CN114958699A - 一种重组大肠杆菌及高纯度熊去氧胆酸的生产方法 - Google Patents

一种重组大肠杆菌及高纯度熊去氧胆酸的生产方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于生物工程技术领域,尤其涉及一种重组大肠杆菌及高纯度熊去氧胆酸的生产方法。本发明构建了一种新型的双酶共表达基因工程菌——重组大肠杆菌能,该菌同时表达7β‑羟基类固醇脱氢酶和葡萄糖脱氢酶,该菌可应用于高纯度熊去氧胆酸的生产。通过7β‑羟基类固醇脱氢酶和葡萄糖脱氢酶联合表达及应用提高了目标产物的产量。本发明所述高纯度熊去氧胆酸的生产方法简单,生产过程产生的杂质少,且是符合环保要求的绿色工艺,具有重要的工业应用价值。

Description

一种重组大肠杆菌及高纯度熊去氧胆酸的生产方法
技术领域
本发明属于生物工程技术领域,尤其涉及一种重组大肠杆菌及高纯度熊去氧胆酸的生产方法。
背景技术
熊去氧胆酸,化学名称为3a,7β-二羟基-5β-胆甾烷-24-酸,英文名称为Ursodeoxycholic acid,UDCA。是传统的中药有效成分,有着非常广泛的临床应用和卓越的药用价值,在治疗胆结石、促进肝移植、胆汁反流性胃炎、酒精肝、胆汁性肝硬化和药物诱发的肝炎方面有非常好的疗效,市场用量很大。
目前,UDCA的制备方法主要有天然来源和人工合成两种方法。人工合成是指使用能够大量获得的牛、鹅胆汁提取的鹅去氧胆酸(Chenodeoxycholic acid,CDCA)化学法合成UDCA,通过氧化还原的方法使7-OH发生构型转变,但是存在着反应过程复杂、低选择性、反应条件苛刻、能耗大、污染大等一系列问题,尤其是保护和脱保护剂过程中需要有毒和危险试剂,严重限制了化学法的工业化应用。目前使用化学法生产的UDCA 约占市场份额的30%,而且纯度较低,约80%左右,远不能满足市场对UDCA的用量及质量要求。
与化学差向异构化相比,UDCA的生物合成具有高效性和相对环境友好性。微生物转化或生物酶催化主要围绕7α-羟基类固醇脱氢酶(7α-HSDH)和7β- 羟基类固醇脱氢酶(7β-HSDH)展开,利用产7α-HSDH和7β-HSDH的泥渣梭菌、不和谐梭菌、巴氏梭菌和嗜麦芽黄单胞菌,实现了CDCA向UDCA的生物转化。然而,高浓度的CDCA抑制细胞生物量的积累,在产品回收和纯化过程中存在困难。此外,以往的研究表明,随着培养时间的延长,中间体的产量增加,UDCA降低,无法实现工业化生产。近年来,联合应用7α-HSDH和7β-HSDH将CDCA 为底物两步法生成UDCA,成为研究热点,目前已经有研究的综合转化率能超过90%,但反应量仅为毫升级别,距离工业化生产还有很大距离。主要的限制性瓶颈为:
1)以CDCA为底物两步法中的关键酶7β-HSDH极度不稳定,尽管酶活够高,但在催化反应体系中会快速失活;
2)两步法的反应体系能够承载的底物量太低(体积比1%),体系不稳定;
3)两步法的两种关键酶工业级应用的大规模来源问题;
4)酶蛋白分离纯化的成本过高。
发明内容
为解决上述现有技术中存在的问题,本发明提供了一种高纯度熊去氧胆酸的生产方法,并构建了多酶共表达的工程菌,实现了熊去氧胆酸的高效生产。本发明提供了一种能低成本生产熊去氧胆酸的重组工程菌,同时本发明要解决该菌株的构建和应用的技术问题。
为实现上述目的,本发明采用如下技术方案:
本发明的第一个目的是提供能低成本生产熊去氧胆酸的重组大肠杆菌;所述重组大肠杆菌可以同时表达2种酶,分别为7β-羟基类固醇脱氢酶和葡萄糖脱氢酶。所述重组大肠杆菌于2021年12月20日保藏于中国典型培养保藏中心,保藏编号为CCTCCNO:M20211644;保藏地址为中国武汉武汉大学;菌株命名为Escherichia coli BL21(DE3)-pETDuetl-GDH-7β-HSDH。
优选的,所述7β-羟基类固醇脱氢酶,来自撒丁岛梭菌(Clostridium absonum),GenBank登录号为JN191345.1。
