CN114807246A - 一种生产手性醇的方法 - Google Patents

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范敏华
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Abstract

本发明涉及医药化工技术领域,具体涉及一种生产手性醇的方法,所述方法包括采用酮还原酶突变体催化潜手性酮类化合物进行还原反应生产所述手性醇,其中所述酮还原酶突变体为SEQ ID NO:1或与SEQ ID NO:1具有80%以上同一性的氨基酸序列。采用本发明中的方法能够高效生产手性醇,且立体选择性较高,利于工业化生产。

Description

一种生产手性醇的方法
技术领域
本发明涉及医药化工技术领域,具体涉及一种生产手性醇的方法。
背景技术
酮还原酶是一种多用途催化剂,通过醛或酮的对映体选择性还原成对应醇。(R)特异性酮还原酶与(S)特异性酮还原酶具有不同特性,并且这些催化剂在光学活性醇的合成中被频繁使用。在酮还原酶催化的反应中,需要辅因子的参与,包括还原型的烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NADH),还原型的烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADPH),氧化型的烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD+),氧化型的烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADP+)。
(R)-4-氯-3-羟基丁酸乙酯(Ethyl 4-chloro-3-hydroxybutanoate,(R)-CHBE)作为一种重要的有机中间体,具有如下结构:
Figure BDA0003570283180000011
其可用于很多医药的合成,如L-肉碱(L-carnitine)和R-Y-氨基-β-羟基丁酸(GABOB)等。
目前,关于酮还原酶不对称还原制备(R)-CHBE主要有两种方法,即化学法和生物法。化学法是使用催化剂铑、钌等金属,需要一定的氢气压进行不对称还原,其产物的光学纯度较低。
而生物法具有反应条件温和,专一性强,转化率高等优点,因此受到广泛关注。日本学者Kataoka等人对来源于Sporobolomyces salmonicolor的酮还原酶进行相关研究,对该酶进行了异源表达,最终催化4-氯-乙酰乙酸乙酯的浓度高达0.3kg/L,手性纯度在91%-93%。中国专利申请CN103160547A将来源于Candida albicans的醇脱氢酶不对称还原4-氯乙酰乙酸乙酯,以静息细胞为催化剂,NADH为辅因子,催化制备(R)-CHBE,其催化底物浓度为25-50g/L,底物转化率偏低。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题,本发明提供了一种酶活提高的酮还原酶突变体及其应用。
根据本发明的一个方面,提供一种生产手性醇的方法。所述方法包括采用酮还原酶催化潜手性酮类化合物进行还原反应生产手性醇的步骤,所述酮还原酶为上述任一种的酮还原酶突变体。由于本发明的上述酮还原酶突变体具有很好的活力特性,因而利用本发明的酮还原酶突变体制备的手性醇可以提高反应速率,提高底物浓度,减少酶用量,降低后处理的难度。
进一步地,手性酮类化合物具有如下式I结构:
Figure BDA0003570283180000021
其中R’和R”各自独立地为烷基、烷芳基、烷杂芳基、环烷基、芳基或杂芳基,或者R’和R”与羰基上的碳共同形成杂环基、碳环基或杂芳基,所述杂环基和杂芳基中的杂原子各自独立地选自氮、氧和硫中的至少一种,所述烷芳基中的芳基、芳基中的芳基、烷杂芳基中的杂芳基、杂芳基中的杂芳基、碳环基中的碳环基或杂环基中的杂环基各自独立地未被取代或被卤素、烷氧基、硝基或烷基中的至少一个基团所取代。
优选的,R’和R”各自独立地为C1~C8烷基、C5~C10环烷基、C5~C10芳基或C5~C10杂芳基,或者R’和R”与羰基上的碳共同形成C5~C10杂环基、C5~C10碳环基或C5~C10杂芳基,所述C5~C10杂环基和C5~C10杂芳基中的杂原子各自独立地选自氮、氧和硫中的至少一种,所述C5~C10芳基中的芳基、C5~C10杂芳基中的杂芳基、C5~C10碳环基中的碳环基或C5~C10杂环基中的杂环基各自独立地未被取代或被卤素、烷氧基、硝基或烷基中的至少一个基团所取代。
优选地,所述酮类化合物的结构式如式I-1所示:
Figure BDA0003570283180000031
其中R1或R2选自氢、卤素、C1~C8烷基、C5~C10环烷基、C5~C10芳基或C5~C10杂芳基,其中所述烷基、环烷基、芳基或杂芳基各自独立地未被取代或被卤素、烷氧基、硝基或烷基中的至少一个基团所取代;R3选自氢、卤素、C1~C3烷基。
