CN109251882B - 一株异源表达耐热腈水合酶的大肠杆菌重组菌及其应用 - Google Patents

一株异源表达耐热腈水合酶的大肠杆菌重组菌及其应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一株异源表达耐热腈水合酶的大肠杆菌重组菌及其应用，属于生物工程领域。本发明通过构建重组大肠杆菌，获得具有高腈水合酶酶活的大肠杆菌重组菌株，发酵得到的重组腈水合酶具有更好的热稳定性。另外，可以此大肠杆菌重组菌株为催化剂，以烟腈或丙烯腈为底物，进行全细胞催化反应制备烟酰胺或丙烯酰胺。此法与化学生产法相比，生产工艺安全清洁，无环境污染，与酶法相比，底物价格便宜，简化了产物的分离纯化步骤，催化效率高，终产物烟酰胺或丙烯酰胺产率95％以上。

Description

一株异源表达耐热腈水合酶的大肠杆菌重组菌及其应用
技术领域
本发明涉及一株异源表达耐热腈水合酶的大肠杆菌重组菌及其应用，属于生物工程技术领域。
背景技术
烟酰胺是一种维生素，已经被广泛的用于饲料、食品、制药等行业。烟酰胺市场需求量很大，估计每年需要2000多吨，但目前我国尼克酰胺的生产水平不高，规模不大，需要大量的进口，约1000吨。丙烯酰胺是腈水合酶微生物法生产酰胺类化合物的重要产物之一，同时也是一种用途非常广泛的精细化工原料，在石油、造纸、采矿、纺织、食品等行业均有广泛应用，具有巨大的经济价值。而生产丙烯酰胺的技术，最早是用硫酸水合法，但该法工艺复杂、产品纯化难，且对环境有污染，因此开发新的生产方法一直是相关领域研究的重点方向。
目前工业生产中主要用玫瑰色红球菌Rhodococcus rhodochrous J1催化生成烟酰胺和丙烯酰胺，采用的是底物分批补料的方式，但是红球菌生长周期较长，需要100h，并且生产效率不高，烟酰胺产量最高为162g/L，而丙烯酰胺产量最高为300g/L。目前也有通过重组菌生产烟酰胺的报道，但终产物浓度较低，只有240g/L。而且，现有的腈水合酶在高温下很难保持较高的活性，因此不利于其在工业上的生产应用。因此，提供一种高产烟酰胺和丙烯酰胺的方法、一种稳定性较好的腈水合酶，对于工业生产应用腈水合酶、制备烟酰胺和丙烯酰胺均具有重要的意义。
发明内容
本发明提供了一株重组来源于温泉热碱芽孢杆菌(Caldalkalibacillusthermarum TA2.A1)来源的耐热腈水合酶基因的大肠杆菌，并用全细胞催化法生产烟酰胺或丙烯酰胺。
本发明的第一个目的是提供一株大肠杆菌重组菌，所述重组菌是异源表达了温泉热碱芽孢杆菌(Caldalkalibacillus thermarum TA2.A1)来源的腈水合酶，所述腈水合酶的基因是由编码氨基酸序列SEQ ID NO.1的基因、SEQ ID NO.4所示的间隔序列、编码氨基酸序列SEQ ID NO.2的基因、SEQ ID NO.4所示的间隔序列和编码氨基酸序列SEQ ID NO.3的基因依次连接而成。
在本发明的一种实施方式中，以大肠杆菌BL21为宿主。
在本发明的一种实施方式中，以pET 24a(+)为表达载体。
在本发明的一种实施方式中，所述温泉热碱芽孢杆菌来源的腈水合酶的核苷酸序列如SEQ ID NO.5所示。
本发明的第二个目的是提供上述重组菌的构建方法，所述方法是将编码氨基酸序列SEQ ID NO.1的基因、SEQ ID NO.4所示的间隔序列、编码氨基酸序列SEQ ID NO.2的基因、SEQ ID NO.4所示的间隔序列和编码氨基酸序列SEQ ID NO.3的基因依次连接，得到腈水合酶的基因NHase，将NHase与表达载体连接，转入大肠杆菌中。
在本发明的一种实施方式中，所述构建方法具体包括：(1)将编码氨基酸序列SEQID NO.1的基因、编码氨基酸序列SEQ ID NO.2的基因和编码氨基酸序列SEQ ID NO.3的基因依次连接而成，各序列之间用SEQ ID NO.4所示的间隔序列连接，得到的腈水合酶的基因NHase；
(2)将克隆出的基因连接到pET 24a(+)，构建成为重组质粒pET 24a-Cal.tNHase。
(3)将重组质粒转化至大肠杆菌BL21，筛选获得重组大肠杆菌BL21/pET24a-Cal.tNHase。
本发明的第三个目的是提供一种腈水合酶，其氨基酸序列如SEQ ID NO.6所示。
