工业环境下酶蛋白的催化行为与适应性改造研究进展

酶在工业上有着广泛应用和巨大潜力,但工业生产中高温、强酸/碱、高盐、有机溶剂和高底物浓度等条件仍然制约着酶的大规模应用。为使酶能更好地在工业环境下发挥催化作用,目前的主要策略是对酶进行适应性改造(如理性或半理性设计、定向进化、固定化等)。文中简要阐述了酶在工业环境下的催化行为以及近年对其适应性改造的研究进展,以期为酶的适应性改造提供参考。     

腈转化酶在精细化学品生产中的应用

腈化合物是一类重要的用于合成多种精细化学品的化合物,它们容易制备,并且可以合成多种化合物。传统化学水解方法将腈化合物转化为相应的羧酸或酰胺通常需要高温、强酸、强碱等相对苛刻的条件,腈转化酶(腈水解酶、腈水合酶和酰胺酶)由于其生物催化过程具有高效、高选择性、条件温和等特点,在精细化学品的合成中越来越受到人们的关注。许多腈转化酶已经被开发出来并用于精细化学品的生产。以下介绍了腈转化酶在医药及中间体、农药及中间体、食品与饲料添加剂等精细化学品生产中的应用。随着研究的不断深入,将会有更多的腈转化酶被开发出来并用于精细化学品的生产。     

摩氏摩根菌产酯酶条件优化及在普瑞巴林手性中间体合成中的应用

为建立廉价、高效的普瑞巴林关键手性中间体生产工艺,经单因素优化和正交试验,确定了摩氏摩根菌CCTCC M 2011175最佳产酯酶培养基,组成(g/L)为葡萄糖15.0,牛肉膏7.0,Na2HPO41.0,Fe2(SO4)30.1,吐温-8010.0。优化后酯酶比酶活达到1 071.0 U/L,为出发培养基的2.5倍。以培养基优化后获得的摩氏摩根菌菌体为催化剂,立体选择性拆分外消旋2-羧乙基-3-氰基-5-甲基己酸乙酯水解,转化率达到45%,对映体过量值(e.e.)大于94%,为酶法生产普瑞巴林关键手性中间体奠定了良好基础。     

摩氏摩根菌ZJB-09203酯酶的分离纯化及性质

立体选择性水解2-羧乙基-3-氰基-5-甲基己酸乙酯(CNDE)是化学-酶法合成重大疾病治疗药物普瑞巴林的关键步骤。分离纯化了能够高效水解S-型CNDE的摩氏摩根菌ZJB-09203胞内酯水解酶,并进行酶学性质研究。采用硫酸铵分级沉淀、Phenyl Sepharose 6 FF疏水柱层析、DEAE Sephadex A-50阴离子交换和羟基磷灰石Bio-Scale CHT层析,纯化得到电泳纯的酯水解酶。SDS-PAGE和凝胶过滤HPLC分析确定该酶为单亚基蛋白,分子量为68 kDa。不同碳链长度p-硝基苯酚酯特异性酶解结果表明,该酶为酯酶,酶促合成普瑞巴林手性中间体(S)-2-羧乙基-3-氰基-5-甲基己酸的最适pH为9.0,最适温度为45℃,且在pH 7.0-9.0和40℃条件下具有良好的稳定性。Ca2+、Cu2+、Mn2+对酶活有一定的促进作用,Co2+、Fe3+、Ni2+及EDTA对酶活有较强的抑制作用。此外,考察了该酯酶水解p-硝基苯酚酯的动力学参数,及CNDE浓度对转化率的影响。首次报道了能够立体选择性水解CNDE的酯酶,相关酶学性质研究将为该酶催化合成普瑞巴林手性中间体的工业化应用提供重要依据。     