更优选地,所述酮类化合物为
Figure BDA0003570283180000032
进一步地,采用酮还原酶对酮类化合物进行还原反应生产手性醇的反应体系中还包括辅酶、辅酶再生体系和缓冲液。
进一步地,反应体系中酮类化合物的浓度为1g/L~200g/L。
进一步地,反应体系的pH值为5.0~9.0,反应体系的反应温度为4~60℃。
进一步地,辅酶为NADH、NADPH或NAD+。
进一步地,辅酶再生体系选自但不限于以下几种:一是异丙醇,辅酶NADH或NAD+;二是葡萄糖(示例性的如D-葡萄糖),辅酶NADH或NAD+,葡萄糖脱氢酶(GDH);三是甲酸根化合物(示例性的如甲酸盐),辅酶NADH或NAD+,甲酸脱氢酶(FDH)。在使用纯化的酮还原酶的一些实施方式中,此类辅因子和任选地此类辅因子再生系统,通常与底物和酮还原酶一起添加到反应介质中。与酮还原酶类似,包含辅因子再生系统的任何酶可以是此类细胞的提取物或溶解产物形式,或作为纯化的酶加入反应混合物中。在使用细胞提取物或细胞溶解产物的实施方案中,用于产生提取物或溶解产物的细胞可以是表达仅含有辅因子再生系统或含有辅因子再生系统和酮还原酶的酶。在使用全细胞的实施方案中,该细胞可以表达含有辅因子再生系统和酮还原酶的酶。
进一步优选的,不论用全细胞、细胞提取物或纯化的酮还原酶,可以使用单一酮还原酶,或可选地,可使用两种或更多种酮还原酶的混合物。
进一步地,缓冲液为磷酸缓冲液、Tris-HCl缓冲液、巴比妥钠-HCl缓冲液或柠檬酸-柠檬酸钠缓冲液。
根据本发明的另一个方面,提供了一种酮还原酶的突变体。所述酮还原酶突变体为:
MKALQYTEIGSVPVVVDVPTPAPGPGEILLKVTAAGLCHSDIFVMDMPAEQYIYGLPLTLGHEGVGRVAELGAGVTGFETGDAVAVYGPWGCGACHACARGRENYCTRAAELGITPPGLGSPGSMAEYMIVDSARHLVPIGDLDPVAAVPLTDAGLTPYHAISRVLPLLGPGSTAVVIGVGGLGHVGIQILRAVSAARVIAVDLDDDRLALAREVGADAAVKSGAGAADAIRELTGGEGATAVFDFVGAQSTIDTAQQVVAIDGHISVVGIHAGAHAKVGFFMIPFGASVVTPYWGTRSELMDVVDLARAGRLDIHTETFTLDEGPTAYRRLREGSIRGRGVVVPG(SEQ ID NO:1)所示氨基酸序列的突变体,突变位点包括T67。进一步的,所述酮还原酶的突变包括与SEQ ID NO:1具有80%以上同一性的氨基酸序列,且所述同一性序列含有突变位点T67;优选的,所述酮还原酶的突变包括与SEQ ID NO:1具有85%以上同一性的氨基酸序列,且所述同一性序列含有突变位点T67;进一步优选的,所述酮还原酶的突变包括与SEQ ID NO:1具有90%以上同一性的氨基酸序列,且所述同一性序列含有突变位点T67;更为优选的,所述酮还原酶的突变包括与SEQ ID NO:1具有95%以上同一性的氨基酸序列,且所述同一性序列含有突变位点T67;最优选的,所述酮还原酶的突变包括与SEQ ID NO:1具有98%以上同一性的氨基酸序列,且所述同一性序列含有突变位点T67。
本发明突变得到的突变体,可以以酮类化合物为原料,通过立体选择性的还原作用,高效生产手性醇,适合推广用于手性醇的工业生产。
进一步地,突变的位点还至少包括如下任一位点或两个及以上位点的组合:V14、I42、A97、G170、A242、I262和F286;或者所述酮还原酶突变体的氨基酸序列具有发生突变的氨基酸序列中的突变位点,且与发生突变的氨基酸序列具有95%以上同一性的氨基酸序列。进一步的,所述酮还原酶的突变包括与Y(为了方便描述,突变位点包括T67,且包括以下任一位点或两个及以上位点的组合:V14、I42、A97、G170、A242、I262、F286的突变体,定义为Y)具有80%以上同一性的氨基酸序列,且所述同一性序列含有突变位点T67,和V14、I42、A97、G170、A242、I262、F286中的一个或两个及以上突变位点的组合物;优选的,所述酮还原酶的突变包括与Y具有85%以上同一性的氨基酸序列,且所述同一性序列含有突变位点T67,和V14、I42、A97、G170、A242、I262、F286中的一个或两个及以上突变位点的组合物;进一步优选的,所述酮还原酶的突变包括与Y具有90%以上同一性的氨基酸序列,且所述同一性序列含有突变位点T67,和V14、I42、A97、G170、A242、I262、F286中的一个或两个及以上突变位点的组合物;更为优选的,所述酮还原酶的突变包括与Y具有95%以上同一性的氨基酸序列,且所述同一性序列含有突变位点T67,和V14、I42、A97、G170、A242、I262、F286中的一个或两个及以上突变位点的组合物;最优选的,所述酮还原酶的突变包括与Y具有98%以上同一性的氨基酸序列,且所述同一性序列含有突变位点T67,和V14、I42、A97、G170、A242、I262、F286中的一个或两个及以上突变位点的组合物。
