CN104630243A - 羰基还原酶基因、酶、载体、工程菌及其在不对称还原前手性羰基化合物中的应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种来源于唐菖蒲伯克霍尔德氏菌(Burkholderia gladioli)ZJB-12126的重组羰基还原酶及其编码基因、含有该基因的重组载体、该重组载体转化得到的重组基因工程菌，以及其在不对称还原前手性羰基化合物中的应用；分别以2-苯甲酰氨甲基-3-酮丁酸酯、4-氯乙酰乙酸乙酯(COBE)、(R)-6-氰基-5-羟基-3-羰基己酸叔丁酯和(4S)-3-[5-(4-氟苯基)-1,5-二氧代戊基]-4-苯基-2-恶唑烷酮为底物，进行生物催化反应制备高光学纯度的(2S,3R)-2-苯甲酰氨甲基-3-羟基丁酸酯、(S)-4-氯-3-羟基丁酸乙酯、6-氰基-(3R,5R)-二羟基己酸叔丁酯以及(4S)-3-[(5S)-5-(4-氟苯基)-5-羟基戊酰基]-4-苯基-1,3-氧氮杂环戊烷-2-酮，可以利用重组大肠杆菌作为生物催化剂进行生物催化反应，为药物手性中间体的生物催化合成提供了可供选择的新酶源。
Description
(一)技术领域
本发明属于生物工程技术领域，具体涉及一种来源于唐菖蒲伯克霍尔德氏菌(Burkholderia gladioli)ZJB-12126的羰基还原酶、基因、含有该基因的重组载体、该重组载体转化得到的重组基因工程菌以及在催化不对称还原前手性羰基化合物制备手性醇中的应用。
(二)背景技术
羰基还原酶(Carbonyl reducatase,E.C.1.1.1.x)属于氧化还原酶系，是一类能够催化醇和醛/酮之间双向可逆氧化还原反应的酶类，并且需要辅酶NAD(H)(烟酰胺腺嘌呤二核苷酸)或NADP(H)(烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸)作为氢传递体。NADH和NADPH作为电子供体参与其还原反应，NAD+和NADP+则作为电子受体参与其氧化反应。目前根据文献报道的羰基还原酶一般属于短链脱氢酶超家族(Short-chain dehydrogenase/reductase，SDR)、中链脱氢酶超家族(Medium-chain dehydrogenase/reductase，MDR)、醛酮还原酶超家族(Aldo-ketoreductase，AKR)等。虽然三者具有相似的催化功能，但在进化和结构上差异较大。羰基还原酶是一类非常古老的家族，广泛分布于自然界中，在各类动物、微生物和植物中，由于微生物种类繁多、分布广，是羰基还原酶的主要来源，如：Pichia finlandica、Clostridium ljungdahlii、Vibrio vulnificus、Candida glabrata、Serratia quinivorans、Polygonum minus、Arabidopsis thaliana、Oenococcus oeni、Serratia marcescens、Chryseobacterium sp.、Rhodococcus erythropolis、Candidamagnoliae、Lactobacillus jensenii和Lactobacillus coryniformis等。此外，极端微生物中也存在嗜极端环境的羰基还原酶，如来源于Thermococcus sibiricus、Thermococcus guaymasensis、Haloferax volcanii、Thermus thermophilus、Sulfolobusacidocaldarius、Carboxydothermus hydrogenoformans、Thermococcus kodakarensis、Thermotoga maritime、Koliella Antarctica、Pyrobaculum calidifontis和Halobacterium sp.等极端微生物的羰基还原酶。
