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Construction and application of carbonyl reductase gene engineering strain in biosynthesis of l

构建羰基还原酶基因工程菌生物转化产l



全 文 :第7卷第1期
2009年1月
生 物 加 工 过 程
ChineseJournalofBioprocessEngineering
Vol.7No.1
Jan.2009
收稿日期:20080425
基金项目:国家自然科学基金资助项目(30770054);国家高技术研究发展计划(863计划)资助项目(2007AA100402)
作者简介:孟晨璐(1983—),女,辽宁鞍山人,硕士研究生,研究方向:生物资源与生物转化;石贵阳(联系人),教授,博士生导师,Email:gyshi@
jiangnan.edu.cn
构建羰基还原酶基因工程菌
生物转化产 l-麻黄碱
孟晨璐,张 梁,丁重阳,王正祥,石贵阳
(江南大学 生物工程学院,无锡 214122)
摘 要:以筛选得到的MorganelamorganiJ8细菌的基因组为模板,通过 PCR扩增得到目的基因 mdlh2。核苷酸
序列测定结果表明,基因全长1046bp。以 pET28a(+)为表达载体,构建重组质粒 pET28a(+)mldh2,并在 E.coli
BL21(DE3)中表达。利用表达产物进行生物转化,发现其具有催化底物1-苯基-2-甲氨基丙酮(简称MAK)产
l-麻黄碱的活力。进一步考察了诱导时间和IPTG浓度对重组菌表达的羰基还原酶的影响,37℃下用05mmol/L
的IPTG诱导4h,重组羰基还原酶的酶活达到02U/mg蛋白,转化液中l-麻黄碱质量浓度达到45mg/L。
关键词:不对称还原;羰基还原酶;麻黄碱
中图分类号:Q789;TQ920.6    文献标志码:A    文章编号:1672-3678(2009)01-0029-05
Constructionandapplicationofcarbonylreductasegeneengineering
straininbiosynthesisoflephedrine
MENGChenlu,ZHANGLiang,DINGChongyang,WANGZhengxiang,SHIGuiyang
(SchoolofBiotechnology,JiangnanUniversity,Wuxi214122,China)
Abstract:WiththegenomeofMorganelamorganiJ8astheplate,genemldhwasobtainedbyPCRam
plification.Nucleotidesequencingidentifiedthegeneas1046bp,with96% similaritywiththatofthe
leucinedehydrogenase(LeuDH)gene.UsingpET28a(+)astheexpressingvector,therecombinant
plasmidpET28a(+)mldh2wasconstructedandexpressedinEscherichiacoliBL21(DE3).Moreover,it
wasfoundthattheexpressedproductcouldproducelephedrinefrom1phenyl2methylamineacetone.
Additionaly,theefectsofIPTGconcentrationandtheinductiontimeontheexpressionoftherecombi
nantproteinwereinvestigated.Underoptimalcondition(beinginducedwith05mmol/LIPTGfor4hat
37℃),theenzymeactivitycouldreach02U/mgproteinandtheconcentrationoflephedrineintrans
formationliquidcouldreach45mg/L.
Keywords:asymmetricreduction;carbonylreductase;ephedrine
  麻黄碱是一种从麻黄中分离而得到的芳香族
氨基醇衍生物,其立体异构体l-麻黄碱和 d-伪麻
黄碱,由于具有较大的药理作用,广泛应用于临床
医疗中[1-2]。目前,麻黄碱主要来源于植物直接提
取和化学合成,但前者由于原料和生产成本高,后
者由于异构体分离困难和环境污染问题而限制了
其发展[3]。生物技术是目前解决麻黄碱大规模生
产的理想途径之一,主要包括植物细胞组织培养、
生物转化和基因工程微生物发酵。其中生物转化
法因反应条件温和、速度快、转化率高、产品光学纯
度高等优点而具有巨大发展潜力[4-5]。
  江南大学分子生物学研究室筛选得到的 Mor
ganelamorganiJ8,是一种可以转化前体物质
1-苯基-2-甲氨基丙酮(MAK)生成手性药物麻
黄碱的菌株,此转化过程为一种羰基还原酶所调
控。由于菌体本身具有致病性,转化得率较低,从
而限制了该菌的应用[6]。因此,本文利用基因工程