优选的,所述葡萄糖脱氢酶,来自枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis), GenBank登录号为NC-000964。
优选的,所述7β-羟基类固醇脱氢酶和葡萄糖脱氢酶基因分别进行密码子优化后编码7β-HSDH和GDH的基因的核苷酸序列分别如SEQ ID NO.1以及SEQ ID NO.2所示。
优选的,所述重组菌,包括将编码7β-羟基类固醇脱氢酶和葡萄糖脱氢酶的基因都连接到质粒上,构建得到双基因共表达重组质粒,然后将重组质粒转化相应菌株,得到重组工程菌。
优选的,所述重组大肠杆菌具体通过以下方法构建得到:
(1)将7β-HSDH和GDH基因分别进行密码子优化,并进行全基因合成;
(2)将合成的7β-HSDH基因连接入pETDuet1载体,得到重组质粒 pETDuet1-7βHSDH;
(3)将pETDuet1-7βHSDH转入大肠杆菌DH5α感受态细胞中,得到带有重组质粒的大肠杆菌DH5α-pETDuet1-7β-HSDH;
(4)将大肠杆菌DH5α-pETDuet1-7β-HSDH涂布于抗生素固体平板上,筛选得到阳性转化子;(3、4这两步的目的是通过质粒上带的抗性基因筛选连接成功的重组质粒)
(5)将合成的GDH基因连入pETDuet1-7βHSDH载体,得到重组质粒 pETDuet1-GDH-7β-HSDH;
(6)将pETDuet1-GDH-7β-HSDH转入大肠杆菌BL21(DE3)感受态细胞中,得到带有重组质粒的大肠杆菌BL21(DE3)-pETDuet1-GDH-7β-HSDH;
(7)将大肠杆菌BL21(DE3)-pETDuet1-GDH-7β-HSDH涂布于抗生素固体平板上,筛选得到阳性转化子,即得到所述重组大肠杆菌。
优选的,所述重组大肠杆菌是以大肠杆菌BL21(DE3)为宿主构建得到的。
本发明的第二个目的是提供一种生产熊去氧胆酸的方法,所述方法是利用本发明上述任一所述的重组大肠杆菌进行生产。
优选的,所述生产熊去氧胆酸的方法是进行全细胞转化生产。
优选的,所述全细胞转化生产体系中,包括细胞湿重为1-100g/L,7-酮石胆酸浓度为1-200g/L,葡萄糖浓度为1-100g/L,pH7.0-9.0;于1℃-30℃反应,时间1-48小时。
有益效果
本发明公开了一种高纯度熊去氧胆酸的生产方法,本发明构建了一种新型的双酶共表达基因工程菌,该菌可应用于高纯度熊去氧胆酸的生产。通过7β- 羟基类固醇脱氢酶和葡萄糖脱氢酶联合表达及应用提高了目标产物的产量。本发明方法简单且过程产生杂质少,且是符合环保要求的绿色工艺,具有重要的工业应用价值。
附图说明
图1是重组质粒pETDuet1-GDH-7βHSDH图谱;
图2是熊去氧胆酸工程菌催化7-酮石胆酸生成熊去氧胆酸反应液相检测结果图谱。
具体实施方式
以下,将详细地描述本发明。在进行描述之前,应当理解的是,在本说明书和所附的权利要求书中使用的术语不应解释为限制于一般含义和字典含义,而应当在允许发明人适当定义术语以进行最佳解释的原则的基础上,根据与本发明的技术方面相应的含义和概念进行解释。因此,这里提出的描述仅仅是出于举例说明目的的优选实例,并非意图限制本发明的范围,从而应当理解的是,在不偏离本发明的精神和范围的情况下,可以由其获得其他等价方式或改进方式。
以下实施例仅是作为本发明的实施方案的例子列举,并不对本发明构成任何限制,本领域技术人员可以理解在不偏离本发明的实质和构思的范围内的修改均落入本发明的保护范围。除非特别说明,以下实施例中使用的试剂和仪器均为市售可得产品。
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7β-羟基类固醇脱氢酶和葡萄糖脱氢酶。其原理为:在工程菌全细胞内,葡萄糖脱氢酶以 NADP为辅酶将葡萄糖脱氢生成葡萄糖酸和NADPH;7β-羟基类固醇脱氢酶利用葡萄糖脱氢过程生成的NADPH将7-酮石胆酸还原成熊去氧胆酸,同时实现辅酶 NADP的再生。