近年来，随着基因组学、蛋白质组学和生物信息学的迅速发展，基因组和基因序列数据库中公布的基因数据的迅速增长，从大量的数据资源中寻找新型的羰基还原酶基因、挖掘其蕴含的生物学信息，为新型高效生物催化剂的开发服务已经成为现实。基因挖掘技术是在此基础上发展起来的一项新型酶筛选技术，目前已得到广泛地应用，通过此技术已克隆获得了大量的羰基还原酶，如Pichiafinlandica ODH、Clostridium ljungdahlii BDH1、Candida glabrata KR1、Serratiaquinivorans SDR、Polygonum minus ADH、Arabidopsis thaliana ADH、Oenococcusoeni Adh3、Chryseobacterium sp.KRED20、Candida magnoliae CR以及Acetobactersp.CR等。其中部分羰基还原酶的基因已在不同的宿主，如Escherichia coli、Pichia pastoris、Arxula adeninivorans等中表达，获得产酶活力和选择性较高的基因工程菌，并成功应用于催化前手性羰基类化合物的不对称还原反应。尽管如此，许多羰基还原酶催化的底物谱较窄，往往是为特定反应筛选的最适生物催化剂，因此大大限制了其应用范围。此外，许多酶的催化效率较低，也限制了其工业化应用。筛选具有较宽底物谱的新型羰基还原酶，研究其可以高效高选择性催化的羰基化合物，不仅可以拓宽其应用范围，提升其应用潜力，也为实现工业化生产奠定基础。
手性醇是一类手性碳上连有羟基的旋光性化合物，广泛应用于手性药物和其他手性精细化学品的合成。目前手性醇的合成方法包括物理分离法、拆分法以及不对称还原法。其中，利用前手性羰基化合物的不对称还原合成手性醇的方法是目前生产手性醇的一种重要方法，其理论产率达100％。化学不对称还原法主要是利用手性金属配合物作为催化剂用于羰基的不对称还原，尽管该化学方法已部分用于工业生产，但是该反应过程需要高压加氢、手性金属配合物合成复杂并且价格昂贵，产物中存在重金属的残留导致产物分离困难，环境污染较大，因此其应用受到了一定的限制。生物催化不对称还原法不仅具有高度的化学、区域和立体选择性，并且反应条件温和，避免了产物中的重金属残留，对环境友好，弥补了化学方法的不足，因此，近年来生物催化的羰基不对称还原反应在手性醇合成中的应用越来越受到重视。
(2S,3R)-2-苯甲酰氨甲基-3-羟基丁酸酯是合成碳青霉烯和青霉烯类药物中间体4-乙酰氧基氮杂环丁酮(4-AA)的手性砌块。目前获得(2S,3R)-2-苯甲酰氨甲基-3-羟基丁酸酯中间体的主要途径是以手性催化剂(R)-BINAP-Ru或铑配合物不对称催化2-苯甲酰氨甲基-3-酮丁酸酯生成(2S,3R)-2-苯甲酰氨甲基-3-羟基丁酸酯。但由于该反应条件苛刻、金属钌配合物的价格比较昂贵并且与产物的分离较为困难等，不利于其工业化应用。目前生物催化法合成(2S,3R)-2-苯甲酰氨甲基-3-羟基丁酸酯报道较少。Saccharomycopsis malanga NBRC 171096催化生成(2S,3R)构型，并具有较高的对映选择性(对映体过量值ee>96.2％)，但是催化效率低(产率仅4％)。美国专利US20130034895研究了来源于Lactobacillus kefir的羰基还原酶催化合成(2S,3R)-2-苯甲酰氨甲基-3-羟基丁酸酯，具有较高的对映选择性(ee为60-99％)，但在该反应过程中，以异丙醇作为第二底物实现辅酶循环利用，由于异丙醇与底物存在竞争性抑制作用，导致最大转化率受到影响，并且副产物丙酮的生成难以除去并对酶有一定的损害作用。
