CN117925741A - 辛弗林合成方法及其合成辛弗林的工程菌 - Google Patents
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Landscapes
- Preparation Of Compounds By Using Micro-Organisms (AREA)
Abstract
本发明涉及生物技术领域,公开了辛弗林合成方法及其合成辛弗林的工程菌,该方法以酪氨酸为底物,通过酪氨酸脱羧酶、多巴胺β单加氧酶以及苯乙醇胺N‑甲基转移酶三个酶的催化下合成辛弗林,还可以将酪氨酸脱羧酶、多巴胺β单加氧酶以及苯乙醇胺N‑甲基转移酶的编码基因在合成酪氨酸的微生物中外源表达,获得以葡萄糖从头合成辛弗林的工程菌,实现生物合成辛弗林的技术路线。
Description
技术领域
本发明涉及发酵工程领域,具体涉及辛弗林合成方法,还涉及合成辛弗林的工程菌。
背景技术
辛弗林作为我国传统中药材枳实(Fructus Aurantii Immatures,FAI)中含量最高、最活跃的生物碱,是枳实中起主要药理作用的有效成分,具有升高血压、促进心血管兴奋等作用,因而常用于治疗低血压等病症。由于结构与肾上腺素、去甲肾上腺素以及麻黄碱相似,辛弗林还被发现能够加快心率,促进血液循环,氧化脂肪,增加能量水平,从而药理作用表现为肾上腺素α受体、心脏β受体兴奋剂,可代替麻黄碱作为一种中枢神经兴奋药使用并用于临床急救。同时研究表明辛弗林具有一定的抗氧化、降血糖、减肥功效作用。
目前,辛弗林的生产主要为化学合成法和物理提取法,由于辛弗林在枳实等作物中含量很低,采用提取方法存在提取成本高、含量低、污染大等问题;如中国专利CN115043889B报道从代代花中提取辛弗林,辛弗林含量仅为0.6%;中国专利CN105399787A公开了一种从柑橘皮、果中提取新橙皮苷、橙皮苷和辛弗林的方法,辛弗林含量收率也仅为2.5%,产品纯度和收率均很低。化学合成法主要包括直接酰化法、氨基乙腈法、Fries重排法等,苯酚为起始原料,也存在反应毒性大、环境污染等问题。因此需要开发高效的绿色生产方法。
合成生物学技术以低成本的葡萄糖等为原料,通过微生物底盘菌株合成目的产物,不仅反应条件温和、绿色环保,还具有高效、易于调控等优势。目前尚未有通过生物发酵的方法来生产辛弗林的研究出现。本发明以产酪氨酸的大肠杆菌为出发菌株,搭建一条从葡萄糖从头合成辛弗林的生物合成路线,从而实现绿色高效生物合成辛弗林。
发明内容
有鉴于此,本发明的目的之一在于提供一种辛弗林合成方法;本发明的目的之二在于提供酪氨酸脱羧酶、多巴胺-β-单加氧酶和苯乙醇胺-N-甲基转移酶联合在产酪氨酸菌中重建辛弗林代谢途径中的应用;本发明的目的之三在于提供一种合成辛弗林的工程菌。
为达到上述目的,本发明提供如下技术方案:
1、辛弗林合成方法,以酪氨酸为底物,依次在酪氨酸脱羧酶、多巴胺-β-单加氧酶和苯乙醇胺-N-甲基转移酶催化下合成辛弗林。
2、酪氨酸脱羧酶、多巴胺-β-单加氧酶和苯乙醇胺-N-甲基转移酶联合在产酪氨酸菌中重建辛弗林代谢途径中的应用。
本发明优选的,所述酪氨酸脱羧酶的氨基酸如SEQ ID No.1所示;所述多巴胺-β-单加氧酶的氨基酸如SEQ ID No.2所示;所述苯乙醇胺-N-甲基转移酶的氨基酸如SEQ IDNo.3所示。
本发明优选的,编码表达所述酪氨酸脱羧酶的核苷酸如SEQ ID No.5所示;编码表达所述多巴胺-β-单加氧酶的核苷酸如SEQ ID No.6所示;编码表达所述苯乙醇胺-N-甲基转移酶的核苷酸如SEQ ID No.7所示。
