CN115851645A - 一种普通变形杆菌内消旋-二氨基庚二酸脱氢酶突变体及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种普通变形杆菌内消旋‑二氨基庚二酸脱氢酶突变体及其应用,属于生物工程技术领域。本发明构建了PvDAPDH突变体,与野生酶相比,能催化多种芳香族α‑酮酸合成D‑氨基酸,立体选择性可达95%,本发明构建的pvDAPDH三突变体W121I/H227I/R181S表现出对不同大体积芳香族α‑酮酸底物较好的兼容性,能同时催化大多数芳香族α‑酮酸底物转化成D‑氨基酸,对2‑氧代‑4‑苯基丁酸表现出较高催化活性,产物D‑高苯丙氨酸产量达到2.1g/L。本发明有效扩展了生物法合成芳香族D‑氨基酸工具箱。
Description
技术领域
本发明涉及一种普通变形杆菌内消旋-二氨基庚二酸脱氢酶突变体及其应用,属于生物工程技术领域。
背景技术
D-氨基酸作为一类重要的有机小分子,构成多种重要医药及农药的重要组分关键中间体,在医药、农药、食品、精细化工等领域具有广泛用途。例如,D-2,4,5-三氟苯乙酸是治疗糖尿病药物西格列汀的前体物质。
不对称合成D-氨基酸的方法主要包括生物法和非生物法。其中,非生物不对称催化C-N键合成手性胺在工业上得到了广泛的应用。例如,使用过渡金属络合物(例如Ru,Pd,Pt)或无机金属催化剂(如Fe、Cu、Co)可催化α-酮酸与氨不对称合成D-氨基酸。然而,由于该催化反应条件较为严苛且繁杂,合成过程产生的有毒废料易造成环境污染和安全问题。目前,通过酶介导的化学生物合成被认为是传统合成的可靠替代品,因为酶催化过程反应条件温和,具有高立体选择性、区域选择性及绿色环保等优点,并且有机合成路线较短,生物法不对称合成D-氨基酸比非生物催化显示出相当大的应用优势。
生物法合成D-氨基酸主要包括海因酶法、转氨酶法和不对称拆分法。然而这些方法转化过程耗时长且生产效率低,无法满足工业应用。通过酮酸还原氨基化法制备D-苯丙氨酸具有生产工艺简单、工艺条件温和、耗时短、生产速率高、可减轻环境和资源压力等优点,因此迫切需要一种高效制备D-苯丙氨酸的生物方法。由于NAD(P)H依赖型的内消旋-二氨基庚二酸脱氢酶(meso-Diaminopimelate Dehydrogenase,meso-DAPDH,EC 1.4.1.16)能一步催化α-酮酸与氨供体不对称还原胺化合成D-氨基酸,其反应理论最大收率(Yield)和产物光学纯度(e.e.)均可达到100%,成为合成D-氨基酸的关键方法之一。然而,meso-DAPDH对非天然底物活性较低,特别是对于大体积芳香族α-酮酸底物无催化活性。
近几十年来,蛋白质工程已经成为在分子水平改善酶性质的有效定向进化策略,通过结合酶分子晶体结构和其催化机制进行理性定向进化,可有效扩大酶对底物催化范围、提高酶的活性和改善酶的稳定性的最有效的方法。目前,改造的meso-DAPDH对脂肪族α-酮酸有较好催化活性,但对大多数芳香族α-酮酸活性较低或无催化活性。
发明内容
鉴于meso-DAPDH催化底物谱较窄且对大多数芳香族α-酮酸无催化活性,本发明提供了一种能扩大芳香族α-酮酸与氨供体不对称合成D-氨基酸的PvDAPDH突变体,表现出对多种难催化的或不能催化的芳香族α-酮酸具有催化活性,扩大了合成D-氨基酸底物谱范围。
本发明提供了一种meso-二氨基庚酸脱氢酶PvDAPDH突变体,在SEQ ID NO.1所示的亲本序列的基础上,将PvDAPDH的第121位,171位,181位,227位的一个或多个氨基酸进行了突变。
在一种实施方式中,编码所述的PvDAPD基因的核酸序列如SEQ ID NO.2所示。
在一种实施方式中,所述突变体相对于PvDAPDH亲本,将第121位色氨酸突变为异亮氨酸或甘氨酸,获得突变体W121I或W121G。