本发明的第四个目的是提高编码上述腈水合酶的基因。
在本发明的一种实施方式中，所述基因的核苷酸序列如SEQ ID NO.5所示。
本发明的第五个目的是提供上述大肠杆菌重组菌在生产烟酰胺或丙烯酰胺中的应用。
在本发明的一种实施方式中，所述应用包括以烟腈或丙烯腈作为底物，利用所述重组大肠杆菌作为全细胞催化剂催化所述底物转化生产烟酰胺或丙烯酰胺。
在本发明的一种实施方式中，所述应用是以烟腈为底物，在25-28℃，以0.4-1mol/L的终浓度将烟腈与OD600＝8-120的菌液混合，当底物消耗完毕后再加入下一批底物，制备烟酰胺；
或，以丙烯腈为底物，在25-28℃，以30-100g/L的终浓度将丙烯腈与OD600＝8-120的菌液混合，当底物消耗完毕后再加入下一批底物，制备丙烯酰胺。
本发明的第六个目的是提供上述的大肠杆菌重组菌或上述腈水合酶在生物、制药、化工或食品领域中的应用。
本发明的有益效果：本发明通过构建重组大肠杆菌，获得具有高酶活的腈水合酶菌株，重组腈水合酶的纯酶比酶活达397.35U/mg，且获得的重组腈水合酶热稳定性更好，在60℃处理6个小时，仍能维持60％的酶活，更适合应用于工业生产。将构建的重组菌株高密度发酵，以烟腈和丙烯腈作为底物，进行全细胞催化反应制备烟酰胺，烟酰胺的产量达440g/L。此法与玫瑰色红球菌Rhodococcus rhodochrous J1催化生成烟酰胺相比，终产物烟酰胺的产率达95％以上，且简化了产物的分离纯化步骤，发酵周期短，生产效率高。
附图说明
图1：温泉热碱芽孢杆菌来源的腈水合酶全基因片段，其中M为DNA分子量标准(250-10000bp)，1为腈水合酶全基因片段。
图2：温泉热碱芽孢杆菌来源的腈水合酶全基因片段插入质粒pET24a(+)，其中M为DNA分子量标准(250-10000bp)，1为重组质粒pET24a-Cal.t NHase。
图3：Cal.t NHase蛋白表达的SDS-PAGE电泳图，其中M为蛋白分子量标准(6.5-200KDa)，1为大肠杆菌BL21pET24a(+)对照菌的细胞破碎液上清。
图4：重组腈水合酶在60℃下处理不同时间后的相对酶活。
图5：全细胞催化生产烟酰胺示意图。
图6：全细胞催化生产丙烯酰胺示意图。
具体实施方式
细胞密度：UV-1800PC型紫外可见分光光度计测量OD 600，根据吸光值和OD的关系换算，换算关系：1g/L＝0.3683OD 600。
酶活的定义和检测方法：
酶活的定义(U)：每分钟转化烟腈生成1μmol/L烟酰胺所需的酶量定义为1U。
比酶活(U/mg)：每毫克NHase的酶活。
相对酶活的定义：突变酶在pH＝7.4，温度为35℃反应10分钟测得的酶活定义为100％。
测腈水合酶酶活的方法：底物为490μL 200mM的烟腈，加入浓度为0.5μg/μL的纯酶溶液10μL或OD＝10的菌液10μL在35℃的温度下反应10min后用500μL乙腈终止反应，并离心去除沉淀，取上清过0.22μm的膜后作为液相测定的样品。
烟酰胺或丙烯酰胺含量的检测：采用安捷伦1260进行HPLC检测，流动相为水乙腈缓冲液；检测波长210nm，流速为0.6mL/min；色谱柱为C18柱。
实施例1重组大肠杆菌BL21/pET24a-Cal.tNHase的构建
通过NCBI检索到Caldalkalibacillus thermarum TA2.A1来源的NHase基因序列，通过密码子在线优化网站Graphical Codon Usage Analyser进行优化，并在编码各亚基的基因之间加上间隔序列，具体为：将编码氨基酸序列SEQ ID NO.1的基因、SEQ ID NO.4所示的间隔序列、编码氨基酸序列SEQ ID NO.2的基因、SEQ ID NO.4所示的间隔序列和编码氨基酸序列SEQ ID NO.3的基因依次连接而成，得到腈水合酶的基因NHase，核苷酸序列如SEQID NO.5所示，其电泳结果如图1所示，由金唯智生物技术公司合成。
优化后的NHase序列中不含酶切位点，设计特异性引物P1、P2，划线部分分别为NdeⅠ和EcoR I限制性内切酶酶切位点。
表1引物表
P1 5'-TATA<u>CATATG</u>AATGGCATTCATGATTTAGG-3'
P2 5'-GCTC<u>GAATTC</u>TTAAAAAAACTCATCGC-3'
