CN116121310A - 一种利用酰胺酶合成右旋酮洛芬的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种利用酰胺酶合成右旋酮洛芬的方法。利用酰胺酶催化酮洛芬酰胺选择性水解得到右旋酮洛芬,其中,所述酰胺酶来自Rhodococcus erythropolis CCM2595。所述酰胺酶的氨基酸序列如SEQ ID NO.1所示。本发明中的酰胺酶对酮洛芬酰胺具有显著的催化活力、底物亲和力和区域选择性,且对底物和产物耐受性高,该酰胺酶反应的酶底比1/20、底物浓度100g/L、转化率43%以上、产物光学纯度﹥99.5%,显示出具有较好的工业化应用潜力。
Description
技术领域
本发明涉及酶水解技术领域,尤其涉及一种利用酰胺酶合成右旋酮洛芬的方法。
背景技术
右旋酮洛芬,又称为(S)-(+)-酮洛芬、(S)-酮基布洛芬、右酮洛芬、(S)-(+)-2-(3-苯甲酰基苯基)丙酸,是2-芳基丙酸类非甾体抗炎药,其商品形式是右旋酮洛芬氨丁三醇。酮洛芬有一个手性中心,两个对映异构体,其中只有右旋酮洛芬具有抗炎抗风湿和镇痛作用,左旋酮洛芬几乎没有药理作用且有毒副作用。右旋酮洛芬于1996年由意大利Menarini公司开发并首次在西班牙上市,其消炎镇痛等作用是外消旋体的两倍,说明左旋酮洛芬是无药效的。故合成生产单一异构体右旋酮洛芬有很好的应用价值。
目前,右旋酮洛芬主要合成方法有化学非对称合成、化学拆分、酶法拆分(包括酯酶、脂肪酶、腈水解酶、腈水合酶、酰胺酶)。
化学不对称合成方法,需要用到重金属手性催化剂和高温高压条件,大部分催化剂毒性较高、会造成环境污染、另外手性催化剂成本较高;化学拆分均涉及重结晶,耗时且增加了成本、降低了产率,另外拆分剂用量大成本高,废水废溶剂多;脂肪酶或酯酶催化拆分,缺点是原料浓度太低、酶用量大、反应介质不环保、产物ee%值低、产物混合物不好分离;腈水解酶水解拆分,得到产品ee%值太低;腈水合酶和酰胺酶二步酶法水解拆分酮洛芬腈合成右旋酮洛芬,大都浓度低,产率低,二步酶法增加成本,后处理步骤繁琐。
酰胺酶水解拆分酮洛芬酰胺合成右旋酮洛芬有较多报道,如Appl.Microbiol.Biotechnol.,1994,42:1-7用Agrobacterium tumefaciens strain d3酰胺酶反应,转化率5%,ee%值97%。BIOTECHNOLOGY LETTERS,1995,17(2):187-192介绍了微生物酰胺酶,Rhodococcus sp.C3II菌体转化2mM原料,20.5h转化率53%,右旋酮洛芬ee%值97%;Rhodococcus erythropolis MP 50菌体转化0.2mM原料,转化率49%,右旋酮洛芬ee%值99%。Protein&Peptide Letters,2008,15,617-623报道Sulfolobussolfataricus酰胺酶反应,1.5g酮洛芬酰胺100mL甲醇溶解,500mLTris-HCl缓冲液,12mg纯化酶,70℃反应24h,光学纯度99.6%ee。CN111363736用Klebsiella酰胺酶制备右旋酮洛芬,如实施例6中,0.8g酶粉,用100mL磷酸钠缓冲液重悬,4g酰胺酮洛芬溶于10mL甲苯流加入反应瓶,保温反应10h,产物ee%值为100%,转化率50.85%。CN111378637用Agrobacterium酰胺酶制备右旋酮洛芬,如实施例6中,1g酶粉,用100mL磷酸钠缓冲液重悬,4g酰胺酮洛芬溶于10mL甲苯流加入反应瓶,保温反应10h,产物ee%值为99.8%,转化率50.75%。CN114134132对Rhodococcus erythropolis MP50酰胺酶进行突变,最高活力突变体反应,如实施例9中,AMD03-38酶粉0.37g,100mL磷酸钠缓冲液,6g酰胺酮洛芬溶于10mL乙酸乙酯滴加入反应瓶,保温反应24h,转化率49%,产物ee%值为99.5%。
上述这些不同来源的酰胺酶催化合成右旋酮洛芬,除去酶活力偏低、反应浓度低以及产物光学纯度偏低的报道,只有CN111363736的Klebsiella酰胺酶、CN111378637的Agrobacterium酰胺酶、以及CN114134132的Rhodococcus erythropolis MP50最佳突变体酰胺酶,反应达到产物ee%值﹥99.5%和投料浓度40-60g/L,但是还是不够理想,工业化酶工艺,希望更高的投料浓度,更低的酶底比(酶和原料的质量比),这样可以降低废水排放、提高时空产率、降低成本,因此有必要开发新的酰胺酶应用于右旋酮洛芬的酶法生产。