(S)-4-氯-3-羟基丁酸乙酯和6-氰基-(3R,5R)-二羟基己酸叔丁酯是HMG-CoA酶抑制剂阿托伐他汀类药物的侧链手性中间体，可以通过化学合成和生物催化合成的方法获得。(S)-4-氯-3-羟基丁酸乙酯的化学法合成中也需要使用手性金属催化剂，生产成本高；而在6-氰基-(3R,5R)-二羟基己酸叔丁酯的化学法合成中则需要使用易燃易爆的正丁基锂、硼烷，并且需要在<-65℃低温条件下进行，能耗大，再加6-氰基-(3R,5R)-二羟基己酸叔丁酯非对映诱导不充分，产物的光学纯度难以达到要求。近年来，利用酶法代替化学法改善反应条件，降低反应成本，提高产物的选择性成为关注的重点。生物法不对称还原合成(S)-4-氯-3-羟基丁酸乙酯的报道较多，涉及到的酶也较多，具有较高的选择性和活性的菌株有：Geotrichum candidum、Pichia stipitis、Candida albicans、Streptomyces coelicolor、Candida parapsilosis ATCC 7330以及Steptomyces coelicolor等。Wang等研究了Streptomyces coelicolor中的羰基还原酶催化该反应，同时将异丙醇作为辅助底物形成辅酶循环体系，并且利用水/甲苯两相催化体系，最终将底物浓度提高到3.6M，22h内完全转化，产率达93％，ee>99％。You等利用Candida parapsilosis SCR2催化该反应，底物浓度1M时，转化6h后，产率提高到95.3％，ee为99％。He等利用基因挖掘技术得到了两种新的还原酶，不对称还原4-氯乙酰乙酰乙酯生成(S)-4-氯-3-羟基丁酸乙酯，底物浓度为3M，产率提高到99％，选择性也有了进一步的提高(ee>99.9％)，为实现工业化生产奠定了基础。此外，Codexis公司专利US7807423B2也公开了一系列酮还原酶，催化生产(S)-4-氯-3-羟基丁酸乙酯，ee>99％。6-氰基-(3R,5R)-二羟基己酸叔丁酯是阿托伐他汀的另一种手性中间体，目前高立体选择性催化(R)-6-氰基-5-羟基-3-羰基己酸叔丁酯生成6-氰基-(3R,5R)-二羟基己酸叔丁酯的菌株有：Saccharomyces cerevisiae、Pichiaangusta、Pichia haplophila、Beauveria bassiana、Pichia pastoris、Pichiamembranefaciens、Candida humicola、Kluyveromyces drosophilarum、Rhodotorulaglutinis和Pichia caribbic等。Codexis公司专利US7879585B2从Saccharomycescerevisiae中克隆了一种酮还原酶并进行了改造，催化生产6-氰基-(3R,5R)-二羟基己酸叔丁酯转化率为99.7％，de>99％。
依泽替米贝()，化学名1-(4-氟苯基)-(3R)-[3-(4-氟苯基)-(3S)-羟基丙基]-(4S)-(4-羟基苯基)-2-丙内酰胺，是一类新型的选择性胆固醇吸收抑制剂，由Merk公司研制，2002年首先在德国上市。该药物能与肠道中的胆固醇吸收转运载体NPC1L1结合，从而有效降低密度脂蛋白胆固醇(LDL-C)的含量，选择性抑制食物以及胆汁中的胆固醇在小肠的吸收。化合物(4S)-3-[(5S)-5-(4-氟苯基)-5-羟基戊酰基]-4-苯基-1,3-氧氮杂环戊烷-2-酮是合成依泽替米贝的关键手性中间体，目前主要是利用不对称还原法合成。Homann等首先发现了菌株Schizosaccharomyces octosporus ATCC 2479和Burkholderia cenocepacia MTCC 5427能催化(4S)-3-[5-(4-氟苯基)-1,5-二氧代戊基]-4-苯基-2-恶唑烷酮生成(4S)-3-[(5S)-5-(4-氟苯基)-5-羟基戊酰基]-4-苯基-1,3-氧氮杂环戊烷-2-酮，de>99％，但底物浓度只有2mM。Codexis公司利用蛋白质工程技术将Lactobacillus kefir、L.brevis和L.minor中的羰基还原酶进行了多轮改造，将每轮的有益突变结合起来最终得到一个比较理想的羰基还原酶突变体，其活性和选择性与野生型相比均得到了大幅度的提高，成功地将该反应体系放大，在底物浓度为100g/L时，产率接近99％，de>99％。