1.本发明所涉及的菌株及质粒
所述7β-羟基类固醇脱氢酶和葡萄糖脱氢酶基因由生工生物(上海)股份有限公司根据大肠杆菌密码子偏好性,对基因序列进行密码子优化并进行全基因合成;Escherichiacoli BL21(DE3)菌株购自生工生物(上海)股份有限公司;质粒pETDuet1购自上海林渊生物科技有限公司。
2.共表达7β-羟基类固醇脱氢酶(7β-HSDH)和葡萄糖脱氢酶(GDH)的大肠杆菌通过以下方法构建得到:
(1)将7β-HSDH和GDH基因分别进行密码子优化,并进行全基因合成,编码7β-HSDH和GDH的基因的核苷酸序列分别如SEQ ID NO.1以及SEQ ID NO.2 所示;
(2)将合成的两个基因各自依次连接入pETDuet1载体,得到共表达 7β-HSDH和GDH的重组质粒pETDuet1-GDH-7βHSDH;
(3)将pETDuet1-GDH-7βHSDH转入大肠杆菌BL21(DE3)感受态细胞中,得到带有重组质粒的工程菌BL21(DE3)-pETDuet1-GDH-7β-HSDH;
(4)工程菌的培养,将工程菌接种到LB液体培养基(胰蛋白胨10g/L,酵母提取物5g/L,氯化钠10g/L)中进行培养,得到共表达7β-羟基类固醇脱氢酶(7β-HSDH)和葡萄糖脱氢酶(GDH)的大肠杆菌。
3.所述的工程菌的培养包括以下步骤:
(1)将工程菌接种到LB固体平板培养基(胰蛋白胨10g/L,酵母提取物 5g/L,氯化钠10g/L,琼脂粉15.0g/L)中活化,于37℃活化培养16~20h,从 LB固体平板培养基上挑取单菌落,接种于含有100mg/L氨苄青霉素(Amp+)LB 液体培养基的三角瓶中,在200rpm/min、37℃下震荡培养16~20h;
(2)将步骤(1)的培养物按1:100比例转接到含有100mg/L氨苄青霉素 (Amp+)的TB液体培养基(胰蛋白胨12g/L,酵母提取物24g/L,甘油5g/L,磷酸氢二钾9.4g/L,磷酸二氢钾2.2g/L),在200rpm/min、37℃下震荡培养4~ 6h,加入0.4mM的异丙基-β-D-硫代吡喃半乳糖苷(IPTG),25℃下继续培养 10~16h,得到共表达7β-羟基类固醇脱氢酶(7β-HSDH)和葡萄糖脱氢酶(GDH) 的大肠杆菌工程菌。
(3)诱导表达结束后,4℃、8000rpm、10分钟离心收集细胞
4.全细胞转化生产熊去氧胆酸
细胞转化生产的体系为:细胞湿重为1-100g/L,7-酮石胆酸浓度为1-200g/L,葡萄糖浓度为1-100g/L,pH7.0-9.0;于1℃-30℃反应,时间1-48 小时。转化结束后液相色谱测定熊去氧胆酸产量及构型。
5.样品的检测分析
色谱条件为:RID检测器,流动相是乙腈(50)-水(0.0125%磷酸)(50),流速1ml/min、柱温35℃、进样量10μL。
为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
工程菌构建
1.扩大培养含有PUC57-7β-HSDH质粒的大肠杆菌,以及含有pETDuet1载体的大肠杆菌,取10μl样品,加入5ml的LB(Amp+)培养基,37℃摇床培养 12~16h,摇床速度为200rpm/min。
2.用购自生工生物(上海)股份有限公司的柱式质粒小量抽提试剂盒抽提以上培养好的大肠杆菌质粒,按试剂盒的操作说明操作。
3.分别用EcoRⅤ和XhoI双酶切抽提得到的PUC57-7β-HSDH质粒和 pETDuet1载体,酶切体系如下表1所示:
表1.酶切体系
ddH<sub>2</sub>O 7μL
10×Tango buffer 4μL
EcoRⅤ 2μL
XhoI 2μL
DNA 5μL
37℃酶切3~6h,用购自生工生物(上海)股份有限公司的柱式DNA胶回收试剂盒回收纯化目的片段和线性载体。
