CN110592038B - 一种生产丹参素的工程菌及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种生产丹参素的工程菌及方法,属于生物工程技术领域。本发明构建了一种新型的双酶共表达基因工程菌,该菌可应用于光学纯的丹参素的生产。本发明选择的(D/L)‑α‑羟基羧酸脱氢酶均具有底物专一性差,光学专一性强的特点,可生产光学纯的R‑丹参素和S‑丹参素。利用本发明的重组菌转化生产丹参素的方法,过程简单且原料易得,杂质少,具有重要的工业应用价值。

Description

一种生产丹参素的工程菌及方法
技术领域
本发明涉及一种生产丹参素的工程菌及方法,属于生物工程技术领域。
背景技术
提取自丹参的丹参素,学名R-(+)-3-(3,4-二羟基苯基)-2-羟基丙酸、D-(+)-β-(3,4-二羟基苯基)乳酸,英文名为:Danshensu、D-DSS、R-DSS、(R)-(+)-3-(3,4-Dihydroxyphenyl)-lactic acid、(R)-(+)-3-(3,4-Dihydroxyphenyl)-2-hydroxypropanoic acid,是一种右旋酚酸类化合物。目前不存在天然的左旋丹参素。
丹参素是丹参水提液中的重要有效成份,国内于1980年从丹参水提液中得到并鉴定了结构(丹参水溶性有效成分的研究,Ⅱ.D(+)β(3,4-二羟基苯基)乳酸的结构,上海第一医学院学报,1980,05(7),384-385),各种研究表明丹参素具有重要的药理药效作用,在心脑血管疾病的治疗等方面具有独特治疗作用。
当前丹参素主要从丹参中提取得到(专利CN200810038853.9)。丹参素在丹参中的含量较低,并且丹参素种植成本高且产量有限,因此当前丹参素不仅价格高而且远远无法满足市场的需求。专利CN201310559498.0提出了一种构建大肠杆菌基因工程菌利用葡萄糖发酵产丹参素的方法,由于合成代谢途径涉及利用羟基化酶,该酶很容易使代谢过程产物氧化而影响丹参素的产率,同时由于大肠杆菌发酵是高耗氧过程,也会氧化丹参素,因此当前该方法产率较低,成本将会高于植物提取过程。专利CN201210190171.6提出了水解丹酚酸B生产丹参素的方法,丹酚酸B需从丹参提取,并且化学水解过程有大量副反应,同样不适用于规模化生产。手性合成丹参素(专利CN201210420488.4)的催化剂极为昂贵,当前也仅停留在实验室水平。
早在1988年Roth等人提出了先以化学法处理左旋多巴得到对应的3,4-二羟基苯丙酮酸,再酶法合成S-(+)-3-(3,4-二羟基苯基)-2-羟基丙酸(S-DSS,L-DSS)的方法(Enzymatic Synthesis of(S)-(-)-3-(3,4-Dihydroxyphenyl)lactic Acid,Arch.Pharm.321,179-180(1988))。Z.Findrik,等人采用蛇毒氨基酸氧化酶将左旋多巴转化成3,4-二羟基苯丙酮酸,然后再用D-乳酸脱氢酶还原生成D-(3,4-二羟基苯基)乳酸(Modelling and Optimization of the(R)-(+)-3,4-dihydroxyphenyllactic AcidProduction Catalyzed with D-lactate Dehydrogenase from Lactobacillusleishmannii Using Genetic Algorithm,Chem.Biochem.Eng.Q.19(4)351–358(2005))。这两种方法制备3,4-二羟基苯丙酮酸中间体的成本较高,且操作复杂,需要使用葡萄糖或其它供氢体,增加了工业应用的成本,提高了催化反应的复杂性。
发明内容
基于目前各种方法的缺陷,本发明提了了一种光学纯的丹参素的生产方法,并构建了多酶共表达的工程菌,实现了丹参素的生产。本发明所要解决的技术问题是提供一种能低成本生产丹参素的重组菌。同时本发明要解决该菌株的构建和应用的技术问题。
本发明的第一个目的是提供能低成本生产光学纯丹参素的重组菌;所述重组菌同时表达2种酶,分别为α-羟基羧酸脱氢酶和L-苯丙氨基酸脱氢酶。
在一种实施方式中,所述α-羟基羧酸脱氢酶为D型α-羟基羧酸脱氢酶,来自Lactobacillus plantarum ATCC 14917、Clostridium sporogenes DSM 795或者Lactobacillus fermentum ATCC14931。