由此可见，研究这些药物手性中间体的生物催化工艺具有重要意义，不仅能为这些化合物的合成提供新的路线，又能为其提供新的酶源。迄今为止，仍未见Burkholderia gladioli菌株中的羰基还原酶在这些药物手性中间体不对称还原中的应用。
(三)发明内容
本发明目的是提供一种来源于唐菖蒲伯克霍尔德氏菌(Burkholderia gladioli)ZJB-12126羰基还原酶、基因、含有该基因的重组载体、该重组载体转化得到的重组基因工程菌，以及在制备(2S,3R)-2-苯甲酰氨甲基-3-羟基丁酸酯、(S)-4-氯-3-羟基丁酸乙酯、6-氰基-(3R,5R)-二羟基己酸叔丁酯以及(4S)-3-[(5S)-5-(4-氟苯基)-5-羟基戊酰基]-4-苯基-1,3-氧氮杂环戊烷-2-酮等手性药物中间体中的应用。
本发明采用的技术方案是：
本发明提供一种来源于唐菖蒲伯克霍尔德氏菌(Burkholderia gladioli)ZJB-12126的羰基还原酶基因，所述基因的核苷酸序列为SEQ ID NO：1所示，所述羰基还原酶基因由如下方法得到：
利用PCR技术，在引物1(5’-ATGGGTCGTTCGATCAATCTGGAAGGCAAGG-3’)、引物2(5’-TCATGCGAGCCCGAATCCGTCGTCG-3’)的作用下以来源于唐菖蒲伯克霍尔德氏菌(Burkholderia gladioli)ZJB-12126菌株中的总基因组DNA为模板克隆长约0.8kb的羰基还原酶基因序列，命名为adh1，核苷酸序列为SEQ ID NO：1所示。将该片段连接到pGEM-T载体上，获得克隆载体pGEM-T-adh1，将载体转化大肠杆菌获得含载体pGEM-T-adh1的重组大肠杆菌。对重组质粒测序，并利用软件对测序结果进行分析，该序列含有一个长777bp的开放阅读框。
本发明表达引物3(5’-CATATGGGTCGTTCGATCAATCTGGAAGGCAAGG-3’)和引物4(5’-CTCGAGTGCGAGCCCGAATCCGTCGTCG-3’)，酶切位点分别为NdeⅠ和XhoⅠ(下划线)，以克隆载体pGEM-T-adh1为模板，通过PCR扩增得到了用于表达的羰基还原酶基因。
任何对SEQ ID NO:1所示核苷酸序列进行一个或多个核苷酸的取代、***或缺失处理获得的核苷酸序列，只要其与该核苷酸具有90％以上的同源性，均属于本发明的保护范围。
本发明提供一种由所述羰基还原酶基因adh1编码的重组羰基还原酶，命名为BgADH1，所述重组羰基还原酶的氨基酸序列为SEQ ID NO:2所示。
任何对SEQ ID NO:2所示氨基酸序列中氨基酸进行***、缺失或替换的处理获得的多肽片段或其突变体，只要其与SEQ ID NO:2所示氨基酸序列具有95％以上同源性，均属于本发明的保护范围。
本发明涉及含所述羰基还原酶基因的重组载体。
本发明涉及利用所述重组载体转化得到的重组基因工程菌，具体为：将羰基还原酶基因同表达载体pET28a连接，构建了含有羰基还原酶基因的异源表达重组质粒pET28a-adh1。将表达重组质粒pET28a-adh1转化至大肠杆菌E.coliBL21(DE3)中，获得含有重组质粒pET28a-adh1的重组大肠杆菌BL21(DE3)/pET28a-adh1。
本发明还涉及羰基还原酶基因在制备重组羰基还原酶中的应用，具体为：构建含有所述羰基还原酶基因的重组载体，将所述重组载体转化至宿主菌(优选大肠杆菌E.coli BL21(DE3))中，获得的重组基因工程菌进行诱导培养，培养液分离得到含有重组羰基还原酶的菌体细胞，破碎后获得的羰基还原酶粗酶液进行纯化，获得羰基还原酶纯酶。
