还原酶催化羰基不对称还原的应用进展

羰基不对称还原作为合成手性醇的重要方法,已成为近年来有机合成的研究热点。与传统化学法相比,利用还原酶催化前手性羰基化合物的不对称还原具有显著优势。介绍了还原酶的来源与形式,对完整细胞还原酶与游离还原酶在手性药物不对称合成中的应用进行了简要综述。     

Sortase A介导的(S)-羰基还原酶Ⅱ寡聚体高效立体选择性转化(S)-苯基乙二醇

【目的】以金黄色葡萄球菌(Staphylococcus aureus)的sortase A为"分子订书机",用于(S)-羰基还原酶Ⅱ分子之间的连接,获得催化功能与稳定性增强的氧化还原酶寡聚体,高效催化2-羟基苯乙酮,合成(S)-苯基乙二醇。【方法】从S.aureus基因组中克隆sortase A基因,在大肠杆菌中表达,通过镍柱和凝胶层析纯化重组酶,获得纯酶sortase A。通过基因工程手段在(S)-羰基还原酶Ⅱ的C末端添加GGGGSLPETGG序列,蛋白纯化获得(S)-羰基还原酶Ⅱ-GGGGSLPETGG,摸索了sortase A催化(S)-羰基还原酶Ⅱ-GGGGSLPETGG的分子连接,形成(S)-羰基还原酶Ⅱ寡聚体的最佳条件,并研究了寡聚体酶学性质及生物转化(S)-苯基乙二醇的效率。【结果】(S)-羰基还原酶Ⅱ寡聚体比酶活力为38.5 U/mg,比原始型(S)-羰基还原酶Ⅱ提高了6倍,最适反应温度为50°C,最适pH为6.0,在50°C放置1 h后酶活仍旧保持90%以上;蛋白质变性实验结果显示,(S)-羰基还原酶Ⅱ寡聚体的变性温度为60.1°C,比原始酶提高了10°C;生物转化结果显示(S)-羰基还原酶Ⅱ寡聚体在3 h内完全转化5 g/L 2-羟基苯乙酮,产生光学纯度为100%的(S)-苯基乙二醇,相比于重组大肠杆菌(S)-羰基还原酶Ⅱ全细胞催化时间缩短了16倍。【结论】本研究首次将sortase A应用于氧化还原酶的分子连接,显著提高了酶的催化效率和热稳定性,表明sortase在手性催化中有很大的潜在应用价值。     

羰基还原酶及其催化不对称合成大基团手性羟基类化合物的研究进展

手性羟基化合物以其独特的光、热和化学性质广泛应用于医药、农药、精细化工、功能材料等行业.立体专一性羰基还原酶能够直接针对关键手性位点催化不对称还原潜手性底物获得目的手性产物.基于羰基还原酶的底物多样性,具有不同化学结构和功能的醇类、酯类、氨基酸、环氧化合物等重要手性中间体能够通过不对称还原途径实现单一光学活性对映体的高效制备.然而,针对具有应用价值的含有大基团、结构复杂的潜手性羰基化合物,已知的羰基还原酶通常催化活性较低.本文综述了生物催化不对称氧化还原反应的特点和规律及其关键立体选择性羰基还原酶的性质和结构特征,并在此基础上,重点针对大基团手性羟基化合物的不对称合成,总结了羰基还原酶及其催化系统开发和应用的研究进展,并进一步提出解决该关键问题的主要发展策略.     

高通量筛选具有催化活性和立体选择性羰基还原酶

根据羰基还原酶催化可逆氧化还原反应的原理,利用与偶氮还原酶催化偶氮染料还原反应耦合的颜色变化,建立了一种新的羰基还原酶筛选方法。由于羰基还原酶在催化醇底物氧化反应时会产生NAD(P)H,当在反应体系中加入偶氮还原酶AzoB和偶氮染料金橙Ⅰ的时候,偶氮还原酶可以利用NAD(P)H作为电子的供体与底物金橙Ⅰ发生反应,导致反应体系颜色的变化,这样就能够根据明显的颜色变化推断出该羰基还原酶是否对所选底物表现出特定的活性,进而可以筛选出有活性的羰基还原酶。同时,使用不同构型的手性醇作为底物时,根据体系的颜色变化,可以实现羰基还原酶的活性和立体选择性的同时筛选。     