本发明优选的,所述产酪氨酸菌选自酿酒酵母、枯草芽孢杆菌、谷氨酸棒杆菌或大肠杆菌。
3、一种合成辛弗林的工程菌,所述工程菌以产酪氨酸菌株作为底盘菌,在底盘菌中同时表达酪氨酸脱羧酶、多巴胺-β-单加氧酶和苯乙醇胺-N-甲基转移酶,获得产辛弗林的工程菌。
本发明优选的,所述底盘菌为酿酒酵母、枯草芽孢杆菌、谷氨酸棒杆菌或大肠杆菌。
本发明优选的,所述底盘菌为过表达酪氨酸转运蛋白TYRP以及芳香族氨基酸转运蛋白AROP的BAK11菌。
本发明优选的,所述工程菌由以下方法构建:将酪氨酸脱羧酶编码基因连接于pET28a质粒,得到MBP-TYDC-pet28a重组质粒,然后将多巴胺-β-单加氧酶编码基因扩增后通过重组整合入线性化MBP-TYDC-pet28a重组质粒中,EnaseⅡ连接后得到MTD-pet28a质粒,然后将苯乙醇胺-N-甲基转移酶编码基因通过重组整合入MTD-pet28a线性化质粒中,得到MTD-MP-pet28a重组质粒,转入BAK11(DE3)菌株,得到工程菌株BAK11-TAS。
本发明优选的,所述线性化MBP-TYDC-pet28a重组质粒是用SacⅠ和HindⅢ线性化;所述MTD-pet28a线性化质粒是用HindⅢ和XhoⅠ线性化。
本发明的有益效果在于:本发明公开了由酪氨酸生物转化为辛弗林的催化路线,实现了生物发酵法合成辛弗林的从无到有,并结合了高产酪氨酸的底盘菌株,从而实现了以廉价原料葡萄糖合成辛弗林的从头合成。该工程菌基于高产酪氨酸的底盘,异源表达酪氨酸脱羧酶、多巴胺β-单加氧酶以及苯乙醇胺N-甲基转移酶,实现微生物底盘能够以葡萄糖为原料从头合成辛弗林。同时本发明也适用于其他菌株如酿酒酵母、枯草芽孢杆菌、谷氨酸棒状杆菌等模式或其他非模式底盘微生物进一步改造酪氨酸生物合成途径,实现生物合成辛弗林的技术路线。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚,本发明提供如下附图进行说明:
图1为所述工程菌的重组质粒构建示意图;
图2为SDS-PAGE电泳图(A:DβH蛋白和TYDC蛋白表达的SDS-PAGE电泳图;B:PNMT蛋白表达的SDS-PAGE电泳图);
图3为MBP-DβH融合蛋白、MBP-TYDC融合蛋白表达和MBP-PNMT融合蛋白的SDS-PAGE电泳图;
图4为MTD共表达蛋白和MTD-MP共表达蛋白的SDS-PAGE电泳图;
图5为TYDC酶生物转化底物酪氨酸的HPLC图谱及产物酪胺的MS图谱(A:HPLC图谱;B:MS图谱);
图6为DβH酶生物转化底物酪胺为章鱼胺的HPLC图谱;
图7为PNMT酶生物转化底物章鱼胺的HPLC图谱及产物辛弗林的MS图谱(A:HPLC图谱;B:MS图谱);
图8为TYDC酶和DβH酶共表达后生物转化底物酪氨酸为产物章鱼胺的HPLC图谱;
图9为TYDC酶、DβH酶以及PNMT酶共表达后生物转化底物酪氨酸为产物辛弗林的HPLC图谱;
图10为酪氨酸脱羧酶、多巴胺β-单加氧酶以及苯乙醇胺N-甲基转移酶生物转化酪氨酸为辛弗林的反应途径示意图;
图11为重组工程菌利用葡萄糖从头合成辛弗林的代谢路径图;
图12为检测发酵液中辛弗林的HPLC图谱及MS图谱(A:HPLC图谱;B:MS图谱)。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明,以使本领域的技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施,但所举实施例不作为对本发明的限定。
