CN116732117A - Hungatella属菌株在对黄酮碳苷进行生物转化中的应用 - Google Patents

Hungatella属菌株在对黄酮碳苷进行生物转化中的应用 Download PDF

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CN116732117A CN202210197144.5A CN202210197144A CN116732117A CN 116732117 A CN116732117 A CN 116732117A CN 202210197144 A CN202210197144 A CN 202210197144A CN 116732117 A CN116732117 A CN 116732117A
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刘万仓
陶小宇
柏菁璘
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    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12P—FERMENTATION OR ENZYME-USING PROCESSES TO SYNTHESISE A DESIRED CHEMICAL COMPOUND OR COMPOSITION OR TO SEPARATE OPTICAL ISOMERS FROM A RACEMIC MIXTURE
    • C12P17/00—Preparation of heterocyclic carbon compounds with only O, N, S, Se or Te as ring hetero atoms
    • C12P17/02—Oxygen as only ring hetero atoms
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Abstract

本发明公开了Hungatella属菌株在对黄酮碳苷进行生物转化中的应用。本发明提供了一种制备苷元或者苷元衍生物的方法，包括如下步骤：以糖苷或含糖苷的植物材料为原料，采用Hungatella属菌株或Hungatella属菌株的培养物进行生物转化，得到苷元或者苷元衍生物。本发明提供的方法为微生物转化法，反应速率快、产物转化率高、反应条件温和、对环境友好、转化过程简单、周期短和成本低等优点。本发明有望高效水解碳苷键。本发明对于苷元或者苷元衍生物及其下游产品的生产领域，具有重大的应用推广价值。

Description

Hungatella属菌株在对黄酮碳苷进行生物转化中的应用
技术领域
本发明属于生物技术领域，涉及Hungatella属菌株在对黄酮碳苷进行生物转化中的应用。
背景技术
黄酮类化合物是由两个苯环通过中央三碳链相互连接而成的一系列化合物的总称。黄酮碳苷即黄酮糖苷中的C-糖苷。黄酮碳苷类化合物是重要的一类黄酮苷类化合物，以木犀草素和芹菜素为母体，糖基直接在C-6或者C-8位通过C-C键连接，如牡荆素、荭草素、异牡荆素、异荭草素等。碳苷类化合物结构稳定，通过化学法较难直接裂解碳苷键，较难得到其苷元(如木犀草素和芹菜素)或者苷元衍生物(如二氢木犀草素、二氢芹菜素等)。
木犀草素和芹菜素是天然黄酮类化合物，广泛分布于种植物中。木犀草素具有多种药理活性，如消炎、抗过敏、降尿酸、抗肿瘤、抗菌、抗病毒等；芹菜素具有抗炎、抗肿瘤、抗痉挛、抗辐射等作用，能够维持骨骼健康并保护肝脏。二氢木犀草素和二氢芹菜素分别是木犀草素和芹菜素C-2,3位双键被还原后的衍生物。二氢木犀草素，又名圣草酚，具有抗氧化、抗炎、抗肿瘤、神经保护等多种药理活性，常用于治疗气喘、过敏性鼻炎、风湿等疾病；二氢芹菜素，又名柚皮素，具有抗菌、抗炎、清除自由基、抗氧化、止咳祛痰、降血脂、抗癌抗肿瘤、解痉和利胆、预防和治疗肝病、抑制血小板凝结、抗粥样动脉硬化等作用。