Rhodococcus erythropolis CCM2595是一种红平红球菌,该菌株已被证明可降解苯酚、羟基苯甲酸、对氯苯酚、苯胺等芳香族化合物(Cejkova et al.2005)。研究发现该菌株可催化腈类化合物的降解,尤其对己二腈具有高的催化区域选择性和底物亲和力(刘胜先,2019)。但对该菌株中酰胺酶对酮洛芬酰胺的水解拆分性能尚未见报道。
发明内容
针对现有技术中所存在的不足,本发明提供了一种应用酰胺酶合成右旋酮洛芬的方法,其解决了现有技术中存在的酶底比高、投料浓度低、成本高、不适合工业化生产的问题。
本发明一方面,提供一种利用酰胺酶合成右旋酮洛芬的方法,利用酰胺酶催化酮洛芬酰胺选择性水解得到右旋酮洛芬,其中,所述酰胺酶来自Rhodococcus erythropolisCCM2595。
进一步地,所述酰胺酶的氨基酸序列如SEQ ID NO.1所示。
进一步地,所述酰胺酶采用如下方法制备:
(1)合成编码所述酰胺酶的核苷酸序列,构建工程菌;
(2)诱导培养工程菌,离心收集菌体,将菌体破碎,制备酶制剂;
其中,所述核苷酸序列如SEQ ID NO.2所示。
进一步地,所述酶制剂包括酶液、酶粉、菌体、固定化酶中的一种。
进一步地,包括在反应介质中,加入助溶剂、酮洛芬酰胺,再加入酰胺酶进行选择性水解,得到右旋酮洛芬,反应过程如下所示:
进一步地,所述助溶剂为二甲基亚砜,所述反应介质为水、Tris-HCl缓冲液中的一种。
进一步地,所述选择性水解的温度为20-60℃,优选为40℃。
进一步地,所述选择性水解的pH值为6-10,优选为8.0。
进一步地,所述酮洛芬酰胺的浓度为20-150g/L,优选为100g/L。
进一步地,所述酰胺酶与酮洛芬酰胺的质量比为1/1-1/50,优选为1/20。
本发明的技术原理为:现有技术中,来自Rhodococcus erythropolis MP50、Agrobacterium.、Klebsiella的酰胺酶可实现酮洛芬酰胺的不对称水解得到右旋酮洛芬。但由于不同来源的酰胺酶具有不同的分子结构,在氨基酸序列上存在一定差异,而这种差异很可能是它们具有不同底物特异性的原因,并导致催化性能不同。本发明考察了来自Rhodococcus erythropolis CCM2595的酰胺酶水解拆分酮洛芬酰胺合成右旋酮洛芬,发现该酰胺酶催化反应时原料酮洛芬酰胺的投料浓度最高可达150g/L,高于其它几种来源酰胺酶(投料浓度最高60g/L,文献CN114134132);并且酶底比为1/20,低于其它几种来源酰胺酶(酶底比最低1/16.3,文献CN114134132),说明该酶对酮洛芬酰胺底物具有更强的催化活性,且能够承受高浓度底物产物的抑制作用。这可能与该酶与底物有更强的亲和力有关,从而为实现酶催化制备右旋酮洛芬的大规模工业化生产提供了可能。
相比于现有技术,本发明具有如下有益效果:
(1)本发明首先构建含有Rhodococcus erythropolis CCM2595酰胺酶基因的基因工程大肠杆菌,然后培养诱导表达酰胺酶,再制备各种形式酶制剂,最后应用于催化水解酮洛芬酰胺合成右旋酮洛芬。该酰胺酶催化水解反应原料投料浓度100g/L,酶底比1/20,原料转化率﹥43%,产物光学纯度﹥99.5%。
(2)本发明中的酰胺酶对酮洛芬酰胺具有显著的催化活力、底物亲和力和区域选择性,且对底物和产物耐受性高,催化反应投料浓度高,酶用量少,时空产率高,三废少,成本低,显示出具有较好的工业化潜力。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明中的技术方案进一步说明。
实施例1Rhodococcus erythropolis CCM2595酰胺酶的制备
1、构建产酰胺酶工程菌
根据NCBI网站上公布的Rhodococcus erythropolis CCM2595酰胺酶氨基酸序列,如SEQ ID NO.1所示,核酸序列通过密码子优化后,人工设计并全基因合成酰胺酶基因(核苷酸序列如SEQ ID NO.2所示),在基因的两端分别引入NdeI和EcoRI位点,并克隆到pET21a载体上。构建好的重组质粒经过化学转化方法,转入大肠杆菌BL21(DE3)感受态细胞,涂布于含有50μg/ml氨苄青霉素抗性的LB平板,37℃下培养8-12h,挑取单克隆细胞,获得可以诱导表达酰胺酶的基因工程菌株。
