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Preparation of alcohol dehydrogenase cross-linked enzyme aggregates and its application to asymmetric synthesis of(R)-4-chloro-3-hydroxybutanoate

交联醇脱氢酶聚集体的制备及其在(R)- 4-氯-3-羟基丁酸乙酯合成中的应用



全 文 :第 13卷第 6期
2015年 11月
生  物  加  工  过  程
Chinese Journal of Bioprocess Engineering
Vol􀆰 13 No􀆰 6
Nov􀆰 2015
doi:10􀆰 3969 / j􀆰 issn􀆰 1672-3678􀆰 2015􀆰 06􀆰 005
收稿日期:2015-04-28
基金项目:国家重点基础研究发展计划(973计划)(2011CBA00804);国家高技术研究发展计划(863计划)(2012AA022101);江苏高校优势学
科建设工程
作者简介:沙  凤(1991—),女,江苏靖江人,硕士研究生,研究方向:手性生物催化;严  明(联系人),副教授,E⁃mail:yanming@ njtech.edu.cn
交联醇脱氢酶聚集体的制备及其在(R) 4 氯 3
羟基丁酸乙酯合成中的应用
沙  凤,顾金海,许  琳,严  明
(南京工业大学 生物与制药工程学院,江苏 南京 211800)
摘  要:基于基因组序列数据库挖掘新酶的技术,从白色念珠菌 Candida albicans基因组中克隆了一条新型醇脱氢
酶(CADH)基因,并在大肠杆菌 Escherichia coli Rosetta(DE3)中表达。 为克服游离酶稳定性差、不能重复使用的缺
点,探索并优化了交联醇脱氢酶聚集体(CLEAs CA)的制备条件。 结果表明:重组 CADH对底物四氯乙酰乙酸乙
酯(COBE)的比活力为 1􀆰 8 U / mg,产物(R) 4 氯 3 羟基丁酸乙酯((R) CHBE)的对映体过量值大于 99%。
CLEAs CA沉淀剂选择为 60%饱和度的(NH4) 2SO4,交联剂为 10 mmol / L 戊二醛。 在固定化操作前,加入 50
mmol / L异丙醇和 0􀆰 1 mmol / L NAD+对 CADH催化活性位点、辅酶结合位点进行保护,CLEAs CA的活力回收率提
高了 48􀆰 3%。 将 CLEAs CA 用于不对称合成(R) CHBE,经过 19 次的重复使用,CLEAs CA 的活性仍保留
有 50%。
关键词:(R) 4 氯 3 羟基丁酸乙酯;醇脱氢酶;交联醇脱氢酶聚体;固定化
中图分类号:TQ225􀆰 24        文献标志码:A        文章编号:1672-3678(2015)06-0024-06
Preparation of alcohol dehydrogenase cross⁃linked enzyme aggregates and
its application to asymmetric synthesis of (R) ⁃4⁃chloro⁃3⁃hydroxybutanoate
SHA Feng,GU Jinhai,XU Lin,YAN Ming
(College of Biotechnology and Pharmaceutical Engineering,Nanjing Tech University,Nanjing 211800,China)
Abstract:A novel alcohol dehydrogenase (CADH) from Candida albicans was discovered by genome
data mining for ketoreductases. CADH was cloned and expressed in Escherichia coli Rosetta(DE3). Free
enzymes usually have poor stability and are difficult to recover and reuse. To overcome such drawbacks,
CADH was immobilized as cross⁃linked enzyme aggregates (CLEAs⁃CA) and the optimum conditions of
the immobilization process were investigated. The recombinant product ( CADH) exhibited specific
activity of 1􀆰 8 U / mg toward ethyl 4⁃chloro⁃3⁃oxobutanoate (COBE),and the enantiomeric excess purity
of (R)⁃CHBE was over 99%. Ammonium sulfate (60%) and 10 mmol / L glutaraldehyde were chosen as
the optimum precipitant and cross⁃linker for the preparation of CLEAs. Moreover,addition of substrates
(50 mmol / L isopropanol and 0􀆰 1 mmol / L NAD+) in the immobilization process enhanced the activity
recovery by 48􀆰 3% as compared to the CLEAs prepared without substrates. CLEAs⁃CA could be reused
and still remained about 50% of its initial activity after 19 cycles.