优选地,突变的位点进一步还至少包括如下突变中的一个或两个以上的组合:V14E、I42L、A97H、G170R、A242L、I262A和F286S。进一步优选的,为了方便描述,突变位点包括T67,且包括以下任一位点或两个及以上位点的组合:V14E、I42L、A97H、G170R、A242L、I262A和F286S的突变体,定义为Y’。优选的,所述酮还原酶的突变包括与Y’具有80%以上同一性的氨基酸序列,且所述同一性序列含有突变位点T67,和V14E、I42L、A97H、G170R、A242L、I262A、F286S中的一个或两个及以上突变位点的组合物;优选的,所述酮还原酶的突变包括与Y’具有85%以上同一性的氨基酸序列,且所述同一性序列含有突变位点T67,和V14E、I42L、A97H、G170R、A242L、I262A、F286S中的一个或两个及以上突变位点的组合物;优选的,所述酮还原酶的突变包括与Y’具有90%以上同一性的氨基酸序列,且所述同一性序列含有突变位点T67,和V14E、I42L、A97H、G170R、A242L、I262A、F286S中的一个或两个及以上突变位点的组合物;更为优选的,所述酮还原酶的突变包括与Y’具有95%以上同一性的氨基酸序列,且所述同一性序列含有突变位点T67,和V14E、I42L、A97H、G170R、A242L、I262A、F286S中的一个或两个及以上突变位点的组合物;最优选的,所述酮还原酶的突变包括与Y’具有98%以上同一性的氨基酸序列,且所述同一性序列含有突变位点T67,和V14E、I42L、A97H、G170R、A242L、I262A、F286S中的一个或两个及以上突变位点的组合物。
优选的,
示例性地,所述酮还原酶的突变进一步包括如下任一种位点组合突变:V14E+I42L、V14E+A97H、V14E+G170R、V14E+A242L、V14E+I262A、V14E+F286S、V14E+I42L+A97H、V14E+I42L+G170R、V14E+I42L+A242L、V14E+I42L+I262A、V14E+I42L+F286S、V14E+I42L+A97H+G170R、V14E+I42L+A97H+A242L、V14E+I42L+A97H+I262A、V14E+I42L+A97H+F286S、V14E+I42L+A97H+G170R+A242L、V14E+I42L+A97H+G170R+I262A、V14E+I42L+A97H+G170R+F286S、V14E+I42L+A97H+G170R+A242L+I262A、V14E+I42L+A97H+G170R+A242L+F286S、V14E+I42L+A97H+G170R+A242L+I262A+F286S。
根据本发明的另一个方面,提供一种DNA分子。该DNA分子编码上述酮还原酶突变体或同一性序列。
根据本发明的另一个方面,提供一种重组质粒。该重组质粒连接有上述DNA分子。
本发明中所使用的术语“质粒”包括双链或单链线状或环状形式的任何质粒、粘粒、噬菌体或农杆菌二元核酸分子,优选为重组表达质粒,可以是原核表达质粒也可以是真核表达质粒,但优选原核表达质粒。
优选的,所述重组质粒选自pET-22a(+)、pET-22b(+)、pET-3a(+)、pET-3d(+)、pET-11a(+)、pET-12a(+)、pET-14b(+)、pET-15b(+)、pET-16b(+)、pET-17b(+)、pET-19b(+)、pET-20b(+)、pET-21a(+)、pET-23a(+)、pET-23b(+)、pET-24a(+)、pET-25b(+)、pET-26b(+)、pET-27b(+)、pET-28a(+)、pET-29a(+)、pET-30a(+)、pET-31b(+)、pET-32a(+)、pET-35b(+)、pET-38b(+)、pET-39b(+)、pET-40b(+)、pET-41a(+)、pET-41b(+)、pET-42a(+)、pET-43a(+)、pET-43b(+)、pET-44a(+)、pET-49b(+)、pQE2、pQE9、pQE30、pQE31、pQE32、pQE40、pQE70、pQE80、pRSET-A、pRSET-B、pRSET-C、pGEX-5X-1、pGEX-6p-1、pGEX-6p-2、pBV220、pBV221、pBV222、pTrc99A、pTwinl、pEZZ18、pKK232-18、pUC-18和pUC-19。
根据本发明的又一个方面,提供一种宿主细胞。所述宿主细胞含有上述任一重组质粒。
进一步地,宿主细胞包括原核细胞、酵母或真核细胞。
优选的原核细胞为细菌,例如革兰氏阴性菌或革兰氏阳性菌。更优选原核细胞为大肠杆菌BL21(DE3),BL21 Star(DE3),TunerTM(DE3),RosettaTM 2(DE3),BLR(DE3),NovaBlue(DE3),OrigamiTM(DE3),Origami B(DE3)。