2、发酵罐培养
将含有酰胺酶基因的BL21(DE3)细胞接种到含有50μg/mL氨苄青霉素抗性的LB液体培养基中,于37℃培养过夜,得到种子培养液。将种子培养液按照3%的接种量转接到含有50μg/mL氨苄青霉素抗性的发酵培养基中,于37℃下,起始搅拌转速300rpm,通过转速控制溶氧30%以上,全程流加补料液,流速20mL/h(10L发酵罐),发酵培养3h左右,测OD达到0.8-1.0时,降温至25℃,加入IPTG,浓度控制在0.2mM,诱导表达20h。培养结束,发酵液通过4800rpm离心10min后,收集沉淀,获得酰胺酶菌体,置于-70℃长期保存。
发酵培养基配方:葡萄糖10g/L,酵母膏30g/L,磷酸氢二钠5.08g/L,磷酸二氢钾3g/L,硫酸镁2g/L,氯化钙1g/L,柠檬酸钠0.23g/L,0.7g/L消泡剂,pH7.0。
补料液配方:酵母膏50g/L,葡萄糖300g/L,硫酸镁10g/L;
3、酰胺酶的制备
3.1酶液的制备
发酵液离心后获得的酰胺酶菌体,用0.1M pH7.0 Tris-HCl(使用量为菌体质量的5倍,V/W)悬浮均匀后,在超声波破碎仪或高压均质机中进行破碎细胞,获得细胞破碎液,即为酶液,于-70℃长期保存。
3.2酶粉的制备
取3.1制备的酶液,置于真空冷冻干燥机中,进行真空冷冻干燥,最终获得酶粉,酶粉置于4℃保存。
3.3固定化酶的制备
取3.1制备的酶液离心或陶瓷膜过滤后,获得酶清液,在酶清液中加入树脂固定化,过滤,真空冷冻干燥,获得固定化酶,置于4℃保存。
实施例2不同形式酰胺酶催化合成右旋酮洛芬
500ml反应瓶中,加入100mL pH7.5的0.1M Tris-HCl缓冲液,原料酮洛芬酰胺5g用20mL DMSO溶解后加入反应瓶中,再加入不同形式酰胺酶,用氢氧化钠水溶液调节至pH7.5,35℃搅拌反应24h,取样分析,测定转化率和产物右旋酮洛芬ee%值,不同形式酰胺酶测试结果如表1所示:
表1不同形式酰胺酶反应的转化率和ee值
酰胺酶 | 酶量 | 转化率 | 产物ee%值 |
菌体 | 0.90g | 33.82% | 99.75% |
酶液 | 5.0g | 43.61% | 99.78% |
酶粉 | 250mg | 42.35% | 99.71% |
固定化酶 | 1.0g | 35.41% | 99.73% |
由表1可知:不同形式酰胺酶制剂,活力有所差异,选择性不变。
实施例3不同温度下酰胺酶催化合成右旋酮洛芬
在500mL反应瓶中加入100mLpH 7.5的0.1MTris-HCl缓冲液,原料酮洛芬酰胺5g用20mL DMSO溶解后加入反应瓶中,再加入酰胺酶粉0.25g,用氢氧化钠水溶液调节至pH7.5,不同温度下搅拌反应24h,取样分析,测定转化率和产物右旋酮洛芬ee%值,不同温度下酰胺酶反应结果如表2所示:
表2不同温度下酰胺酶反应的转化率和ee值
反应温度 | 转化率 | 产物ee%值 |
20℃ | 25.34% | 99.77% |
30℃ | 37.49% | 99.71% |
40℃ | 43.74% | 99.73% |
50℃ | 41.43% | 99.77% |
60℃ | 33.47% | 99.63% |
由表2可知,反应温度40℃时,转化率最高。
实施例4不同初始pH下酰胺酶催化合成右旋酮洛芬
在500mL反应瓶中加入100mL不同pH的0.1M Tris-HCl缓冲液,原料酮洛芬酰胺5g用20mL DMSO溶解后加入反应瓶中,再加入酰胺酶粉0.25g,用氢氧化钠水溶液调节至设定pH,40℃下搅拌反应24h,取样分析,测定转化率和产物右旋酮洛芬ee%值,不同初始pH下酰胺酶反应结果如表3所示:
表3不同初始pH下酰胺酶的转化率和ee值
反应初始pH | 转化率 | 产物ee%值 |
6.0 | 27.37% | 99.75% |
7.0 | 39.37% | 99.72% |
8.0 | 44.64% | 99.76% |
9.0 | 42.71% | 99.76% |
10.0 | 39.81% | 99.74% |
由表3可知,反应pH为8.0时,转化率最高。
实施例5不同投料浓度时酰胺酶催化合成右旋酮洛芬
