CN106566850B - 井冈霉烯胺的生物制备方法 - Google Patents
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Abstract
Description
技术领域
本发明涉及采用酶学、基因工程等生命科学技术手段,具体涉及一种井冈霉烯胺的生物制备方法。
背景技术
井冈霉烯胺(valienamine)属于氨基环醇类化合物,是假氨基糖类水解酶抑制剂的核心结构,井冈霉烯胺及其衍生物不仅可以参与治疗与糖苷酶相关的疾病,如糖尿病等,还可作为癌症、艾滋病及相关综合症的治疗(Kajimoto T,Node M.Inhibitors againstglycosidases as medicines.Current Topics in Medicinal Chemistry,2009,9(1):13-33.)。含有井冈霉烯胺结构的抗II型糖尿病药物伏格列波糖(贝欣)是典型的糖苷酶抑制剂类降糖药物(Kataoka Y,Yasuda S,Miyamoto Y,Sase K,Kosuge M,Kimura K,YoshimasaY,Miyazaki S.Effects of voglibose and nateglinide on glycemic status andcoronary atherosclerosis in early-stage diabetic patients.CirculationJournal,2012,76(3):712-720.),具有降血糖性能好、副作用小的优点,作为国家基本药物在临床上广为使用。井冈霉烯胺是伏格列波糖合成的重要前体,建立有效的井冈霉烯胺合成途径,能有效增加抗糖尿病药物的市场供应,降低伏格列波糖的生产成本,减轻长期用药病人的负担,提高糖尿病人的生活质量,对井冈霉烯胺的合成途径的研究得到学术界的高度关注。目前国内外报道的井冈霉烯胺的生产方法主要有化学法合成法(Chang YK,Lo HJ,Yan TH.A flexible strategy based on a C2-symmetric pool of chiral substrates:Concise synthesis of(+)-valienamine,key intermediate of(+)-pancratistatin,andconduramines A-1and E.Organic Letters,2009,11(19):4278-4281.)、化学裂解(Cumpstey I,Ramstadius C,Borbas KE,Alonzi DS,Butters TD.Synthesis andα-glucosidase II inhibitory activity of valienamine pseudodisaccharidesrelevant to N-glycan biosynthesis.Bioorganic&Medicinal Chemistry Letters,2011,21:5219–5223.)或微生物降解井冈霉素合成法(Kameda Y,Horri S,YaminoT.Microbial degradation of validamycin A by Flavobacteriumsaccharophilum.Enzymatic cleavage of C-N linkage in validoxylamine A.theJournal of Antibiotics,1984,37(8):859-867.Zhang JF,Zheng YG,ShenYC.Preparation of 3-ketovalidoxylamine A C-N lyase substrate:N-p-nitrophenyl-3-ketovalidamine by Stenotrophomonas maltrophilia CCTCC M 204024.AppliedMicrobiology and Biotechnology,2007,73(6):1275-1281.)。井冈霉烯胺化学合成法由15个反应步骤组成,涉及8个反应类型,存在工艺复杂、条件苛刻、步骤繁琐、监控点多、收率低等缺点。现在常用的生产方法是应用微生物发酵技术先制备井冈霉素,然后采用微生物转化法断裂井冈霉素的C-N键制备井冈霉烯胺。由于该工艺需要经过井冈霉素的发酵合成和产物分离,以及以井冈霉素为主要碳源的微生物二次发酵制备井冈霉烯胺等过程,导致生产过程繁杂,生产效率亟待提高。
最新利用氨基转移酶对井冈霉烯酮的催化研究发现,天然的氨基转移酶在进化关系和催化功能具有相似性,其催化产物普遍为β-井冈霉烯胺。其结构上的R-氨基构型与本发明中的井冈霉烯胺的S-氨基构型相反,生物活性和应用范围也不相同。