4.将回收的7β-HSDH目的基因片段和线性化载体pETDuet1用T4DNA连接酶连接,体系如下表2所示:
表2.连接体系
Figure RE-GDA0003764448290000061
Figure RE-GDA0003764448290000071
22℃连接30~60min
5.连接体系转化大肠杆菌DH5α感受态细胞
将10μl体系于超净台转入到根据标准方案制备的化学感受态大肠杆菌 DH5α中,轻轻混匀,冰上放置30min。
42℃热击60s,冰上放置2min,于超净台加入700μl的灭菌LB培养基。放置37℃摇床,200rpm,活化40~60min,涂至LB(Amp+)固体平板培养基。将涂好的平板放入37℃培养箱,倒置培养12~16h。
6.菌落PCR检测阳性克隆
扩增7β-HSDH的正反向引物为DuetUP2和T7t。
PCR反应体系如下表3所示:
表3.PCR反应体系
DuetUP2 1μL
T7t 1μL
10×PCR buffer 5μL
dNTP(each 10mM) 1μL
MgCl<sub>2</sub>(25mM) 3μL
Taq DNA Polymerase 1μL
ddH<sub>2</sub>O 38μL
在超净台用无菌接种环挑取优势菌落,在PCR管中涮一下,作为模板。
PCR扩增条件如下:
94℃3min;(94℃30s,60℃30s,72℃1min)×32个循环;72℃10min;4℃保存。
7.电泳检测PCR产物,选出带有目的片段的阳性菌落DH5a- pETDuet1-7β-HSDH。
于超净台挑取以上阳性菌落,加入5mL LB(Amp+)液体培养基,于37℃、 200rpm摇床,培养12~16h。
8.同时扩大培养含有PUC57-GDH质粒的大肠杆菌,取10μL样品,加入5mL 的LB(Amp+)培养基,37℃摇床培养12~16h,摇床速度为200rpm/min
用生工生物(上海)股份有限公司的柱式质粒小量抽提试剂盒抽提以上培养好的阳性菌质粒和PUC57-GDH质粒,并用EcoRⅠ和HindⅢ,双酶切抽提得到的 PUC57-GDH质粒和pETDuet1-7β-HSDH载体。酶切体系同上述3。胶回收目的基因片段和线性载体。
9.将回收的GDH目的基因和线性载体pETDuet1-7β-HSDH连接,连接体系同上述4。
10.将连接体系转化大肠杆菌DH5α感受态,操作同上述5。
11.菌落PCR检测阳性克隆:通过pET Upstream和DuetDOWN1正反向引物扩增GDH,电泳检测PCR产物,筛选出带有目的片段的阳性菌落 pETDuet1-GDH-7βHSDH,PCR反应体系及循环条件同上述6。
12.挑取阳性克隆菌,加入5mL LB(Amp+)液体培养基,于37℃、200rpm 摇床,培养12~16h,提取质粒,酶切鉴定,确认载体构建正确,其载体图谱如图1所示。
13.将重组质粒转入(Escherichia coli,E.coli)BL21(DE3)表达菌株,得到工程菌BL21(DE3)-pETDuet1-GDH-7β-HSDH。
14.工程菌的培养
将工程菌接种到LB固体平板培养基中活化,于37℃活化培养16~20h。从 LB固体平板培养基上挑取单菌落,接种于含有100mg/L氨苄青霉素(Amp+)LB 液体培养基的三角瓶中,在200rpm/min、37℃下震荡培养16~20h。
将上述培养物按1:100比例转接到含有100mg/L氨苄青霉素(Amp+)的TB 液体培养基,在200rpm/min、37℃下震荡培养4~6h,加入0.4mM的异丙基-β-D- 硫代吡喃半乳糖苷(IPTG),25℃下继续培养10~16h。保存作为工程菌备用。
所述的LB固体培养基的组成如下:胰蛋白胨(Tryptone)10g/L,酵母提取物(YeastExtract)5g/L,氯化钠(NaCl)10g/L,琼脂粉15.0g/L。
所述的LB液体培养基的组成如下:胰蛋白胨(Tryptone)10g/L,酵母提取物(YeastExtract)5g/L,氯化钠(NaCl)10g/L。