本发明突变得到的突变体,可以以酮类化合物为原料,通过立体选择性地还原作用,高效生产手性醇,适合推广用于手性醇的工业生产。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解,本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明,并不构成对本发明的不当限定。在附图中:
图1示出了实施例4中野生型酶和突变体酶催化底物4-氯乙酰乙酸乙酯的转化率结果;
图2示出了实施例4中野生型在不同温度下酶催化产物的ee值结果;
图3示出了实施例4中突变体在不同温度下酶催化产物的ee值结果;
图4示出了实施例4中突变体的ee值图谱。
具体实施方式
为了更好地理解本发明的技术方案,下面结合具体的实施例对本发明的技术方案做进一步说明,所述实施例仅仅是帮助理解本发明,不应视为对本发明的具体限制。
需要说明的是,在不冲突的情况下,本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将结合实施例来详细说明本发明。
名称解释:
酮还原酶指能够将酮基还原为其对应的醇的多肽。具体地,本申请的酮还原酶多肽能够立体选择性地将酮化合物还原为相应的醇产物。该多肽通常利用辅因子还原型的烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NADH)或氧化型的烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD+)作为还原剂。在本申请中,酮还原酶包括天然存在的(野生型)酮还原酶以及由人工处理产生的非天然存在的酮还原酶突变体。
“天然存在的”或“野生型”与“突变体”相对,指在自然界中发现的形式。例如,天然存在的或野生型的多肽或多核苷酸序列是存在于生物体的序列,它可以从自然界中的来源中分离,并且没有被人工所特意地修饰或改变。
本申请中,涉及例如,细胞、核酸或多肽“重组”时,是指已经以自然界中未存在的方式进行修饰的,或与自然界中存在的形式相同,但是由合成材料和/或通过使用重组技术的处理制备或衍生而得到,或对应于天然或固有形式的细胞、核酸或多肽。其中,非限制性的实施包括在细胞中表达固有(非重组)形式之外的基因或以不同水平表达固有基因的重组细胞。
“序列同一性的百分比”是指多核苷酸之间的对比,并且通过跨比较窗比较两条最佳比对的序列来确定,其中,多核苷酸序列在比较窗中的部分与参考序列相比可以包括添加或缺失(即,空位),以用于两个序列的最佳比对。百分比可以如下计算:通过确定两个序列中出现相同的核酸碱基或氨基酸残基的位置的数目,以产生匹配位置的数目,将匹配位置的数目除以比较窗中位置的总数目,并将结果乘以100以得到序列同一性的百分比。可选地,百分比可以如下计算:通过确定两个序列中出现相同的核酸碱基或氨基酸残基与空白位置对齐的位置的数目,以产生匹配位置的数目,将匹配位置的数目除以比较窗中位置的总数目,并将结果乘以100以得到序列同一性的百分比。其中,“参考序列”指用作序列比较的基础的指定序列。参考序列可以是更大序列的子集,例如,全长基因或多肽序列的区段。
定点突变:是指通过聚合酶链式反应(PCR)等方法向目的DNA片段(可以是基因组,也可以是质粒)中引入所需变化(通常是表征有利方向的变化),包括碱基的添加、删除、点突变等。定点突变能迅速、高效的提高DNA所表达的目的蛋白的性状及表征,是基因研究工作中一种非常有用的手段。
饱和突变技术:是通过对目的蛋白的编码基因进行改造,短时间内获取靶位点氨基酸分别被其它19种天然氨基酸所替代的突变子。利用点饱和突变鉴定蛋白质功能位点,提高酶比活力,改善酶热稳定性、底物结合特异性及立体异构特异性等多方面性质。
来源于Rhodococcus ruber的酮还原酶突变体,示例性的如T67R(在本发明中,以“T67R”为例,表示“原氨基酸+位点+突变后的氨基酸”,即第67位的T变为R)可以催化目标底物得到产物,但是其稳定性有待进一步提高。本发明力图通过定向进化的方法提高底物转化率和立体选择性。
在本申请中,首先通过定点突变的方式在酮还原酶上引入突变位点,对突变体进行活性检测,挑选活性提高的突变体。示例性的,其中突变体T67R相较于起始模板,酶活有所提高。
利用全质粒PCR引入定点突变简单有效,是目前使用较多的手段。其原理是:一对包含突变位点的引物(正、反向),和模板质粒退火后用聚合酶“循环延伸”(循环延伸是指聚合酶按照模板延伸引物,一圈后回到引物5’端终止,再经过反复加热退火延伸的循环,这个反应区别于滚环扩增,不会形成多个串联拷贝,)正反向引物的延伸产物退火后配对成为带缺刻的开环质粒。Dpn I酶切延伸产物,由于原来的模板质粒来源于常规大肠杆菌,是经过dam甲基化修饰的,对Dpn I敏感而被切碎,而体外合成的带突变序列的质粒由于没有甲基化而不被切开,因此在随后的转化中得以成功转化,即可得到突变质粒的克隆。突变质粒转化至宿主细胞,诱导表达出目标蛋白,然后通过超声破碎细胞的方法获得粗酶液。酮还原酶诱导表达最佳条件:25℃,0.1mM IPTG诱导16h。