发明内容
本发明的目的在于提供一种新型井冈霉烯胺的生物制备方法,建立高效、可控的生产工艺,提高其生产效率。具体而言,本发明采用结构上与井冈霉烯胺仅有一个基团差异的井冈霉烯酮为底物,由于井冈霉烯酮与井冈霉烯胺在化学结构上只有一个官能团的差别,可以作为井冈霉烯胺的直接前体,通过转氨反应生成井冈霉烯胺;并且,本发明提供的氨基转移酶WecE与其所在家族的其他氨基转移酶不同,催化井冈霉烯酮生成的产物立体构型为专一的S-氨基,即立体构型单一的井冈霉烯胺产物(e.e.值>99.9%)。就方法而言,本发明提供的采用氨基转移酶WecE催化井冈霉烯酮生成井冈霉烯胺的生物制备方法明确可控,使复杂的化学反应和交错微生物代谢过程缩减为简单的生物转化途径,从根本上克服了化学反应步骤多、收率低、有机溶剂污染并缩减了两步微生物发酵过程繁琐的操作及复杂的调控步骤。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的:
第一方面,本发明涉及一种井冈霉烯胺的制备方法,
其反应路线如下:
优选的,所述氨基转移酶WecE具有Gene ID:948296的基因序列和PDB:4ZAH,4PIW的蛋白空间结构。
优选的,具体包括如下操作:
将井冈霉烯酮、氨基供体、氨基转移酶WecE和辅因子在pH为7.0~7.5的PBS缓冲液中,在25~37℃下进行反应,生物转化得到井冈霉烯胺。
优选的,所述井冈霉烯酮、氨基供体、氨基转移酶WecE和辅因子的催化体系为:1mg/ml的氨基转移酶WecE在0.3mM辅因子的存在下,可催化5mM井冈霉烯酮和10-15mM氨基供体之间的转氨反应。
优选的,所述氨基供体为氨基转移酶WecE接受的氨基酸;所述辅因子为磷酸吡哆醛(PLP)。
优选的,所述氨基酸为L-谷氨酰胺、L-谷氨酸盐、L-丙氨酸或L-丝氨酸。
优选的,所述氨基转移酶WecE包括天然氨基转移酶WecE及在其序列和结构基础上经蛋白质工程技术手段进行改造获得的催化活力提升的突变体。
第二方面,本发明还涉及一种井冈霉烯胺的制备方法,将氨基转移酶WecE基因导入可产生井冈霉烯酮底物(也称,井冈霉烯酮前体化合物)的菌株,采用获得的基因工程菌通过发酵产生井冈霉烯胺。
优选的,所述将氨基转移酶WecE基因导入可产生井冈霉烯酮底物的菌株的方法为采用整合型质粒通过链霉菌接合转移操作,将氨基转移酶WecE基因整合入宿主染色体上。
优选的,所述可产生井冈霉烯酮底物的菌株包括在井冈霉素天然产生菌株的基础上采用基因工程手段获得的突变菌株。
优选的,所述可产生井冈霉烯酮底物的菌株为吸链霉菌井冈变种5008或吸水链霉菌柠檬亚种。吸链霉菌井冈变种5008和吸水链霉菌柠檬亚种分别见《应用与环境生物学报》2000年03期“吸水链霉菌井冈变种JG5008转化系统的初建”以及《中国微生物菌种总目录》。
与现有技术相比,本发明具有如下有益效果:
1、创新采用了能够催化井冈霉烯酮生成单一S-构型氨基的氨基转移酶WecE,使其在体外和微生物宿主内催化生成井冈霉烯胺。
2、解决了制备井冈霉烯胺的化学合成方法所存在的工艺复杂、收率低、反应条件苛刻、有机试剂污染以及无法量产的缺陷;
3、缩减了现有两步微生物发酵过程繁琐的操作及复杂的调控步骤,大幅提高了生产效率。
4、基于氨基转移酶催化的氨基转移反应,建立了方便、高效、立体选择性强的井冈酶烯胺直接生物合成策略,为II型糖尿病临床药物伏格列波糖、阿卡波糖的合成及糖苷酶抑制剂药物开发提供了合成中间体。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述,本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显:
图1为本发明实施例1的催化产物以邻苯二甲醛(OPA)衍生化HPLC结果;
图2为本发明实施例1催化产物以邻苯二甲醛(OPA)衍生化HPLC-MS结果;
图3为本发明实施例1反应产物经Dowex1×2阴离子交换树脂纯化获得井冈霉烯的NMR氢谱;
图4为本发明实施例2的基因工程菌发酵液对OPA-HPLC的检测结果。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明,但不以任何形式限制本发明。应当指出的是,对本领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明构思的前提下,还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实施例1、以WecE酶由井冈霉烯酮生物转化制备井冈霉烯胺