实施例1、基于高产酪氨酸底盘菌株BAK11生产辛弗林的重组大肠杆菌构建
本发明受柑橘中的生物胺成分启发,结合相关成分的化学结构式以及文献调研,设计了从酪氨酸出发辛弗林的生物合成路线。
本发明以高产酪氨酸底盘BAK11-TA为出发菌株,因此只需要成功搭建由酪氨酸生物转化为辛弗林的外源途径,即可实现辛弗林以葡萄糖为原料的从头生物合成。
TYDC、DβH以及PNMT由苏州金唯智公司进行全基因合成并针对大肠杆菌的密码子偏好性进行密码子优化,优化后的基因序列分别如SEQ ID No.4、SEQ ID No.5、SEQ IDNo.6所示,编码的氨基酸序列分别如SEQ ID No.1、SEQ ID No.2、SEQ ID No.3所示。首先将TYDC、DβH以及PNMT基因构建于pET21c载体,进行蛋白表达测试。具体构建过程为,根据同源重组原理设计引物后,进行目的片段TYDC、DβH以及PNMT的PCR扩增,扩增过程使用的引物如表1所示。
表1、目的片段PCR扩增引物
同时使用Takara公司的Quickcut NdeⅠ和BamHⅠ对质粒pET21c质粒进行双酶切,37℃水浴反应45min。对目的片段和载体进行DNA琼脂糖凝胶电泳,并进行产物纯化回收。对纯化后的目的片段和载体使用单片段克隆试剂盒进行重组连接,37℃水浴反应45min。反应结束后将整个反应体系转化于E.Coli DH10B感受态细胞中,静置30min后,添加液体LB培养基并于37℃摇床中,100rpm/min孵育1h,涂布于终浓度为100μg/mL羧苄青霉素的固体LB平板上进行阳性克隆筛选。随机挑选正确的阳性克隆,提取质粒后送测序分析,并分别命名为TYDC-pet21c、DβH-pet21c和PNMT-pet21c。将测序正确的转化子转化于E.Coli Rosetta感受态细胞中,得到菌株TYDC-pet21c-Rosetta、DβH-pet21c-Rosetta和PNMT-pet21c-Rosetta,对其转接至TB培养基后进行诱导表达,使用聚丙烯酰胺凝胶电泳(SDS-PAGE)进行蛋白表达情况检测(图2)。
融合表达来自大肠杆菌的麦芽糖结合蛋白(MBP)以增加异源蛋白的可溶性表达。因此分别构建了三个蛋白的可溶性表达质粒,构建过程同上。区别在于此次构建使用pet28a质粒,并用限制性内切酶Quickcut NcoⅠ和EcoRⅠ进行双酶切。重组连接则使用多片段克隆试剂盒进行连接,其余过程同上,融合蛋白的表达情况如图3。
共表达质粒构建过程也与之类似。具体过程为:在已构建的MBP-TYDC-pet28a的重组质粒基础之上,使用限制性内切酶Quickcut SacⅠ和Quickcut HindⅢ将其线性化,使用新的引物扩增目的片段DβH后,对二者进行产物回收并纯化,随即用于重组,通过单片段克隆试剂盒中的EnaseⅡ进行连接,进一步培养后得到的阳性转化子经质粒提取后送测序分析,即成功构建得到MTD-pet28a。随后,使用制性内切酶Quickcut HindⅢ和Quickcut XhoⅠ使MTD-pet28a重组质粒线性化,与纯化后的新扩增的PNMT片段进行重组连接,最终得到重组质粒MTD-MP-pet28a。转化底盘菌BAK11-TA菌株,获得含MTD-MP-pet28a的工程菌BAK11-TAS。BAK11-TA使用赵广荣教授团队发表的文章(Chromosome engineering ofEscherichia coli for constitutive production of salvianic acid A.MicrobialCell Factories,2017,16:84)中的工程菌BAK11(DE3)的基础之上,进一步过表达酪氨酸转运蛋白TYRP以及芳香族氨基酸转运蛋白AROP获得。使用SDS-PAGE凝胶电泳检测蛋白表达情况(图4),质粒构建示意图如图1所示。扩增过程使用的引物如表2所示。
