專利名稱:具有r-異構(gòu)體立體選擇性的酯水解酶及其基因和重組酶的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明屬于生物工程領(lǐng)域,涉及一種具有R-異構(gòu)體立體選擇性的酯水解酶及其基因和重組酶,包括該酯水解酶基因的表達(dá)載體及制備其重組酶的方法及其基因工程菌株,以及該酯水解酶在立體選擇性催化手性化合物(R型)合成中的應(yīng)用。
背景技術(shù):
酯水解酶包括有脂肪酶和酯酶,它是一類在手性合成中有著重要用途的生物催化劑。這些酶能識(shí)別很寬的底物,目前>40%的生物不對(duì)物合成反應(yīng)可由酯水解酶催化完成,這些反應(yīng)具有條件溫和、反應(yīng)的區(qū)域選擇性和立體選擇高等特點(diǎn)。在酶動(dòng)力學(xué)拆分外消旋酯、胺和轉(zhuǎn)化前手性醇等方面得到廣泛的應(yīng)用。另外,它們還可用于選擇性酯化、轉(zhuǎn)酯化和聚合反應(yīng)中。
由于對(duì)手性藥物和中間體需求的增長(zhǎng),利用生物法或酶法合成手性化合物日益得到人們的重視和工業(yè)化應(yīng)用。生物法合成手性化合物的關(guān)鍵問(wèn)題在于尋找具有高度立體選擇性催化功能的生物催化劑。由于酯水解酶具有廣泛的用途,篩選新的酯水解酶正成為酶工程的研究熱點(diǎn)。雖然酯水酶在微生物界分布很廣,但它們的立體選擇性催化能力不一樣。在同一生物體內(nèi)往往存在多種酯水解酶,由于它們之間立體選擇性存在差異性,利用微生物細(xì)胞或它們的粗酶制品進(jìn)行酶法合成手性化合物時(shí)往往會(huì)降低產(chǎn)物的光學(xué)純度(Geun-Joong Kim,Journal of Molecular Catalysis BEnzymatic 17,200229-38)。解決這一問(wèn)題可以通過(guò)工程的調(diào)控手段來(lái)減少副反應(yīng)的發(fā)生(PerBerglund,Biomolecular Engineering,18,200113-22),也可以通過(guò)分離純化得到單一的酶制劑來(lái)進(jìn)行催化反應(yīng),但這些過(guò)程往往較復(fù)雜并具有高的成本,在生產(chǎn)中不易被采用。如果通過(guò)基因工程的手段,直接克隆和表達(dá)所需要的酶的基因,就能夠很方便達(dá)到以上的目的。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明人即為了解決上述課題,通過(guò)篩選大量的微生物,發(fā)現(xiàn)芽孢桿菌屬微生物能產(chǎn)生一種有高度R-異構(gòu)體立體選擇性的酯水解酶,可用于催化手性化合物的合成;為了提高這種酯水解酶的產(chǎn)量和消除野生型菌株中同工酶對(duì)酶催化反應(yīng)的負(fù)面影響,本發(fā)明克隆了該基因并對(duì)此基因在大腸桿菌內(nèi)進(jìn)行表達(dá)。因此,本發(fā)明的目的之一是提供一種具有R-異構(gòu)體立體選擇性的酯水解酶及其基因和由此推斷的氨基酸序列;目的之二是提供包括該酯水解酶基因的表達(dá)載體和利用該載體轉(zhuǎn)化的重組微生物,如基因工程菌株;目的之三是提供從所述微生物制備重組酶的方法及由此制得的重組酶;目的之四是提供該重組酯水解酶在立體選擇性催化手性化合物(R型)合成中的應(yīng)用。
本發(fā)明具有R-異構(gòu)體立體選擇性的酯水解酶基因可得自芽孢桿菌屬微生物,如Bacillus sp.ATCC 31195。本發(fā)明采用的技術(shù)方案是通過(guò)PCR擴(kuò)增得到芽孢桿菌的一種具有R-異構(gòu)體立體選擇性的酯水解酶基因BSEST,測(cè)定了其核苷酸序列,如序列表中SEQ ID No.1所示,其中,其編碼序列(CDS)從DNA第1個(gè)堿基起至第753終止,ATG為轉(zhuǎn)錄起始密碼子,TAA為轉(zhuǎn)錄終止密碼;并得到相應(yīng)的氨基酸序列,如序列表中SEQ ID No.2所示。