(R)-、(S)-羰基还原酶在酿酒酵母中的表达和亚细胞定位

【目的】将增强型荧光蛋白标记的(R)-和(S)-羰基还原酶于酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae W303-1A)细胞中表达,分析荧光蛋白表达谱,确定两种酶在细胞中的功能分布和亚细胞定位。【方法】采用SOE-PCR法克隆出增强型荧光蛋白与(R)-和(S)-羰基还原酶的融合基因,构建到真核表达载体pYX212中,电击转化酵母细胞,以荧光蛋白为筛选标志,观察两种酶在酵母细胞中的表达和分布。【结果】激光扫描共聚焦显微观察表明(R)-和(S)-羰基还原酶多定位于细胞内膜和细胞质中稳定表达,少数成点状分布于细胞中央。根据荧光强度可知(S)-羰基还原酶的表达水平明显高于(R)-羰基还原酶。生物转化结果显示融合型(R)-和(S)-羰基还原酶催化底物2-羟基苯乙酮,分别获得(R)-和(S)-苯基乙二醇,前者产物的光学纯度和产率为86.6%和70.4%,后者产物的光学纯度和产率分别为92.3%和81.8%。【讨论】荧光蛋白与酶的融合没有改变靶蛋白的分子构象与生物活性,酿酒酵母工程菌较重组大肠杆菌具有更明显的生物功能优势,该研究为羰基还原酶蛋白的功能表达调控与亚细胞定位的可视化研究奠定了坚实的基础。     

脱氧核酶研究进展

运用体外分子进化技术,从人工合成的随机序列DNA库中筛选出多种不同结构的脱氧核酶,其催化活性已扩展到RNA切割、DNA激酶、DNA连接、DNA切割、DNA过氧化、金属螯合等多种酶活性。主要论述脱氧核酶的体外筛选,催化特性和影响因素,以及应用研究等 。     

一种新型(S)-羰基还原酶的克隆及其功能表达

【目的】从近平滑假丝酵母(Candida parapsilosis CCTCC M203011)基因组中钓取新型(S)-羰基还原酶基因(scrⅡ),对其生物转化手性醇的功能进行了验证。【方法】采用PCR的方法,从C.parapsilosis基因组中扩增出一段可能的羰基还原酶基因scrⅡ。以构建的重组菌Escherichia coli BL21/pET28a-scrⅡ为生物催化剂,2-羟基苯乙酮为底物进行催化反应,经HPLC分析,计算终产物的光学纯度和产率,确定了转化反应的最适温度和pH值。【结果】scrⅡ基因全长为840bp,编码279个氨基酸,与已报道的(S)-羰基还原酶基因scr的一致性为85%。氨基酸序列分析表明SCRⅡ具有典型短链醇脱氢酶的功能域:辅酶结合区域Thr40-Gly41-(X)3-Gly45-X-Gly47和催化三联体结构Ser172-(X)n-Tyr187-(X)3-Lys191。在30℃,0.1mmol/LIPTG的诱导下,(S)-羰基还原酶(SCRⅡ)在E.coli中过量表达。以10%(w/v)的重组菌为催化剂,高浓度(6g/L)2-羟基苯乙酮为底物,在最适反应温度35℃和pH5.5的条件下,转化产物(S)-苯基乙二醇的光学纯度高达99.1%e.e.,产率为89.6%。与(S)-羰基还原酶SCR相比较,底物浓度提高了一倍,产物的光学纯度和产率分别提高了10%和28%。【结论】采用分子克隆技术分离出新型羰基还原酶SCRⅡ的编码基因,该酶的发现为手性醇的高效制备奠定了坚实的研究基础。     

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.     

高山被孢霉ATCC 32222中细胞色素b5还原酶I的克隆、表达和功能鉴定

【目的】鉴定产油微生物高山被孢霉ATCC 32222中细胞色素b_5还原酶Ⅰ的功能。【方法】将高山被孢霉ATCC 32222中膜结合细胞色素b_5还原酶Ⅰ基因与人可溶性细胞色素b_5还原酶基因序列比对,去除该基因N端穿膜区域后,与人可溶性细胞色素b_5基因分别在大肠杆菌中异源表达;通过钴离子亲和层析、离子交换和分子排阻色谱等方法对表达产物进行纯化;以2,6-二氯靛酚钠(DCIP)为底物,测定细胞色素b_5还原酶Ⅰ的体外活性及其对NADH和NADPH的偏好性;在反应体系中存在NADH时,通过全波长扫描方法检测细胞色素b_5还原酶Ⅰ与细胞色素b_5的相互作用。【结果】高山被孢霉ATCC 32222中膜结合细胞色素b_5还原酶Ⅰ被成功可溶表达,经纯化后检测到体外活性:使用NADH时酶活为564.57 U,使用NADPH时为51.97 U;在NADH存在时,细胞色素b_5还原酶Ⅰ能够还原细胞色素b_5,其吸收峰从411 nm偏移至422 nm,并在521 nm和554 nm处吸光值增加。【结论】细胞色素b_5还原酶Ⅰ N端穿膜区域的去除增加了其可溶性,并保持了蛋白质活性;高山被孢霉ATCC 32222中细胞色素b_5还原酶Ⅰ基因编码的是一种NADH-细胞色素b_5还原酶,其在体外能与细胞色素b_5相互作用。     