所述的TB液体培养基的组成如下:胰蛋白胨(Tryptone)12g/L,酵母提取物(YeastExtract)24g/L,甘油(Glycerol)5g/L,磷酸氢二钾(K2HPO4)9.4g/L, 磷酸二氢钾(KH2PO4)2.2g/L。
实施例2
根据实施例1所述诱导表达方法,将诱导表达完成后菌体收集,于100ml 反应体系中,细胞湿重3g/L,葡萄糖4g/L,7-酮石胆酸7g/L,pH=8.0。温度10℃,转化10h,期间用1MNaOH控制pH为8.0±0.2。
熊去氧胆酸工程菌催化7-酮石胆酸生成熊去氧胆酸反应液相检测结果图谱如图2所示,液相色谱检测>99%的7-酮石胆酸转化生成了熊去氧胆酸。
以上所述的酶及其共表达基因工程菌的改造和构建、菌体的培养基组成及培养方法和全细胞生物转化仅为本发明的较佳实施例而已,并不用于限制本发明,理论上来讲其他的细菌、丝状真菌、放线菌、动物细胞均可进行基因组改造,并用于多基因共表达的全细胞催化。凡在本发明的原则和精神之内所作的任何修改等同替换。
序列表
<110> 北京岳达生物科技有限公司
<120> 一种重组大肠杆菌及高纯度熊去氧胆酸的生产方法
<130> KLPI220056
<141> 2022-03-11
<160> 2
<170> SIPOSequenceListing 1.0
<210> 1
<211> 785
<212> DNA
<213> Clostridium absonum
<400> 1
atgaatttta gagaaaaata tggacaatgg ggaattgttt taggggcaac agaaggaatt 60
ggtaaagcta gtgcttttga attagctaaa agagggatgg atgttatttt agttggaaga 120
agaaaagaag cattagaaga gttagctaag gcaatacatg aagaaacagg aaaagaaatc 180
agagtattac cacaagattt atctgaatat gatgctgcag aaagattaat agaagcaact 240
aaagatttag atatgggagt cattgagtat gttgcatgtc tacatgcaat gggacaatat 300
aataaagttg actacgctaa atatgaacaa atgtatagag ttaatataga acattctcaa 360
aattattaca tcactatata ggtgaattca aagaaagaga tagaggtgca ttcataacaa 420
taggatcttt atcaggatgg acatcattac cattctgtgc agaatatgca gcagaaaaag 480
cttatatgat gacagtaaca gaaggagttg cttacgaatg tgcaaatact aatgttgacg 540
taatgctttt atcagcgggt tcaacaatca cacctacttg gttaaaaaat aaaccatcag 600
atcctaaggc ggttgcagca gcaatgtatc cagaagatgt tataaaagat ggatttgaac 660
aattaggaaa gaaatttact tatttagctg gagagttaaa tagagaaaaa atgaaggaaa 720
ataatgcaat ggatagaaat gatttaattg caaaactagg aaaaatgttt gatcatatgg 780
cataa 785
<210> 2
<211> 786
<212> DNA
<213> 枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis)
<400> 2