表2、目的片段PCR扩增引物
实施例2、用于蛋白表达检测和粗酶催化的相关工程菌的摇瓶培养
取实施例1中获得工程菌,在液体LB培养基中活化,转接1%种子液于含30mL TB培养基的250mL锥形瓶中,培养至OD600为0.6-0.8后,取出冰浴10min,向其中添加终浓度为0.1mM的IPTG,诱导培养14h。粗酶催化:收集诱导结束后的全部菌体,分别用ddH2O和50mM磷酸钠缓冲液pH 7.5或pH 8.0洗涤,并用缓冲液重悬。置于冰上,使用细胞破碎仪进行细胞破碎。破碎液4℃,10000rpm,离心10min,上清即为粗酶液,用于底物转化测试。
实施例3、粗酶催化检测酶的底物转化能力
粗酶催化反应按照以下反应体系进行:粗酶液1mL、底物(酪氨酸或酪胺或章鱼胺)2mM以及辅因子(磷酸吡哆醛或L-抗坏血酸和五水硫酸铜或S-腺苷甲硫氨酸)2mM或1mM。沸水浴10min终止反应,并添加500μL甲醇以溶解产物,于摇床中220rpm充分溶解30-60min,12000rpm离心10min,取上清液过0.22μm有机滤膜。利用液相色谱-质谱检测反应产物。仪器型号:岛津液相LC-20;进样量10μL;色谱柱:Dikma Diamosil Plus C18-A(5μm,250×4.6mm);色谱条件:UV280 nm,柱温50℃;流动相:(A)水(含0.5%甲酸),(B)甲醇;流速:0.5mL/min;洗脱程序:3%B洗脱30min。
液质联用检测结果显示(图5),在MBP-TYDC-Rosetta的催化体系中,样品在13.5min出现与产物标品峰对应的峰,并且质谱表明该峰确为产物酪胺,表明TYDC确实能够转化酪氨酸。
液相色谱结果显示(图6),在MBP-DβH-Rosetta的催化体系中,样品在7.8min出现与产物标品峰对应的峰,较对照组为新出现的峰,表明DβH确实能够转化酪胺。
液质联用检测结果显示(图7),在MBP-PNMT-BAK11的催化体系中,样品在4.9min出现与产物标品峰对应的峰,并且质谱表明该峰确为产物辛弗林,表明PNMT确实能够转化章鱼胺。
液相色谱结果显示(图8),在MTD-Rosetta的催化体系中,样品中底物酪氨酸出峰时间为12.3min,在13.5min有中间产物酪胺的出峰,在7.8min也确有终产物章鱼胺的出峰,表明TYDC蛋白和DβH蛋白均能在大肠杆菌中表达并表现出底物转化能力。
液相色谱结果显示(图9),在MTD-MP-BAK11的催化体系中,添加酪氨酸为底物,的确有最终产物辛弗林的产物峰出现,表明共表达重组质粒MTD-MP-pet28a构建成功,蛋白均能表达并实现连续催化。
酪氨酸脱羧酶、多巴胺β-单加氧酶以及苯乙醇胺N-甲基转移酶生物转化酪氨酸为辛弗林的反应途径示意图(图10)。
实施例4、基于高产酪氨酸底盘菌株BAK11-TA生产辛弗林的摇瓶发酵验证