本发明还涉及所述重组羰基还原酶在不对称还原前手性羰基化合物制备手性醇中的应用，具体所述应用为：以含重组羰基还原酶基因的工程菌经发酵培养获得的湿菌体为催化剂，于pH值为6～10的缓冲液中，加入底物，辅助底物和NAD(P)+，在20～40℃、50～250rpm条件下反应(优选30℃、150r/min下反应12h)，反应完全后，获得含手性醇的混合液；反应结束后，将混合液用乙酸乙酯萃取两次，合并有机层并用无水硫酸镁干燥，过滤，旋转蒸发仪除去乙酸乙酯，烘干后获得手性醇；所述底物为2-苯甲酰氨甲基-3-酮丁酸酯、4-氯乙酰乙酸乙酯、(R)-6-氰基-5-羟基-3-羰基己酸叔丁酯和(4S)-3-[5-(4-氟苯基)-1,5-二氧代戊基]-4-苯基-2-恶唑烷酮中的一种，当所述底物为2-苯甲酰氨甲基-3-酮丁酸酯时，2-苯甲酰氨甲基-3-酮丁酸酯以400mmol/L 2-苯甲酰氨甲基-3-酮丁酸酯的二甲基亚砜溶液的形式加入；所述辅助底物为葡萄糖、甲酸铵、异丙醇或无水乙醇，优选葡萄糖，当所述辅助底物为葡萄糖时，添加葡萄糖脱氢酶构成辅助底物体系，当所述辅助底物为甲酸铵时，添加甲酸脱氢酶构成辅助底物体系；所述催化剂的用量以湿菌体重量计为20～200g/L缓冲液(优选50g/L)，所述底物的初始浓度为10～100mmol/L缓冲液(优选20mmol/L)，所述辅助底物的用量为10～200g/L缓冲液(优选50g/L)，所述NAD(P)+的用量为0.01～5mmol/L缓冲液(优选2mmol/L)，所述葡萄糖脱脱氢酶或甲酸脱氢酶用量以含葡萄糖脱脱氢酶或甲酸脱氢酶菌体经发酵培养获得的湿菌体重量计，为20～200g/L缓冲液(优选50g/L)。所述底物以400mmol/L DMSO溶液的形式加入(即底物用二甲基亚砜配制成400mmol/L的溶液)。
进一步，本发明所述含重组羰基还原酶基因的工程菌经发酵培养获得的湿菌体按如下方法制备：将含有重组羰基还原酶基因的工程菌接种至含有终浓度50μg/mL卡那霉素抗性的LB液体培养基，37℃，200rpm下培养12h，再以体积浓度1％接种量接种至新鲜的含有终浓度50μg/mL卡那霉素抗性的LB液体培养基中，于37℃，150rpm下培养至菌体OD600达0.6～0.8，加入终浓度为0.1mM的IPTG，28℃下诱导培养12h后，4℃、5000rpm离心5min，弃去上清液，收集湿菌体。
本发明所述脱氢酶湿菌体按如下方法制备：将含葡萄糖脱氢酶(GDH)的(优选来源于Exiguobacterium sibiricum 255-15的GDH，GenBank:ACB59697.1)重组菌BL21(DE3)/pET28b-gdh)或含甲酸脱氢酶(FDH)(优选来源于Candidaboidinii的FDH，GenBank:AF004096)的重组菌BL21(DE3)/pET28b-fdh接种至含有终浓度50μg/mL卡那霉素抗性的LB液体培养基，37℃，200rpm下培养12h，再以1％接种量(v/v)接种至新鲜的含有终浓度50μg/mL卡那霉素抗性的LB液体培养基中，于37℃，150rpm下培养至菌体OD600达0.6-0.8，加入终浓度为0.1mM的IPTG，28℃下诱导培养12h后，4℃、5000rpm离心5min，弃去上清液，收集沉淀，即获得脱氢酶湿菌体。
进一步，优选所述的重组羰基还原酶在不对称还原前手性羰基化合物制备手性醇中的应用为：以含重组羰基还原酶基因的工程菌经发酵培养获得的湿菌体为催化剂，于pH值为6～10的缓冲液中，加入底物，葡萄糖、葡萄糖脱氢酶和NAD(P)+，在30℃、150rpm条件下反应，反应完全后，获得含手性醇的混合液；所述底物为2-苯甲酰氨甲基-3-酮丁酸酯、4-氯乙酰乙酸乙酯、(R)-6-氰基-5-羟基-3-羰基己酸叔丁酯和(4S)-3-[5-(4-氟苯基)-1,5-二氧代戊基]-4-苯基-2-恶唑烷酮中的一种，当所述底物为2-苯甲酰氨甲基-3-酮丁酸酯时，所述2-苯甲酰氨甲基-3-酮丁酸酯以400mmol/L 2-苯甲酰氨甲基-3-酮丁酸酯的二甲基亚砜溶液的形式加入；所述催化剂的用量以湿菌体的重量计为50g/L缓冲液，所述底物的初始浓度为20mmol/L缓冲液，所述葡萄糖的用量为50g/L缓冲液，所述葡萄糖脱氢酶的用量以含葡萄糖脱氢酶的菌体经发酵培养获得的湿菌体重量计，为50g/L缓冲液，所述NAD(P)+的用量为2mmol/L缓冲液。