一类生物催化剂——氰基耐受型腈水合酶

氰基耐受型腈水合酶是一类生物催化剂。与普通腈水合酶相比,它能够耐受体系中较高浓度的氰基而不受抑制,从而为α-羟(氨)基酰胺的工业化合成开辟了崭新途径。研究腈水合酶的氰基耐受性机理及提高其耐受能力是目前需要解决的关键问题。综述了腈水合酶受氰基抑制的机制,氰基耐受型腈水合酶的发现以及其在蛋氨酸和2-羟基异丁酰胺生物合成中的应用。同时,对今后氰基耐受型腈水合酶基础、应用研究的思路进行了探讨。     

基于金属有机框架的固定化酰胺酶制备及催化合成(S)-4-氟苯甘氨酸

以微水溶剂热法快速制备的稳定锆基金属有机框架为载体,戊二醛为交联剂,采用交联法对酰胺酶进行固定化,考察了不同条件对酰胺酶固定化效率的影响。结果表明,戊二醛浓度为1.0%、交联时间为180 min、载体与酶的质量比为8︰1,固定化效率最佳,固定化酶活力回收率达86.4%,蛋白负载量达115.3 mg/g。固定化酶最适温度为40 ℃,最适pH值为9.0,在40 ℃下半衰期为72.2 d,该固定化酶的Km为58.32 mmol/L,Vmax为16.23 μmol/(min·mg),kcat为1 670 s–1。此外,考察了固定化酶催化合成 (S)-4-氟苯甘氨酸的工艺：最适底物浓度300 mmol/L,固定化酶用量10 g/L,反应时间180 min,在最佳反应条件下转化率达49.9%,对映体过量 (Enantiomeric excess,e.e.) 为99.9%。进一步考察了该固定化酶分批催化反应性能,重复使用20批次后,固定化酶活力仍保留95.8%。     

重组大肠杆菌产疏绵状嗜热丝孢菌脂肪酶分批补料发酵工艺

为了获得低成本的疏绵状嗜热丝孢菌脂肪酶(TLL),在5L发酵罐发酵中对工程菌E.coliBL21(DE3)/pET28b-TLL的分批补料发酵工艺进行研究。结果表明:以葡萄糖为碳源的补料培养基,采用溶氧(DO)反馈补料策略进行补料,当OD600=60时降温至28℃,分2次加入终质量浓度为30g/L乳糖进行诱导表达。优化后TLL的表达量提高到798.5U/L,是优化前的2.4倍。本研究为规模化发酵重组菌生产TLL奠定了基础。     

反应温度调控生物催化立体选择性的研究进展

立体选择性调控是手性生物催化的重要内容。反应温度调节作为一种简单、便捷的立体选择性调控方式已在生物催化制备手性化学品中发挥了重要作用。分析了温度引起酶立体选择性变化的机理,并综述了该方法在脂肪酶、酯酶、醇脱氢酶、青霉素G酰化酶和脱卤酶等酶催化反应中的应用。     

酰胺酶的挖掘及在有机合成中的应用进展

酰胺酶是一类作用于分子内酰胺键,催化酰胺水解生成相应的羧酸和氨的重要生物催化剂。酰胺酶的广底物谱,高度化学、区域和立体选择性等特性,使其在制备医药及农用化学品等方面占有重要地位。根据氨基酸序列的差异,酰胺酶可分为酰胺酶标签家族和腈水解酶家族两大类。本文结合笔者研究团队在酰胺酶生物催化领域的研究工作,综述了近年来酰胺酶结构解析和催化机制等方面的研究进展,并介绍了酰胺酶在医药、农用化学品合成中的应用。     

酰胺酶高通量筛选方法研究进展

酰胺酶是一种合成手性羧酸和酰胺衍生物的重要工具酶,在不对称合成中具有巨大应用潜力.传统的色谱分析方法通过检测底物及相应的产物去测定酰胺酶活性及立体选择性,十分费时费力.根据显色法、荧光法、NMR等原理,较为全面地综述了近年来国内外发展起来的高通量酰胺酶筛选方法.为酰胺酶筛选中筛选效率低、可靠性差等难题提供借鉴,也可为其他水解酶筛选模型的建立提供思路.