在一种实施方式中,所述α-羟基羧酸脱氢酶为L型α-羟基羧酸脱氢酶,来自Bacillus coagulans DSM 1、Trypanosoma cruzi ATCC 30013或者Lactobacillusfermentum ATCC 14931。
在一种实施方式中,所述α-羟基羧酸脱氢酶为D-α-羟基羧酸脱氢酶,其氨基酸序列是NCBI上accession NO.为WP_003643296.1、AKJ91234.1、或EEI22188.1的序列;α-羟基羧酸脱氢酶为L-α-羟基羧酸脱氢酶,其氨基酸序列是NCBI上accession NO为WP_013858488.1、AAF36775.1或WP_035430779.1的序列。
在一种实施方式中,D-α-羟基羧酸脱氢酶的核苷酸序列是NCBI上accession NO.为NZ_GL379761REGION:COMPLEMENT(533562..534560)、CP011663REGION:complement(3702744..3703739)、ACGI01000078REGION:20793..21791的序列;L-α-羟基羧酸脱氢酶的核苷酸序列是NCBI上accession NO.为NZ_ATUM01000014REGION:39316..40254、AF112259.1、NZ_GG669901REGION:45517..46470的序列。
在一种实施方式中,所述L-苯丙氨酸脱氢酶突变体的核苷酸序列是SEQ ID NO:1、SEQ ID NO:2、SEQ ID NO:3。
本发明的第二个目的是提供一种生产丹参素的方法,所述方法是利用本发明的重组菌进行全细胞转化生产。
在一种实施方式中,所述全细胞转化生产的体系中,包括细胞湿重为1-200g/L,左旋多巴1-200g/L,NAD 0-1g/L,pH 6.0-9.0;于15-40℃反应,时间1-48小时。
本发明的第三个目的是提供一种L-苯丙氨酸脱氢酶,其氨基酸序列如SEQ ID NO:2、SEQ ID NO:4或SEQ ID NO:6所示。
本发明还要求保护编码所述L-苯丙氨酸脱氢酶的基因,携带所述基因的载体,及表达所述L-苯丙氨酸脱氢酶的细胞。
有益效果:
本发明构建了一种新型的双酶共表达基因工程菌,该菌可应用于光学纯的丹参素的生产。本发明选择的(D/L)-α-羟基羧酸脱氢酶均具有底物专一性差,光学专一性强的特点,可生产光学纯的R-丹参素和S-丹参素,e.e%>99.9。利用本发明的重组菌转化生产丹参素的方法,过程简单且原料易得,具有良好的工业化应用前景。
附图说明
图1为pH对丹参素产量的影响图。
具体实施方式
本发明的工程菌的功能核心在于可以同时表达2种酶,分别为L-苯丙氨基酸脱氢酶和α-羟基羧酸脱氢酶。其原理为:在工程菌全细胞内,L-苯丙氨脱氢酶以NAD为辅酶将左旋多巴脱氢生成3,4-二羟基苯丙酮酸和NADH;α-羟基羧酸脱氢酶利用脱氢过程生成的NADH将3,4-二羟基苯丙酮酸还原成丹参素、同时实现了辅酶NAD的再生。
为解决上述技术问题,本发明采用的技术方案如下:
1.本发明所涉及的菌株及质粒
购自美国菌种保藏中心ATCC的Lactobacillus plantarum ATCC 14917、Lactobacillus fermentum ATCC 14931、Escherichia coli BL21(DE3)、Trypanosomacruzi ATCC 30013。购自德国微生物菌种保藏中心DSMZ的Bacillus coagulans DSM 1、Clostridium sporogenes DSM795。购自Novagen公司的pETDuet-1、pACYCDue-1、pCOLADuet-1、pRSFDuet-1质粒和Escherichia coli BL21(DE3)。
2.酶的选择
(1)α-羟基羧酸脱氢酶的选择
