阿耶氏芽孢杆菌酯酶的分离纯化、基因克隆与表达及其应用研究

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(S)-吲哚啉-2-羧酸作为高血压治疗药物培哚普利的关键中间体,其生产效率和纯度将直接影响下游药物的价格和质量。目前,高光学纯的(S)-吲哚啉-2-羧酸主要由化学法制备,但此类方法所需的手性助剂价格昂贵、难以回收,增加工业生产成本的同时还对环境造成了一定的压力。而国内外通过生物酶法制备(S)-吲哚啉-2-羧酸的报道较少,本实验室从自然环境中筛选到了一株能立体选择性拆分(R,S)-吲哚啉-2-羧酸乙酯的菌株Bacillus aryabhattai B8W22,本课题是在此基础上从该菌株中分离纯化出具有立体选择性的酯酶,并构建基因工程菌,优化其工业催化条件,以期可以大规模生产(S)-吲哚啉-2-羧酸,主要研究结果如下:1.利用DEAE阴离子交换层析和辛基疏水作用层析,从Bacillus aryabhattai B8W22中纯化出能手性拆分(R,S)-吲哚啉-2-羧酸乙酯的酯酶,酶的比活力从0.01U/mg增加到0.57 U/mg,纯化倍数为59倍,产率为20%。MALDI-TOF鉴定显示该蛋白为羧酸酯酶(WP_013057000.1),分子量为34705 Da,与SDS-PAGE电泳条带大小一致(约35 k Da)。酶学性质研究显示酯酶Ba CE对2-8碳链长度的对硝基苯酚酯具有广谱的特异性,其中,对p NPB和p NPC表现出较高的底物特异性。纯酶Ba CE的最适温度为30℃,最适p H为8.5。5 m M的Fe2+和K+可以对酯酶有激活作用,Ca2+离子对酯酶Ba CE的催化活性无明显增强作用,表明该酯酶不是钙结合蛋白。0.1%(w/v)浓度的NP 40和Tween 80对酯酶Ba CE活性起促进作用。Ba CE的Km和Vmax值分别为0.52 m M和6.39μM/min。酯酶Ba CE较低的Km值表明Ba CE对p NPB具有较高的亲和力。kcat和kcat/Km值分别为26.87 min-1和51.67 m M-1min-1。2.以阿耶氏芽孢杆菌Bacillus aryabhattai B8W22的基因组DNA为模板,PCR扩增目的基因。将带有同源片段的目的基因与p ET-28a(+)载体进行一步克隆,获得重组质粒p ET-28a-Ba CE,将重组产物导入E.coli BL21(DE3)。测序发现该酯酶基因序列全长930 bp,负责编码310个氨基酸,与原先质谱鉴定的蛋白基因序列相似度为94.84%。利用镍柱亲和层析对重组Ba CE进行纯化,发现80 m M的咪唑能将重组酯酶洗脱下来,SDS-PAGE电泳显示其大小为35 k Da,与预期的一致。3.通过真空冷冻干燥制备冻干菌粉,以(R,S)-吲哚啉-2-羧酸乙酯为底物,探究最优的催化工艺,其优化结果如下:在1 m L体系中,添加0.02 g重组菌冻干菌粉、2%浓度的(R,S)-吲哚啉-2-羧酸乙酯和10%的助溶剂正己烷,在p H 6.5,30℃,180 rpm转速的条件下,反应40 min,可制备e.e.p为97%的(S)-吲哚啉-2-羧酸,此时的转化率达到34%。同时,重组工程菌的酶活达到了13 U/g,比野生菌的0.027 U/g提高了480倍。该研究表明重组工程菌具有大规模生产(S)-吲哚啉-2-羧酸的价值。
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