;诱导培养的温度为20℃,转速为200rpm;离心10min,离心力为4000g/min。
作为上述方法优选的是,步骤5中全细胞反应时间为60h。
作为上述方法优选的是,步骤5中反应液由9-11g/L脯氨酸、9-11g/L酮戊二酸、9-11g/L α-酮戊二酸钠、硫酸亚铁和维生素C混合而成,其中硫酸亚铁和维生素C的摩尔浓度比为3:4mmol/L。
有益效果
本发明方法提供了一种生产顺式-4-羟脯氨酸的生物转化法。本发明方法通过在大肠杆菌BL21(DE3)胞内共表达了脯氨酸羟化酶和脯氨酸转运蛋白,实现了高产顺式-4-羟脯氨酸在重组菌中的高效合成。与现有的顺式-4-羟脯氨酸发酵法相比,该方法操作简便、可持续、性价比高,具有良好的工业化前景。。
附图说明
图1为重组质粒pET28a-EP4H;
图2为重组质粒pACYC-PutP;
图3为重组质粒pCDF-PutP;
图4为重组质粒pET28a-EP4H-PutP。
图5为本发明实施例4产顺式-4-羟脯氨酸的色谱图,其中峰1为顺式-4-羟脯氨酸。
图6为本发明实施例4产顺式-4-羟脯氨酸的色谱图,其中峰1为脯氨酸。
具体实施方式
实施例1重组质粒的构建
以大肠杆菌基因组为模板,以putp基因两端的引物PCR扩增,得到的putp片段克隆至载体pACYCDuet-1的NdeI和XhoI位点。得到重组质粒pACYC-PutP。
实施例2 重组质粒的构建
以大肠杆菌基因组为模板,以putp基因两端的引物PCR扩增,得到的putp片段克隆至载体pCDFDuet-1的NdeI和XhoI位点。得到重组质粒pCDF-PutP。
实施例3 重组质粒的构建
以大肠杆菌基因组为模板,以putp基因两端的引物PCR扩增,后扩增出的基因片段两端分别加入NdeI/XhoI酶切位点后酶切连接构建于在体pACYC-duet。载体上酶切位点为NdeI/XhoI。构建得重组质粒pACYC-PutP。PCR扩增使得基因PutP两端酶切位点都为XhoI,后通过酶切连接后构建出pET28a-EP4H-PutP。
实施例4
一种生产顺式-4-羟脯氨酸的生物转化法,包括以下步骤:
步骤1,配硫酸亚铁溶液、种子培养基、发酵培养基、反应液、soc培养基、菌体洗液、然后与培养基、锥形瓶、离心管灭菌备用,其中:
发酵培养基LB:蛋白胨10g/L,酵母粉0.5 g/L,NaCl 0.5 g/L,氨苄青霉素0.02%,氯霉素0.01%,链霉素0.01% pH7.0。
反应液:10 g /L 脯氨酸, 10 g/Lα-酮戊二酸, 0.2mol/L磷酸二氢钾, 0.2mol/L磷酸氢二钾,0.8mmol /L维生素C, 0.4 mmol /L 硫酸亚铁。
菌体洗液:PBS 7.0溶液,11.09g/LNaH2PO4 ,2.96g/LNa2HPO4。
soc培养基:蛋白胨4g/L,酵母粉1g/L,NaCl 10mm/L,KCl 2.5mm/L,MgSO4 10mm/L,MgCl2 20mm/L,葡萄糖20 g/L。
种子培养基的配方同发酵培养基LB。
步骤2,将实施例1中构建得重组质粒pET-28a-Ecp4H;pACYC- putP及菌株pET-28a-Ecp4H转入大肠杆菌B21(DE3)后在37℃的培养箱中培养12-14h得菌种;
步骤3,取50ml离心管接入10ml的种子培养基和0.2um的抗生素,在平板上挑点接入摇管中,摇床37℃转速为250rpm下培养得发酵菌种;
步骤4,向锥形瓶中接入发酵培养基和发酵菌种,摇床培养至OD长至0.6时,加入至终浓度为1mmol的IPTG,20℃,200rpm诱导12h后,在离心力为4000g的情况下离心10 分钟,倒掉上清,收集菌体后用菌体洗液2遍后备用;
步骤5,向灭菌后锥形瓶中加入步骤4的菌体,保证加入后的菌体的干重为0.41g/L,再加入缓冲溶液和反应液进行全细胞反应,步骤5中反应液由9g/L脯氨酸、9g/L酮戊二酸、9g/Lα酮戊二酸钠、硫酸亚铁和维生素C混合而成,其中硫酸亚铁和维生素C的摩尔浓度比为3:4mmol/L;
步骤6,每隔6h取一次样检测,并通过液相检测产物,等到55h-65h停止催化反应,取最终产物。
顺式-4-羟脯氨酸含量,HPLC-ELSD分析。