在一种实施方式中,所述突变体相对于PvDAPDH亲本,将第181位精氨酸突变为丝氨酸或蛋氨酸或丙氨酸,获得突变体W181S或W181M或W181A。
在一种实施方式中,所述突变体相对于PvDAPDH亲本,将第227位组氨酸突变为甘氨酸、异亮氨酸、赖氨酸或苏氨酸,获得突变体H227G、H227I、H227L或H227T。
在一种实施方式中,所述突变体相对于PvDAPDH亲本,将第121位的色氨酸突变为异亮氨酸,并将第227位的组氨酸突变为异亮氨酸,从而获得突变体W121I/H227I。
在一种实施方式中,所述突变体相对于PvDAPDH亲本,将第121位的色氨酸突变为异亮氨酸,并将第171位苏氨酸突变为亮氨酸,并将第227位的组氨酸突变为异亮氨酸,获得突变体W121I/H227I/T171L。
在一种实施方式中,所述突变体相对于PvDAPDH亲本,将第121位的色氨酸突变为异亮氨酸,并将第181位精氨酸突变为异亮氨酸,并将第227位组氨酸突变为丝氨酸,得到突变体W121I/H227I/R181S。
在一种实施方式中,所述突变体相对于PvDAPDH亲本,将第121位的色氨酸突变为异亮氨酸,并将第180位精氨酸突变为丙氨酸,并将第227位组氨酸突变为丝氨酸,得到突变体W121I/H227I/R180A。
在一种实施方式中,所述突变体相对于PvDAPDH亲本,将第121位的色氨酸突变为异亮氨酸,并将第181位精氨酸突变为蛋氨酸,并将第227位组氨酸突变为丝氨酸,得到突变体W121I/H227I/R181M。
在一种实施方式中,所述突变体相对于PvDAPDH亲本,将第121位的色氨酸突变为异亮氨酸,并将第181位精氨酸突变为丝氨酸,并将第227位组氨酸突变为丝氨酸,得到突变体W121I/H227I/R181S。
本发明提供了一种获得所述PvDAPDH突变体方法,所述方法包括以下步骤:
(1)在PvDAPDH氨基酸序列基础上确定突变位点;设计定点突变的引物,以携带PvDAPDH基因的载体作为基因定点突变模板;构建含有突变体的质粒载体;
(2)将突变物粒转化为宿主细胞;
(3)选择阳性单克隆体进行发酵培养,经IPTG诱导12-15h表达meso-二氨基庚二酸脱氢酶突变体PvDAPDH,4℃,12,000rpm离心收集细胞。
在一种实施方式中,所述宿主为Escherichia coli BL21(DE3)为出发菌株。
在一种实施方式中,以pET28a为表达载体在Escherichia coli BL21(DE3)中表达所述PvDAPDH酶。
本发明还提供表达所述突变体的重组微生物细胞。
本发明还提供了所述突变体在催化芳香族α-酮酸合成D-氨基酸方面的应用。
在一种实施方式中,所述应用包括但不限于催化4-硝基苯基-丙酮酸生成4-硝基-D-苯丙氨酸;催化3-(3-吲哚基)-2-氧代丙酸生成D-色氨酸;催化间羟基-2-羰基丙酸生成(R)-2-氨基-3-(3-羟基苯基)丙酸;催化3,4-二羟基苯丙酮酸生成3-羟基-D-酪氨酸;催化4-羟基苯基乙醛酸(HBF)生成D-对羟基苯甘氨酸(D-Hpg);催化4-羟苯基丙酮酸(HPPA)生成D-酪氨酸(D-Tyr);催化苯甲酰甲酸生成D-苯甘氨酸;催化苯丙酮酸生成D-苯丙氨酸;催化3-(萘-2-基)-2-氧代丙酸生成D-3-(2-萘基)-丙氨酸。
在一种实施方式中,催化反应体系的水相为Tris-盐酸缓冲液。
在一种实施方式中,反应体系pH为8.0-9.5。
在一种实施方式中,反应温度为30-37℃。
本发明还提供了所述PvDAPDH突变体在医药、农药、食品或精细化工领域生产芳香族氨基酸中间体方面的应用。
有益效果:本发明构建了PvDAPDH突变体,能催化多种芳香族α-酮酸合成D-氨基酸,立体选择性可达95%,有效扩展了生物法合成芳香族D-氨基酸工具箱。
附图说明
图1为PvDAPDHM1对芳香族底物谱的转化效果。
图2为PvDAPDHM2对芳香族底物谱的转化效果。