以5mM井冈霉烯酮为底物,10mM谷氨酰胺为氨基供体,0.3mM磷酸吡哆醛(PLP)为辅因子,以1mg/mL WecE氨基转移酶为生物催化剂,在pH 7.4的20mM PBS缓冲液中,于37℃水浴反应3小时。
采用2%邻苯二甲醛(OPA)室温条件下对反应产物进行柱前衍生化,衍生化产物经Eclipse XDB-C18(5μm,4.6×150mm)色谱柱分离,0~8min乙腈-水(22:78体积比);8~12min 100%乙腈;12~17min乙腈:水(22:78体积比)梯度洗脱;激发波长240nm、发射波长450nm时检测荧光吸收。OPA衍生化HPLC结果如图1所示,邻苯二甲醛与WecE催化产物反应生成具有氨基的单一产物,其e.e.值>99.9%;实验条件下保留时间为5.1min,即为图1中保留时间5.138min的峰。
采用OPA衍生化HPLC方法与Aglient TOF MS 6230联用,以正离子模式检测OPA衍生化后的反应产物分子量,实验结果如图2所示,证明衍生化后的反应产物特征荷质比m/z为352.1209和374.0919,与井冈霉烯胺OPA衍生化产物理论分子量[M+H+]、[M+Na+]相符。
将反应产物经阴离子交换树脂Dowex 1×2分离纯化后溶于D2O,经400MHz核磁共振检测,获得1H NMR特征图谱(图3)。与底物井冈霉烯酮和产物的1H NMR对比分析,可以观测到由羰基向氨基转化引起屏蔽效应增加导致的整个H谱的化学位移向高场移动,其化学位移及耦合常数与标准品图谱比对,证明经WecE的催化催化井冈霉烯酮生成的氨基产物为立体构型为专一的S-氨基,其催化产物为e.e.值>99.9%的井冈霉烯胺。
实施例2、由WecE构建基因工程菌,发酵生产井冈霉烯胺
井冈霉烯酮是井冈霉素生物合成途径中的一个中间产物,吸水链霉菌井冈变种5008或吸水链霉菌柠檬亚种等井冈霉素的生产菌株在代谢网络上具备生物合成井冈霉烯酮的能力。本实施例选择吸水链霉菌S5008作为宿主,采用PCR-Target方法敲除了其代谢途径中识别井冈霉烯酮的磷酸激酶ValC,阻断了井冈霉烯酮下游的代谢途径,构建了井冈霉烯酮生产菌株;并将氨基转移酶基因WecE克隆到井冈霉素生物合成基因valA的启动子PvalA的下游,并通过整合型载体pPM927按链霉菌接合转移操作方法将WecE基因整合入井冈霉烯酮产生菌的染色体上,实现了氨基转移酶基因WecE在井冈霉烯酮产生菌种中的表达。基因工程菌阳性克隆经发酵培养5天,按实施例1所述以OPA柱前衍生化HPLC条件检测发酵液,通过和未转入氨基转移酶的空白菌株发酵液成分进行比对,在保留时间5.138min处检测到井冈霉烯胺特征峰,与WecE体外催化井冈霉烯酮生成的立体构型为专一的S-氨基的井冈霉烯胺产物(e.e.值>99.9%)一致。发酵液OPA衍生化HPLC实验结果如图4所示。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是,本发明并不局限于上述特定实施方式,本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改,这并不影响本发明的实质内容。
Claims (8)
2.如权利要求1所述的井冈霉烯胺的制备方法,其特征在于,将所述井冈霉烯酮、氨基转移酶WecE、氨基供体和辅因子在pH为7.0~7.5的缓冲液中,在25~37℃下进行反应,得到所述井冈霉烯胺。
3.如权利要求1所述的井冈霉烯胺的制备方法,其特征在于,所述氨基供体为氨基转移酶WecE接受的氨基酸;所述辅因子为磷酸吡哆醛。
4.如权利要求3所述的井冈霉烯胺的制备方法,其特征在于,所述氨基酸为L-谷氨酰胺、L-谷氨酸盐、L-丙氨酸或L-丝氨酸。
5.一种井冈霉烯胺的制备方法,其特征在于,将氨基转移酶WecE基因导入可产生井冈霉烯酮底物的菌株,采用获得的基因工程菌通过发酵产生井冈霉烯胺;所述氨基转移酶WecE的Gene ID为948296,其高级结构为PDB:4ZAH,4PIW。
6.如权利要求5所述的井冈霉烯胺的制备方法,其特征在于,所述导入的方法为采用整合型质粒通过链霉菌接合转移操作,将氨基转移酶WecE基因整合入宿主染色体上。
7.如权利要求5所述的井冈霉烯胺的制备方法,其特征在于,所述可产生井冈霉烯酮底物的菌株包括在井冈霉素天然产生菌株的基础上采用基因工程手段获得的突变菌株。
8.如权利要求5所述的井冈霉烯胺的制备方法,其特征在于,所述可产生井冈霉烯酮底物的菌株为吸链霉菌井冈变种5008或吸水链霉菌柠檬亚种。
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