生物催化剂立体选择性的基因工程改造

野生型生物催化剂对于其天然底物通常具有较好的反应活性和选择性,但生物催化剂在有机合成中应用时多数情况下是非天然底物,这就要求对野生型生物催化剂进行改造,以提高其对非天然底物的反应活性、稳定性和选择性(包括区域选择性和立体选择性)。以下根据酶催化剂的类型总结了近几年来通过基因工程改变生物催化剂的立体选择性的最新进展,盼望起到抛砖引玉的作用,以此促进我国在这一领域的快速发展。     

苏氨酸醛缩酶的催化机理、分子改造及合成应用

苏氨酸醛缩酶催化醛和甘氨酸羟醛缩合,一步反应即可构建产物β-羟基-α-氨基酸的两个手性中心,从原子经济性和环境影响角度,是非常具有潜力的绿色合成光学纯β-羟基-α-氨基酸的方式之一。多个不同生物来源的苏氨酸醛缩酶得到分离和表征,较低的β-碳立体选择性以及反应过程中动力学和热力学控制难题,使其在合成应用中面临很大挑战。文中综述了近年来苏氨酸醛缩酶在基因挖掘、催化机理、高通量筛选与分子改造、合成应用等方面的研究进展,旨在为进一步研究提供参考。     

一种来源于毕赤酵母的高对映选择性羰基还原酶的性质及底物谱分析

手性醇是一类非常重要的化合物,羰基还原酶催化酮的不对称还原生成对应的手性醇.从毕赤酵母Pichia pastoris GS115基因组数据中找到一个潜在的NADPH依赖的羰基还原酶,研究毕赤酵母 P.pastoris GS115中的羰基还原酶.根据其核酸序列设计引物,从P.pastoris GS115基因组中扩增到目的基因ppcr,大肠杆菌BL21 (DE3)中表达,Ni-NTA纯化,对酶的性质和底物谱进行了研究.PPCR的最适反应温度为35℃,最适反应pH为6.0,低于45℃时有很好的稳定性.对3-甲基-2-羰基丁酸乙酯的Km和kcat分别为9.48 mmol/L和0.12 s-1. PPCR表现出广泛的底物谱和很高的对映选择性,对醛、α-酮酯、芳香族β-酮酯及芳香族酮都表现出了很好的活性,在测定的底物中,除极少数底物外,ee值均达到97％以上.因此,PPCR具有较好的应用前景.     

米曲霉(Aspergillus oryzae)RIB40中烯酮/烯酯还原酶的异源表达及性质分析

以米曲霉(Aspergillus oryzae)RIB40基因组DNA为模版,通过PCR扩增其烯酮烯酯还原酶(AspER)基因(asper)后连接到表达载体pET32a(+)上,在大肠杆菌BL21(DE3)中以可溶形式表达。通过Ni-NTA亲和色谱层析纯化后,蛋白纯度提高1.9倍,回收率为60.62%。根据分子筛凝胶层析结果推算,AspER以二聚体形式存在。性质分析表明此酶为依赖于NADPH的氧化还原酶,最适pH为7.0～8.0,最适温度为40℃。对2-环己烯酮Km和kcat值分别为(2.45±0.36)mmol/L和(4.4±0.4)×103s-1。底物谱分析发现AspER对马来酰亚胺及其衍生物有较高的活性,其中对2-甲基马来酰亚胺的转化率和e.e.值均高于99%。     

手性医药化学品的绿色生物合成

手性在自然界中普遍存在,与生命现象密切相关,也显著影响物质的性能。手性医药化学品的化学合成存在原子经济性、过程经济性差、环境污染和资源浪费严重等问题。生物合成技术具有过程绿色、选择性好等优势。近年来,生物合成技术在手性医药化学品合成关键酶的选择、催化机制解析、光学纯手性中间体合成途径构建、工艺开发及放大生产等方面均取得长足进步,有望解决手性中心构筑复杂、光学纯度低、污染大等手性化学品制造的瓶颈问题,推动我国医药行业的绿色可持续发展。本文主要总结了中国科学院天津工业生物技术研究所成立以来在手性医药化学品生物催化合成方面的一些研究进展。     