HPLC-ELSD分析使用蒸发光检测器,色谱柱为Prevail C18反向柱(250 mm ×4.6 mm × 5 μm)。HPLC条件为:流动相A:1升纯水中含有7毫升三氟乙酸0.653毫升七氟丁酸,流动相B:100% 乙腈,条件如下:100% A;流速:1.0 ml/min;柱温:28.5±1°C;进样量:10μl。ELSD检测条件:雾化温度为115°C,气流速为3.2L/min。
转化产物经HPLC-ELSD分析(如图3所示),出峰时间为4.1分钟与标品出峰时间一致。
实施例5
除步骤2中所用重组质粒为pET-28a-Ecp4H和pCDF-PutP外,其它部分同实施例4。
实施例6
除步骤2中所用重组质粒为pET-28a-Ecp4H-PutP,其它部分同实施例4。
实施例7
除步骤5中反应液中α酮戊二酸和α酮戊二酸钠盐的体积比为1:5,其他的同时实施例6。
对比例
以上述产脯氨酸羟化酶菌株进行转化,并且调节底物α-酮戊二酸和α-酮戊二酸钠进行配比,其他反应条件同实施例1,转化结束后转化液中顺式-4-羟脯氨酸最高浓度达到2.3g/L。
本发明方法产顺式-4-羟脯氨酸的产量记录于下表中。
从上述实施例的结果中可以看出,本发明制备方法通过改变细胞对于脯氨酸的转运能力,提高了顺式-4-羟脯氨酸的产量,其中以重组质粒pET-28a-Ecp4H-PutP构建的基因工程菌效果更加,另外,α酮戊二酸和α酮戊二酸钠盐的体积比为1:5时,顺式-4-羟脯氨酸的产量也得到了很大的改善,因此,本发明方法在简化实验过程的同时,提高了顺式-4-羟脯氨酸的产量,具有良好的市场前景。
Claims (7)
1.一种生产顺式-4-羟脯氨酸的生物转化法,其特征在于,通过加快底物脯氨酸的转运速率来提高顺式-4-羟脯氨酸的产率;所述加快底物脯氨酸的转运速率,包括以下步骤:先构建过表达脯氨酸羟化酶基因ecp4h和脯氨酸转运基因putp的基因工程菌;再诱导培养基因工程菌获得全细胞,最后用全细胞催化反应生产顺式-4-羟脯氨酸;所述脯氨酸羟化酶基因Gene bank FU758039.1,脯氨酸转运基因Gene bankYP_003053684.1。
2.根据权利要求1所述的一种生产顺式-4-羟脯氨酸的生物转化法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤1,配种子培养基、发酵培养基、反应液、soc培养基、菌体洗液,并与培养皿、锥形瓶、离心管灭菌备用;
步骤2,构建得重组质粒,并转入宿主菌体内,然后在37℃下培养12-14h得菌种;
步骤3,向离心管中依次接入种子培养基、抗生素和菌种,培养9-10h得发酵菌种;
步骤4,向锥形瓶中接入发酵培养基和发酵菌种,摇床培养至OD至少为0.6时,加入至终浓度为0.8-1.2mmol的IPTG,诱导培养后,离心8-10min后倒掉上清,用菌体洗液洗涤滤渣2-4遍后得全细胞备用;
步骤5,向灭菌后锥形瓶中加入全细胞,保证加入的全细胞干重为0.41g/L,再加入缓冲溶液和反应液进行全细胞反应;
步骤6,每隔5-8h取样一次,并通过液相检测产物,待全细胞催化55-65h时结束得产物顺式-4-羟脯氨酸。
3.根据权利要求2所述的一种生产顺式-4-羟脯氨酸的生物转化法,其特征在于,步骤2中所述重组质粒为pET28a-EP4H和pACYC-PutP、pET28a-EP4H和pCDF-PutP或pET28a-EP4H-PutP。
4.根据权利要求2所述的一种生产顺式-4-羟脯氨酸的生物转化法,其特征在于,步骤3中培养条件为温度37℃、转速250rpm。
5.根据权利要求2所述的一种生产顺式-4-羟脯氨酸的生物转化法,其特征在于,步骤4中发酵菌种接入的量为1-2%;摇床培养的转速为200rpm;诱导培养的温度为20℃,转速为200rpm;离心10min,离心速度为4000g/min。
6.根据权利要求2所述的一种生产顺式-4-羟脯氨酸的生物转化法,其特征在于,步骤5中全细胞反应时间为60h。
7.根据权利要求2所述的一种生产顺式-4-羟脯氨酸的生物转化法,其特征在于,步骤5中反应液由9-11g/L脯氨酸、9-11g/L酮戊二酸、9-11g/L α-酮戊二酸钠、硫酸亚铁和维生素C混合而成,其中硫酸亚铁和维生素C的摩尔浓度比为3:4mmol/L。
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