當(dāng)然,如本領(lǐng)域技術(shù)人員所知,本發(fā)明酯水解酶基因還可以是編碼由序列表中SEQID No.2所示的氨基酸序列組成的蛋白質(zhì)的其它核苷酸序列;而本發(fā)明的酯水解酶不僅限是具有序列表中SEQ ID No.2所示的氨基酸序列組成的蛋白質(zhì),還可以是將序列2中的氨基酸序列經(jīng)過(guò)一個(gè)或多個(gè)氨基酸殘基的取代、缺失或添加且具有相同酶活性的由序列2衍生的蛋白質(zhì),比如在C末端和/或N末端添加一個(gè)或數(shù)個(gè)氨基酸,如與載體編碼的氨基酸融合、不影響序列的修飾形式上的差異等情況。
本發(fā)明的另一目的是提供包括上述酯水解酶基因核苷酸序列的表達(dá)載體。其是用常規(guī)方法將本發(fā)明的酯水解酶基因的核苷酸序列連接于各種載體上構(gòu)建而成,該載體可以是市售的質(zhì)粒、粘粒、噬菌體或病毒載體等,如pUC,pBluescript(Stratagene),pET(Novagen,Inc.,Madison,Wis.),PQE(Qiagen),pREP,pSE420和pLEX(Invitrogen),但不是僅限于這些載體。
較佳的是將用PCR擴(kuò)增到的BSEST基因產(chǎn)物和克隆載體pMD18-T連接,形成克隆載體pBSEST-T。pBSEST-T和表達(dá)載體pET22b(+)分別用限制性內(nèi)切酶消化,形成互補(bǔ)的粘性末端,經(jīng)T4DNA連接酶連接,形成BSEST基因的表達(dá)載體(質(zhì)粒)pBSEST-PET。
本發(fā)明的再一目的是提供一種轉(zhuǎn)化體,其是將包含本發(fā)明酯水解酶基因核苷酸序列的表達(dá)載體轉(zhuǎn)化到宿主微生物,例如感受態(tài)大腸桿菌——大腸埃希氏菌(Escherichia coli)BL21(DE3)中得到的基因工程菌株,如將上述質(zhì)粒pBSEST-PET轉(zhuǎn)化其中得到含有pBSEST-PET的大腸埃希氏菌E.coliBL21(DE3)/pBSEST-PET,該菌株已于2006年3月10日保藏于中國(guó)微生物菌種保藏管理委員會(huì)普通微生物中心(CGMCC),保藏號(hào)為CGMCCNo.1648。
本發(fā)明的又一目的是提供一種制備重組酯水解酶的方法,其包括用上述本發(fā)明表達(dá)載體轉(zhuǎn)化宿主細(xì)胞,培養(yǎng)轉(zhuǎn)化體,獲得重組的酯水解酶。
其中,該宿主細(xì)胞可以為原核、真核微生物或昆蟲(chóng)等。較佳的是大腸桿菌,得到相應(yīng)的轉(zhuǎn)化體為上述的基因工程菌株大腸埃希氏菌E.coliBL21(DE3)/pBSEST-PET CGMCC No.1648。
此菌株可在常規(guī)的IPTG誘導(dǎo)下(在OD600=0.5-0.6左右時(shí)加入,至其濃度為0.1-1mmol/L均可)高效表達(dá)酯水解酶蛋白,即為本發(fā)明的重組酯水解酶。
本發(fā)明的重組酯水解酶可以包含SEQ ID No.2所述的氨基酸序列;或具有與SEQ ID No.2所述的氨基酸序列至少有80%同源性的氨基酸序列。本發(fā)明的重組酯水解酶可以用于制備光學(xué)純的手性化合物(R型),特別是R-氟比洛芬和R-酮基布洛芬等R型2-芳基丙酸類藥物的合成。
本發(fā)明的基因工程菌株大腸埃希氏菌(E.coli)BL21(DE3)/pBSEST-PET已于2006年3月10日在地址為中國(guó)北京市海淀區(qū)中關(guān)村北一條13號(hào)中國(guó)科學(xué)院微生物研究所內(nèi)的中國(guó)微生物菌種保藏管理委員會(huì)普通微生物中心(CGMCC)保藏,保藏號(hào)為CGMCC No.1648。
圖1為本發(fā)明BSEST的PCR擴(kuò)增電泳圖譜,其中,1、DNA Marker(λ-HindIII digest,TakaRa公司);2、BSEST的PCR擴(kuò)增產(chǎn)物。