Keywords: ethyl ( R )⁃4⁃chloro⁃3⁃hydroxybutanoate; alcohol dehydrogenase; cross⁃linked enzyme
aggregates (CLEAs); immobilization
    (R) 4 氯 3 羟基丁酸乙酯((R) CHBE)是
合成 L 肉碱(L carnitine)的前体物质,也是( )
大内酰亚胺 A(( ) macrolactin A)和(R) γ 氨
基 β 羟基丁酸(GABOB)等手性化合物合成的重
要砌块[1-3]。 与传统的化学法相比,利用氧化还原
酶不对称还原前手性羰基化合物制备手性醇在催
化效率、立体选择性等方面具有显著优势[4]。 目
前,已有数种氧化还原酶被报道能用于不对称合成
(R) CHBE[5-11],例如来源于醛酮还原酶超家族的
ARI、CmAR,来源于短链脱氢酶超家族的 Gox2036,
然而这些酶大都以昂贵的辅酶 NADPH 作为氢供
体。 随着公共基因序列数据库的迅速增长,笔者从
基因组数据库中挖掘了 1条来源于中链脱氢酶超家
族、以 NADH作为氢供体的醇脱氢酶(CADH)基因,
随后构建了高效表达 CADH 的重组大肠杆菌以及
建立了基于底物耦联的辅酶循环再生系统以进一
步降低(R) CHBE合成中 NAD+的添加量。 尽管如
此,酶的稳定性和重复使用率仍是酶工业化应用中
亟须解决的问题。
交 联 酶 聚 体 技 术 ( cross⁃linked enzyme
aggregates,CLEAs) [12]是在交联酶技术( cross⁃linked
enzymes,CLEs) [13]和交联酶晶体技术( cross⁃linked
enzyme crystals,CLECs) [14]的基础上提出的一种新
型无载体固定化酶技术,它仅由沉淀和交联两步骤
组成,不需要繁琐复杂的酶纯化结晶过程,操作简
单、成本低廉、单位体积活性大。 这项技术已经成
功应用于青霉素酰化酶、醇腈酶、脂肪酶、胰蛋白酶
和醇脱氢酶[15-16]的固定化。 Schoevaart 等[17]曾选
择 13种酶为研究对象,考察了不同蛋白沉淀条件及
交联条件对 CLEAs 酶活回收率的影响。 研究发现,
CLEAs的制备条件并不具有普适性,因酶来源的不
同呈现较大差异。
为进一步奠定醇脱氢酶(CADH)在工业中应用
的基础,本研究中,笔者通过单因素实验法,研究沉
淀剂种类和浓度、交联剂浓度和交联时间、NAD+及
异丙醇的浓度等因子对交联醇脱氢酶聚集体
(CLEAs CA ) 酶活力回收率的影响, 以确定
CLEAs CA制备的最适条件。 此外,笔者也进一步
考察CLEAs CA在不对称合成(R) CHBE 过程中
的稳定性。
1  材料和方法
1􀆰 1  菌株与质粒
菌株 C.albicans SC5314、E.coli DH5α以及 E.coli
Rosetta保藏于笔者所在实验室,质粒 pET 22b(+)
购自 Novagen公司。
1􀆰 2  主要试剂及仪器
各种限制性内切酶、Prime STAR HS DNA 聚合
酶和 T4 DNA 连接酶,宝生物工程(大连)有限公司;
细菌基因组试剂盒、质粒小提试剂盒、胶回收试剂
盒,天根生化科技(北京)有限公司;PCR引物合成,
南京金斯瑞生物科技有限公司。 4 氯乙酰乙酸乙
酯,Fluka公司;(R) / (S) 4 氯 3 羟基丁酸乙酯,
Sigma⁃Aldrich公司;抗生素及其余试剂,生工生物工
程(上海)股份有限公司。
PowerWave XS酶标仪,BIO⁃TEK公司;Centrifuge