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。     

DNA重排及体外分子进化

ＤＮＡ重排是目前为止最简便、最有效的体外定向进化技术,可以对单一基因、质粒、代谢途径、部分甚至整个基因组进行改造。本综述了ＤＮＡ重排的基本原理、特点、与其它体外进化技术的不同,着重介绍了其在体外分子进化上的广泛应用,并对应用前景进行了展望。     

（R）与（S）-羰基还原酶偶联一步法制备（S）-苯乙二醇

【目的】通过 (R) - 和(S) -羰基还原酶在大肠杆菌中偶联,实现了一步法制备（S）-苯乙二醇的生物转化过程。【方法】将来源于近平滑假丝酵母(Candida parapsilosis CCTCC M203011)的(R)- 羰基还原酶基因（rcr）和(S) -羰基还原酶基因（scr）串联于共表达载体pETDuetTM-1上。重组质粒pETDuet-rcr-scr转化稀有密码子优化型菌株Escherichia coli Rosetta,获得酶偶联重组菌株E. coli Rosetta / pETDuet-rcr-scr。当重组菌体培养至OD600 0.6-0.8时,添加终浓度1 mmol/L IPTG,30℃诱导蛋白表达10 h。【结果】SDS-PAGE结果表明(R)- 和(S) -羰基还原酶均明显表达,它们的相对分子质量分别为37 kDa和30 kDa。重组菌生物转化结果表明：在pH7.0的磷酸缓冲液中,添加5 mmol/L Zn2+时,获得产物(S)-苯乙二醇,产物光学纯度为91.3% e.e.,产率为75.9%。【讨论】采用分子重组技术成功整合了两种氧化还原酶的催化功能,实现了(S)- 苯乙二醇的一步法转化,为简化手性醇制备途径提供了一条崭新的思路。     

几丁质脱乙酰酶的研究进展

几丁质是自然界中含量仅次于纤维素的第二大多糖,壳聚糖作为几丁质脱除乙酰基的衍生物,由于其较好的溶解性得到了广泛的应用。本综述通过搜集比对不同来源的多种脱乙酰酶蛋白序列,运用生物信息学方法对其催化活性中心结构域进行深入挖掘分析,阐明了多种脱乙酰酶的生物来源、催化机制和反应条件等方面的异同点。结果表明,目前研究的脱乙酰酶多来源于真菌和昆虫,大多属于CE4家族,具有NodB等催化活性中心,比较容易与聚合度3的乙酰化低聚糖反应,不易催化难溶性多糖,且该类酶多在pH 8.0左右、40-70℃的环境下酶活达到最大,不同二价金属离子对不同酶的影响不同。最后,提出了从海洋宏基因组文库中快速特异地筛选新酶、分析酶解机理并进行分子改造等研究的新方向,旨为今后该领域科研人员研发高效、高特异性的脱乙酰酶提供了新思路。     

ω-转氨酶分子改造研究进展

ω-转氨酶能催化羰基化合物发生不对称还原胺化反应,在制备手性胺类化合物方面具有较好的应用前景。由于底物结合区域特殊的空间结构,野生型ω-转氨酶在合成大位阻手性胺方面的应用受到了限制。此外,在立体选择性和稳定性方面这一类酶也存在一些不足,目前满足工业应用需求的ω-转氨酶仍较为有限。文中首先介绍了ω-转氨酶的结构特征和催化机制,并探讨S型和R型酶在结构特征方面的主要差异。然后对ω-转氨酶的分子改造研究进行了综述,重点阐述了基于结构特征和催化机制进行的分子改造研究,包括底物特异性改造、立体选择性改造和稳定性改造三方面。最后,对ω-转氨酶分子改造研究进展进行总结和展望。     

w-转氨酶分子改造研究进展

ω-转氨酶能催化羰基化合物发生不对称还原胺化反应,在制备手性胺类化合物方面具有较好的应用前景。由于底物结合区域特殊的空间结构,野生型ω-转氨酶在合成大位阻手性胺方面的应用受到了限制。此外,在立体选择性和稳定性方面这一类酶也存在一些不足,目前满足工业应用需求的ω-转氨酶仍较为有限。文中首先介绍了ω-转氨酶的结构特征和催化机制,并探讨S型和R型酶在结构特征方面的主要差异。然后对ω-转氨酶的分子改造研究进行了综述,重点阐述了基于结构特征和催化机制进行的分子改造研究,包括底物特异性改造、立体选择性改造和稳定性改造三方面。最后,对ω-转氨酶分子改造研究进展进行总结和展望。     

