强化NADPH再生途径驱动手性β-羟基酯的高效合成

通过代谢调控大肠杆菌EMP途径中的NADP;依赖性甘油醛-3-磷酸脱氢酶和过表达NAD激酶,构建了羰基还原酶和NADPH再生偶联体系E.coli BL21(DE3)/pETDueT-1-gapB-bcCR&pET-28a-yfjB,以强化NADPH的内源性合成,为β-酮酯的不对称还原过程提供足够推动力。结果表明,通过EMP调控与引入NAD激酶可使胞内NADPH合成能力提高2.19倍;以4-氯乙酰乙酸乙酯为模型底物,改造后的工程菌不对称合成(R)-4-氯-3-羟基丁酸乙酯的转化效率提高了1.69倍,目标手性醇的产率高达98.18%,对映体过量值超过99%。

基于葡萄糖激酶和葡萄糖-6-磷酸脱氢酶的NADPH高效再生

目的:构建辅酶NADPH高效再生的基因工程菌,获得辅酶NADPH高效再生的最佳工艺条件。方法:利用基因工程技术将辅酶NADPH再生关键酶的基因glk和zwf导入到大肠杆菌BL21中,实现辅酶NADPH循环高效再生,并优化辅酶NADPH再生的工艺条件。结果:成功构建了含有辅酶NADPH再生关键酶两个基因的重组大肠杆菌BL21/pETDuet-1-glk-zwf;通过正交设计优化试验,获得重组工程菌株产辅酶NADPH的最佳工艺条件是:诱导温度20℃、异丙基-β-D-硫代半乳糖苷浓度0.25 mmol/L、接种量1.5%、装液量100 mL/250 mL。在此条件下进行1 L发酵摇瓶诱导培养48 h,辅酶NADPH产量高达151.79μmol/L。结论:研究结果为辅酶NADPH循环再生提供了良好的理论基础。

毕赤酵母甲酸脱氢酶辅因子特异性改造及应用

甲酸脱氢酶(formate dehydrogenase,FDH,EC 1.2.1.2)在发酵工业中常被应用于酶法辅因子再生系统。为了改造巴斯德毕赤酵母甲酸脱氢酶(FDH from Komagataella phaffii,Kph FDH)的辅因子特异性并应用于体外NADPH辅因子再生系统,研究基于多序列比对和文献调研的结果,确定了D195、Y196为突变位点,构建了16个突变体,并表征了野生型和突变体的比酶活力和酶促反应动力学。得到最优的NADP+特异性突变体为Kph FDH D195Q/Y196R,其对NADP+的催化效率(k_(cat)/K_(m))为1.967 L/(mmol·s),催化特异性比率[(k_(cat)/K_(m)NADP+)/(k_(cat)/K_(m)NAD+)]为36.426;以NADP+作为辅因子时,对甲酸的催化效率(k_(cat)/K_(m))为0.020 L/(mmol·s)。最后成功将该突变体应用于苯丙酮酸还原胺化反应中的NADPH再生,200 min内几乎完全反应。该研究填补了毕赤酵母FDH辅因子特异性改造方面的研究空白,为发酵工业中NADPH辅因子再生系统应用提供了一种工具酶,同时也为进一步改造该酶的辅因子特异性提供了一种出发突变体。

木糖辅助底物对近平滑假丝酵母催化(R,S)-苯基乙二醇不对称氧化还原合成(S)-苯基乙二醇体系稳定性的促进作用

通过分析近平滑假丝酵母Candida parapsilosis催化外消旋苯基乙二醇（PED）不对称氧化还原合成（S）-苯基乙二醇的反应过程,结合微生物中糖类的代谢路径研究,建立了一种以木糖为辅助底物的NADPH辅酶再生的方法,提高了该催化系统的稳定性.结果表明,相同条件下反应体系中添加8 g/L的木糖可使（S）-PED产物的对映体过量值（ee）和产率分别提高14%和10%;菌体可重复使用3-4次,而产物ee值保持在98%.考察了木糖对表达羰基还原酶重组大肠杆菌体系催化效果的影响,发现木糖是通过强化（S）-羰基还原酶的催化作用提高了催化系统的稳定性,其原因是在磷酸戊糖途径中再生了氧化还原反应所需的NADPH辅酶.