本发明所述DNA分子还可以以“表达盒”的形式存在。“表达盒”是指线性或环状的核酸分子,涵盖了能够指导特定核苷酸序列在恰当宿主细胞中表达的DNA和RNA序列。一般而言,包括与目标核苷酸有效连接的启动子,其任选的是与终止信号和/或其他调控元件有效连接的。表达盒还可以包括核苷酸序列正确翻译所需的序列。编码区通常编码目标蛋白,但在正义或反义方向也编码目标功能RNA,例如反义RNA或非翻译的RNA。包含目标多核苷酸序列的表达盒可以是嵌合的,意指至少一个其组分与其至少一个其他组分是异源的。表达盒还可以是天然存在的,但以用于异源表达的有效重组形成获得的。
根据本发明一种典型的实施方式,提供一种重组质粒。该重组质粒含有上述任一种DNA分子。上述重组质粒中的DNA分子置于重组质粒的适当位置,使得上述DNA分子能够正确地、顺利地复制、转录或表达。
虽然本发明在限定上述DNA分子时所用限定语为“含有”,但其并不意味着可以在DNA序列的两端任意加入与其功能不相关的其他序列。本领域技术人员知晓,为了满足重组操作的要求,需要在DNA序列的两端添加合适的限制性内切酶的酶切位点,或者额外增加启动子、终止密码子等,因此,如果用封闭式的表述来限定将不能真实地覆盖这些情形。
实施例1
重组大肠杆菌E.coli Rosetta(pET-28a-RR)的构建
1.1酮还原酶基因的获取
对赤红球菌Rhodococcus ruber(购于中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心,编号CGMCC 1.10360)进行菌种扩培,30℃培养1天,种子培养基(g/L):甘油10,蛋白胨5,麦芽浸粉3,酵母粉3,pH 7.0。
将处于对数生长期的赤红球菌Rhodococcus ruber进行离心,使用基因组DNA提取试剂盒(北京天为生物工程有限公司)按照说明书进行基因组的提取。
结合NCBI数据库上的酮还原酶基因信息进行设计上游和下游引物,引物序列如下:
上游引物(含Nde I位点):
5’-GGAATTCCATATGAAAGCCCTCCAGTACACCGAGA-3’(SEQ NO:2);
下游引物(含Xho I位点):
5’-CCCCTCGAGTCAACCCGGAACCACAACGCCGCG-3’(SEQ NO:3)
所有引物均由生工生物工程(上海)股份有限公司合成。
基因PCR扩增条件:
98℃变性3min,按如下参数循环30次:98℃变性10sec,58℃退火5sec,72℃延伸1.5min。最后72℃延伸4min。
1.2菌株的构建
用Nde I及Xho I双酶切表达载体pET-28a(载体购自Novagen(默克中国))及所扩增含有两个酶切位点的目的基因,分别胶回收已双酶切的目的片段和表达载体,将已双酶切的表达载体pET-28a与目的基因用T4连接酶进行连接过夜,将10μL的连接产物pET-28a-RR加入Rosetta(DE3)感受态细胞中,冰上放置30min,42℃热激90sec。冰上放置2min。加入1mL LB培养基,在37℃,200rpm摇床振荡培养0.5h。吸取菌液涂布至含50mM卡那霉素的LB固体平板,37℃培养过夜,得到重组菌E.coli Rosetta(pET-28a-RR)。
1.3蛋白质序列比对
将构建的重组菌E.coli Rosetta(pET-28a-RR)进行抽提质粒,送至生工生物工程(上海)股份有限公司进行测序。测序结果分析显示,目的基因扩增序列与GenBanK库中序列号MW808991.1序列高度同源,序列在第199位至第201位处发生突变,密码子ATT突变为CGC。
1.4酶活检测
在本申请中,酶活检测方法如下:
1.4.1试剂配制:
底物母液100mM:4-氯乙酰乙酸乙酯称取6.76mg,溶于异丙醇中,搅拌混匀,溶解完全;
NADH母液10mM:称取33.17mg的NADH溶于5mL的0.1M PB pH7.0 buffer中。
1.4.2酶活体系:
首先加入酶,然后加入底物4-氯乙酰乙酸乙酯,NADH和buffer的混合物,放入酶标仪,在30℃,340nM波长下检测酶活。
检测体系配制见表1
表1
体系 加入量 终浓度
酶突变体 20μL N/A
底物 150μL 50mM
NADH 10μL 0.33mM
pH 7.0缓冲液 120μL 0.1M
酮还原酶突变体T67R,在本发明中简称“模板”,所列突变位点为在该“模板”基础上进行的突变。
高通量筛选中酶液的制备方法:96孔板离心去掉上清培养基,每孔加入200μL酶解溶液(溶菌酶2mg/mL,多黏菌素0.5mg/mL,pH为7.0),37℃处理2h。
酶催化和检测方法:首先加入酶,然后加入底物4-氯乙酰乙酸乙酯,NADH和buffer的混合物,催化一定时间。将催化样品转移至酶检测板中,放入酶标仪中,在30℃,340nM波长检测酶活。
