微生物法生产丙烯酰胺的研究（Ⅰ）—腈水合酶产生菌株的培养和高活力的表达

研究了丙烯酰胺生产菌株的培养条件。通过对培养过程pH值调控、培养基补料以及诱导剂加入量的研究,使发酵液的腈水合酶的活力达到了6567u/mL菌液。这一酶活是国内外所见报道中最高的。进一步进行了丙烯腈的酶催化水合实验,产物中并没有发现副产物丙烯酸,说明在提高腈水合酶的同时,酰胺酶的活力并没有明显体现这一试验结果为工厂化生产改造以及新工艺的研究打下了基础。     

微生物法生产丙烯酰胺的研究(Ⅰ)——腈水合酶产生菌株的培养和高活力的表达

研究了丙烯酰胺生产菌株的培养条件。通过对培养过程pH值调控、培养基补料以及诱导剂加入量的研究 ,使发酵液的腈水合酶的活力达到了 6567u mL菌液。这一酶活是国内外所见报道中最高的。进一步进行了丙烯腈的酶催化水合实验 ,产物中并没有发现副产物丙烯酸 ,说明在提高腈水合酶的同时 ,酰胺酶的活力并没有明显体现这一试验结果为工厂化生产改造以及新工艺的研究打下了基础.     

腈类物降解菌多样性和产腈水合酶研究进展

腈水合酶催化反应在有机合成领域已有广泛的应用。作为一类重要的催化剂,腈水合酶可以将腈类物质转化为相应的酰胺。由于这种酶具有固有的立体和区域选择性,在精细化工领域已成为绿色、温和、对同分异构体具有选择性的催化剂。同时腈水合酶在生物修复和环境保护中也起着重要作用。综述了目前国内外腈水合酶的研究进展,包括降解腈类的微生物多样性、腈水合酶的催化特性、产腈水合酶菌株的改造以及腈水合酶相关基因的克隆与研究。对固定化酶和腈水合酶的应用也进行了叙述。     

DA-F127水凝胶包埋固定化含腈水合酶细胞

腈水合酶是一类可催化腈类化合物转化生成相应酰胺类物质的酶。含腈水合酶的游离细胞催化水合反应存在酶容易失活、细胞无法重复利用、分离纯化困难等缺陷,细胞固定化技术可有效解决这些问题。为探索合适的固定化方法,以含腈水合酶的重组E. coli细胞为研究对象,以固定化酶活回收率和批次反应情况为评价指标,筛选比较了几种常用的包埋固定化方法。结果表明,DA-F127水凝胶包埋固定化细胞不仅具有较高的酶活回收率,而且稳定性也很好。对该方法进行了固定化条件和操作稳定性优化,当DA-F127浓度为15%、UV光源距离为20cm、光照时间为6min、菌体含量为20mg/g固定化细胞时,酶活回收率为89. 74%,并且可以催化9批次150g/L的3-氰基吡啶完成转化,第九批次转化率可达98. 26%。与游离细胞催化过程相比,单位质量游离细胞的烟酰胺产量提高了12倍,具有良好的工业应用前景。     

DA-F127水凝胶包埋固定化含腈水合酶细胞

腈水合酶是一类可催化腈类化合物转化生成相应酰胺类物质的酶。含腈水合酶的游离细胞催化水合反应存在酶容易失活、细胞无法重复利用、分离纯化困难等缺陷,细胞固定化技术可有效解决这些问题。为探索合适的固定化方法,以含腈水合酶的重组E.coli细胞为研究对象,以固定化酶活回收率和批次反应情况为评价指标,筛选比较了几种常用的包埋固定化方法。结果表明,DA-F127水凝胶包埋固定化细胞不仅具有较高的酶活回收率,而且稳定性也很好。对该方法进行了固定化条件和操作稳定性优化,当DA-F127浓度为15%、UV光源距离为20cm、光照时间为6min、菌体含量为20mg/g 固定化细胞时,酶活回收率为89.74%,并且可以催化9批次150g/L的3-氰基吡啶完成转化,第九批次转化率可达98.26%。与游离细胞催化过程相比,单位质量游离细胞的烟酰胺产量提高了12倍,具有良好的工业应用前景。     

诺卡氏菌腈水合酶基因在重组毕赤酵母中的表达

为从基因水平上改造腈水合酶,进行了诺卡氏菌腈水合酶基因的外源表达研究。在重组大肠杆菌表达系统内,腈水合酶的α亚基几乎不能正常表达,在重组E. coli BL21(DE3) (pET32aNHBAX)中,腈水合酶活性仅为0.04U/mg。构建重组毕赤酵母表达质粒pPIC3.5kNHBAX,采用电穿孔转化法将其转入宿主菌P. pastoris GS115中,经过菌株培养和腈水合酶的诱导表达,筛选获得了优选菌株P. pastoris NH4。对P. pastoris NH4的细胞培养和腈水合酶的诱导表达条件进行优化,结果表明,重组腈水合酶在毕赤酵母中的表达水平可以达到0.52U/mg,但不能稳定积累。     