5804R型高速冷冻离心机,Eppendorf公司。
1􀆰 3  醇脱氢酶 CADH 基因在大肠杆菌的克隆和
表达
    根据 C. albicans SC5314 醇脱氢酶的基因序
列(GenBank:KC236900)设计引物。 上游引物:
5′ GGAATTCCATATGTCAATTCCATCTACTCA⁃
GTACG 3′,下游引物:5′ CGCGGATCCTTATGG⁃
ATTAAACACGACTCTTCCT 3′ (上游、下游引物
分别引入 NdeⅠ及 BamHⅠ酶切位点,划线处为
酶切位点) 。 扩增的 DNA 片段与 pET 22b( +)
载体进行相同限制性内切酶酶切,纯化后经 T4
DNA 连接酶连接并转化至 E. coli DH5α,酶切验
证后的阳性克隆送南京金斯瑞生物科技有限公
司测序。 将所构建的重组质粒 pET 22b adh
转化至 E. coli Rosetta( DE3)中表达。 诱导条件
如下:以 1% (体积分数)的接种量转接到含 75
μg / mL 氨苄青霉素和 34 μg / mL 氯霉素的自诱导
培养基中,取重组菌和对照菌所处理的粗酶液进
行 SDS PAGE 电泳分析。
1􀆰 4  交联醇脱氢酶聚集体(CLEAS CA)的制备
1􀆰 4􀆰 1  CADH粗酶液的获取
E. coli Rosetta(pET 22b adh)在自诱导培养
基中诱导培养 15 h,菌液经 4 ℃、8 000 r / min 离心
15 min后,弃上清,收集的菌体用磷酸钠缓冲液(pH
52  第 6期 沙  凤等:交联醇脱氢酶聚集体的制备及其在(R) 4 氯 3 羟基丁酸乙酯合成中的应用
7􀆰 0)清洗 2次后悬浮在同样的缓冲中,使用高压均
质机(-20 ℃、8􀆰 0×107 Pa)对细胞进行破碎。 细胞
破碎液经 4 ℃、10 000 r / min 离心 30 min 后,弃沉
淀,上清即为醇脱氢酶 CADH的粗酶液。
1􀆰 4􀆰 2  CLEAs CA制备条件的优化
100 μL 的粗酶液中加入 900 μL 的沉淀剂(根
据沉淀剂的终浓度对沉淀剂和磷酸钠缓冲比例进
行调整),混匀,冰上放置 30 min,加入 9 mL 磷酸钠
缓冲复溶聚集体,测定 CADH 的保留酶活,研究不
同种类沉淀剂和浓度对 CADH的影响。
1 mL的粗酶液中加入 9 mL 的沉淀剂(沉淀剂
的种类和终浓度的选择依据上述实验结果),混匀,
冰上放置 30 min,加入不同浓度的戊二醛(5、10、15、
20和 25 mmol / L)混匀,每隔一段时间(0􀆰 5、1、2和 3
h)取 200 μL悬浊液检测醇脱氢酶交联过程中的保
留酶活,研究不同浓度的交联剂和交联时间对
CLEAs CA酶活回收率的影响。
1􀆰 5  测定方法
1􀆰 5􀆰 1  酶活性测定
蛋白定量采用 Bradford 法[18]。 游离酶及
CLEAs CA 的酶活力在 100 mmol / L、pH 7􀆰 0 磷酸
钠缓冲液中测定,反应体系包括:1 mmol / L NADH、
10 mmol / L COBE、适量的酶。 在 30 ℃下检测波长
340 nm处吸光值变化。 一个酶活力单位(U)定义
为每分钟消耗 1 μmol NADH 所需要的酶量。
CLEAs的酶活回收率由(1)式计算。
酶活力回收率 = CLEAs的总活力
初始游离醇脱氢酶的总活力
× 100%
(1)
1􀆰 5􀆰 2  COBE及 CHBE检测方法
分析 COBE 与 CHBE 浓度采用气相色谱法
(Agilent 7820A)测定。 分析条件:PEG20M 毛细管
柱(20 m×0􀆰 32 mm×0􀆰 25 μm);载气为 N2,分流比