实施例2
非理性改造重组菌E.coli Rosetta(pET-28a-RR)
2.1赤红球菌Rhodococcus ruber密码子优化
对来源于赤红球菌Rhodococcus ruber的酮还原酶交由生工生物工程(上海)股份有限公司进行密码子优化,优化宿主为大肠杆菌,DNA2的基因序列即为原始序列DNA1密码子优化结果。
2.2引物设计
对酮还原酶基因信息进行设计上游引物,引物序列如下:
上游引物(含Nde I位点):
5’-GGAATTCCATATGAAAGCACTGCAGTACACTGAA-3’(SEQ NO:4)
下游引物(含Xho I位点):
5’-CCCCTCGAGTCAACCCGGAACCACAACGCCGCG-3’(SEQ NO:5)
2.3菌株突变库的构建与筛选
2.3.1菌株突变库的构建:对密码子优化后的重组菌E.coli Rosetta(pET-28a-RR)进行扩增培养,使用生工生物工程(上海)股份有限公司质粒抽提试剂盒进行质粒抽提,获得的质粒作为突变扩增模板。使用北京天恩泽生物科技有限公司即用型易错PCR试剂盒进行扩增的同时引入碱基突变。按照实施例1中1.2进行菌株构建,最终获得的所有突变株即为菌株的突变库。
2.3.2菌株突变库的筛选:对上述获得的突变库在96深孔板中扩增培养,蛋白诱导表达,按照实施例1中1.4进行酶活测定,挑取酶活比重组菌E.coli Rosetta(pET-28a-RR)酶活高的突变株进入摇瓶培养和蛋白表达,酶活测定。
实施例3
理性改造重组菌E.coli Rosetta(pET-28a-RR)
3.1定点突变
对实施例2中酶活提高的突变株进行抽提质粒,送至生工生物工程(上海)股份有限公司进行测序。测序结果与原始序列进行分析比对,将突变的氨基酸位点设计引物,送至生工生物工程(上海)股份有限公司进行合成。按照实施例2进行定点突变,构建突变株。最终确定突变位点V14、I42、T67、A97、G170、A242、I262和F286对酶活有显著提高。
表2
突变体 酶活力(%)
V14E +
I42M ++
T67R +
A97H +
G170R +
A242S +
I262S ++
F286S +
+代表酶活,+越多酶活越高。
3.2饱和突变
对突变位点V14、I42、T67、A97、G170、A242、I262和F286进行饱和突变,使用生工生物工程(上海)股份有限公司提供的兼并碱基进行设计引物并合成。按照实施例2进行饱和突变,构建突变株,筛选突变株。结果显示V14、T67、A97、G170、A242和F286氨基酸位点饱和突变后酶活并没有较大变化,而I42和I262经过突变后筛选获得I42L、I42V、I262A和I262G,四株突变株酶活有所提高。
3.3突变组合
进一步地,对突变位点进行了相应的组合,筛选高酶活的突变株:分别将“模板”和突变体在30℃进行催化反应,然后测定其活性,所有突变体的酶活力结果见表3。
表3
Figure BDA0003570283180000171
Figure BDA0003570283180000181
+代表酶活,+越多酶活越高。
组合饱和突变可以获得几个突变位点之间具有协同作用的突变体,而且可以对其氨基酸的组成进行优化组合。以T67R为模板,进行突变组合,此时酶液检测温度为30℃反应17h,然后终止反应,测定活性。
实施例4
4.1最佳突变体酶催化
使用突变体V14E+I42L+A97H+G170R+A242L+I262A进行不同底物反应验证,结果见表4。
100mL的反应瓶中加入底物(I-1)0.5g,加入0.1M的PB pH 7.0,0.2g异丙醇,20mg的NAD+,0.05g酮还原酶突变体,混匀,总体积为20mL,于30℃、200rpm摇床,反应1h;
Figure BDA0003570283180000182
其中R1或R2选自氢、卤素、C1~C8烷基、C5~C10环烷基、C5~C10芳基或C5~C10杂芳基,其中所述烷基、环烷基、芳基或杂芳基各自独立地未被取代或被卤素、烷氧基、硝基或烷基中的至少一个基团所取代;R3选自氢、卤素、C1~C3烷基。
表4
Figure BDA0003570283180000183
Figure BDA0003570283180000191
4.2最佳突变体酶催化
以重组菌E.coli Rosetta(pET-28a-RR)为对照,突变体V14E+G170R,突变体V14E+I42L+I262A和突变体V14E+I42L+A97H+G170R+F286S在25℃-35℃内对底物4-氯乙酰乙酸乙酯的转化率如图1,突变体V14E+I42L+A97H+G170R+A242L+I262A(SEQ NO:6)在不同温度下对底物4-氯乙酰乙酸乙酯的转化率和产物ee值。催化结果如图1、图2、图3和图4,与重组菌E.coli Rosetta(pET-28a-RR)相比,突变体V14E+I42L+A97H+G170R+A242L+I262A的催化时间从17h缩短至1h,且催化转化率大于99%。在25℃-35℃内,重组菌E.coli Rosetta(pET-28a-RR)重组菌随着温度的升高,ee值出现大幅度的降低,而对于突变体V14E+I42L+A97H+G170R+A242L+I262A,温度的升高对ee值没有明显的变化。