圖2為本發(fā)明質(zhì)粒pBSEST-T的HindIII和NdeI雙酶切分析圖譜,其中,1、DNA Marker(λ-HindIII digest,Takala公司);2、pBSEST-T/HindIII+NdeI。
圖3為本發(fā)明表達(dá)質(zhì)粒pBSEST-PET的HindIII和NdeI雙酶切分析圖譜,其中,1、pBSEST-PET/HindIII+NdeI;2、DNA Marker(λ-HindIII digest,Takala公司);圖4為本發(fā)明重組酯水解酶水解氟比洛芬酯的反應(yīng)產(chǎn)物的C18HPLC分析圖譜,其中,1、氟比洛芬;2、氟比洛芬酯。
圖5為本發(fā)明重組酯水解酶水解氟比洛芬酯的反應(yīng)產(chǎn)物的手性HPLC分析圖譜,其中,1、(R)-氟比洛芬。
圖6為表達(dá)質(zhì)粒pBSEST-PET的構(gòu)建示意圖。
具體實(shí)施例方式
下面用實(shí)施例來(lái)進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明。
下列實(shí)施例中的材料與方法為
所采用的分子克隆技術(shù)參見(jiàn)J.薩母布魯克等編的《分子克隆實(shí)驗(yàn)指南》。
所使用的工具酶均購(gòu)自Takala公司,具體的反應(yīng)條件和使用的方法均參考商品說(shuō)明書(shū)。
所使用的膠回收試劑盒購(gòu)自上海生工公司,使用方法參考商品說(shuō)明書(shū)。
下面的商品化質(zhì)粒和大腸桿菌株用于DNA文庫(kù)構(gòu)建和基因克隆。
pMD18-T(Takala,大連寶生物公司)pET22b(+)(Novagen,美國(guó))大腸桿菌DH5a(Takala,大連寶生物公司)大腸埃希氏菌BL21(DE3)(Takala,大連寶生物公司)λ-DNA HindIII Marker(Takala,大連寶生物公司)HisTrapTMFF親和層柱(Amersham Biosciences)實(shí)施例1從芽孢桿菌克隆BSEST基因根據(jù)Bacillus sp H-257脂肪酶的DNA序列(J Biochem,2001,129397)和Bacillus cereus C71脂肪酶的DNA序列(GenbankAY896293),設(shè)計(jì)簡(jiǎn)并引物1和引物2。在引物1加上NdeI位點(diǎn),引物2加上HindIII位點(diǎn)。
引物1序列GGAATTCCATATGAGCGAMCABTACHGGTGCTCGKGCNdeI引物2序列CCCAAGCTTTCCNGCNTGCTTBKCGNAAAATKCGAGAHindIII以芽孢桿菌(Bacillus sp.)ATCC 31195基因組DNA為模板進(jìn)行PCR擴(kuò)增(利用Takara試劑盒),PCR反應(yīng)混合物由2.5mmol/L dNTP,20pmol引物1和引物2,5單位Taq聚合酶(Takara)和提供的緩沖液組成。反應(yīng)條件如下所示。步驟1之后向反應(yīng)混合物加入Taq聚合酶。步驟2到4重復(fù)29次。
用0.7%瓊脂糖凝膠分離PCR產(chǎn)物,從凝膠中回收750bp的DNA片段(如圖1所示),簡(jiǎn)稱為BSEST基因,與pMD18-T載體連接,所得質(zhì)粒稱pBSEST-T,連接產(chǎn)物轉(zhuǎn)化感受態(tài)大腸桿菌DH5a。質(zhì)粒pBSEST-T經(jīng)過(guò)HindIII和NdeI雙酶切分析,證明含有正確的插入片段(如圖2所示)。對(duì)BSESTDNA進(jìn)行DNA測(cè)序,序列如SEQ ID No.1所示,編碼成熟肽的DNA的大小為753bp,其對(duì)應(yīng)的氨基酸序列如SEQ ID No.2所示。