腈水合酶的稳定性改造研究进展

腈水合酶(nitrile hydratase,NHase,EC 4.2.1.84)是一种金属酶,能催化腈类物质转化为相应的酰胺类物质,广泛应用于高附加值酰胺类化合物的生产。但由于NHase较差的稳定性,在催化反应过程中受到温度、产物浓度等影响而逐渐失活,这严重影响了NHase的工业化应用。近年来,针对这个问题,研究者通过酶分子改造,在NHase的稳定性提高方面取得了一定进展。本文中,笔者主要对近年来提高NHase稳定性的分子改造方面取得的进展进行总结,包括基于生物信息学解析的盐桥增设、自由能降低、同源片段重组和基因融合等策略。这些成果不仅推动了生物催化法生产酰胺类化合物的发展,还将为NHase蛋白质改造工程提供理论支持。     

恶臭假单胞菌JP-1腈水合酶的诱导形成

恶臭假单胞菌JP-1能利用乙腈、丙腈、异丁腈、乙酰胺和丙酰胺作为生长的碳源和氮源。培养液中丙腈的代谢产物经证明是丙酰胺、丙酸和氨。腈水合酶是诱导酶,经丙腈诱导的适应细胞的腈水合酶活力比未适应的细胞高得多。生长细胞用0.3%丙腈诱导14小时后,即具有很高的转化丙烯腈成丙烯酰胺的活力,丙烯腈转化率为90%。除丙腈外,丙酰胺、异丁腈、正丁腈都是腈水合酶的有效诱导物。     

腈水合酶基因克隆与调控表达的研究进展

微生物腈水合酶作为新型生物催化剂得到日益广泛的应用 ,但野生菌株本身存在的酶稳定性差等问题制约了这一绿色工艺的发展 ,基因工程菌为解决这个难题开辟了新的思路。总结了各种菌株中腈水合酶的序列研究进展 ,虽然基因序列和蛋白序列同源性不高 ,但它们都以基因簇的形式存在 ,并具有相同的活性中心序列。归纳了克隆并表达腈水合酶基因的基本步骤和方式 ,并提出几种有效增强重组腈水合酶活性表达的方法。     

高分子量腈水合酶在大肠杆菌中的表达策略及重组菌的细胞催化

【目的】实现红球菌Rhodococcus rhodochrous J1来源的高分子量腈水合酶H-NHase在Escherichia coli BL21(DE3)中过量表达,以提高菌体总酶活,缩短菌体发酵周期,提高生产效率。【方法】将H-NHase中编码α亚基的基因nhh A和调控基因nhh G上游的核糖体结合位点(Shine-Dalgarno sequence,SD)替换成翻译起始强度更高的异源SD,同时优化各亚基之间间隔序列的长度,并根据大肠杆菌密码子偏好性对目的基因进行优化。通过E.coli重组表达系统过表达优化后的腈水合酶基因。采用离子交换层析对H-NHase进行纯化,并通过凝胶过滤层析确定重组酶的相对分子量。优化了全细胞催化条件,并建立底物恒速流加的细胞催化工艺,模拟了烟酰胺的生产工艺。【结果】H-NHase在E.coli中实现了过量表达。重组蛋白粗酶液的活性为85.5±4.3 U/mg,纯酶比活为234.0±11.7 U/mg,H-NHase相对分子质量为504.5±9.8 k D。细胞催化最适p H为7.5,最适温度为25°C,底物浓度为400 mmol/L。在此条件下,重组菌细胞酶活为256.0±10.4 U/m L,流加工艺最终的产物转化率可达99.9%。【结论】重组H-NHase大肠杆菌细胞生长迅速,发酵周期短,应用此重组菌进行细胞催化可以提高酰胺类物质的生产效率,具有潜在的工业价值。     

产腈水合酶重组大肠杆菌的质粒稳定性研究

成功构建了腈水合酶(nitrile hydratase,NHase)高表达的重组大肠杆菌E.coliBL21(DE3)/pETNH^M(Kan^r),研究了重组质粒pETNH^M在重组菌株中的质粒稳定性。结果表明,pETNH^M具有较好的结构稳定性,连续传代60代后质粒的基因序列没有明显缺失,且能够正常表达腈水合酶。pETNH^M具有分离不稳定性,在无抗生素选择压力下,连续传代48代后质粒丢失的无质粒细胞开始出现。琼脂糖凝胶电泳定量分析表明,2/3的质粒pETNH^M以二聚体形式存在,导致质粒拷贝数的下降。进一步研究表明,重组细胞的连续高速分裂及腈水合酶的高表达也会造成质粒拷贝数的下降,从而降低其分离稳定性。反之,重组菌株相对于宿主菌株的较高比生长速率有利于保持含质粒细胞的生长优势,卡那霉素的选择压力则能够保证质粒的稳定遗传。     