atgtatacag atttaaaaga taaagtagta gttgtaacag gcggatcaaa aggattgggt 60
cgcgcaatgg ccgttcgttt tggtcaagag cagtcaaaag tggttgtaaa ctaccgcagc 120
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ggtattacac tatttgctga tggcggtatg acaaaatatc cttctttcca agcgggaaga 780
ggttaa 786

Claims (10)

1.一种重组大肠杆菌,其特征在于,所述重组大肠杆菌能同时表达7β-羟基类固醇脱氢酶和葡萄糖脱氢酶。
2.根据权利要求1所述的重组大肠杆菌,其特征在于,所述7β-羟基类固醇脱氢酶和葡萄糖脱氢酶是通过pETDuet1载体共表达的。
3.根据权利要求1所述的重组大肠杆菌,其特征在于,所述重组大肠杆菌的宿主菌为Escherichia coli BL21(DE3)。
4.根据权利要求1所述的重组大肠杆菌,其特征在于,所述重组大肠杆菌通过以下方法构建得到:
(1)将7β-HSDH和GDH基因分别进行密码子优化,并进行全基因合成;
(2)先将合成的7β-HSDH基因连接入pETDuet1载体,得到pETDuet1-7β-HSDH重组质粒,再将GDH基因连接入pETDuet1-7β-HSDH质粒,得到共表达7β-HSDH和GDH的重组质粒pETDuet1-GDH-7β-HSDH;
(3)将pETDuet1-GDH-7β-HSDH转入大肠杆菌BL21(DE3)感受态细胞中,得到带有重组质粒的大肠杆菌BL21(DE3)-pETDuet1-GDH-7β-HSDH;
(4)将大肠杆菌BL21(DE3)-pETDuet1-GDH-7β-HSDH进行培养,即得到所述重组大肠杆菌。
5.根据权利要求4所述的重组大肠杆菌,其特征在于,步骤(1)中,编码7β-羟基类固醇脱氢酶和葡萄糖脱氢酶的基因的核苷酸序列进行密码子优化后分别如SEQ ID NO.1以及SEQ ID NO.2所示。
6.根据权利要求4所述的重组大肠杆菌,其特征在于,步骤(4)中,所述大肠杆菌的培养包括以下步骤:
(1)将大肠杆菌BL21(DE3)-pETDuet1-GDH-7β-HSDH接种到LB固体平板培养基中活化培养,然后从LB固体平板培养基上挑取单菌落,接种于含有100mg/L氨苄青霉素(Amp+)LB液体培养基的三角瓶中,震荡培养;
(2)将步骤(1)的培养物转接到含有100mg/L氨苄青霉素(Amp+)的TB液体培养基,震荡培养一段时间,然后加入0.4mM的异丙基-β-D-硫代吡喃半乳糖苷,继续培养;
(3)诱导表达结束后,离心收集细胞,即得到所述的重组大肠杆菌工程菌。
7.根据权利要求6所述的重组大肠杆菌,其特征在于,所述LB固体平板培养基包括以下组分:胰蛋白胨10g/L、酵母提取物5g/L、氯化钠10g/L、琼脂粉15.0g/L;所述LB液体培养基包括以下组分:胰蛋白胨10g/L、酵母提取物5g/L、氯化钠10g/L、;所述TB液体培养基包括以下组分:胰蛋白胨12g/L、酵母提取物24g/L、甘油5g/L、磷酸氢二钾9.4g/L、磷酸二氢钾2.2g/L。
8.一种高纯度熊去氧胆酸的生产方法,其特征在于,利用权利要求1-7任一所述的重组大肠杆菌进行生产。
9.根据权利要求8所述的高纯度熊去氧胆酸的生产方法,其特征在于,所述生产方法是进行全细胞转化生产。
10.根据权利要求9所述的高纯度熊去氧胆酸的生产方法,其特征在于,所述全细胞转化生产体系中,包括细胞湿重为1-100g/L,7-酮石胆酸浓度为1-200g/L,葡萄糖浓度为1-100g/L;体系的pH为7.0-9.0;于1℃~30℃条件下反应1~48小时。
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