腈水合酶制备关键技术研究

<正>腈水合酶是一类可以催化腈类物质转化相应的酰胺类化合物的金属酶,工业上利用其催化丙烯腈转化为丙烯酰胺。该生物法制备丙烯酰胺工艺在1985年被开发,是生物法替代化学法的典型案例。随着丙烯酰胺的需求不断扩大,国内外研究机构及学者对腈水合酶产生菌的分离选育、菌株特性研究、酶的形成条件、酶的结构和性质、生物合成机制、翻译后的成熟机制等进行了深入研究。如中国专利CN201710456875.6公开了一种改造腈水合酶及其应用,该发明改造腈水合酶的抗逆性、耐热性和产物耐受     

协同两类腈水合酶高效催化烟酰胺及丙烯酰胺生物合成

腈水合酶(nitrile hydratase, NHase)可以将腈类物质通过水合作用转化生成更有利用价值的酰胺类化合物,在工业上被用于生产烟酰胺、丙烯酰胺等重要化学品。然而,尚无兼具对底物和产物耐受性高以及催化活性高的腈水合酶,导致底物不能被彻底利用、酰胺产物的产量受限。该研究协同表达了高催化活性的低分子质量腈水合酶(L-NHase)和高耐受性的高分子质量腈水合酶(H-NHase),并优化两类酶在质粒上的排列位置。其中BAE-BAG菌株对底物、产物的耐受性与H-NHase菌株相仿;在以烟腈或者丙烯腈为底物进行全细胞催化时,该菌株的催化速率与L-NHase菌株相仿,最终烟酰胺产量可达到516 g/L,是目前报道的最高产量;丙烯酰胺产量比原始BAE或BAG菌株提高19.1%以上。该文成功协同两类腈水合酶,同时提高了合成烟酰胺和丙烯酰胺的催化反应速率及产量,对工业应用具有一定的指导意义。     

腈水合酶催化反应条件的研究

以自由细胞的酶作为催化剂,研究了菌体稀释倍数、丙烯腈浓度、温度、pH值、菌悬液用量和丙烯酰胺浓度对腈水合酶活性的影响．结果表明,温度、丙烯腈浓度和丙烯酰胺浓度是影响酶活性的主要因素．反应温度在28℃时酶活性达到最大为4091U／mL茵液,丙烯腈浓度采用40g／L．当反应体系中丙烯酰胺浓度为40％时,其酶活只有丙烯酰胺浓度为5％时酶活的39．2％．对不同反应温度下酶活的研究,得出腈水合酶催化反应的活化能为40．291kJ·mol^-1．     

高分子量腈水合酶工程菌生产烟酰胺的工艺建立

为提高表达玫瑰色红球菌(Rhodococcus rhodochrous J1)来源的高分子量腈水合酶大肠杆菌Escherichia coli BL21(DE3)/pET-24a(+)-nhh Brbs Arbs G(BAG)的菌体酶活,建立了合适的烟腈全细胞催化工艺以及重组工程菌的高密度发酵工艺。采用正交试验L_9(3~4)对摇瓶培养基中各组分进行优化,比较烟腈底物流加和底物分批补料工艺,对重组菌进行分批补料高密度发酵培养。培养基优化后其菌体生物量提高到4.42 gDCW/L,细胞比酶活提高到30.91 U/mgDCW;与烟腈底物流加相比,烟腈分批补料工艺更适合烟酰胺的生产,通过此工艺的反应,摇瓶发酵后的BAG能够生产390 g/L烟酰胺;对BAG进行5 L发酵罐分批补料扩大培养,菌体生物量最高达到73.97 gDCW/L(OD600=200),细胞比酶活最高为42.70 U/mgDCW,单位发酵液酶活最高为2 813 U/mL,用较高密度的发酵罐培养后重组菌进行烟腈催化反应,产物质量浓度能达到537 g/L,是已报道的大肠杆菌重组表达腈水合酶产烟酰胺所得终质量浓度的最高水平。     

基于底物通道工程提升嗜热腈水合酶对烟腈的催化性能

腈水合酶(nitrile hydratase, NHase, EC 4.2.1.84)是一类将腈类化合物经水合反应生产酰胺类化合物的金属酶,工业上用该酶进行生物法生产烟酰胺。由于水合过程放热,工业用酶对其稳定性提出了更高的要求。实验室前期通过基因挖掘获得了一种来源于嗜热菌温泉热碱芽胞杆菌(Caldalkalibacillus thermarum) TA2.A1的腈水合酶基因,但其催化活性不足,难以满足应用需求。该研究基于底物通道工程,将该酶β亚基的第42位甘氨酸突变为赖氨酸后,其催化3-氰基吡啶的比酶活力提高为野生酶的2.5倍,且仍保留较好的稳定性,经5 L发酵罐培养,细胞酶活力达到5 539.0 U/mL,具有巨大的应用潜力。     