根据最适底物的情况,α-羟基羧酸脱氢酶包含有乳酸脱氢酶、α-羟酸异己酸脱氢酶、扁桃酸脱氢酶、乙醛酸还原酶等,这些酶能广泛作用于多种底物生成α-羟基羧酸,通常根据其最适作用的底物来命名。本发明从中选择光学性强且对3,4-二羟基苯丙酮酸具有较强活性的酶,用于D或L丹参素的生产。从Lactobacillus plantarum ATCC 14917、Clostridium sporogenes DSM 795、Lactobacillus fermentum ATCC 14931中分别克隆得到D型α-羟基羧酸脱氢酶基因lpldhd、csldhd、lfldhd,其氨基酸序列是NCBI上accessionNO.为WP_003643296.1、AKJ91234.1、EEI22188.1的序列。从Bacillus coagulans DSM 1、Trypanosoma cruzi ATCC 30013、Lactobacillus fermentum ATCC 14931中分别克隆得到L型α-羟基羧酸脱氢酶基因bcldhl、tcldhl、lfldhl,其氨基酸序列是NCBI上accession NO为WP_013858488.1、AAF36775.1、WP_035430779.1的序列。
(2)L-苯丙氨酸脱氢酶的选择
含有L-苯丙氨酸脱氢酶基因的菌株不多,并且报道均不能以左旋多巴为底物脱氢,本发明以来源于Bacillus sphaericus的L-苯丙氨酸脱氢酶(NCBI上氨基酸序列的accession NO为BAA08816.1,Phenylalanine dehydrogenase of Bacillus badiusPurification,characterization and gene cloning,Eur.J.Biochem.168,153-159(1987))为基础,其DNA进行根据大肠杆菌宿主优化并全合成获得基因bspde,并进行随机突变。
3.酶的随机突变高通量筛选
按照生产商提供的使用说明书,用GeneMorph II Random Mutagenesis试剂盒对目标片段进行易错PCR随机突变。扩增体系为:10×Mutazyme II reaction buffer 5μl、模板DNA 1μL、sample primers(125ng/μl of each primer)1μL、40mM dNTP mix(200μM eachfinal)1μL、Mutazyme II DNA polymerase(2.5U/μl)1μL、ddH2O 41μL。扩增程序为:95℃,2min;95℃,30sec;55℃,30sec;72℃,2min,共30个循环;72℃,10min。
将产生的PCR产物和质粒pET28a质粒进行双酶切。酶切体系为:10×cut buffer 5μL,DNA10μL,限性内切酶1和限制性内切酶2各1μL,无菌水33μL。将pET28a质粒和PCR产物于37℃水浴下双酶切1h。
然后分别回收酶切产物,并于16℃水浴下连接12h-16h,连接体系为:10×DNAligase buffer 2.5μL,DNA片段8μL,载体DNA 2μL,T4 DNA ligase 1μL,无菌水11.5μL共25μL。随后在连接体系中加入100μL大肠杆菌BL21感受态细菌,轻混匀,冰浴30min。放入预热的42℃水浴中,放置90s进行热休克处理。立即冰浴2min。加入1mL不含抗生素的LB培养液,37℃培养1h使菌体复苏。最后将菌体均匀涂布在含氨苄青霉素的LB平板上,培养24h。
将平板上所有转化子挑到每孔含1ml LB液体培养基(100μg/ml氨苄青霉和0.2mmol/L IPTG)的96深孔板中,放置于多孔板震荡培养箱中,37℃,900r/min培养10小时,从而完成整个突变库的构建。
诱导表达结束后,在96孔板中加入20mg/mL蜗牛酶10μL,37℃保温1h。然后取0.5mL破壁液重新放于96孔板中,添加50μl 28g/L的3,4-二羟基苯丙酮酸,辅酶NADH 0.8mM,检测还原型辅酶NAD在340nm下的数值降低斜率,斜率越大酶活越高。整个过程在Enspire多标记检测系统酶标仪中自动完成。
经过粗筛后将活性高的酶表达并纯化,采用纯酶测定其活性。苯丙氨酸脱氢酶活力测定:3ml反应体积中左旋多巴1mM、NAD 0.12mM、pH8、温度35℃,340nm测定NADH的增加速率。比酶活(U mg-1)定义为每mg酶所具有的酶活力单位,一个酶活力单位(U)定义为1min生成1μmol NADH所需的酶量。
4.共表达体系的构建及细胞的培养