在500mL反应瓶中加入100mL不同pH8.0的0.1MTris-HCl缓冲液,原料酮洛芬酰胺用20mL DMSO溶解后加入反应瓶中,再加入酰胺酶粉,用氢氧化钠水溶液调节至设定pH,40℃下搅拌反应24h,取样分析,测定转化率和产物右旋酮洛芬ee%值,不同投料浓度下酰胺酶反应结果如表4所示:
表4不同投料浓度时酰胺酶反应的转化率和产物ee值
原料浓度 | 酶粉 | 原料 | 转化率 | 产物ee%值 |
20g/L | 0.1g | 2g | 49.77% | 99.73% |
50g/L | 0.25g | 5g | 45.37% | 99.77% |
80g/L | 0.4g | 8g | 43.72% | 99.76% |
100g/L | 0.5g | 10g | 42.81% | 99.76% |
150g/L | 0.75g | 15g | 35.59% | 99.71% |
由表4可知:投料浓度100g/L,转化率超过40%。
实施例6不同酶底比时酰胺酶催化合成右旋酮洛芬
在500mL反应瓶中加入100mL pH8.0的0.1M Tris-HCl缓冲液,10g原料酮洛芬酰胺用20mL DMSO溶解后加入反应瓶中,再按不同酶底比(酶和原料的质量比)加入酰胺酶粉,用氢氧化钠水溶液调节至设定pH,40℃下搅拌反应24h,取样分析,测定转化率和产物右旋酮洛芬ee%值,不同投料浓度下酰胺酶反应结果如表5所示:
表5不同酶底比时酰胺酶反应的转化率和产物ee值
酶底比 | 酶粉 | 原料 | 转化率 | 产物ee%值 |
1/50 | 0.2g | 10g | 18.33% | 99.75% |
1/20 | 0.5g | 10g | 43.15% | 99.77% |
1/10 | 1g | 10g | 49.67% | 99.76% |
1/5 | 2g | 10g | 50.07% | 99.73% |
1/1 | 10g | 10g | 50.17% | 99.67% |
由表5可知:综合酶使用成本和反应效率,确定酶底比为1/20。
最后说明的是,以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制,尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明,本领域的普通技术人员应当理解,可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换,而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围,其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (10)
1.一种利用酰胺酶合成右旋酮洛芬的方法,其特征在于:利用酰胺酶催化酮洛芬酰胺选择性水解得到右旋酮洛芬,其中,所述酰胺酶来自Rhodococcus erythropolis CCM2595。
2.如权利要求1所述的一种利用酰胺酶合成右旋酮洛芬的方法,其特征在于:所述酰胺酶的氨基酸序列如SEQ ID NO.1所示。
3.如权利要求1或2所述的一种利用酰胺酶合成右旋酮洛芬的方法,其特征在于:所述酰胺酶采用如下方法制备:
(1)合成编码所述酰胺酶的核苷酸序列,构建工程菌;
(2)诱导培养工程菌,离心收集菌体,将菌体破碎,制备酶制剂;
其中,所述核苷酸序列如SEQ ID NO.2所示。
4.如权利要求3所述的一种利用酰胺酶合成右旋酮洛芬的方法,其特征在于:所述酶制剂包括酶液、酶粉、菌体、固定化酶中的一种。
6.如权利要求5所述的一种利用酰胺酶合成右旋酮洛芬的方法,其特征在于:所述助溶剂为二甲基亚砜,所述反应介质为水、Tris-HCl缓冲液中的一种。
7.如权利要求5所述的一种利用酰胺酶合成右旋酮洛芬的方法,其特征在于:所述选择性水解的温度为20-60℃,优选为40℃。
8.如权利要求5所述的一种利用酰胺酶合成右旋酮洛芬的方法,其特征在于:所述选择性水解的pH值为6-10,优选为8.0。
9.如权利要求5所述的一种利用酰胺酶合成右旋酮洛芬的方法,其特征在于:所述酮洛芬酰胺的浓度为20-150g/L,优选为100g/L。
10.如权利要求5所述的一种利用酰胺酶合成右旋酮洛芬的方法,其特征在于:所述酰胺酶与酮洛芬酰胺的质量比为1/1-1/50,优选为1/20。
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