产腈水合酶菌株的驯化选育及其产酶条件的优化

以Rhodococcussp YL 1为出发菌株 ,通过逐渐增加培养基中丙烯腈的浓度重复继代培养 ,得到 1株酶活为 79 8U/mg的腈水合酶高活力菌株YL 2 ,酶活比出发菌株YL 1提高了 87%。对菌株YL 2的产酶条件进行了优化。结果表明 ,葡萄糖、诱导剂脲、Co2 + 及pH是影响腈水合酶高效表达的主要因素。在葡萄糖浓度为 2 0g/L ,诱导剂脲的添加量为 0 0 6g/L ,钴离子加入量为 0 3g/L ;培养温度为 30℃ ,培养基初始 pH为 7 0的条件下培养 4 0h后 ,酶活可达 134 5U/mg ,比优化前提高了 6 9%。     

钴型腈水合酶降解腈的分子模拟研究

为探索钴型腈水合酶降解腈的微观降解机制,用分子对接的方法模拟了钴型腈水合酶与腈的相互作用,得到他们复合物结构的理论模型,根据打分函数最低原则筛选出的PtNHase与烟腈之间最佳构象打分函数为-63.9557,二次打分函数为-56.056。应用LPC/CSU server研究最佳构象的相互作用情况,结果表明,PtNHase与烟腈之间以疏水作用数量最多,钴型腈水合酶的氨基酸残基αLeu88、βAla122、βLeu127、βPhe37、βPhe41和βPhe118在催化过程中起到了关键作用。     

赖氨酸脱羧酶分子改造及其催化合成戊二胺

1,5-戊二胺(戊二胺)具有良好的生物活性,广泛应用在农业、医药以及工业等领域。赖氨酸脱羧酶可以催化L-赖氨酸生产戊二胺,为了提高赖氨酸脱羧酶催化合成戊二胺的效率,首先在大肠杆菌中克隆表达了粘质沙雷氏菌来源的赖氨酸脱羧酶(SmcadA)。生化特征表明,SmcadA最适催化pH为6.0,最适催化温度约为40℃。随后对SmcadA的第348位氨基酸进行了突变研究,筛选获得了催化效率显著提高的突变体Gly348Ala,主要原因是该突变导致蛋白中氨基酸残基和底物之间相互作用的氢键数增加,从而影响其催化效率。最后,对重组菌株细胞进行了戊二胺合成研究,催化反应25 h,含有突变体Gly348Ala的重组菌细胞可以催化合成218.2 g/L戊二胺,野生型SmcadA重组菌仅能催化合成159.2 g/L戊二胺。该研究结果为工业化酶催化合成戊二胺提供了借鉴。     

重组Bacillus subitilis(pMA5/lapgad)的构建及其在γ-氨基丁酸合成中的应用

从实验室保存的Lactobacillus plantarum ZJ3443中克隆得到GAD基因,并对其进行了生物信息学分析。利用得到的GAD基因构建质粒pMA5/lapgad,在Bacillus subtilis WB600系统中实现了GAD基因的异源重组表达,其胞内酶活达到0.35 U/mg。在此基础上对摇瓶下利用重组菌全细胞转化谷氨酸合成γ-氨基丁酸的条件进行了优化,其最佳条件为:转化温度37℃,转化pH为4.5,添加1 mmol/L Ca2+作为激活剂。这是国内首次报道GAD在枯草芽孢杆菌中的活性表达,为利用基因工程技术实现全细胞合成γ-氨基丁酸打下了基础,为生产实践提供了一定的指导意义。     

表达磷脂酰丝氨酸合成酶基因工程菌发酵条件的研究

研究表达磷脂酰丝氨酸合成酶基因工程菌的发酵条件.利用250mL三角瓶发酵,对携带磷脂酰丝氨酸合成酶基因重组质粒的工程菌进行诱导表达,研究培养基的pH值、装液量、转速、诱导时菌体浓度、诱导剂浓度、诱导时间和温度对磷脂酰丝氨酸合成酶酶活的影响.确定工程菌的最佳发酵条件为:培养基pH值为7.5,装液量为40mL,转速为200 r/min,诱导时菌体浓度为A600≈0.4,诱导剂蔗糖的终浓度为60 mmol/L,诱导时间为27h,诱导温度为37℃.在最佳发酵条件下,酶活可达2.56U/mL,是优化前的1.72倍,为中试放大提供了理论依据.     