微生物法生产丙烯酰胺的研究（Ⅱ）——腈水合酶催化反应动力学与失活动力学

以丙烯腈为原料,微生物转化生产丙烯酰胺的过程中,酶催化反应是过程的关键。为了了解酶催化的动力学,本研究以自由细胞的酶为催化剂,进行了腈水合酶的反应动力学和失活动力学的研究。首先研究了菌体浓度、温度、pH值、丙烯腈浓度、丙烯酰胺浓度等对腈水合酶催化反应速度的影响。结果表明,在这些因素中,温度和丙烯酰胺浓度是最主要的影响因素。28℃时酶活为5659u/mL（菌液）,在5℃时的反应速率仅为28℃时的11.72%,相应的表观酶活为663u/mL（菌液）。而在丙烯酰胺45%浓度条件下的酶活大约只有丙烯酰胺5%浓度下的酶活的1/2。经过对不同温度下的反应速度的研究,得到腈水合酶水合反应的活化能为65.57kJ·mol^-1。本文进一步研究了自由细胞状态下,菌体浓度、pH值、温度、丙烯腈浓度、丙烯酰胺浓度对腈水合酶失活的影响,得到了失活动力学。结果表明,在这些因素中,对酶失活影响的最主要因素还是温度和丙烯酰胺浓度。尤其当丙烯酰胺浓度到达35%时,酶活下降得很快,在55 h后,酶活几乎为零。而在丙烯酰胺浓度为10%的情况下,55 h的酶活仍然还存在约50%。试验结果还表明,丙烯腈对酶的稳定性的影响很小。经过数据处理,得到的28℃的酶失活速率常数为5℃下的2177倍。经过对温度与失活速率常数的拟合,得到腈水合酶失活反应的活化能为9228kJ·mol-1。     

微生物法生产丙烯酰胺的研究（Ⅱ）—腈水合酶催化反应动力学与失活动力学

在以丙烯腈为原料 ,微生物转化生产丙烯酰胺的过程中 ,酶催化反应是过程的关键。为了了解酶催化的动力学 ,本研究以自由细胞的酶为催化剂 ,进行了腈水合酶的反应动力学和失活动力学的研究。首先研究了菌体浓度、温度、pH值、丙烯腈浓度、丙烯酰胺浓度等对腈水合酶催化反应速度的影响。结果表明 ,在这些因素中 ,温度和丙烯酰胺浓度是最主要的影响因素。 2 8℃时酶活为 5 6 5 9u mL(菌液 ) ,在 5℃时的反应速率仅为 2 8℃时的11 72 % ,相应的表观酶活为 6 6 3u mL(菌液 )。而在丙烯酰胺 45 %浓度条件下的酶活大约只有丙烯酰胺 5 %浓度下的酶活的 1 2。经过对不同温度下的反应速度的研究 ,得到腈水合酶水合反应的活化能为 6 5 5 7kJ·mol- 1 。本文进一步研究了自由细胞状态下 ,菌体浓度、pH值、温度、丙烯腈浓度、丙烯酰胺浓度对腈水合酶失活的影响 ,得到了失活动力学。结果表明 ,在这些因素中 ,对酶失活影响的最主要因素还是温度和丙烯酰胺浓度。尤其当丙烯酰胺浓度到达 35 %时 ,酶活下降得很快 ,在 5 5h后 ,酶活几乎为零。而在丙烯酰胺浓度为 10 %的情况下 ,5 5h的酶活仍然还存在约 5 0 %。试验结果还表明 ,丙烯腈对酶的稳定性的影响很小。经过数据处理 ,得到的 2 8℃的酶失活速率常数为 5℃下的 2 1 7     

Arthrobacter nitroguajacolicus腈水解酶基因的克隆和表达

腈水解酶是一类能将腈类化合物催化生成酸的氰基水解酶。目前已有多个菌种的腈水解酶基因序列被报道,如敏捷食酸菌Acidovoraxfacilis,粪产碱菌Alcaligenesfaecalis,睾丸丛毛单胞菌Comamonastestoteroni,肺炎克雷伯菌Klebsiellapneumoniae,假单胞菌Pseudomonas属菌株,红球菌Rhodococcus属菌株,但节杆菌属菌株Arthrobacternitroguajacolicus的腈水解酶基因序列尚未见报道。经由野生型酶的分离纯化,基因文库筛选及侧翼序列扩增等步骤,克隆得到该菌株的腈水解酶基因,从而为进一步研究该酶的特性及构建用于工业生产的重组菌打下基础。     