實(shí)施例2表達(dá)載體和轉(zhuǎn)化體的構(gòu)建pBSEST-T質(zhì)粒和pET22b(+)分別經(jīng)NdeI和HindIII雙酶切后,用0.7%瓊脂糖凝膠分離酶切產(chǎn)物,從凝膠中分別回收750kbp和4.8kbp的DNA片段,用T4DNA連接酶連接,所得質(zhì)粒稱pBSEST-PET質(zhì)粒,連接產(chǎn)物轉(zhuǎn)化感受態(tài)大腸埃希氏菌E.coli BL21(DE3),經(jīng)抗性培養(yǎng)基篩選得陽(yáng)性克隆并進(jìn)行HindIII和NdeI雙酶切分析鑒定,證明含有正確的插入片段(如圖3所示),從而得到轉(zhuǎn)化體-表達(dá)本發(fā)明酯水解酶的基因工程菌株E.coliBL21(DE3)/pBSEST-PET CGMCC No.1648。
實(shí)施例1~2過(guò)程如圖6所示。
實(shí)施例3酯水解酶的表達(dá)將基因工程菌株E.coli BL21(DE3)/pBSEST-PET CGMCC No.1648,接于5ml、含50ug/ml氨芐青霉素的LB培養(yǎng)基中,37℃震蕩培養(yǎng)過(guò)夜。取50ul培養(yǎng)液接至5ml、含50ug/ml氨芐青霉素的新鮮LB培養(yǎng)基,培養(yǎng)至OD600=0.6左右,加入IPTG至其濃度為1mmol/L誘導(dǎo),繼續(xù)培養(yǎng)4h。離心收集菌體,以1mmol/L氟比洛芬乙酯為底物檢測(cè)酶活力,酶活力為20U/g干菌體。
實(shí)施例4重組酯水解酶的應(yīng)用取實(shí)施例3中的重組大腸桿菌,經(jīng)超聲破壁,離心去除菌體,上清液經(jīng)HisTrapTMFF親和層柱后得到部分純化的重組酯水解酶。取得到的該重組酯水解酶,水解10-500mmol/L(pH5-12.0,5-500mmol/L磷酸鉀緩沖液)的外消旋氟比洛芬酯和酮基布洛芬酯,反應(yīng)溫度10-60℃。反應(yīng)產(chǎn)物經(jīng)C18HPLC(流動(dòng)相為甲醇∶水=85∶15(V/V),檢測(cè)波長(zhǎng)254nm,流速0.8ml/min,檢測(cè)溫度30℃)和手性CHI-TBB HPLC柱(流動(dòng)相為正己烷∶叔丁基甲醚∶冰醋酸=70∶30∶0.1(V/V),檢測(cè)波長(zhǎng)254nm,流速1.0ml/min,檢測(cè)溫度30℃)分析轉(zhuǎn)化率(圖4)和產(chǎn)物的光學(xué)純度(圖5,其中(R)-氟比洛芬的保留時(shí)間應(yīng)為11.357min),結(jié)果如下表所示。從結(jié)果可知,不同的底物經(jīng)過(guò)重組酯水解酶催化水解后,分別得到光學(xué)純度>99%的氟比洛芬和酮基布洛芬。以野生型的Bacillus sp ATCC 31195分離到的粗酯水解酶催化同樣的反應(yīng),得到光學(xué)純89%的氟比洛芬和酮基布洛芬。說(shuō)明利用重組酯水解酶進(jìn)行反應(yīng)可以消除野生菌產(chǎn)生的其它同工酶的副反應(yīng),提高手性化合物的光學(xué)純度。
序列表<110>上海醫(yī)藥工業(yè)研究院;浙江海正藥業(yè)股份有限公司<120>具有R-異構(gòu)體立體選擇性的酯水解酶及其基因和重組酶<130>061267C<160>2<170>PatentIn version 3.1<210>1<211>753<212>DNA<213>芽孢桿菌(Bacillus sp.)<220>
<221>CDS<222>(1)..(753)<223>
<400>1atg agc gaa caa tat ccg gtg ctc tcg ggc gcc gag ccg ttt tac gcc48Met Ser Glu Gln Tyr Pro Val Leu Ser Gly Ala Glu Pro Phe Tyr Ala1 5 10 15gaa aac ggg ccg gtc ggg gtg ctg ctc gtg cac gga ttc acc ggc acg 96Glu Asn Gly Pro Val Gly Val Leu Leu Val His Gly Phe Thr Gly Thr
