生物催化剂发现与改造的研究进展

生物催化是指将酶或生物有机体用于有用的化学转化的过程,在人们对传统化学催化的环境影响抱有忧虑的情况下,生物催化提供了一种有吸引力的选择。在过去的几十年里,对生物催化剂的研究每出现一次大的进步,生物催化的发展就会出现一次高潮。因此,生物催化剂的发现与改造已成为当今研究的热点。宏基因组文库技术的出现克服了许多微生物不可培养的障碍,人们能够从自然资源中获得丰富的潜在的生物催化剂。而基于理性设计的分子改造技术的发展,可以使得人们对潜在的生物催化剂进行快速而有效的改造以满足工业化生产的需求。随着生物催化剂发现与改造的手段不断进步,更多的优良生物催化剂得到了广泛的应用,生物催化在工业生产中也得到了更深入的应用。结合作者的研究工作,总结了生物催化剂发现与改良的一些研究进展,以为获得更多优良的、能够实现工业应用的生物催化剂奠定理论基础。     

头孢菌素C乙酰化酶的半理性改造及7-ACA的生物合成

CPC乙酰化酶是一步酶法制备7-ACA的关键酶,针对它的研究具有重大的经济价值。为了获得对CPC具有更高催化活性的CPC乙酰化酶,以Pseudomonas sp SE 83来源的Ⅲ型CPC乙酰化酶CA Ⅲ为亲本,借助分子对接的手段确定了它与CPC结合的关键氨基酸残基,并确定将这些关键氨基酸残基突变为侧链基团更小的氨基酸残基,对CA Ⅲ的编码基因利用多点定点突变试剂盒完成定点突变后借助p ET32a质粒在E.coli BL21(DE3)中实现了可溶性表达,获得了对CPC催化活性更高的重组突变体reCA Ⅲ~M,其比酶活为26.7 IU/mg,较原酶提高了3.44倍。此外,初步研究了利用reCA Ⅲ~M进行一步酶法生产7-ACA的工艺,40 IU/g CPC的加酶量、25℃的条件下反应12 h,CPC的转化率和7-ACA的得率分别可达96.3%和63.4%,表明该酶具有良好的应用前景。CPC乙酰化酶的分子改造上取得的较为理想的结果,为该酶进一步的分子改造及应用奠定了坚实的基础,也为其它酶的分子改造提供了可资借鉴的经验。     

新型R-扁桃酸脱氢酶的基因挖掘及表达鉴定

R-扁桃酸脱氢酶在苯乙酮酸的生物合成中起着关键的作用,挖掘具有高催化活性及稳定性的新型R-扁桃酸脱氢酶具有重要的意义。为了获得理想的R-扁桃酸脱氢酶,采用了基因组挖矿技术从Lactobacillus harbinensis菌株中获得了一个新型的R-扁桃酸脱氢酶LhDMDH,重组LhDMDH的比酶活高达1264.3 U/mg,约为探针的4倍,在已报道的R-扁桃酸脱氢酶中处于领先水平。同时,考察了4个重组酶主要的酶学特性,它们的最适反应温度在25~30℃,最适反应pH在9.0~9.5。动力学参数的结果表明,LhDMDH对底物的K_(cat)值为30.28 S~(-1),明显高于其它重组酶。此外,底物谱分析的结果也表明LhDMDH在外消旋扁桃酸的手性拆分及苯乙酮酸的生物合成中更具优势。在R-扁桃酸脱氢酶基因挖掘方面取得了较为理想的结果,为进一步的改造及应用奠定了坚实的基础,也为其它酶的挖掘提供了可资借鉴的经验。     

CPC乙酰化酶底物结合区域Loop上脯氨酸对其催化特性的影响

低温CPC乙酰化酶在7-ACA的生物合成中具有重要作用和显著的优势,开发低温CPC乙酰化酶具有重大的经济价值。为了获得在低温下具有更高催化活性的CPC乙酰化酶,在前期的研究基础上,以先前获得的CA IIIM为亲本,借助分子对接的手段确定了它的底物结合区域,并利用py MOL软件找出了底物结合区域Loop上关键的脯氨酸残基,分析后将选定的脯氨酸用甘氨酸进行替换。借助p ET32a质粒在E.coli BL21(DE3)中进行了可溶性表达研究,除P272G外,其它突变体均实现了可溶性表达。P238G、P582G和P679G在13℃对CPC的催化活性分别为1.25、1.04和1.38U/mg,较亲本的0.85 U/mg有了显著的提高。此外,分别考察了亲本及突变体的温度稳定性,它们之间无明显的差异。然后,在13℃下进行了7-ACA低温生物合成的研究,结果表明反应24 h后CPC的转化率也能达到80%以上。由此可见在CPC乙酰化酶冷适应性改造方面取得了较为理想的结果,为进一步的改造及应用奠定了坚实的基础,也为其它低温酶的创制提供了可资借鉴的经验。