目前大肠杆菌多基因共表达有多种方法(大肠杆菌多基因共表达策略,中国生物工程杂志,2012,32(4):117-122),本发明采用刘向磊(合成生物学技术改造大肠杆菌生产莽草酸及白藜芦醇,2016,上海医药工业研究院,博士论文)所述方法构建,每个基因前均包含T7启动子和RBS结合点,理论上来讲因为每个基因前都有T7和RBS,因此基因的表达强度受排列次序的影响不大。每个质粒上包含两个基因,将构建好的质粒热转导入大肠杆菌感受态细胞中,并涂布于抗生素固体平板上,筛选得到阳性转化子,即得到重组大肠杆菌。细胞的培养:根据经典的重组大肠杆菌培养及诱导表达方案,将重组大肠杆菌按体积比为2%的量转接到LB发酵培养基(蛋白胨10g/L、酵母粉5g/L、NaCl 10g/L)中,当细胞OD600达到0.6-0.8后,加入终浓度为0.4mM的IPTG,在20℃诱导表达培养8h。诱导表达结束后,20℃、8000rpm、20分钟离心收集细胞。
5.全细胞转化生产光学纯丹参素
细胞转化生产的体系为:细胞湿重为1-200g/L,左旋多巴浓度为1-200g/L,0-1g/LNAD,pH 4.0-9.0,于15-40℃反应,时间1-48小时。转化结束后液相色谱测定丹参素产量及构型。左旋多巴溶解度较低,高浓度情况下是含有不溶物的混悬液。
6.样品的检测分析
丹参素定量分析:转化液采用PerkinElmer Series 200高效液相色谱仪检测分析,配紫外检测器。色谱条件为:流动相是甲醇-0.1%甲酸水(40:60)、采用汉邦Megres C18色谱柱(4.6×250mm,5μm),流速1ml/min、柱温30℃、进样量20μl、280nm。
手性分析:PerkinElmer Series 200高效液相色谱仪检测分析,配示紫外检测器,Chiralcel OD-H手性柱(4.6×250mm),流动相体积比为正己烷:异丙醇:三氟乙酸=80:20:0.1,流速为0.5mL/min,柱温25℃,进样量20μL,检测波长280nm。
丹参素溶解度较低,转化过程如有结晶析出,则稀释后测定。
丹参素的光学纯度通过对映体过量值(%e.e)来评价。
当生产R-丹参素时,
对映体过量值%e.e=[(SR-SS)/(SR+SS)×100%]
当生产S-丹参素时,
对映体过量值%e.e=[(SS-SR)/(SR+SS)×100%]
式中SS为转化液中S-丹参素的峰面积,SR为转化液中R-丹参素的液相色谱峰面积。
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白,以下结合实施例,对本发明进行详细的说明。应当说明的是,此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。
实施例1
L-苯丙氨酸脱氢酶的筛选:按照前述酶的随机突变高通量筛选方法,采用易错PCR及高通量筛选平台得到三个多巴脱氢的最佳的突变体bspde1、bspde2、bspde3,并进行测序。bspde1、bspde2、bspde3的氨基酸序列分别如SEQ ID NO:2、SEQ ID NO:4、SEQ ID NO:6所示,编码这3个突变体的基因的核苷酸序列分别如SEQ ID NO:1、SEQ ID NO:3、SEQ IDNO:5所示。测得L-苯丙氨脱氢酶三个突变体对左旋多巴脱氢的比酶活(即以左旋多巴为底物、NAD为辅酶,脱氢生成3,4-二羟基苯丙酮酸)分别为20.2、18.9、6.4U/mg。以NCBI上氨基酸序列的accession NO为BAA08816.1的L-苯丙氨酸脱氢酶为对照,在相同条件下测定,对照酶对左旋多巴脱氢的比酶活为0。
实施例2
重组大肠杆菌构建:首先将编码α-羟基羧酸脱氢酶和L-苯丙氨酸脱氢酶的基因,连接到质粒上。得到双基因共表达重组质粒,将质粒转化大肠杆菌Escherichia coli BL21(DE3),利用抗生素平板筛选得到阳性转化子,即得到重组大肠杆菌。
将重组大肠杆菌诱导表达完成后收集菌体,于100ml反应体系中,细胞终浓度为80g/L,反应体系中含有1g/L NAD、20g/L左旋多巴,pH 8.0,于35℃反应,摇床转速50转/分钟,时间12小时。转化结束后液相色谱测定丹参素产量及构型。
分别将表1的重组菌用于上述转化体系中,结果如表1所示。
表1各种重组菌的丹参素产量比较
Figure GDA0002882648730000061
Figure GDA0002882648730000071
实施例3
根据实施例1所述诱导表达方法,将Escherichia coli BL21(DE3)/pETDuet-1-csldhd-bspde2诱导表达完成后收集菌体,于100ml反应体系中,细胞终浓度100g/L,左旋多巴1g/L,pH 9.0,温度为40℃,摇床转速50转/分钟;转化时间1小时。测定结果,S-丹参素浓度为821mg/L,e.e%>99.9。