20 25 30ccc cac agc atg cgc ccg ctc gct gaa gcg tat gcg aaa gcc ggc tat144Pro His Ser Met Arg Pro Leu Ala Glu Ala Tyr Ala Lys Ala Gly Tyr35 40 45acc gtt tgc ctg ccg cgc tta aaa ggg cac gga acg cat tac gaa gac192Thr Val Cys Leu Pro Arg Leu Lys Gly His Gly Thr His Tyr Glu Asp50 55 60atg gaa cgg acg acg ttc cac gat tgg gtc gcc tcg gtc gaa gaa gga240Met Glu Arg Thr Thr Phe His Asp Trp Val Ala Ser Val Glu Glu Gly65 70 75 80tat gga tgg ctg aaa caa cga tgc caa acc att ttt gtc acc ggg ctg288Tyr Gly Trp Leu Lys Gln Arg Cys Gln Thr Ile Phe Val Thr Gly Leu85 90 95tcg atg ggc ggg acg ctc acg ctt tat ttg gcg gaa cat cac cca gac336Ser Met Gly Gly Thr Leu Thr Leu Tyr Leu Ala Glu His His Pro Asp100 105 110atc tgc ggc atc gtg ccg att aac gcc gct gtc gac atc ccg gcc atc384Ile Cys Gly Ile Val Pro Ile Asn Ala Ala Val Asp Ile Pro Ala Ile115 120 125gcc gcc ggg atg acg ggc ggg ggc gag ctg ccg agg tat ctg gat tcg432Ala Ala Gly Met Thr Gly Gly Gly Glu Leu Pro Arg Tyr Leu Asp Ser130 135 140atc ggt tcg gac ttg aaa aat ccg gat gtg aaa gag ctg gca tac gag480Ile Gly Ser Asp Leu Lys Asn Pro Asp Val Lys Glu Leu Ala Tyr Glu145 150 155 160aaa acg ccg acc gct tcg ctt ctt cag ctg gct agg ctg atg gca cag528Lys Thr Pro Thr Ala Ser Leu Leu Gln Leu Ala Arg Leu Met Ala Gln165 170 175aca aaa gcg aaa ctc gat cgc atc gtc tgt ccg gcg ttg att ttt gtc576
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Met Glu Arg Thr Thr Phe His Asp Trp Val Ala Ser Val Glu Glu Gly65 70 75 80Tyr Gly Trp Leu Lys Gln Arg Cys Gln Thr Ile Phe Val Thr Gly Leu85 90 95Ser Met Gly Gly Thr Leu Thr Leu Tyr Leu Ala Glu His His Pro Asp100 105 110Ile Cys Gly Ile Val Pro Ile Asn Ala Ala Val Asp Ile Pro Ala Ile115 120 125Ala Ala Gly Met Thr Gly Gly Gly Glu Leu Pro Arg Tyr Leu Asp Ser130 135 140Ile Gly Ser Asp Leu Lys Asn Pro Asp Val Lys Glu Leu Ala Tyr Glu145 150 155 160Lys Thr Pro Thr Ala Ser Leu Leu Gln Leu Ala Arg Leu Met Ala Gln165 170 