微生物酶的分子改性和人工进化的研究进展

运用分子生物学技术对微生物来源的酶进行分子改性和人工进化在过去几年中取得了令人瞩目的进展。本文综述了用于酶分子改性和人工进化的主要分子生物学方法,如易错PCR技术、DNA体外随机拼接技术等及其在酶的分子进化和改性中应用成就。     

(S)-羰基还原酶Ⅱ与葡萄糖脱氢酶共催化高效合成(S)-苯乙二醇北大核心CSCD

【目的】通过优化获得最佳酶活配比,设计近平滑假丝酵母(Candida parapsilosis)CCTCC M203011的(S)-羰基还原酶Ⅱ与枯草芽孢杆菌(Bacillus sp.)YX-1葡萄糖脱氢酶在大肠杆菌中的共表达体系,实现重组菌高效催化2-羟基苯乙酮,合成(S)-苯乙二醇。【方法】分别从重组大肠杆菌中纯化了(S)-羰基还原酶Ⅱ和葡萄糖脱氢酶,研究了2种酶共催化2-羟基苯乙酮的最佳酶活比例,最适催化温度和pH,由此构建(S)-羰基还原酶Ⅱ和葡萄糖脱氢酶的共表达体系。【结果】(S)-羰基还原酶Ⅱ的比酶活力为1.3 U/mg,葡萄糖脱氢酶的比酶活力为13.5 U/mg。在总酶活力为1 U时,(S)-羰基还原酶Ⅱ和葡萄糖脱氢酶共催化体系中,确定了2种酶的最佳比例在1∶1到5∶1(U/U)之间,最适反应温度为30℃,pH为7.0。在此基础上构建了(S)-羰基还原酶Ⅱ和葡萄糖脱氢酶基因比为1∶1的共表达体系,共表达重组菌破碎上清液中(S)-羰基还原酶Ⅱ和葡萄糖脱氢酶酶活分别为0.76 U/mg和0.73 U/mg,两者的酶活比例为1∶1。在上述确定的最适催化条件下,其催化10 g/L 2-羟基苯乙酮,产物(S)-苯乙二醇的光学纯度和得率均高达99%以上。与仅含有(S)-羰基还原酶Ⅱ的重组大肠杆菌相比,共表达体系转化产物(S)-苯乙二醇的得率明显提高,且转化时间由原来的24 h缩短为13 h。【结论】通过确定(S)-羰基还原酶Ⅱ和葡萄糖脱氢酶最佳酶活配比,为构建手性催化的靶酶和辅酶再生酶共表达体系,为实现手性化合物的高效制备提供了研究基础。     

NAD(P)H依赖型氧化还原酶不对称还原胺化制备手性胺的研究进展

不对称还原胺化反应是制备医药中间体手性胺结构单元的重要反应。目前已有许多不同种类的酶被应用于合成手性胺,其中NAD(P)H依赖型氧化还原酶催化的还原胺化反应最为引人注目,因为其能够一步将潜手性酮化合物完全转化为光学纯的手性胺化合物。文中以亚胺还原酶、氨基酸脱氢酶、冠瘿碱脱氢酶和还原性酮胺化酶为例,从NAD(P)H依赖型氧化还原酶的结构特征、作用机理、分子改造及催化应用等方面,综述了其在不对称还原胺化合成手性胺领域的研究进展。     

耐有机溶剂脂肪酶的研究进展

脂肪酶是一种重要的酶,在有机介质中脂肪酶能催化某些特定的化学反应。获得具有较高催化活性的耐有机溶剂脂肪酶具有重要的价值。该文概述了一些具有代表性的耐有机溶剂脂肪酶,介绍了耐有机溶剂脂肪酶的特性和应用,并对耐有机溶剂脂肪酶的筛选途径和分子改造方法进行了分析。今后有机溶剂耐受性脂肪酶的研究将集中在酶的利用、微生物筛选、脂肪酶表征和基因克隆、酶的分子改造等方面。     

化学修饰法在酶分子改造中的应用

酶的体外不稳定性限制了其工业应用,而化学修饰法通过化学手段在分子水平上对酶进行改造,可有效地改善酶的性质,为酶的应用提供更广泛的前景.综述酶分子的化学修饰方法及其影响因素,并介绍修饰产物的常用检测评价方法.