基于氨基酸热点突变对腈水合酶底物亲和力的改造

目的:以Rhodococcus erythropolis CCM2595来源的腈水合酶为研究对象,利用半理性设计以及定点突变以获取其对烟腈底物亲和力更高的突变体.方法:通过序列比对找到同源性很高的1AHJ蛋白并采用Swiss-Model和iTASSER等软件进行评估.利用Discovery Studio 2016(DS...     

1株腈水合酶产生菌株的筛选、鉴定及酶学特性

从济宁农田土壤分离筛选产生腈水合酶的菌株,利用薄层层析法(TLC)初步判断产酶能力,液体发酵复筛测定酶活力,筛选到酶活力达到3.6 U/mL的菌株Jn-102。通过菌体形态及菌落特征、生理生化及16S rDNA序列分析鉴定菌株Jn-102为阿氏芽孢杆菌(Bacillus aryabhattai)。对其所产腈水合酶进行酶学性质分析,结果表明酶的最适反应温度和pH分别为50℃和7.0,在40℃以下和pH6.0~8.0范围内酶活力较稳定,具有较宽的底物谱,对芳香腈有较好的水合作用,以对羟基苯乙腈为底物时K_m值和V_max值分别为21.3 mmol/L和60.2 μmol/(min·mg),Co2+和Mg2+等对酶活力有轻微的促进作用,而Zn2+对酶活力有强烈的抑制作用。阿氏芽孢杆菌Jn-102是1株腈水合酶活力较高的生产菌株,具有潜在的研究和应用价值。     

Rhodococcus sp.SHZ-1腈水合酶的高酶活发酵工艺

通过研究发酵过程中溶氧、生物量、腈水合酶活力以及残糖的变化规律和搅拌速度、通气量、接种量及诱导剂对产腈水合酶的影响,确立了5L发酵罐中Rhodococcus sp.SHZ-1腈水合酶的高酶活发酵工艺参数。结果表明,发酵过程中溶氧控制在30%以上有利于菌体快速生长和腈水合酶的合成。在pH7.2,温度30℃的发酵条件下,适宜的腈水合酶合成工艺条件为:接种量10%,通气量1.0vvm,搅拌速度采用由初始的200r/min调至500r/min的变速调控方式,同时于48h补加产酶诱导剂,发酵液腈水合酶的最高酶活力达到了9500U/mL,是摇瓶培养时最高酶活力8208U/mL的1.2倍,且比未进行工艺优化时最大产酶期缩短了20～24h,其最佳产酶期为52～60h。     

重组大肠杆菌合成光学纯L-苯基乳酸

以巨大芽孢杆菌Z2013513基因组DNA为模板,分别PCR扩增得到L-乳酸脱氢酶基因(ldh L)和葡萄糖脱氢酶基因(gdh),将gdh与ldh L分别连接至表达载体p ETDuet,获得共表达质粒p ETDuet-ldh L-gdh。经转化和验证获得重组菌大肠杆菌BL21(DE3)/p ETDuet-ldh L-gdh。十二烷基硫酸钠-聚丙烯酰胺凝胶电泳和比酶活力分析表明重组蛋白L-乳酸脱氢酶和葡萄糖脱氢酶均成功表达且具有酶活力。在37℃、200 r/min条件下,经60 min反应,催化底物苯丙酮酸合成24.26 mmol/L L-苯基乳酸。产物L-苯基乳酸光学纯度(99%),底物摩尔转化率(59.55%),结果表明此重组体系可用于高效合成高光学纯L-苯基乳酸。     