进一步，本发明所述含所述羰基还原酶基因的羰基还原酶BgADH1作为生物催化剂在转化底物2-苯甲酰氨甲基-3-酮丁酸酯(式I)生成(2S,3R)-2-苯甲酰氨甲基-3-羟基丁酸酯(式II)中的应用，涉及的反应式见图6所示，式I中，R为C1-C6的烷基，具体地，上述应用的反应体系为：以磷酸盐缓冲液(100mM，pH 7.0)为反应介质，以含重组羰基还原酶基因的工程菌经发酵培养获得的湿菌体为催化剂，加入葡萄糖脱氢酶，2-苯甲酰氨甲基-3-酮丁酸酯，NADP+和葡萄糖，30℃，转速150r/min条件下水浴摇床反应12h，反应结束后，反应液用等体积乙酸乙酯萃取两次，合并有机层并用无水硫酸镁干燥，过滤，旋转蒸发仪除去乙酸乙酯，获得浓缩物，干燥，即为(2S,3R)-2-苯甲酰氨甲基-3-羟基丁酸酯；所述底物以400mmol/L DMSO溶液的形式加入，底物的终浓度20mmol/L缓冲液，NADP+用量为2mmol/L缓冲液，葡萄糖用量为50g/L缓冲液，湿菌体用量为50g/L缓冲液，所述葡萄糖脱氢酶以含葡萄糖脱氢酶菌体经发酵培养获得的湿菌体形式加入，加入量为50g/L缓冲液。
进一步，所述底物为4-氯乙酰乙酸乙酯时，其反应式见图7所示，具体地，上述应用的反应体系为：以含重组羰基还原酶基因的工程菌经发酵培养获得的湿菌体为催化剂，以磷酸钾缓冲液(100mM，pH 7.0)为反应介质，加入葡萄糖脱氢酶，葡萄糖，NADP+，底物4-氯乙酰乙酸乙酯(COBE)(式III)，30℃，转速150r/min条件下反应12h，反应结束后，反应液加入等体积乙酸乙酯萃取两次，合并有机层并用无水硫酸镁干燥，过滤，旋转蒸发仪除去乙酸乙酯，浓缩物干燥，即为(S)-4-氯-3-羟基丁酸乙酯(CHBE)(式IV)；所述重组羰基还原酶湿菌体用量50g/L缓冲液、葡萄糖脱氢酶用量以含葡萄糖脱氢酶的菌体经发酵培养获得的湿菌体重量计为50g/L缓冲液，葡萄糖用量为50g/L缓冲液、NADP+用量为2mmol/L缓冲液，底物浓度20mmol/L缓冲液。
进一步，所述底物为(R)-6-氰基-5-羟基-3-羰基己酸叔丁酯时，其反应式见图8所示，具体地，上述应用的反应体系为：以含重组羰基还原酶基因的工程菌经发酵培养获得的湿菌体为催化剂，以磷酸钾缓冲液(100mM，pH 7.0)为反应介质，加入葡萄糖脱氢酶，葡萄糖，NADP+，底物(R)-6-氰基-5-羟基-3-羰基己酸叔丁酯(式V)，30℃，转速150r/min条件下反应12h，反应结束后加入等体积乙酸乙酯萃取两次，合并有机层并用无水硫酸镁干燥，过滤，旋转蒸发仪除去乙酸乙酯，浓缩物干燥即为6-氰基-(3R,5R)-二羟基己酸叔丁酯(式VI)；所述重组羰基还原酶湿菌体用量为50g/L缓冲液、葡萄糖脱氢酶用量以含葡萄糖脱氢酶的菌体经发酵培养获得的湿菌体用量计为50g/L缓冲液，葡萄糖用量为50g/L缓冲液、NADP+用量为2mmol/L缓冲液，底物浓度20mmol/L缓冲液。
进一步，所述底物为(4S)-3-[5-(4-氟苯基)-1,5-二氧代戊基]-4-苯基-2-恶唑烷酮时，其反应式见图9所示，具体地，上述应用的反应体系为：以含重组羰基还原酶基因的工程菌经发酵培养获得的湿菌体为催化剂，以磷酸钾缓冲液(100mM，pH 7.0)为反应介质，加入葡萄糖脱氢酶、葡萄糖、NADP+，底物(4S)-3-[5-(4-氟苯基)-1,5-二氧代戊基]-4-苯基-2-恶唑烷酮(式VII)，30℃，转速150r/min条件下反应12h，反应结束后加入等体积乙酸乙酯萃取两次，合并有机层并用无水硫酸镁干燥，过滤，旋转蒸发仪除去乙酸乙酯，浓缩物干燥即为(4S)-3-[(5S)-5-(4-氟苯基)-5-羟基戊酰基]-4-苯基-1,3-氧氮杂环戊烷-2-酮(式VIII)；所述重组羰基还原酶湿菌体用量50g/L缓冲液、葡萄糖脱氢酶用量以含葡萄糖脱氢酶的菌体经发酵培养获得的湿菌体重量计为50g/L缓冲液、葡萄糖用量为50g/L缓冲液、NADP+用量为2mmol/L缓冲液、底物浓度20mmol/L缓冲液。