发明内容
本发明的目的是提供Hungatella属菌株在对黄酮碳苷进行生物转化中的应用。
本发明提供了Hungatella属菌株或Hungatella属菌株的培养物在水解碳苷键中的应用。
本发明还提供了Hungatella属菌株或Hungatella属菌株的培养物在水解糖苷的碳苷键中的应用。
本发明还提供了Hungatella属菌株或Hungatella属菌株的培养物在制备苷元或者苷元衍生物中的应用。
本发明还提供了Hungatella属菌株或Hungatella属菌株的培养物在以糖苷或含有糖苷的植物材料为原料制备苷元或者苷元衍生物中的应用。
本发明还提供了Hungatella属菌株或Hungatella属菌株的培养物在将糖苷转化为苷元或者苷元衍生物中的应用。
本发明还提供了一种制备苷元或者苷元衍生物的方法，包括如下步骤：以糖苷或含有糖苷的植物材料为原料，采用Hungatella属菌株或Hungatella属菌株的培养物进行生物转化，得到苷元或者苷元衍生物。
本发明还提供了一种制备木犀草素和/或二氢木犀草素的方法，包括如下步骤：以异荭草素或含有异荭草素的植物材料为原料，采用Hungatella属菌株或Hungatella属菌株的培养物进行生物转化，得到木犀草素和/或二氢木犀草素。
本发明还提供了Hungatella属菌株或Hungatella属菌株的培养物在制备木犀草素和/或二氢木犀草素中的应用。
本发明还提供了一种制备芹菜素和/或二氢芹菜素的方法，包括如下步骤：以异牡荆素或含有异牡荆素的植物材料为原料，采用Hungatella属菌株或Hungatella属菌株的培养物进行生物转化，得到芹菜素和/或二氢芹菜素。
本发明还提供了Hungatella属菌株或Hungatella属菌株的培养物在制备芹菜素和/或二氢芹菜素中的应用。
示例性的，以上任一所述Hungatella属菌株的培养物，是将Hungatella属菌株进行培养得到的物质。
示例性的，以上任一所述Hungatella属菌株的培养物的制备方法为：将Hungatella属菌株接种到脑心浸液(BHI)液体培养基，静置培养。
示例性的，以上任一所述Hungatella属菌株的培养物的制备方法为：将Hungatella属菌株单菌落接种到10mL BHI液体培养基，静置培养16小时。
示例性的，所述静置培养的培养温度可为：37℃。
示例性的，以上任一所述Hungatella属菌株可为Hungatella sp.DSM 11869。
示例性的，以上任一所述碳苷键为黄酮碳苷的碳苷键。
示例性的，以上任一所述糖苷为苷类化合物。
示例性的，以上任一所述糖苷为黄酮碳苷。
示例性的，以上任一所述苷类化合物为黄酮碳苷类化合物。
示例性的，以上任一所述苷元为黄酮碳苷元。
示例性的，以上任一所述苷元衍生物为黄酮碳苷元衍生物。
示例性的，以上任一所述糖苷可为异荭草素或异牡荆素。
示例性的，以上任一所述苷元可为木犀草素或芹菜素。
示例性的，以上任一所述苷元衍生物可为二氢木犀草素或二氢芹菜素。
示例性的，以上任一所述生物转化的时间可为：9-36小时。
示例性的，以上任一所述生物转化的反应体系中，原料的浓度为0.43mM或4.30mM。
示例性的，所述生物转化的方法为：将0.5mL Hungatella属菌株的培养物接种至10mL含原料的BHI液体培养基中，静置培养。
示例性的，所述静置培养的培养温度具体可为：37℃。
上述培养物中，所述培养可以采用固体培养基或液体培养基。
术语“培养物”是指经人工接种和培养后，长有微生物群体的液体或固体产物(培养容器内的所有物质即发酵产物)的统称。即通过将微生物进行生长和/或扩增而获得的产物，其可以是微生物的生物学纯培养物，也可以含有一定量的培养基、代谢物和/或培养过程中产生的其他成分。术语“培养物”还包括通过将微生物传代而获得的传代培养物，其可以是某一代的培养物，也可以是若干代的混合物。
所述培养物可为菌剂。
本发明提供的方法为微生物转化法，具有反应速率快、底物转化率高、反应条件温和、对环境友好、转化过程简单、周期短和成本低等优点。本发明有望高效水解碳苷键。本发明对于苷元或者苷元衍生物及其下游产品的生产领域，具有重大的应用推广价值。