1 ∶ 20;气化和检测室的温度 220 ℃,梯度升温(初始
温度 130 ℃,保持 3 min;以 20 ℃ / min 程序升温至
135 ℃,保持 7 min;再以 40 ℃ / min程序升温至 150
℃,保持 3 min;再以 20 ℃ / min程序升温至 160 ℃,
保持 1 min);检测器为 FID。
产物对映体过量值( e.e.值)的测定也同样使用
气相色谱仪,分析条件:色谱柱 CP Chirasil Dex CB
(25 m×0􀆰 25 mm×0􀆰 25 μm);载气为高纯 N2,分流
比 1 ∶ 50;进样室和检测室温度 250 ℃。 产物 CHBE
的对映体过量值(e.e.值)由式(2)计算:
对映体过量值 =
cR - cS
cS + cR
× 100% (2)
式中:cS 为(S) CHBE的浓度,cR 为(R) CHBE 的
浓度。
2  结果与讨论
2􀆰 1  CADH基因的克隆表达
根据 CADH的基因序列设计引物,将 PCR产物
经 0􀆰 8%的琼脂糖凝胶电泳鉴定,电泳结果见图 1。
由图 1可知:在近1 000 bp处有特异性扩增条带,其
大小与预期符合(目的产物约为1 011 bp)。 酶切鉴
定后的阳性克隆送南京金斯瑞生物科技有限公司
测序,测序结果与 GenBank 中目的序列完全一致。
重组大肠杆菌细胞蛋白的 SDS PAGE 电泳见图 2。
由图 2可知,表达的重组蛋白大约为 3􀆰 67×104,与
预测的酶蛋白相对分子质量大小一致。 酶活测定
结果:CADH对底物 COBE的比活力为 1􀆰 8 U / mg蛋
白,对异丙醇的比活力为 1􀆰 9 U / mg 蛋白。 采用气
相色谱对产物的手性进行表征,(R) CHBE 的对映
体过量值大于 99%。 与现已发现的几个能够催化
合成(R) CHBE 的酶进行氨基酸序列比较发现,
CADH 与来源于 Sporobolomyces salmonicolor 的 ARI
氨基酸序列相似性最高为 86%[5], 与来源于
Candida magnoliae 的 CR 氨基酸序列相似性为
54%[7],与来源于 Bacillus sp􀆰 ECU0013的 BYueD氨
基酸序列相似性仅为 39%[9]。
1,5—DL2000 marker;2—CADH gene (1 011 bp);
3—pET 22b adh;4—pET 22b;6—NdeⅠ与
BamHⅠ双酶切质粒 pET 22b; 7—NdeⅠ与
BamHⅠ双酶切重组质粒 pET 22b adh
图 1  来源于 C. albicans的 CADH基因的克隆
Fig􀆰 1  Cloning of the CADH gene from C. albicans by PCR
2􀆰 2  沉淀剂的种类和浓度对 CADH酶活力的影响
在制备 CLAEs CA 的过程中,沉淀步骤是利
62 生  物  加  工  过  程    第 13卷 
1—标准蛋白; 2—带有 pET 22b质粒的
E. coli Rosetta(DE3)超声得到的可溶性蛋白;
3—带有 pET 22b adh质粒的
E. coli Rosetta(DE3)超声得到的可溶性蛋白
图 2  重组大肠杆菌细胞蛋白的 SDS PAGE电泳
Fig􀆰 2  SDS⁃PAGE analysis of recombinant protein
用蛋白沉淀剂(如中性盐、水溶性有机溶剂、非离
子型高聚物等)将游离酶进行物理沉淀获得酶的
聚集体,该操作对不同酶种的影响有较大差异[17] 。
因此,考察不同饱和度的( NH4) 2SO4、丙酮、乙醇