图3为PvDAPDHM3对芳香族底物谱的转化效果。
具体实施方式
(1)酶活测定方法:
采用分光光度法测定pvDAPDH酶活。一个单位的pvDAPDH酶活被定义为每分钟氧化1μmol NADPH所需的酶量(U)。
(2)比酶活定义为每毫克蛋白质所含的酶活力单位数(U/mg蛋白)。
(2)HPLC法测定D-AA产物含量:
样品处理:将转化液用1m NaOH溶液终止反应,并使用超纯水稀释终止液至初始体积的5倍。将稀释转化液在12000rpm下离心10min,然后将离心上清经0.22微米滤膜过滤,过滤液用于HPLC检测分析。
流动相配制:将pH1.5的高氯酸水溶液和色谱纯乙腈按8:2(v/v)比例均有混合,过0.22微米有机滤膜抽滤,然后置于超声波中超声脱气30min。
(3)HPLC法D-AA检测条件:Dionex高效液相色谱仪(配置紫外可见光检测器),采用大赛璐CrownPak CR(+)column(4.6×150mm,5μm)色谱柱。流动相为高氯酸:乙腈=8:2(v/v);流速为0.2mL/min;色谱柱柱温25℃;检测波长200-230nm。
HPLC法测定D-AA对映体多量百分率(e.e.%)
利用上述方法(2)分别测定产物[R]和[S]含量,e.e.%值计算公式如下:
e.e.%=([R]-[S]/[R]+[S])*100%。
实施例1:单突变体的构建和筛选
单突变体构建方法:设计PvDAPDHW121、PvDAPDHH227和PvDAPDHR181突变位点的引物,将以上位点氨基酸残基分别突变成九种小体积氨基酸残基(GAVLIMCST),通过全质粒PCR进行突变体构建。
构建反应PCR扩增体系:PrimSTAR酶0.5μL、5×PrimeSTAR Buffer 10μL、dNTP 4μL每个突变位点的两条引物各1μL,模板(PvDAPDHWT)4μL,水32.5μL;反应条件为:①94℃3min;②98℃10s;③55℃30s;④72℃3min;⑤将②~④三个步骤循环29次;⑥72℃5min;⑦12℃保温。
将上述反应体系在37℃孵育3h以消化质粒模板(消化体系为:DpnI 0.5μL、上述反应PCR产物45μL、10×T Buffer 5μL),消化结束后得到的消化产物通过化学转化方法导入大肠杆菌BL21感受态细胞,化学转化法具体步骤:
(1)将10μl同源重组产物导入100μl BL21感受态细胞;
(2)冰浴15-30min;
(3)42℃水浴热激90s,取出后迅速放入冰中静置冰浴3-5min;
(4)加入800μl无抗性LB培养基混匀,于37℃,200rpm培养1h;
(5)5000rpm离心2min收菌;
(6)移去上清,剩余100-200μl吹吸混匀涂布至含0.05mg/mL卡那霉素抗性平板上,37℃恒温培养12h左右。
(7)挑取单克隆于含0.05mg/mL卡那霉素抗性LB中,200rpm、37℃恒温培养12h后,送去公司测序,测序正确的即为阳性转化子。
实施例2:双突突变体和三突变体的构建
(1)双突突变体构建:在突变体PvDAPDHH227I的基础上,分别将W121突变成LSI残基和R181突变成GALMS残基,利用突变引物W121-F、W121-R和R181-F、R181-R,通过全质粒PCR进行双突变体构建,具体实施方式参见实施例1中步骤。
表1突变体引物序列
(2)三突突变体的构建:在突变体PvDAPDHH227I和PvDAPDHH227I/R181S的基础上,利用突变引物W121-F、W121-R,通过全质粒PCR进行三突变体构建,具体实施方式参见实施例1中的步骤。
表2突变体引物序列
实施例3:PvDAPDH的表达与纯化