手段,从前期研究中得到的该羰基还原酶部分蛋白
序列出发,通过简并引物克隆出目的基因的部分序
列,分析其保守序列,进而克隆出该基因全序列连
接到表达载体 pET28a(+)上,使其在大肠杆菌
BL21中进行初步表达。
1 材料与方法
11 菌株和质粒
  大肠杆菌(E.coli)JM109,Morganelamorgani
J8,表达载体 pET28a(+),大肠杆菌(E.coli)BL21
(DE3)由江南大学分子生物学研究室保藏。
12 培养基
  LB培养基(g/L):蛋白胨20,酵母提取物10,
NaCl10。pH72。培养基使用前加氨苄青霉素至
终质量浓度为50mg/L。
13 工具酶及试剂
  碱性磷酸酶(CIAP)、T4DNA连接酶和限制性
内切酶 BamHⅠ等为晶美生物工程有限公司产品;
PfuDNA聚合酶、TaqDNA聚合酶、λDNA/Eco130
Ⅰ(StyⅠ)相对分子质量标准及引物为上海生工
生物工程技术服务有限公司产品;Tris平衡酚、
RNase购于上海华美生物工程有限公司;卡那霉素
购 于 北 京 拜 尔 迪 生 物 技 术 有 限 公 司;
1-苯基 -2-甲氨基丙酮(MAK)为本实验室合
成;辅酶 NADH为 Sigma公司产品;PCR产物纯化
试剂盒购于碧云天公司;其他试剂药品皆为国产
或进口的分析纯和生化试剂。
14 方 法
141 基因组DNA的提取
  提取方法参考文献[7]。
142 目的基因的PCR扩增条件
  95℃预变性5min,95℃变性1min,65℃退火
1min,72℃延伸1min,30个循环后于72℃继续延
伸10min。
143 重组大肠杆菌的构建
  将扩增得到的羰基还原酶基因和质粒 pET28a
(+)用限制性内切酶BamHⅠ酶切,酶切产物纯化后
于16℃下用 T4DNA连接酶连接目的基因和质粒
片断,转化EcoliJM109感受态细胞,挑取菌落进行
筛选验证,得到重组大肠杆菌 EcoliBL21(DE3)/
pET28amldh2。重组子序列测定由上海生工生物工
程技术服务有限公司完成。
144 表达产物SDSPAGE分析
  按文献[8]方法进行。
145 粗酶液制备
  12000r/min、4℃离心5min收集菌体后,用5
mL0℃预冷的20mmol/L(pH75)磷酸缓冲液洗
涤悬浮菌体。超声破碎10min(工作1s,停顿2s),
保持菌液始终处于低温(0~4℃)。破壁后高速离
心,上清液即为粗酶液,用于不对称还原反应。
146 重组菌的诱导表达与产物鉴定
  挑取阳性克隆单菌落并接种于5mL含有质量
浓度为30μg/mL卡那霉素的LB液体培养基中,于
37℃、200r/min振荡过夜。按1%接种量转接于50
mL质量浓度为30μg/mL卡那霉素的LB液体培养
基中,37℃、200r/min振荡至菌体浓度 A600约为
06~08,加入一定浓度的异丙基硫代半乳糖苷
(IPTG)诱导,继续培养4h。收集菌体供电泳分析
及酶活力鉴定。
147 酶活测定方法
  采用高效液相色谱法(HPLC),检测条件见参考
文献[9]。酶反应体系:50μmolMAK,1μmolNADH,
300μmol葡萄糖,15个单位的葡萄糖脱氢酶和适量
粗酶液共1mL,30℃转化10h。10000r/min离心10
min,取上清液用 HPLC检测。一个酶单位(U)相当
于在规定条件(温度30℃)下每小时还原1gMAK
所需酶量。
2 结果与讨论
21 目的基因的扩增
  1)利用前期对菌株M.morganiJ8蛋白分离纯
化后获得的羰基还原酶的部分核苷酸序列设计简并
引物,上游引物 Z1为:5′ATHGCNATHCAYGAYAC
03 生 物 加 工 过 程   第7卷 
NAC3′;下游引物Z2为:5′GCNGCNACRTANGTNG
CDAT3′,对 M.morganiJ8细菌基因组进行 PCR
扩增。扩增出900bp左右的基因片段mldh1。回收
900bp左右的特异性片段,测定该基因片段序列,
该段序列与GeneBank数据库比对以后,得到同源
性较高的均为芽孢杆菌的亮氨酸脱氢酶基因(leu
cinedehydrogenasegene,LeuDH)。
  2)选取同源性较高的几个基因序列,分析其保
守序列,由此设计全基因 PCR扩增引物 Z3:5′
CGCGGATCCGCGATGGCATTAGAAATCTTCGA3′;
Z4:5′CGCGGATCCGCGTTAGCGACGGCTAATAAT
GT3′,下划线序列为引入的限制性内切酶酶切位
点:BamHⅠ。以M.morganiJ8细菌基因组为模
板进行PCR扩增。扩增出11kb左右的基因片段,
暂命名为mldh2,回收11kb左右的特异性片段,测
定该基因片段序列,与前期以部分核苷酸序列简并
引物获得的片段比对分析,两段基因序列同源性在
98%以上,初步认为为同一基因。mldh2为该羰基
还原酶的完整基因。
1—mldh1;2— mldh2;M—λDNA/Eco130Ⅰ(StyⅠ)Marker
图1 目的基因的PCR扩增电泳图
Fig.1 AmplificationofmldhgenebyPCR
22 重组大肠杆菌构建
  将扩增得到的羰基还原酶基因和质粒 pET28a
(+)用限制性内切酶 BamHⅠ 酶切,酶切产物纯化