人乙醛脱氢酶2与NusA的融合表达

通过将乙醛脱氢酶2（acetaldehyde dehydrogenase 2,ALDH2）与NusA-tag融合表达,以获得能够在大肠杆菌中可溶性表达并且具有较好活性的重组蛋白。首先,根据Aldh2的基因序列设计引物,引入EcoRI和XhoI的酶切位点,聚合酶链式反应扩增出Aldh2基因片段,连接到pMD19-T-simple载体,并转化到大肠杆菌DH5α菌株。测序正确后,双酶切处理,将Aldh2基因片段克隆到表达载体pET44b（＋）上NusA-tag下游的EcoRI和XhoI酶切位点之间,得到pET44b（＋）-NusA-Aldh2重组载体,转化入大肠杆菌BL21（DE3）菌株。经异丙基-β-D-硫代半乳糖苷（isopropyl-β-D-thiogalactopyranoside,IPTG）诱导,表达的融合蛋白具有良好的溶解性,主要存在于上清液中。融合蛋白的最优表达条件为IPTG浓度0.25 mmol/L、诱导温度37 ℃、诱导时间3 h。重组蛋白的最适反应温度为37 ℃,在pH 7.0时达到最好的催化效果。不同金属离子如Ca2＋、K＋、Na＋、Mg2＋、Mn2＋都对酶有激活作用,且Mg2＋效果最好,最佳的酶活性为1.64 U/mL。而野生型ALDH2在大肠杆菌中表达时完全以无活性的包涵体形式存在,复性后得到的酶活性为1.43 U/mL。本研究通过引入NusA进行融合表达,实现了ALDH2在大肠杆菌中的可溶性表达,且重组蛋白的活性优于包涵体复性蛋白。这些结果表明利用NusA进行融合表达是制备重组ALDH2的一个良好方法。     

重组大肠杆菌全细胞催化D,L-扁桃酸对映选择性制备L-苯甘氨酸

借助pACYCDuet-1和pET28a双质粒共表达系统,构建携带Agrobacterium radiobacter来源扁桃酸消旋酶（Ar mandelate racemase,ArMR）、Lactobacillus harbinensi来源D-扁桃酸脱氢酶（Lh D-mandelate dehydrogenase,LhDMDH）和Exiguobacterium sibiricum DSM 17290来源L-亮氨酸脱氢酶（Es L-leucine dehydrogenase,EsLeuDH）编码基因的重组大肠杆菌,将其命名为E. coli BL21（DE3）/pACYCDuet-1-EsLeuDH-LhDMDH:pET28a-ArMR。在低温、低浓度诱导剂的诱导下,该重组菌成功表达了具有各自催化活性的3 种重组酶,其发酵液中LhDMDH、EsLeuDH和ArMR的活性分别为195.8、56.2 U/mL和174.5 U/mL。以诱导后的全细胞为催化剂、D,L-扁桃酸为底物,在D,L-扁桃酸初始浓度50 mmol/L、pH 9.5的500 mmol/L NH4Cl-NH3·H2O缓冲液体系下,180 r/min、30 ℃反应48 h后,L-苯甘氨酸得率可达77.48%,其对映体过量值大于99%。本研究具有较大的产业化潜力,为实现L-苯甘氨酸规模化的生物合成奠定了坚实的基础。     

白丝北里孢菌L-谷氨酸氧化酶的异源表达及酶学性质分析

为实现从L-谷氨酸到α-酮戊二酸（α-ketoglutaric acid,α-KG）的高效生物转化,将来源于白丝北里孢菌（Kitasatospora setae KM-6054）的L-谷氨酸氧化酶（L-glutamate oxidase,LGOX）在大肠杆菌（Escherichia coli）中实现异源表达,并研究其酶学特性。根据LGOX的氨基酸序列和大肠杆菌系统偏好性合成LGOX全基因序列,并通过pET28a（＋）/DE3系统在大肠杆菌中实现了功能表达。诱导剂异丙基硫代半乳糖苷（isopropyl-β-D-thiogalactoside,IPTG）终浓度为0.1?mmol/L,20?℃诱导18?h,重组大肠杆菌粗酶液酶活力可达49.10?U/mL。亲和层析获得酶比活力为45.98?U/mg纯酶,十二烷基硫酸钠-聚丙烯酰氨凝胶电泳条带显示蛋白分子质量大小约为70?kDa。酶学性质研究表明：其最适反应温度和pH值分别为40?℃和6.0;Km值为1.23?mmol/L,Vmax值为76.24?μmol/（min·mg）,L-谷氨酸为该酶的最适底物。本研究确定了LGOX在E.?coli?BL21中的异源表达及酶学特性,为生物转化合成α-KG提供了新的参考途径。     

近平滑假丝酵母ATCC 7330羰基还原酶CpCR的表达及酶学性质研究

通过构建重组菌Escherichia coli BL21(DE3)/pACYC Duet-1-cpcr,表达带有His标签的近平滑假丝酵母Candida parapsilosis ATCC 7330羰基还原酶CpCR基因,并采用Ni-Agarose亲和层析对重组酶CpCR进行分离纯化和酶学性质研究.重组酶CpCR的基因...