将实施例1和2制备得到的突变体重组菌株阳性转化子接种至LB培养基,37℃培养至OD600为0.6~1.0时加入终浓度5g/L乳糖诱导酶的表达,诱导温度为25℃,诱导时间12h,得到发酵液。发酵液于4℃、6000rpm离心10min,取菌体。加入10mL结合液A(按终浓度计20mM磷酸钠、0.5mM NaCl、20mM咪唑、1%甘油,用HCl调pH至7.4)充分重悬菌体,然后将离心管置于冰浴中,放入超声波细胞破碎仪中,超声破碎的条件为:工作时间4s,间隔时间4s,共计10min。将获得的破碎液进行低温高速离心,4℃、8000rpm离心30min,得粗酶液。用0.22μm微孔滤膜过滤,备用。
准备镍离子亲和层析柱,首先,在4℃环境下利用恒流泵,向柱子里泵入超纯水冲洗柱子(约6~12倍柱体积),然后用10mL结合液A平衡柱子环境。待柱子下端的流出液与泵入柱子的低盐浓度缓冲液pH值一致时(约需5倍柱体积缓冲液),将得到的过膜粗酶液加入到柱子中。先用结合液A冲洗杂蛋白至基线平衡,再用洗脱液B(20mM磷酸钠、0.5mM NaCl、500mM咪唑)洗脱。收集吸收峰的洗脱液,测定酶活,获得达到电泳纯的目的蛋白。
实施例4:PvDAPDHWT对芳香族底物酶学参数的测定
为了评价PvDAPDHWT对芳香族α-酮酸底物催化效果,本发明测定了PvDAPDHWT对不同芳香族α-酮酸底物的动力学参数。
表3PvDAPDHWT对芳香族底物酶学参数测定反应条件
通过分光光度法监测NADP(H)在340nm吸光度的增加或减少。利用Origin作图分别求出酶的Km值和Vmax值,结果见表4。
表4PvDAPDHWT催化不同芳香族α-酮酸底物的酶学参数
通过对不同芳香族α-酮酸底物酶学参数的测定,PvDAPDHWT仅对底物7a、8a、11a、12a有催化活性,生成相应的D-氨基酸(7、8、11、12),其中PvDAPDHWT对底物11a的kcat/km(mmol L-1S-1)为17.01,表现出较高的催化活性。然而PvDAPDHWT对于其它剩余的8种底物无催化活性。
表5Pv-DAPDH催化的不同底物结构及产物结构
实施例5:PvDAPDH单/双突变体对芳香族底物的转化测定
将平板上测序正确的实施例1构建的单突变体和实施例2构建的双突变体菌株分别接种至含0.05mg/mL卡那霉素抗性LB中,200rpm、37℃培养10-12h,以体积比5%的接种量接种至TB培养基中,200rpm、37℃培养至OD600为0.8时加入5g/L终浓度乳糖诱导,诱导温度为25℃,诱导15h后以6,000×g,4℃离心15min收集菌体。
表6PvDAPDHMut对芳香族α-酮酸底物催化反应条件
称取离心收集好的突变菌株细胞(50g/L)超声破碎,然后将细胞破液于12,000rpm,4℃离心10min,取制备好的上清粗酶液按表6条件添加不同α-酮酸底物HBF和HPPA,置于37℃,400rpm震荡式摇床中进行还原胺化反应24h。超声破碎条件:工作时间4s,间隔时间4s,共计10min。将获得的破碎液进行低温高速离心,4℃、8000rpm离心30min,得粗酶液。用0.22μm微孔滤膜过滤,备用。反应24小时后,将转化液用1mM NaOH溶液终止反应,并使用超纯水稀释终止液至初始体积的5倍。将稀释转化液在12000rpm下离心10min,然后将离心上清经0.22微米滤膜过滤,过滤液用于HPLC检测分析。
与其它单突变体相比,H227T和H227I对HBF和HPPA有较好的转化作用,分别能生成0.35g/L D-Hpg和2.45g/L D-Tyr(图1)。通过组合突变,与其它M2相比,突变体H227I/W121I能同时催化α-酮酸底物HBF和HPPA生成相应的产物D-Hpg和D-Tyr,分别为1.7g/L和2.9g/L(图2)。
实施例6:PvDAPDH三突变体对芳香族底物谱的转化