乙醛还原酶工程菌的构建以及与葡萄糖脱氢酶工程菌偶联还原制备R-CHBE

R-4-氯-3-羟基丁酸乙酯(R-CHBE)是多种药物的手性中间体,可由4-氯乙酰乙酸乙酯(COBE)立体选择性还原制备,而辅酶高效再生是绝大多数氧化还原酶实际应用的瓶颈。本研究从赭色掷抱酵母细胞ZJU010中克隆出NADPH依赖型乙醛还原酶ARI基因(alr),构建重组大肠杆菌E.coliBL21/pET-alr,并与葡萄糖脱氢酶的基因工程菌(BL21/pET-gdh)进行偶联转化COBE。合理调整双菌双酶比例,当BL21/pET-alr和BL21/pET-gdh的湿菌重比为6∶1时,CHBE的产量达到最高,无需添加辅酶,转化22h摩尔转化率达到95.88%,产物R-CHBE的对映体过量值ee为96%,较好地实现了双酶偶联制备R-CHBE。

一种新型醛酮还原酶的克隆表达、性质研究以及在不对称合成(R)-CHBE中的应用

为开发催化4-氯乙酰乙酸乙酯(COBE)制备(R)-4-氯-3-羟基丁酸乙酯((R)-CHBE)的新型催化剂,挖掘到了来自白色念珠菌SC5314中的一种NADPH辅酶依赖型醛酮还原酶CAK基因(cak),并将该基因在大肠杆菌中表达。将重组酶进行纯化后,测定其酶学性质,并构建了以葡萄糖为辅底物的双酶偶联辅酶再生系统,考察其不对称转化制备(R)-CHBE的能力。结果表明:CAK对多种醛酮类化合物有催化活性,其催化COBE的最适反应温度为40℃,最适p H为5。CAK在40℃下以及酸性条件中能保持较好的稳定性。Mg2+、Na+、K+对酶活有一定的激活作用,而Cu2+存在条件下酶会彻底失活。乙酸乙酯、邻苯二甲酸二丁酯对酶活的抑制作用较小。利用双酶偶联辅酶再生系统不对称转化制备(R)-CHBE。在合适的条件下,转化600 mmol/L的底物,产率达80.6%,产物对映体过量值(e.e.值)>99%。

NADPH缺陷型Corynebacterium glutamicum重组菌株的构建及其性能分析

【目的】改造谷氨酸棒杆菌(Corynebacterium glutamicum)中NADPH合成途径,阻断胞内NADPH的合成,获得1株NADPH营养缺陷型菌株。【方法】通过失活L-赖氨酸高产菌C.glutamicum Lys-χ中葡萄糖-6-磷酸脱氢酶(Zwf)和苹果酸酶(MalE)并将NADP^(+)依赖型异柠檬酸脱氢酶(NADP^(+)-Icdcg)替换成变形链球菌(Streptococcus mutans)中的NAD^(+)-Icdsm,阻断胞内NADPH的合成。随后结合辅因子工程,引入大肠杆菌(Escherichia coli)中膜结合吡啶核苷酸转氢酶(PntAB)并通过不同强度启动子控制PntAB的表达水平。最后,分析不同重组菌中胞内氧化还原水平和L-赖氨酸生产强度的变化。【结果】重组菌C.glutamicum Lys-χΔZMICg::ISm(即Lys-x1)胞内检测不到NADPH,为1株NADPH营养缺陷型菌株。该重组菌只在以葡萄糖酸为碳源的基础培养基中生长和积累L-赖氨酸,而以葡萄糖、丙酮酸、α-酮戊二酸和草酰乙酸为碳源时无法生长。此外,表达E.coli中的PntAB可回补重组菌Lys-χ1胞内NADPH的水平,但由于不同强度启动子控制PntAB表达水平不同,重组菌胞内NADPH水平也不同,并影响L-赖氨酸的生产强度。【结论】重组菌Lys-χ1可作为有效的底盘细胞,用于考察不同的NADPH再生策略,获得不同胞内NADPH水平的重组菌株,为进一步阐明NADPH调控微生物细胞生理代谢功能的机制提供研究基础。