取实施例1中获得工程菌BAK11-TAS,在液体LB培养基中活化,添加终浓度为50μg/mL的硫酸卡那霉素,37℃条件下220rpm培养12h。随后转接1%于新的30mL LB培养基中,添加硫酸卡那霉素,37℃条件下220rpm培养12h做种子培养。再转接8%种子培养液于含有25mL发酵培养基的250mL锥形瓶中,37℃培养12h后,降温至28℃进行低温诱导发酵,合成途径如图11所示。发酵时间为84h。发酵培养基的组成为:K2HPO4·3H2O1.32mM、NH4Cl 300mM、Mg Cl2·3H2O 0.523mM、K2 SO4 0.276mM、Fe SO4·7H2O 0.01mM、CaCl2 0.05mM、Tricine4mM、Cu SO4·5H2O 0.5mM、L-抗坏血酸0.5mM、PLP 0.5mM(单配)以及甲硫氨酸0.5mM,并添加维生素B1 0.075g/L,葡萄糖30g/L,酵母浸粉1g/L,蛋白胨2g/L以及微量元素溶液0.1%。HPLC检测辛弗林的产量,结果显示BAK11-TAS菌株产生773mg/L的辛弗林(图12)。
以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例,本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换,均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。
Claims (10)
1.辛弗林合成方法,其特征在于:以酪氨酸为底物,依次在酪氨酸脱羧酶、多巴胺-β-单加氧酶和苯乙醇胺-N-甲基转移酶催化下合成辛弗林。
2.酪氨酸脱羧酶、多巴胺-β-单加氧酶和苯乙醇胺-N-甲基转移酶联合在产酪氨酸菌中重建辛弗林代谢途径中的应用。
3.根据权利要求2所述的应用,其特征在于:所述酪氨酸脱羧酶的氨基酸如SEQ IDNo.1所示;所述多巴胺-β-单加氧酶的氨基酸如SEQ ID No.2所示;所述苯乙醇胺-N-甲基转移酶的氨基酸如SEQ ID No.3所示。
4.根据权利要求2所述的应用,其特征在于:编码表达所述酪氨酸脱羧酶的核苷酸如SEQ ID No.5所示;编码表达所述多巴胺-β-单加氧酶的核苷酸如SEQ ID No.6所示;编码表达所述苯乙醇胺-N-甲基转移酶的核苷酸如SEQ ID No.7所示。
5.根据权利要求2所述的应用,其特征在于:所述产酪氨酸菌选自酿酒酵母、枯草芽孢杆菌、谷氨酸棒杆菌或大肠杆菌。
6.一种合成辛弗林的工程菌,其特征在于:所述工程菌以产酪氨酸菌株作为底盘菌,在底盘菌中同时表达酪氨酸脱羧酶、多巴胺-β-单加氧酶和苯乙醇胺-N-甲基转移酶,获得产辛弗林的工程菌。
7.根据权利要求6所述合成辛弗林的工程菌,其特征在于:所述底盘菌为酿酒酵母、枯草芽孢杆菌、谷氨酸棒杆菌或大肠杆菌。
8.根据权利要求7所述合成辛弗林的工程菌,其特征在于:所述底盘菌为过表达酪氨酸转运蛋白TYRP以及芳香族氨基酸转运蛋白AROP的BAK11菌。
9.根据权利要求7所述合成辛弗林的工程菌,其特征在于:所述工程菌由以下方法构建:将酪氨酸脱羧酶编码基因连接于pET28a质粒,得到MBP-TYDC-pet28a重组质粒,然后将多巴胺-β-单加氧酶编码基因扩增后通过重组整合入线性化MBP-TYDC-pet28a重组质粒中,EnaseⅡ连接后得到MTD-pet28a质粒,然后将苯乙醇胺-N-甲基转移酶编码基因通过重组整合入MTD-pet28a线性化质粒中,得到MTD-MP-pet28a重组质粒,转入BAK11-TA菌株,得到工程菌BAK11-TAS。
10.根据权利要求9所述合成辛弗林的工程菌,其特征在于:所述线性化MBP-TYDC-pet28a重组质粒是用SacⅠ和HindⅢ线性化;所述MTD-pet28a线性化质粒是用HindⅢ和XhoⅠ线性化。
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