将平板上测序正确的实施例2构建的三突变体菌株分别接种至含0.05mg/mL卡那霉素抗性LB中,200rpm、37℃培养10-12h,以体积比5%的接种量接种至TB培养基中,200rpm、37℃培养至OD600为0.8时加入5g/L终浓度乳糖诱导,诱导温度为25℃,诱导15h后以6,000×g,4℃离心15min收集菌体。按照实施例5的方法破碎菌体,收集酶液,按照实施例5的方法进行催化反应,所用到芳香族酮酸底物如表5中1~12。
由图3可看出,pvDAPDH三突变体W121I/H227I/R181S表现出对不同大体积芳香族α-酮酸底物较好的兼容性,能同时催化大多数芳香族α-酮酸底物转化成D-氨基酸(100mg/L~1800mg/L)。此外,三突变体W121L/H227I/T171L对2-氧代-4-苯基丁酸(12a)表现出较高催化活性,达到2.1g/L(图3)以上构建的突变体文库大大丰富了生物合成芳香族D-氨基酸工具箱。同时为今后更高效生物催化剂的开发提供基础模板。
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。
Claims (10)
1.一种meso-二氨基庚酸脱氢酶PvDAPDH突变体,其特征在于,在SEQ ID NO.1所示的亲本序列的基础上,将PvDAPDH的第121位,171位,181位,227位的一个或多个氨基酸进行了突变。
2.根据权利要求1所述的突变体,其特征在于,在SEQ ID NO.1所示的亲本序列的基础上,将第121位色氨酸突变为异亮氨酸或甘氨酸;或
将第181位精氨酸突变为丝氨酸或蛋氨酸或丙氨酸;或
将第227位组氨酸突变为甘氨酸、异亮氨酸、赖氨酸或苏氨酸;或
将第121位的色氨酸突变为异亮氨酸,并将第227位的组氨酸突变为异亮氨酸;或
将第121位的色氨酸突变为异亮氨酸,并将第171位的苏氨酸突变为丙氨酸;或
将第121位的色氨酸突变为异亮氨酸,并将第171位苏氨酸突变为亮氨酸,并将第227位的组氨酸突变为异亮氨酸;或
将第121位的色氨酸突变为异亮氨酸,并将第180位精氨酸突变为丙氨酸,并将第227位组氨酸突变为丝氨酸;或
将第121位的色氨酸突变为异亮氨酸,并将第181位精氨酸突变为异亮氨酸,并将第227位组氨酸突变为丝氨酸;或
将第121位的色氨酸突变为异亮氨酸,并将第181位精氨酸突变为蛋氨酸,并将第227位组氨酸突变为丝氨酸;或
将第121位的色氨酸突变为异亮氨酸,并将第181位精氨酸突变为丝氨酸,并将第227位组氨酸突变为丝氨酸。
3.表达权利要求1或2所述突变体的重组微生物细胞。
4.根据权利要求3所述的重组微生物细胞,其特征在于,宿主为Escherichia coliBL21(DE3)。
5.一种重组大肠杆菌,其特征在于,以pET28a为表达载体,在Escherichia coli BL21(DE3)中表达权利要求1或2所述的突变体。
6.权利要求1或2所述突变体在催化芳香族α-酮酸合成D-氨基酸方面的应用。
7.根据权利要求6所述的应用,其特征在于,所述应用包括:催化4-硝基苯基-丙酮酸生成4-硝基-D-苯丙氨酸,或催化3-(3-吲哚基)-2-氧代丙酸生成D-色氨酸,或催化间羟基-2-羰基丙酸生成(R)-2-氨基-3-(3-羟基苯基)丙酸,或催化3,4-二羟基苯丙酮酸生成3-羟基-D-酪氨酸,或催化4-羟基苯基乙醛酸生成D-对羟基苯甘氨酸,或催化4-羟苯基丙酮酸生成D-酪氨酸,或催化苯甲酰甲酸生成D-苯甘氨酸,或催化苯丙酮酸生成D-苯丙氨酸,或催化3-(萘-2-基)-2-氧代丙酸生成D-3-(2-萘基)-丙氨酸。
8.根据权利要求6或7所述的应用,其特征在于,所述应用以α-酮酸为底物,以权利要求1或2所述的突变体为催化剂,在35~37℃反应至少24h。
9.根据权利要求6或7所述的应用,其特征在于,反应体系中还含有NADPH。
10.权利要求1或2所述的突变体在医药、农药、食品或精细化工领域生产以芳香族氨基酸为中间体的产品方面的应用。
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