附图说明
图1为实施例1中对异荭草素转化产物中木犀草素的LC/MS分析结果。
图2为实施例1中对异荭草素转化产物中二氢木犀草素的LC/MS分析结果。
图3为实施例1中对异荭草素转化产物中二氢木犀草素的HPLC分析的色谱图。
图4为实施例2中对异牡荆素转化产物中芹菜素的LC/MS分析结果。
图5为实施例2中对异牡荆素转化产物中二氢芹菜素的LC/MS分析结果。
图6为实施例2中对异牡荆素转化产物中二氢芹菜素的HPLC分析的色谱图。
图7为实施例3中二氢木犀草素制备时分离纯化过程的色谱图。
图8为实施例3中二氢木犀草素制备产物的HPLC分析的色谱图。
图9为实施例3中二氢木犀草素制备产物的1H-NMR分析和13C-NMR分析结果。
图10为实施例3中二氢芹菜素制备时分离纯化过程的色谱图。
图11为实施例3中二氢芹菜素制备产物的HPLC分析的色谱图。
图12为实施例3中二氢芹菜素制备产物的1H-NMR分析和13C-NMR分析结果。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述，给出的实施例仅为了阐明本发明，而不是为了限制本发明的范围。以下提供的实施例可作为本技术领域普通技术人员进行进一步改进的指南，并不以任何方式构成对本发明的限制。
下述实施例中的实验方法，如无特殊说明，均为常规方法，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。
如无特殊说明，以下实施例中的定量试验，均设置三次重复实验，结果取平均值。
Hungatella sp.DSM 11869：德国微生物菌种保藏中心(DSMZ；网址：https://www.dsmz.de/)编号为11869的菌株。
异荭草素，分子式为C21H20O11，CAS号为4261-42-1，结构式如式(Ⅰ)所示。
二氢木犀草素，分子式为C15H12O6，CAS号为552-58-9，结构式如式(Ⅱ)所示。
木犀草素，分子式为C15H10O6，CAS号为491-70-3，结构式如式(Ⅲ)所示。
异牡荆素，分子式为C21H20O10，CAS号为29702-25-8，结构式如式(Ⅳ)所示。
二氢芹菜素，分子式为C15H12O5，CAS号为480-41-1，结构式如式(Ⅴ)所示。
芹菜素，分子式为C15H10O5，CAS号为520-36-5，结构式如式(Ⅵ)所示。
BHI琼脂培养基(pH7.4±0.2)：脱水小牛脑浸粉12.5g/L，脱水牛心浸粉5.0g/L，D-葡萄糖2.0g/L，蛋白胨10.0g/L，氯化钠5.0g/L，磷酸氢二钠2.5g/L，琼脂15.0g/L；余量为水。
BHI液体培养基(pH7.4±0.2)：脱水小牛脑浸粉12.5g/L，脱水牛心浸粉5.0g/L，D-葡萄糖2.0g/L，蛋白胨10.0g/L，氯化钠5.0g/L，磷酸氢二钠2.5g/L；余量为水。
如无特殊说明，实施例中静置培养的培养条件均为：温度：37℃；气体条件：N290％，H2 5％，CO2 5％。
实施例1、Hungatella sp.DSM 11869对异荭草素的生物转化
一、微生物转化过程的建立
1、将Hungatella sp.DSM 11869划线接种于BHI琼脂培养基，静置培养3天。
2、完成步骤1后，挑取单菌落，接种到装有10mL BHI液体培养基的带盖螺口试管中，静置培养16小时，得到种子液。
3、将0.5mL步骤2得到的种子液接种至装有10mL含异荭草素的BHI液体培养基的带盖螺口试管中，静置培养，得到转化产物(转化产物指的是完成培养后的整个体系)。培养过程中，每间隔3小时取样，培养总时间为36小时，0时刻取样作对照。含异荭草素的BHI液体培养基是将异荭草素加入BHI液体培养基得到的；异荭草素在培养基中的浓度分别设置为0.43mM或4.30mM。
二、转化产物组成的定性分析
取1mL步骤一得到的转化产物，加入1mL水饱和正丁醇，涡旋振荡10min，然后4000rpm离心15min，收集有机相，38℃减压浓缩以去除溶剂，剩余物溶解于250μL甲醇，然后进行LC/MS分析。