本发明所述催化剂还包括羰基还原酶BgADH1纯酶、粗酶液或者粗酶粉等其他形态。采用羰基还原酶重组基因工程菌作催化剂时，需结合一种辅酶循环***，包括葡萄糖/葡萄糖脱氢酶(GDH)、甲酸/甲酸脱氢酶(FDH)等双酶双底物辅酶循环***以及乙醇、异丙醇等单酶双底物辅酶循环***。通常加入辅助底物代替NAD(P)H进行反应，常用的辅助底物为：葡萄糖10～200g/L、乙醇或异丙醇2～30％(v/v，占总转化体系的质量体积百分数)；较佳的菌体浓度为20～200g/L。
能够提供本发明所述羰基还原酶基因的唐菖蒲伯克霍尔德氏菌(Burkholderiagladioli)ZJB-12126，保藏编号为CCTCC M 2012379，保藏于中国典型培养物保藏中心，保藏地址为中国武汉武汉大学，保藏日期为2012年9月25日，已在先前的专利申请(CN103045504A)中披露。
本发明的有益效果主要体现在：本发明提供了一种来源于唐菖蒲伯克霍尔德氏菌(Burkholderia gladioli)ZJB-12126的羰基还原酶基因，该羰基还原酶基因可与表达载体连接构建得到含该基因的表达重组质粒pET28a-adh1，再转化至大肠杆菌BL21(DE3)中，获得重组大肠杆菌，该大肠杆菌含有重组羰基还原酶，可以利用重组大肠杆菌作为生物催化剂进行生物催化反应，为药物手性中间体的生物催化合成提供了可供选择的新酶源。
重组羰基还原酶BgADH1作为生物催化剂，以2-苯甲酰氨甲基-3-酮丁酸酯为底物制备(2S,3R)-2-苯甲酰氨甲基-3-羟基丁酸酯，产物ee>99％，12h底物转化率为99.1％，与CN103045504A中B.gladioli ZJB-12126野生菌相比(81％ee，24h底物转化率64％)，对映选择性与转化率均得到了提高。以4-氯乙酰乙酸乙酯为底物制备(S)-4-氯-3-羟基丁酸乙酯，产物ee>95％，12h底物转化率为96.4％。虽然目前已报道的利用重组羰基还原酶催化该反应的底物浓度均较高，最高可达3.6M，但这些反应往往需要在两相体系中进行，并需要采用底物流加的策略，或者其重组酶是经过改造后所得，而本发明所采用的野生型重组羰基还原酶，单相体系反应，底物一次性加入，操作简便，底物转化率高。以(R)-6-氰基-5-羟基-3-羰基己酸叔丁酯为底物制备6-氰基-(3R,5R)-二羟基己酸叔丁酯时，产物de为86％，12h底物转化率为89.3％，与专利US7879585B2中的Saccharomycescerevisiae野生型酮还原酶YDL(反应时间24h，转化率85％)相比，转化率有了一定的提高。以(4S)-3-[5-(4-氟苯基)-1,5-二氧代戊基]-4-苯基-2-恶唑烷酮为底物制备(4S)-3-[(5S)-5-(4-氟苯基)-5-羟基戊酰基]-4-苯基-1,3-氧氮杂环戊烷-2-酮时，产物de>99％，12h底物转化率为26.4％，与已报道的其它催化该底物的野生型羰基还原酶相比，如Schizosaccharomyces octosporus ATCC 2479和Burkholderiacenocepacia MTCC 5427中的羰基还原酶(底物浓度2mM，de>99％)，底物浓度得到了提高，并保持较高的非对映选择性。
(四)附图说明
图1为克隆载体pGEM-T-adh1物理图谱；
图2为pET28a-adh1重组质粒物理图谱；