实施例4
根据实施例1所述诱导表达方法,将Escherichia coli BL21(DE3)/pETDuet-1-csldhd-bspde2菌株诱导表达完成后收集菌体,于100ml反应体系中,细胞终浓度200g/L,左旋多巴200g/L,pH 8.5,温度为25℃,NAD 1g/L,摇床转速50转/分钟;转化时间48小时。将沉淀全部稀释溶解,测定结果,R-丹参素浓度为188.3g/L,e.e%>99.9。
实施例5
根据实施例1所述诱导表达方法,将Escherichia coli BL21(DE3)/pETDuet-1-csldhd-bspde2菌株诱导表达完成后收集菌体,于100ml反应体系中,细胞终浓度100g/L,左旋多巴10g/L,pH 7,温度为15℃,NAD 0g/L,摇床转速50转/分钟;转化时间48小时。将沉淀全部稀释溶解,测定结果,R-丹参素浓度为9.2g/L,e.e%>99.9。
实施例6
根据实施例1所述诱导表达方法,将Escherichia coli BL21(DE3)/pRSFDuet-1-tcldhl-bspde2菌株诱导表达完成后收集菌体,于100ml不同pH的反应体系中,细胞终浓度10g/L,左旋多巴20g/L,NAD 0.5g/L,温度为15℃,摇床转速50转/分钟;转化时间12小时。pH的影响如图1所示。在pH为6~8.5时,产量大于17g/L,最高可达19.2g/L。不同pH下S-丹参素的e.e%>99.9。
实施例7
实验过程中发现bspde的突变体具有对其它氨基酸进行脱氢的能力,因此测试了几种工程菌对部分天然氨基酸的转化,结果如表2所示,表中所有氨基酸均为L型。
如实施例1构建重组大肠杆菌,将重组大肠杆菌诱导表达完成后收集菌体,于100ml反应体积中,细胞湿重为200g/L,1g/L NAD、底物浓度为30g/L(相关底物如表2所示,酪氨酸溶解度很小,可以边溶解边反转化),pH 8.5,于35℃反应,摇床转速50转/分钟,时间48小时。转化结束后液相色谱测定产物产量及构型。
表2其它底物的转化结果
Figure GDA0002882648730000091
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> 一种高效生产丹参素的工程菌及方法
<160> 6
<170> PatentIn version 3.3
<210> 1
<211> 1140
<212> DNA
<213> 人工序列
<400> 1
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Claims (10)

1.一种L-苯丙氨酸脱氢酶,其特征在于,氨基酸序列如SEQ ID NO:2、SEQ ID NO:4或SEQ ID NO:6所示。
2.编码权利要求1所述L-苯丙氨酸脱氢酶的基因。
3.携带权利要求2所述基因的载体或表达权利要求1所述L-苯丙氨酸脱氢酶的细胞。
4.一种基因工程菌,其特征在于,表达α-羟基羧酸脱氢酶和权利要求1所述的L-苯丙氨基酸脱氢酶。
5.根据权利要求4所述的基因工程菌,其特征在于,所述α-羟基羧酸脱氢酶为D型α-羟基羧酸脱氢酶,来自Lactobacillus plantarum ATCC 14917、Clostridium sporogenesDSM 795或者Lactobacillus fermentum ATCC 14931。
6.根据权利要求4所述的基因工程菌,其特征在于,所述α-羟基羧酸脱氢酶为L型α-羟基羧酸脱氢酶,来自Bacillus coagulans DSM 1、Trypanosoma cruzi ATCC 30013或者Lactobacillus fermentum ATCC 14931。
7.一种生产丹参素的方法,其特征在于,以权利要求4~6任一所述的基因工程菌为细胞催化剂,全细胞转化生产丹参素。
8.根据权利要求7所述的方法,其特征在于,所述全细胞转化体系中含有1-200g/L细胞,1-200g/L左旋多巴,0-1g/L NAD。
9.根据权利要求7或8所述的方法,其特征在于,所述转化是在15-40℃反应1-48小时。
10.权利要求1所述的L-苯丙氨酸脱氢酶或权利要求4~6任一所述的基因工程菌在生物法制备含丹参素的产品中的应用。
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