主要色谱条件如下：
色谱柱：安捷伦XDB-C18(4.6×150mm，5μm)；
进样方式：自动进样器直接进样；检测波长：258nm；柱温：35℃；
流动相：A相或者B相或者A相和B相的混合物；B相为0.2％(体积比)乙酸的水溶液；A相为乙腈；流动相流速：1mL/min；
洗脱过程：0-5min，A相占流动相的体积分数为10％，相应的B相占流动相的体积分数为90％；5-20min，A相占流动相的体积分数由10％线性上升至30％，相应的B相占流动相的体积分数由90％线性下降至70％；20-30min，A相占流动相的体积分数由30％线性上升至100％，相应的B相占流动相的体积分数由70％线性下降至0％。
主要质谱条件如下：
离子源：ESI；扫描范围：100-1000m/z；离子源喷射电压：4.5kV；毛细管电压：45V；毛细管温度：200℃；鞘气(氮气)流速：40个单位，进样方式：自动进样器直接进样；检测方式：全扫描一级质谱正、负离子检测。
采用LC/MS分析，在Hungatella sp.DSM 11869对异荭草素的生物转化产物中，检测到了木犀草素和二氢木犀草素的生成。Hungatella sp.DSM 11869对异荭草素转化产物(异荭草素在培养基中的浓度设置为0.43mM的处理组，培养时间为3小时)中木犀草素的鉴定见图1(A图：正离子模式下质谱图，箭头示准分子离子流；B图：负离子模式下质谱图，箭头示准分子离子峰)。Hungatella sp.DSM 11869对异荭草素转化产物(异荭草素在培养基中的浓度设置为0.43mM的处理组，培养时间为12小时)中二氢木犀草素的鉴定见图2(A图：LC图谱，箭头示目标产物峰；B图：正离子模式下质谱图，箭头示准分子离子峰)。如图所示：ESIm/z 287.27[M+H]+和m/z285.19[M－H]－是木犀草素的准分子离子峰，该产物即为异荭草素C-去糖基化后所得碳苷元；ESI m/z 289.23[M+H]+是二氢木犀草素的准分子离子峰，该产物即为异荭草素C-去糖基化、C-2,3位双键被还原后所得衍生物。
三、微生物转化效率的定量分析
取1mL步骤一得到的转化产物，加入1mL水饱和正丁醇，涡旋振荡10min，然后4000rpm离心15min，收集有机相，38℃减压浓缩以去除溶剂，剩余物溶解于250μL甲醇，然后进行HPLC分析。
HPLC参数如下：
色谱柱：安捷伦XDB-C18(4.6×150mm，5μm)；
检测波长：258nm；柱温：35℃。
流动相：A相或者B相或者A相和B相的混合物；B相为0.2％(体积比)乙酸的水溶液；A相为乙腈；流动相流速：1mL/min；
洗脱过程：0-5min，A相占流动相的体积分数为10％，相应的B相占流动相的体积分数为90％；5-20min，A相占流动相的体积分数由10％线性上升至30％，相应的B相占流动相的体积分数由90％线性下降至70％；20-30min，A相占流动相的体积分数由30％线性上升至100％，相应的B相占流动相的体积分数由70％线性下降至0％。
采用峰面积归一化法计算底物的相对转化率；
相对转化率＝产物峰面积/(底物峰面积+产物峰面积)*100％；
产物峰即二氢木犀草素对应的峰；底物峰即异荭草素对应的峰。
采用外标一点法计算转化产物中二氢木犀草素的产量。
当异荭草素的浓度是0.43mM时：经过6小时的生物转化，1/5的底物被转化；经过9小时的生物转化，异荭草素的转化率为50％；经过12小时的生物转化，异荭草素的转化率达到99％，转化产物中二氢木犀草素的产量不低于110mg/L，基本上将培养基中所有的异荭草素都转化为相应的产物。当异荭草素的浓度是4.30mM时：经过36小时的生物转化，转化产物中二氢木犀草素的产量接近280mg/L。结果表明，Hungatella sp.DSM 11869对异荭草素具有很好的生物转化活性。