来自Staphylococcus aureus N315的2-脱氧-D-核糖5-磷酸醛缩酶的工程菌构建、表达纯化与性质鉴定

利用基因挖掘在数据库中发现一种来自Staphylococcus aureus N315的潜在DERA(SaDERA),将其基因密码子优化后实现了在大肠杆菌中的表达,重组酶经纯化后研究了其催化性质。结果表明:构建的工程菌具有较高的可溶表达量(占总蛋白的70%),通过简单的一步纯化即可得到电泳纯的酶;SaDERA是一种同源二聚体的酶(5.7×104),其最适反应条件是pH 7.7和45℃;SaDERA具有良好的碱耐受性,在pH 11.0、25℃的条件下温浴24 h后仍有93%的残余活力;SaDERA具有良好的乙醛耐受性,在0.3 mol/L乙醛浓度、25℃下,30 min内保持了70%以上的残余活力;乙醛连续自缩合产物被纯化并鉴定,所得产品为两次缩合产物。     

生物催化3-(4-氯苯基)-戊二腈去对称性水解合成光学纯巴氯芬的关键前体

研究了利用生物催化剂制备(S)-4-氰基-3-(4-氯苯基)-丁酸.以3-(4-氯苯基)-戊二腈为底物,采用苯酚-次氯酸钠法对实验室保藏的菌株进行筛选,得到一株产物立体选择性较高的菌株赤霉菌Gibberella intermedia WX12,并对其催化特性和发酵条件进行了初步研究.以30 g/L的乳糖和20 g/L的蛋白胨分别为碳、氮源,发酵培养96 h,收集的菌体在50 mmol/L磷酸缓冲液(pH 8.0)中30℃催化反应24 h,将3-(4-氯苯基)-戊二腈转化为4-氰基-3-(4-氯苯基)-丁酸,产率为90％.将产物化学转化为巴氯芬,手性HPLC分析表明水解产物构型是(S),其对映异构体过量值ee＞ 99％.该产物可以用来合成光学纯的(R)-和(S)-巴氯芬.     

2014工业生物技术专刊序言

工业生物技术是解决人类目前面临的资源、能源及环境危机的有效手段。本期专刊结合第七届中国工业生物技术发展高峰论坛,报道了我国工业生物技术领域专家学者在生物信息学、微生物细胞工厂的模拟设计与构建、工业发酵工程、工业酶的改造与应用、高通量筛选方法等领域取得的最新研究进展。     

嗜热共生杆菌内消旋-2,6-二氨基庚二酸脱氢酶中Y76对辅酶偏好性影响

辅酶NAD(H)相比NADP(H)有稳定性好、价格低廉及更广的辅酶循环方法等优势,因此在实际应用中常需将NADP(H)依赖型的脱氢酶改造成为NAD(H)依赖型的。来源于嗜热共生杆菌Symbiobacterium thermophilum的NADP(H)依赖型内消旋-2,6-二氨基庚二酸脱氢酶(meso-2,6-diaminopimelate dehydrogenase,St DAPDH)及其突变体酶是催化还原氨化合成D-氨基酸的优良催化剂,本研究试图改变其辅酶偏好性,增强其应用优势。对其晶体结构分析可知,氨基酸残基Y76距离腺嘌呤较近,R35及R36和辅酶上磷酸基团有直接相互作用。依氨基酸侧链基团性质对Y76进行了定点突变,发现不同突变子对两种辅酶的偏好性都发生了变化;对与磷酸基团直接作用的R35、R36进行的双突变R35S/R36V,导致酶对NADP+的催化活力降低;将R35S/R36V和部分Y76突变进行了组合,发现三突变组合以NAD+为辅酶时的活力均大于以NADP+为辅酶的活力,实现了辅酶偏好性转变。这些研究工作为进一步实现St DAPDH的辅酶偏好性完全转变提供依据。     

一种来源于运动替斯崔纳菌KA081020-065的新型卤醇脱卤酶的表达纯化及性质分析

卤醇脱卤酶(Halohydrin dehalogenase)不仅对于含氯污染物的生物降解、净化环境具有重要意义,而且在手性医药中间体合成中也是一种重要的生物催化剂,但其数量较少。采用基因挖掘在基因组数据库中获得一种来自运动替斯崔纳菌Tistrella mobilis KA081020-065的新型卤醇脱卤酶基因Hhe TM,将该基因克隆、表达在大肠杆菌BL21(DE3)中,利用镍柱亲和层析将该酶进行纯化并研究了其酶学性质。Hhe TM是一种同源四聚体;最适温度为50℃;不同的p H缓冲液对其活性有较大影响;在碱性、30℃以下的条件下稳定性高。在氰根离子存在的条件下,Hhe TM能够催化(S)-4-氯-3-羟基丁酸乙酯合成(R)-4-氰基-3-羟基丁酸乙酯,为酶法合成阿托伐他汀关键中间体提供了一种新的卤醇脱卤酶。