综上,突变体V14E+I42L+A97H+G170R+A242L+I262A有以下几个优势:一是在一定的催化时间内能够催化0.8-1mol/L的底物,且ee值高于99%以上,时空转化率为1440g/L/d,催化效率极高。二是催化体系作用条件温和,基本上在常温、中性、水等环境中完成,较少使用有机溶剂,反应过程中危险性较低,对环境友好,符合目前生产要求,商业价值潜力巨大。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已,并不用于限制本发明,对于本领域的技术人员来说,本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内,所做的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
序列表
<110> 海南普利制药股份有限公司
<120> 一种生产手性醇的方法
<130> hnpoly001
<160> 8
<170> SIPOSequenceListing 1.0
<210> 1
<211> 346
<212> PRT
<213> Rhodococcus ruber
<400> 1
Met Lys Ala Leu Gln Tyr Thr Glu Ile Gly Ser Val Pro Val Val Val
1 5 10 15
Asp Val Pro Thr Pro Ala Pro Gly Pro Gly Glu Ile Leu Leu Lys Val
20 25 30
Thr Ala Ala Gly Leu Cys His Ser Asp Ile Phe Val Met Asp Met Pro
35 40 45
Ala Glu Gln Tyr Ile Tyr Gly Leu Pro Leu Thr Leu Gly His Glu Gly
50 55 60
Val Gly Arg Val Ala Glu Leu Gly Ala Gly Val Thr Gly Phe Glu Thr
65 70 75 80
Gly Asp Ala Val Ala Val Tyr Gly Pro Trp Gly Cys Gly Ala Cys His
85 90 95
Ala Cys Ala Arg Gly Arg Glu Asn Tyr Cys Thr Arg Ala Ala Glu Leu
100 105 110
Gly Ile Thr Pro Pro Gly Leu Gly Ser Pro Gly Ser Met Ala Glu Tyr
115 120 125
Met Ile Val Asp Ser Ala Arg His Leu Val Pro Ile Gly Asp Leu Asp
130 135 140
Pro Val Ala Ala Val Pro Leu Thr Asp Ala Gly Leu Thr Pro Tyr His
145 150 155 160
Ala Ile Ser Arg Val Leu Pro Leu Leu Gly Pro Gly Ser Thr Ala Val
165 170 175
Val Ile Gly Val Gly Gly Leu Gly His Val Gly Ile Gln Ile Leu Arg
180 185 190
Ala Val Ser Ala Ala Arg Val Ile Ala Val Asp Leu Asp Asp Asp Arg
195 200 205
Leu Ala Leu Ala Arg Glu Val Gly Ala Asp Ala Ala Val Lys Ser Gly
210 215 220
Ala Gly Ala Ala Asp Ala Ile Arg Glu Leu Thr Gly Gly Glu Gly Ala
225 230 235 240
Thr Ala Val Phe Asp Phe Val Gly Ala Gln Ser Thr Ile Asp Thr Ala
245 250 255
Gln Gln Val Val Ala Ile Asp Gly His Ile Ser Val Val Gly Ile His
260 265 270
Ala Gly Ala His Ala Lys Val Gly Phe Phe Met Ile Pro Phe Gly Ala
275 280 285
Ser Val Val Thr Pro Tyr Trp Gly Thr Arg Ser Glu Leu Met Asp Val
290 295 300