生物转化(异荭草素在培养基中的浓度设置为0.43mM的处理组)的HPLC分析色谱图见图3。图3中：A为异荭草素标准品的色谱图；B为0时刻时底物的色谱图，箭头示异荭草素；C为转化24小时后转化产物的色谱图，箭头示二氢木犀草素。
实施例2、Hungatella sp.DSM 11869对异牡荆素的生物转化
一、微生物转化过程的建立
将异荭草素替换为异牡荆素，其他同实施例1的步骤一。
二、转化产物组成的定性分析
方法同实施例1的步骤二。
采用LC/MS分析，在Hungatella sp.DSM 11869对异牡荆素的生物转化产物中，检测到了芹菜素和二氢芹菜素的生成。Hungatella sp.DSM 11869对异牡荆素转化产物(异牡荆素在培养基中的浓度设置为0.43mM的处理组，培养时间为3小时)中芹菜素的鉴定见图4(A图：正离子模式下质谱图，箭头示准分子离子流；B图：负离子模式下质谱图，箭头示准分子离子峰)。Hungatella sp.DSM 11869对异牡荆素转化产物(异牡荆素在培养基中的浓度设置为0.43mM的处理组，培养时间为12小时)中二氢芹菜素的鉴定见图5(A图：LC图谱，箭头示目标产物峰；B图：正离子模式下质谱图，箭头示准分子离子峰)。如图所示：ESI m/z271.07[M+H]+和m/z 269.07[M－H]－是芹菜素的准分子离子峰，该产物即为异牡荆素C-去糖基化后所得碳苷元；ESI m/z 273.10[M+H]+是二氢芹菜素的准分子离子峰，该产物即为异牡荆素C-去糖基化、C-2,3位双键被还原后所得衍生物。
三、微生物转化效率的定量分析
方法同实施例1的步骤三。
采用峰面积归一化法计算底物的相对转化率；
相对转化率＝产物峰面积/(底物峰面积+产物峰面积)*100％；
产物峰即二氢芹菜素对应的峰；底物峰即异牡荆素对应的峰。
采用外标一点法计算转化产物中二氢芹菜素的产量。
当异牡荆素的浓度是0.43mM时：经过9小时的生物转化，异牡荆素的转化率为80％；经过12小时的生物转化，异牡荆素的转化率达到99％，转化产物中二氢芹菜素的产量不低于100mg/L，基本上将培养基中所有的异牡荆素都转化为相应的产物。当异牡荆素的浓度是4.30mM时：经过36小时的生物转化，转化产物中二氢芹菜素的产量接近260mg/L。肠道细菌Hungatella sp.DSM 11869对异牡荆素具有很好的生物转化活性。
生物转化(异牡荆素在培养基中的浓度设置为0.43mM的处理组)的HPLC分析色谱图见图6。图6中：A为异牡荆素标准品的色谱图；B为0时刻底物的色谱图，箭头示异牡荆素；C为转化24小时后转化产物的色谱图，箭头示二氢芹菜素。
实施例3、Hungatella sp.DSM 11869对黄酮碳苷生物转化产物的制备
一、二氢木犀草素的制备
1、Hungatella sp.DSM 11869对异荭草素的生物转化
(1)将Hungatella sp.DSM 11869划线接种于BHI琼脂培养基，静置培养3天。
(2)完成步骤(1)后，挑取单菌落，接种到装有10mL BHI液体培养基的带盖螺口试管中，静置培养16小时，得到种子液。
(3)将2.5mL步骤(2)得到的种子液接种至装有50mL含异荭草素的BHI液体培养基的带盖螺口试管中，静置培养24小时，得到转化产物(转化产物指的是完成培养后的整个体系)。含异荭草素的BHI液体培养基是将异荭草素加入BHI液体培养基得到的；异荭草素在培养基中的浓度设置为0.43mM。
通过多个重复处理，得到750mL转化产物。
2、生物转化产物的分离纯化
取750mL步骤一制备的转化产物，用乙酸乙酯萃取并收集乙酸乙酯相(共进行3次萃取，每次萃取加入3倍体积的乙酸乙酯，萃取后收集乙酸乙酯相；合并三次收集的乙酸乙酯相)，38℃减压浓缩以去除溶剂，将剩余物溶解于10mL 70％(体积百分含量)甲醇的水溶液，然后用0.45μm微孔滤膜过滤并收集滤液。
取滤液，通过制备型中压液相色谱法(MPLC)分离纯化目标产物。
色谱参数如下：
色谱仪：江苏汉邦NS4000系列制备型中压液相色谱仪；
色谱柱：绿百草制备型SilGreen-C18色谱柱(250×4.6mm，5μm)；