腈水合酶产生菌的分离筛选及其特性研究

本研究进行了产腈水合酶菌种的分离筛选,对菌株ＳＤ—１６进行了诱变,并对ＳＤ—１６的生长、产酶条件以及腈水合酶的反应条件进行了研究。ＳＤ—１６经鉴定确定为微球菌Ｍｉｃｒｏｃｏｃｃｕｓｓｐ．     

腈水合酶产生菌的培养及其酶活性的比较

从腈污染的土样中筛选获得,株腈水合酶活性较高的细菌,分属于棒状杆菌(Cerynebactertum sp.)、节杆菌(Arthrobacter sp.)和克雷伯氏菌(Klebsiella sp.)其中具有腈水合酶活性的克氏杆菌属菌为首次分离到。对这些菌株适宜培养条件及酶形成诱导特性的研究表明,棒状杆菌和节杆菌的腈水合酶为诱导酶,而克氏杆菌的酶为组成酶。前二个属的细菌完整细胞腈水合酶活性相近,均较后一属细菌高约10倍。     

腈水合酶转化反应的影响因子

棒状杆菌(corynebactcrium sp.)ZBB-21腈水合酶能高效地将丙烯腈转化为丙烯酰胺,其转化反应的最遣PH为8．0,最适转化反应温度为25℃。反应体系中加入微量的K+、Na+、Mg2+和Fe3+对酶的转化反应有明显的促进作用。过量丙烯腈(浓度为0．3mol／L以上)对酶活性有抑制作用,转化产物丙烯酰胺及其结构类似物丙烯酸是腈水合酶的竞争性抑制剂,其抑制常数K．分别为0．06mol／L和0．70mol,L,游离氰离子(CN-)的存在严重抑制丙烯酰胺的形成(K;=1．25 x 10-3mol／L)。     

恶臭假单胞菌腈水合酶βAla97影响催化己二腈的区域选择性

对恶臭假单胞菌(Pseudomonas putida)腈水合酶(Pp NHase)催化己二腈进行研究,发现Pp NHase只能催化己二腈中1个氰基生成单酰胺产物5-氰基戊酰胺,具有区域选择性;睾丸酮丛毛单胞菌(Comamonas testosteroni)腈水合酶(Ct NHase)能催化己二腈直接生成己二酰二胺,不具有催化区域选择性。为了阐明这一区域选择性差异的机制,对Ct NHase和Pp NHaseβ亚基的氨基酸序列进行比对,结果显示同源性为94.1%,Ct NHase存在βAla97缺失。基于此分析,构建了Pp NHaseβ97位Ala的缺失突变体(ΔAla97)。利用高效液相色谱检测ΔAla97催化己二腈的产物,发现ΔAla97能将底物完全催化为己二酰二胺,表明βAla97是影响催化己二腈由5-氰基戊酰胺向己二酰二胺转化的关键氨基酸。     

重组固氮菌腈水合酶催化3-（4-氯苯基）戊二腈的选择性水解

通过基因数据挖掘方法（genome mining）获得了来源于固氮菌Herbaspirillum seropedicae SmR1中的腈水合酶基因hsn1。构建了hsn1／pETDuet-1／BL21的大肠杆菌共表达重组菌,经IPTG诱导获得了具有良好催化能力的Co^2＋依赖型腈水合酶HSN1。利用全细胞反应研究了HSN1的底物谱,发现HSN1对底物3-（4-氯苯基）戊二腈有良好的区域选择性及一定的对映选择性,它可以选择性地水解1个腈基得到3-（4-氯苯基）-4-氰基丁酰胺,该化合物可通过一步化学反应合成巴氯芬。     

在双水相系统中生物转化丙烯腈为丙烯酰胺的研究

本文研究了以产腈水合酶的恶臭假单胞菌JP-1,在聚乙二醇/磷酸盐双水相系统中转化丙烯腈为丙烯酰胺的条件.双水相系统的组成为:聚乙二醇6000浓度0.05g/ml,磷酸氢二钾浓度0.20g/ml,丙烯腈浓度0.30mol/L,含酶细胞浓度0.10g/ml,pH9.0.25℃时转化率最高;pH10.0时酶最稳定;温度越低,酶的稳定性越好.还研究了在反应过程中间歇补充丙烯腈生成丙烯酰胺,以及从反应液中提纯丙烯酰胺的方法.