后进行连接,连接产物转化 EcoliBL21(DE3)得到
重组质粒 pET28amldh2。用限制性内切酶 BamH
Ⅰ 酶切,用琼脂糖凝胶电泳检测可能有插入的克
隆,如图2得到54kb和11kb2条带,证明重组
质粒构建成功。
23 表达产物SDSPAGE分析
  将重组菌细胞破碎液与5×试样缓冲液混合煮
图2 重组表达载体pET28amldh2酶切电泳图
Fig.1 Identificationofrecombinantplasmid
pET28amldh2byenzymedigestion
沸5min,离心取上清液15μL作 SDSPAGE分析,
如图3所示,与空载体EcoliBL21(pET28a(+))细
胞破碎液相比较,经 IPTG诱导后的重组菌细胞破
碎液中出现了一个新的条带,可知 mdlh2基因已在
EcoliBL21中得到了表达。进一步证明重组表达
载体pET28amldh2构建成功。
1—IPTG诱导后的EcoliBL21(pET28a(+)mdlh2)
2— EcoliBL21(pET28a(+))
图3 SDSPAGE检测目的蛋白表达结果
Fig.3 SDSPAGEprofileoftheexpressedprotein
24 重组菌株转化产物的鉴定
  将鉴定为阳性的 E.coliBL21(pET28amldh2)
经IPTG诱导后,收集菌体,超声波破碎后取粗酶液
进行不对称还原反应,用高效液相色谱法对转化液
进行鉴定(图4)。在重组菌转化液色谱图(图4A)
中,有保留时间分别为301min和321min的峰,
对照标样图谱(图4B),这2个峰对应MAK和l-麻
13 第1期 孟晨璐等:构建羰基还原酶基因工程菌生物转化产l-麻黄碱
黄碱(E)的峰。因为图4A中没有保留时间为352
min的色谱峰,所以转化液中基本不含d-伪麻黄碱
(PE)。因此可以判断,重组菌的生物转化液中含有
l-麻黄碱,表明重组菌含有能够专一性转化 MAK
为l-麻黄碱的关键酶,初步认定所获得mldh2基因
为目的羰基还原酶基因。而利用原始菌株 Mor
ganelamorganiJ8进行生物转化得到 d-伪麻黄
碱。分析其原因,该现象可能是羰基还原酶目的基
因是以前期研究中测定的部分蛋白序列为基础,通
过简并引物获得的。由于该羰基还原酶全面、具体
的结构与功能尚未明确,张鹏华等[9]通过对该酶相
对分子质量的测定推断此羰基还原酶为二聚体,而
本研究克隆到的是其中一个亚基的基因序列,因
此,重组菌与原始菌株的转化产物不同。
图4 标准试样和重组菌转化液的HPLC对比图谱
Fig.4 HPLCchromatogramofthetransformationproductsandthestandardsample
25 羰基还原酶的诱导表达
251 诱导剂浓度对羰基还原酶表达的影响
  用不同浓度的IPTG在37℃下对重组菌诱导4
h,然后分别检测羰基还原酶活性。如图 5所示,
IPTG浓度为05mmol/L时酶活达到最高值,此后
随着IPTG浓度的增大,菌体的酶活反而有所下降。
这有可能是诱导剂 IPTG有一定毒性,对菌体生长
不利,从而使外源蛋白的表达随着 IPTG浓度达到
一定值以后反而下降。
图5 IPTG浓度对比酶活的影响
Fig.5 EfectofIPTGfinalconcentration
252 诱导时间对羰基还原酶表达的影响
  将重组菌于37℃用04mmol/L的IPTG诱导,
每隔2h取样测菌体的羰基还原酶活性。如图6所
示,诱导4h后,随着诱导时间增长,酶活反而下降。
有可能是随着外源蛋白的大量积累,酶蛋白不能折
叠成有活性的目的蛋白。
图6 诱导时间对比酶活的影响
Fig.6 Efectofinductiontime
253 优化结果
  经诱导条件的优化后,在250mL摇瓶中,37℃
用05mmol/L的IPTG诱导4h,重组菌的羰基还原
酶比酶活可达02U/mg蛋白。收集菌体制备粗酶
液应用于不对称还原反应,最终测得反应液中l-麻
黄碱的质量浓度约为45mg/L。
3 结 论
  从已经测定的目的羰基还原酶部分蛋白序列
出发,通过设计合适的简并引物,克隆出该基因的
部分序列mldh1。测定序列后,与NCBI公布的已有
23 生 物 加 工 过 程   第7卷 
序列比对,获得同源性在96%左右的几个芽孢杆菌
亮氨酸脱氢酶基因,这与前期得到的蛋白序列分析
结果一致,而且MorganelamorganiJ8菌株也属于
芽孢杆菌,且羰基不对称还原酶与亮氨酸脱氢酶都
为氧化还原酶系,因此推测二者有一定的同源性。
分析它们的保守序列,设计引物,进而成功克隆出
目的基因全序列mldh2。构建重组表达载体pET28
mldh2,并在 EcoliBL21(DE3)中表达。利用表达
产物进行生物转化,发现其有催化底物 MAK生产
l-麻黄碱的能力。通过对重组大肠杆菌的诱导剂
浓度和诱导时间的优化,最终羰基还原酶的比酶活
可达到02U/mg蛋白,l-麻黄碱产率为45mg/L。
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268272.
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33 第1期 孟晨璐等:构建羰基还原酶基因工程菌生物转化产l-麻黄碱