流动相：由40体积份甲醇、0.2体积份乙酸和59.8体积份水组成；
流动相流速：4mL/min；进样量：1mL。
分离纯化过程的色谱图见图7，箭头示目标峰。
收集目标峰对应的过柱后溶液，38℃减压浓缩以去除溶剂，得到粉末状产物。
750mL步骤1制备的转化产物进行步骤2后，得到约68mg粉末状产物。
3、制备产物的色谱分析
将步骤2获得的粉末状产物的甲醇溶液进行HPLC分析(参数同实施例1的步骤三中的HPLC参数)，结果见图8，箭头示目标产物。
4、制备产物的结构鉴定
将步骤2获得的粉末状产物的二甲基亚砜-d6(DMSO-d6)溶液进行1H-NMR分析和13C-NMR分析，结果见图9。图9中：A为13C-NMR谱图，B为1H-NMR谱图。该结果与已报道已知化合物——二氢木犀草素的NMR数据一致。
二、二氢芹菜素的制备
1、Hungatella sp.DSM 11869对异牡荆素的生物转化
将异荭草素替换为异牡荆素，其他同步骤一的1。
2、生物转化产物的分离纯化
方法基本同步骤一的2，差别仅在于流动相组成不同。
流动相：由50体积份甲醇、0.2体积份乙酸和49.8体积份水组成。
分离纯化过程的色谱图见图10，箭头示目标峰。
收集目标峰对应的过柱后溶液，38℃减压浓缩以去除溶剂，得到粉末状产物。
750mL步骤1制备的转化产物进行步骤2后，得到约64mg粉末状产物。
3、制备产物的色谱分析
将步骤2获得的粉末状产物的甲醇溶液进行HPLC分析(参数同实施例1的步骤三中的HPLC参数)，结果见图11，箭头标注目标产物。
4、制备产物的结构鉴定
将步骤2获得的粉末状产物的DMSO-d6溶液进行1H-NMR分析和13C-NMR分析，结果见图12。图12中：A为13C-NMR谱图，B为1H-NMR谱图。该结果与已报道已知化合物——二氢芹菜素的NMR数据一致。
以上对本发明进行了详述。对于本领域技术人员来说，在不脱离本发明的宗旨和范围，以及无需进行不必要的实验情况下，可在等同参数、浓度和条件下，在较宽范围内实施本发明。虽然本发明给出了特殊的实施例，应该理解为，可以对本发明作进一步的改进。总之，按本发明的原理，本申请欲包括任何变更、用途或对本发明的改进，包括脱离了本申请中已公开范围，而用本领域已知的常规技术进行的改变。按以下附带的权利要求的范围，可以进行一些基本特征的应用。

Claims (10)

1.Hungatella属菌株或Hungatella属菌株的培养物在水解碳苷键中的应用。
2.Hungatella属菌株或Hungatella属菌株的培养物在水解糖苷的碳苷键中的应用。
3.Hungatella属菌株或Hungatella属菌株的培养物在制备苷元或者苷元衍生物中的应用。
4.Hungatella属菌株或Hungatella属菌株的培养物在以糖苷或含糖苷的植物材料为原料制备苷元或者苷元衍生物中的应用。
5.Hungatella属菌株或Hungatella属菌株的培养物在将糖苷转化为苷元或者苷元衍生物中的应用。
6.一种制备苷元或者苷元衍生物的方法，包括如下步骤：以糖苷或含糖苷的植物材料为原料，采用Hungatella属菌株或Hungatella属菌株的培养物进行生物转化，得到苷元或者苷元衍生物。
7.一种制备木犀草素和/或者二氢木犀草素的方法，包括如下步骤：以异荭草素或含异荭草素的植物材料为原料，采用Hungatella属菌株或Hungatella属菌株的培养物进行生物转化，得到木犀草素和/或二氢木犀草素。
8.Hungatella属菌株或Hungatella属菌株的培养物在制备木犀草素和/或二氢木犀草素中的应用。
9.一种制备芹菜素和/或者二氢芹菜素的方法，包括如下步骤：以异牡荆素或含异牡荆素的植物材料为原料，采用Hungatella属菌株或Hungatella属菌株的培养物进行生物转化，得到芹菜素和/或二氢芹菜素。
10.Hungatella属菌株或Hungatella属菌株的培养物在制备芹菜素和/或二氢芹菜素中的应用。
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