及异丙醇作为沉淀剂,沉淀 30 min 后加入缓冲复
溶聚集体,测定其酶活力,结果见图 3。 由图 3 可
知:异丙醇作为沉淀剂时,CADH 酶活力损失很
大,最高酶活力回收率仅为 7%;60%饱和度的丙
酮以及 30%饱和度的乙醇达到的最高回收率分别
是 82%和 90%;当(NH4) 2SO4 在 40% ~ 70%饱和
度范围内时((NH4) 2SO4 的饱和质量浓度为 767
g / L),CADH 的酶活力回收率甚至超过了 100%,
该现象在其他的酶的沉淀过程也曾出现,但其机
制尚未分析清楚[17] 。 60%饱和度的(NH4) 2SO4 选
用为 CLAEs CA制备过程的最优沉淀剂。
图 3  沉淀剂种类和饱和度对醇脱氢酶
CADH活性的影响
Fig􀆰 3  Effects of different types and saturation
of precipitant on the activity of CADH
2􀆰 3  交联剂浓度及交联时间对 CLAEs CA 酶活
力的影响
    交联步骤是通过酶聚体分子表面的活性氨基
与交联剂(一般为戊二醛)的醛基发生 Schiff 碱反
应,制得颗粒大小为 1 ~ 100 μm 的水不溶性
CLEAs。 与沉淀步骤相比,交联过程对酶活力的回
收率影响更为显著。 分别选取不同浓度的戊二醛
制备 CLEAs CA,并每隔一定时间测定其保留活
性,结果见图 4。 由图 4 可知:当戊二醛(GA)浓度
为 5 mmol / L时,交联速度缓慢,3 h时交联反应仍在
继续,酶活回收率为 15􀆰 8%。 当戊二醛浓度大于 15
mmol / L,交联速度很快,但相对的,溶液中过量的戊
二醛导致交联酶快速失去活性。 戊二醛浓度为 10
mmol / L对 CADH 的活性影响相对较小,交联 2 h
时,CLEAs CA的酶活回收率也仅为 20􀆰 1%。 这可
能是因为戊二醛与酶活性中心、辅酶结合位点暴露
的关键氨基酸残基反应致使酶活性的急剧下降[19]。
已报道的一种解决方法是在游离酶中加入底物分
子,一方面底物结合在酶的活性中心,诱导酶的构
象趋向更为活跃的状态,并推测这样的状能在随后
的交联过程被固定。 另一方面, 酶 底物的复合物
能保护酶活性中心与辅酶结合位点,阻止戊二醛与
关键氨基酸反应,提高活性回收率[20]。
图 4  交联剂浓度和时间对 CLEAs CA 酶活
回收率的影响
Fig􀆰 4  Effects of cross⁃linker concentration and
reaction time on the activity recovery
of CLEAs⁃CA
2􀆰 4  NAD+和异丙醇浓度对 CLEAs制备的影响
CADH是 NAD+依赖的氧化还原酶,对异丙醇的
耐受性优于 COBE,并且异丙醇与水互溶。 因此,笔
者考察异丙醇和 NAD+对 CLEAs CA 制备的影响,
将异丙醇和 NAD+分别加入游离酶中以形成异丙
72  第 6期 沙  凤等:交联醇脱氢酶聚集体的制备及其在(R) 4 氯 3 羟基丁酸乙酯合成中的应用
醇 酶复合物或者 NAD+ 酶复合物,经 60%饱和度
的(NH4) 2SO4 沉淀以及 10 mmol / L 戊二醛交联 2 h
后,测定 CLEAs CA酶活回收率,结果见图 5 和图
6。 由图 5和图 6可知:底物的添加有助于提高固定
化酶的回收率,与 50 mmol / L 异丙醇相比, 0􀆰 1
mmol / L NAD+提高活力回收更为明显,说明辅酶结
合位点更易受戊二醛影响。 另外,同时添加 50
mmol / L异丙醇和 0􀆰 1 mmol / L NAD+形成三元复合