175Thr Lys Ala Lys Leu Asp Arg Ile Val Cys Pro Ala Leu Ile Phe Val180 185 190Ser Asp Glu Asp His Val Val Pro Pro Gly Asn Ala Asp Ile Ile Phe195 200 205Gln Gly Ile Ser Ser Thr Glu Lys Glu Ile Val Arg Leu Arg Asn Ser210 215 220Tyr His Val Ala Thr Leu Asp Tyr Asp Gln Pro Met Ile Ile Glu Arg225 230 235 240Ser Leu Glu Phe Phe Ala Lys His Ala Gly245 250
權(quán)利要求
1.一種具有R-異構(gòu)體立體選擇性的酯水解酶基因,是下列核苷酸序列之一1)其具有序列表中SEQ ID No.1所示的堿基序列;2)編碼由序列表中SEQ ID No.2所示的氨基酸序列組成的蛋白質(zhì)。
2.一種具有R-異構(gòu)體立體選擇性的酯水解酶,是a)具有序列表中SEQID No.2所示的氨基酸序列組成的蛋白質(zhì),或b)將a)中的氨基酸序列經(jīng)過(guò)一個(gè)或幾個(gè)氨基酸殘基的取代、缺失或添加且具有與a)蛋白質(zhì)相同酶活性的由a)衍生的蛋白質(zhì)。
3.包括權(quán)利要求1所述的酯水解酶基因的核苷酸序列的表達(dá)載體。
4.一種用于表達(dá)具有R-異構(gòu)體立體選擇性的酯水解酶的基因工程菌株,其是將權(quán)利要求3所述的表達(dá)載體轉(zhuǎn)化到宿主微生物中得到的基因工程菌株。
5.如權(quán)利要求4所述的基因工程菌株,其特征在于該宿主微生物為大腸桿菌,得到的基因工程菌株為大腸埃希氏菌(Escherichia coli)BL21(DE3)/pBSEST-PET CGMCC No.1648或其突變體或變異體。
6.一種制備具有R-異構(gòu)體立體選擇性的重組酯水解酶的方法,其包括用權(quán)利要求3所述的表達(dá)載體轉(zhuǎn)化宿主細(xì)胞,培養(yǎng)轉(zhuǎn)化體,獲得重組的酯水解酶。
7.如權(quán)利要求6所述的方法,其特征在于該轉(zhuǎn)化體為如權(quán)利要求5所述的基因工程菌株。
8.一種具有R-異構(gòu)體立體選擇性的重組酯水解酶,其是a)根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的方法制得的重組酯水解酶;或b)包含SEQ ID No.2所述的氨基酸序列;或c)具有與SEQ ID No.2所述的氨基酸序列至少有80%同源性的氨基酸序列。
9.如權(quán)利要求8所述的重組酯水解酶在立體選擇性催化手性化合物R型藥物合成中的應(yīng)用。
10.如權(quán)利要求9所述的應(yīng)用,其特征在于該手性化合物R型藥物為2-芳基丙酸類R-氟比洛芬或R-酮基布洛芬。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種來(lái)自于芽孢桿菌屬(Bacillus sp.)的編碼具有R-異構(gòu)體立體選擇性的酯水解酶的基因BSEST,提供了含有BSEST序列及其相應(yīng)的氨基酸序列;提供了含有BSEST的表達(dá)載體pBSEST-PET和含有這種載體的基因工程菌株大腸埃希氏菌E.coli BL21(DE3)/pBSEST-PET CGMCCNo.1648;本發(fā)明還提供了重組該酯水解酶的方法。本發(fā)明重組的酯水解酶是可用于立體選擇性催化手性化合物(R型)的合成。
文檔編號(hào)C12N9/16GK101058817SQ20061002582
公開(kāi)日2007年10月24日 申請(qǐng)日期2006年4月19日 優(yōu)先權(quán)日2006年4月19日
發(fā)明者陳少欣, 白驊, 史炳照, 林劍秋, 錢莉莉 申請(qǐng)人:上海醫(yī)藥工業(yè)研究院, 浙江海正藥業(yè)股份有限公司