Val Asp Leu Ala Arg Ala Gly Arg Leu Asp Ile His Thr Glu Thr Phe
305 310 315 320
Thr Leu Asp Glu Gly Pro Thr Ala Tyr Arg Arg Leu Arg Glu Gly Ser
325 330 335
Ile Arg Gly Arg Gly Val Val Val Pro Gly
340 345
<210> 2
<211> 35
<212> DNA
<213> artificial
<220>

Claims (8)

1.一种生产手性醇的方法,所述方法包括采用酮还原酶突变体催化潜手性酮类化合物进行还原反应生产所述手性醇,
其中所述酮还原酶突变体为SEQ ID NO:1或与SEQ ID NO:1具有80%以上同一性的氨基酸序列;
所述手性酮类化合物具有如下式I结构:
Figure FDA0003570283170000011
其中R’和R”各自独立地为烷基、烷芳基、烷杂芳基、环烷基、芳基或杂芳基,或者R’和R”与羰基上的碳共同形成杂环基、碳环基或杂芳基,所述杂环基和杂芳基中的杂原子各自独立地选自氮、氧和硫中的至少一种,所述烷芳基中的芳基、芳基中的芳基、烷杂芳基中的杂芳基、杂芳基中的杂芳基、碳环基中的碳环基或杂环基中的杂环基各自独立地未被取代或被卤素、烷氧基、硝基或烷基中的至少一个基团所取代;优选的,R’和R”各自独立地为C1~C8烷基、C5~C10环烷基、C5~C10芳基或C5~C10杂芳基,或者R’和R”与羰基上的碳共同形成C5~C10杂环基、C5~C10碳环基或C5~C10杂芳基,所述C5~C10杂环基和C5~C10杂芳基中的杂原子各自独立地选自氮、氧和硫中的至少一种,所述C5~C10芳基中的芳基、C5~C10杂芳基中的杂芳基、C5~C10碳环基中的碳环基或C5~C10杂环基中的杂环基各自独立地未被取代或被卤素、烷氧基、硝基或烷基中的至少一个基团所取代。
2.根据权利要求1所述的方法,所述手性酮类化合物结构如式(I-1)所示:
Figure FDA0003570283170000012
其中R1或R2选自氢、卤素、C1~C8烷基、C5~C10环烷基、C5~C10芳基或C5~C10杂芳基,其中所述烷基、环烷基、芳基或杂芳基各自独立地未被取代或被卤素、烷氧基、硝基或烷基中的至少一个基团所取代;R3选自氢、卤素、C1~C3烷基。
更优选地,所述酮类化合物为
Figure FDA0003570283170000021
3.根据权利要求1或2所述的方法,进一步包括在反应体系中加入辅酶、辅酶再生体系和缓冲液;
进一步地,反应体系中酮类化合物的浓度为1g/L~200g/L;
进一步地,反应体系的pH值为5.0~9.0,反应体系的反应温度为4~60℃;
进一步地,辅酶为NADH、NADPH或NAD+;
进一步地,缓冲液为磷酸缓冲液、Tris-HCl缓冲液、巴比妥钠-HCl缓冲液或柠檬酸-柠檬酸钠缓冲液。
4.根据权利要求3所述的方法,所述辅酶再生体系选自但不限于以下几种:一是异丙醇,辅酶NADH或NAD+;二是葡萄糖,辅酶NADH或NAD+,葡萄糖脱氢酶;三是甲酸根化合物,辅酶NADH或NAD+,甲酸脱氢酶。
5.根据权利要求1所述的方法,可使用两种或两种以上酮还原酶突变体的混合物。
6.根据权利要求1所述的方法,所述的酮还原酶的突变体,进一步地,突变的位点还至少包括如下任一位点或两个及以上位点的组合:V14、I42、A97、G170、A242、I262和F286;或者所述酮还原酶突变体的氨基酸序列具有发生突变的氨基酸序列中的突变位点,且与发生突变的氨基酸序列具有95%以上同一性的氨基酸序列。
7.根据权利要求6所述的方法,其中所述突变的位点为以下一个或两个以上的组合:V14E、I42L、A97H、G170R、A242L、I262A和F286S。
8.根据权利要求6所述的方法,所述酮还原酶的突变进一步包括如下任一种位点组合突变:V14E+I42L、V14E+A97H、V14E+G170R、V14E+A242L、V14E+I262A、V14E+F286S、V14E+I42L+A97H、V14E+I42L+G170R、V14E+I42L+A242L、V14E+I42L+I262A、V14E+I42L+F286S、V14E+I42L+A97H+G170R、V14E+I42L+A97H+A242L、V14E+I42L+A97H+I262A、V14E+I42L+A97H+F286S、V14E+I42L+A97H+G170R+A242L、V14E+I42L+A97H+G170R+I262A、V14E+I42L+A97H+G170R+F286S、V14E+I42L+A97H+G170R+A242L+I262A、V14E+I42L+A97H+G170R+A242L+F286S、V14E+I42L+A97H+G170R+A242L+I262A+F286S。
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