物,CLEAs CA 酶活回收率最终达到 29􀆰 8% (表
1),与不添加底物保护的固定化过程相比,固定化
酶的酶活回收率提高了 48􀆰 3%。
图 5  异丙醇浓度对 CLEAs CA酶活回收率的影响
Fig􀆰 5  Effect of isopropanol concentration on the
activity recovery of CLEAs⁃CA
图 6  NAD+浓度对 CLEAs CA酶活回收率的影响
Fig􀆰 6  Effect of NAD+ concentration on the
activity recovery of CLEAs⁃CA
表 1  添加 NAD+以及异丙醇的 CLEAs CA酶活回收率
Table 1  Activity recovery of CLEAs⁃CA with
substrates as additives
实验 c(NAD
+) /
(mmol·L-1)
c(异丙醇) /
(mmol·L-1)
相对酶活 /

1 0􀆰 1 50 29􀆰 8 ± 0􀆰 2
2 0􀆰 1 — 26􀆰 8 ± 0􀆰 2
3 — 50 24􀆰 2 ± 0􀆰 1
4 — — 20􀆰 1 ± 0􀆰 3
2􀆰 5  CLEAs CA不对称合成(R) CHBE
固定化酶的活性回收率、稳定性是衡量固定化
技术 2个重要指标,因此,催化反应在 100 mmol / L、
pH7􀆰 0的磷酸钠缓冲中进行,体系由 180 mmol / L
COBE、270 mmol / L 异丙醇、0􀆰 1 mmol / L NAD+以及
4 U / mL 的 CLEAs CA组成,在此条件下,进一步考
察 CLEAs CA不对称合成(R) CHBE 的稳定性的
影响,结果见图 7。 由图 7可知:首批次反应 1 h后,
底物耗尽转化率达到 99%,气相检测结果表明固定
化酶的立体选择性未发生改变。 批次反应结束,离
心回收固定化酶,缓冲洗涤 2 次,用于下批次反应,
并测定 1 h (R) CHBE 的生成速率,用于衡量
CLEAs CA的稳定性。 由图 7 还可知,CLEAs CA
重复使用 6次后并没有明显的活力降低,在重复使
用 19次后,CLEAs仍保留 50%的催化活性。
图 7  CLEAs催化 COBE合成(R) CHBE
Fig􀆰 7  Biosynthesis of (R) ⁃CHBE in the repeated
batch biotransformation
3  结论
1)基于基因组序列数据库挖掘新酶的技术,从
C.albicans中获得了 1条拥有自主知识产权 NAD+依
赖的醇脱氢酶基因,并在 E. coli Rosetta 中成功进行
表达。 CADH对底物 COBE的比活力为 1􀆰 8 U / mg 蛋
白,对产物(R) CHBE的对映体过量值大于 99%。
2)确定了 CLEAs CA 制备的最适条件:在固
定化操作前,游离酶体系中添加 50 mmol / L 异丙醇
和 0􀆰 1 mmol / L NAD+,经 60%饱和度的(NH4) 2SO4
沉淀以及 10 mmol / L 戊二醛交联 2 h,CLEAs CA
酶活回收率为 29􀆰 8%。 将 CLEAs CA 应用于不对
称合成 (R) CHBE,固定化酶重复使用 19 次后仍
能保留 50%的催化活性。
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(责任编辑  荀志金)
92  第 6期 沙  凤等:交联醇脱氢酶聚集体的制备及其在(R) 4 氯 3 羟基丁酸乙酯合成中的应用