将温泉热碱芽孢杆菌来源的腈水合酶基因通过NdeⅠ和EcoR I双酶切后连接到用同样限制性内切酶酶切的表达载体pET 24(+)上，获得重组质粒pET 24-Cal.t NHase；将重组质粒转化大肠杆菌BL21，筛选获得重组大肠杆菌BL21/pET24-Cal.t NHase。
将重组质粒pET 24-Cal.t NHase用通用引物T7和T7-term进行片段PCR，PCR结果如图2所示。
实施例2腈水合酶的表达
将重组大肠杆菌BL21/pET24-Cal.t NHase接种于5mL卡那霉素浓度为100μg/mL的LB培养基，37℃、200r/min振荡过夜培养。将上述过夜培养物按1％的接种量接种于含卡那霉素浓度为100μg/mL的LB培养基，37℃、200r/min振荡培养至菌液OD600至0.6-0.8，加入IPTG至终浓度0.4mmol/L，20℃诱导培养16-20h，收集菌体超声破碎，通过Tris-tricineSDS-PAGE方法分析鉴定腈水合酶重组蛋白表达水平，结果如图3所示。通过超声破碎，12000rpm离心60min，用亲和层析柱Strep Trap FF纯化蛋白，重组腈水合酶的纯酶的比酶活为397.35U/mg。
实施例3 Cal.t NHase热稳定性分析
将浓度为0.5mg/mL的纯酶置于60℃处理，取样，测定残余酶活。规定0时刻的酶活为100％。如图4所示，在60℃处理6个小时，仍能维持60％的酶活。而工业上目前最常用的腈水合酶是来源于玫瑰色红球菌Rhodococcus rhodochrous J1的H-NHase，其在60℃下半衰期为1个小时。
实施例4全细胞催化法生产烟酰胺
将培养后的菌液离心收集，水洗后再次离心收集。调整温度为25-28℃，烟腈以0.4mol/L的终浓度加入到OD600＝8的菌液中，并不断搅拌，当批底物反应完毕后再加入下一批底物，用HPLC检测反应液中各成分的含量，计算得到烟酰胺的浓度为440g/L，如图5所示。
实施例5全细胞催化法生产丙烯酰胺
将高密度发酵后的菌液离心收集，水洗后再次离心收集。调整温度为25-28℃，丙烯腈以40g/L的终浓度加入到OD600＝8的发酵液中，并不断搅拌，当批底物反应完毕后再加入下一批底物，用HPLC检测反应液中各成分的含量，计算得到丙烯酰胺的浓度为374.5g/L，如图6所示。
虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人，在不脱离本发明的精神和范围内，都可做各种的改动与修饰，因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。
SEQUENCE LISTING
<110> 江南大学
<120> 一株异源表达耐热腈水合酶的大肠杆菌重组菌及其应用
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210 215 220
His Met Lys Asp Asn Asn Lys Val His His His His Pro His Pro Glu
225 230 235 240
Ser Phe Trp Ser Ala Arg Ala Lys Ala Leu Glu Ser Leu Leu Ile Glu
245 250 255
Lys Gly Ile Leu Ser Ser Asp Ala Ile Asp Arg Val Val Gln His Tyr
260 265 270
Glu His Glu Leu Gly Pro Met Asn Gly Ala Lys Val Val Ala Lys Ala
275 280 285
Trp Thr Asp Pro Ala Phe Lys Gln Arg Leu Leu Glu Asp Pro Glu Thr
290 295 300
Val Leu Arg Glu Leu Gly Tyr Tyr Gly Leu Gln Gly Glu His Ile Arg
305 310 315 320
Val Val Glu Asn Thr Asp Thr Val His Asn Val Val Val Cys Thr Leu
325 330 335
Cys Ser Cys Tyr Pro Trp Pro Leu Leu Gly Leu Pro Pro Ala Trp Tyr
340 345 350
Lys Glu Pro Thr Tyr Arg Ser Arg Ile Val Lys Glu Pro Arg Lys Val
355 360 365
Leu Arg Glu Glu Phe Gly Leu Asp Leu Pro Asp Thr Val Glu Ile Arg
370 375 380
Val Trp Asp Ser Ser Ser Glu Met Arg Tyr Met Val Leu Pro Gln Arg
385 390 395 400
Pro Glu Gly Thr Glu Gly Met Thr Glu Glu Glu Leu Ala Lys Ile Val
405 410 415
Thr Arg Asp Ser Met Ile Gly Val Ala Lys Val Gln Pro Ser Ser Val
420 425 430
Thr Val Arg Met Glu Lys Asn Cys Val Ser Gln Ser Val Asp Ser Lys
435 440 445
Ile Ala Tyr Leu Pro Glu Ser Ala Ala Pro Pro Arg Lys Asn Gly Glu
450 455 460
Leu Val Phe Glu Glu Pro Trp Glu Arg Arg Ser Phe Gly Met Ala Leu
465 470 475 480
Ala Leu Tyr Glu Glu Lys Arg Tyr Thr Ser Trp Asp Asp Phe Arg Thr
485 490 495
Arg Leu Ile Gln Glu Ile Ala Lys Trp Glu Ser Ser Glu Asn Gln Asp
500 505 510
Lys Leu Asp Trp Asn Tyr Tyr Glu His Trp Leu Ala Ala Leu Glu Gln
515 520 525
Leu Val Val Glu Thr Gly Met Ile Asp Lys His Asp Ile Asp Ala Arg
530 535 540
Thr Lys Glu Phe Leu Ser Gly Glu Arg Asp Glu Phe Phe
545 550 555
<210> 7
<211> 30
<212> DNA
<213> 人工合成
<400> 7
tatacatatg aatggcattc atgatttagg 30
<210> 8
<211> 27
<212> DNA
<213> 人工合成
<400> 8
gctcgaattc ttaaaaaaac tcatcgc 27

Claims (3)

1.一种生产烟酰胺或丙烯酰胺的方法，其特征在于，以异源表达腈水合酶的重组大肠杆菌为发酵菌株，所述腈水合酶来源于温泉热碱芽孢杆菌(Caldalkalibacillusthermarum)TA2.A1；所述腈水合酶的基因是由编码氨基酸序列SEQID NO.1的基因、SEQ ID NO.4所示的间隔序列、编码氨基酸序列SEQ ID NO.2的基因、SEQID NO.4所示的间隔序列和编码氨基酸序列SEQ ID NO.3的基因依次连接而成；所述方法包括以烟腈或丙烯腈作为底物，利用所述重组大肠杆菌作为全细胞催化剂催化所述底物转化生产烟酰胺或丙烯酰胺；所述方法为：
以烟腈为底物，在25-28℃，以0.4-1mol/L的终浓度将烟腈与OD600为8的所述异源表达腈水合酶的重组大肠杆菌菌液混合，当底物消耗完毕后再加入下一批底物，制备烟酰胺；
或，以丙烯腈为底物，在25-28℃，以30-100g/L的终浓度将丙烯腈与OD600为8的所述异源表达腈水合酶的重组大肠杆菌菌液混合，当底物消耗完毕后再加入下一批底物，制备丙烯酰胺。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述腈水合酶以pET系列载体为表达载体，转化至大肠杆菌BL21，获得所述异源表达腈水合酶的重组大肠杆菌。
3.权利要求1或2所述方法在生物、制药、化工、石油、造纸、采矿、纺织、或食品领域制备烟酰胺或丙烯酰胺中的应用。
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