图3为羰基还原酶基因PCR扩增低熔点琼脂糖凝胶(argrose)电泳图；其中，泳道1为DL2000DNA Marker；泳道2为利用引物1和引物2扩增得到的羰基还原酶基因片段；泳道3、4为利用引物3和引物4扩增得到的羰基还原酶基因片段。
图4阳性重组质粒pET28a-adh1的酶切结构图；其中，泳道1为DL 10000DNA Marker片段；泳道2为羰基还原酶基因；泳道3为pET28a-adh1/Nde I样品；泳道4为pET28a-adh1/Xho I样品；泳道5为pET28a-adh1/Nde I and Xho I样品；
图5为羰基还原酶纯化后的SDS-PAGE图：泳道1为蛋白质分子量Marker，泳道2为纯化后的羰基还原酶BgADH1。
图6为(2S,3R)-2-苯甲酰氨甲基-3-羟基丁酸酯合成方程式。
图7为(S)-4-氯-3-羟基丁酸乙酯合成方程式。
图8为6-氰基-(3R,5R)-二羟基己酸叔丁酯合成方程式。
图9为(4S)-3-[(5S)-5-(4-氟苯基)-5-羟基戊酰基]-4-苯基-1,3-氧氮杂环戊烷-2-酮合成方程式。
(五)具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行进一步描述，但本发明的保护范围并不仅限于此：
实施例1：羰基还原酶基因adh1的扩增
根据唐菖蒲伯克霍尔德氏菌(Burkholderia gladioli)ZJB-12126全基因组测序信息，挖掘其中大量的羰基还原酶，其中一个具有催化4-氯乙酰乙酸乙酯、(R)-6-氰基-5-羟基-3-羰基己酸叔丁酯和(4S)-3-[5-(4-氟苯基)-1,5-二氧代戊基]-4-苯基-2-恶唑烷酮生成(2S,3R)-2-苯甲酰氨甲基-3-羟基丁酸酯、(S)-4-氯-3-羟基丁酸乙酯、6-氰基-(3R,5R)-二羟基己酸叔丁酯以及(4S)-3-[(5S)-5-(4-氟苯基)-5-羟基戊酰基]-4-苯基-1,3-氧氮杂环戊烷-2-酮功能的酶为本发明涉及的羰基还原酶BgADH1。
利用MPBio公司的Spin试剂盒提取唐菖蒲伯克霍尔德氏菌(Burkholderia gladioli)ZJB12126菌体的总基因组DNA，以该基因组DNA为模板，在引物1(5’-ATGGGTCGTTCGATCAATCTGGAAGGCAAGG-3’)、引物2(5’-TCATGCGAGCCCGAATCCGTCGTCG-3’)的作用下进行PCR扩增。PCR反应体系(总体积50μL)：10×Pfu DNA Polymerase Buffer 5μL，10mM dNTPmixture(dATP、dCTP、dGTP和dTTP各2.5mM)1μL，浓度为50μM的克隆引物1、引物2各1μL，基因组DNA 1μL，Pfu DNA Polymerase 1μL，无核酸水40μL。
采用Biorad的PCR仪，PCR反应条件：预变性95℃5min，95℃变性30s，60℃退火45s，72℃延伸1min，共30个循环，最后72℃延伸10min。
PCR反应液用0.9％琼脂糖凝胶电泳检测并切胶回收纯化该片段，利用TaqDNA聚合酶向片段5’端引入碱基A。在T4DNA连接酶作用下将该片段同pGEM-T载体进行连接，得到克隆重组质粒pGEM-T-adh1，见图1。将该重组质粒转化至大肠杆菌JM109中，涂布于含有终浓度为50μg/ml氨苄青霉素钠抗性的LB平板，随机挑取阳性克隆测序，利用软件分析测序结果，结果表明：经引物1和引物2扩增到的核苷酸序列长度为777bp(其核苷酸序列如SEQ ID NO：1所示)，该序列编码一个完整的开放阅读框(氨基酸序列为SED ID NO.2)。
实施例2：重组大肠杆菌BL21(DE3)/pET28a-adh1的构建
根据实施例1分析结果设计引物3(5’-CATATGGGTCGTTCGATCAATCTGGAAGGCAAGG-3’)、引物4(5’-CTCGAGTGCGAGCCCGAATCCGTCGTCG-3’)，并分别在引物3和引物4中引入了Nde I和Xho I限制性酶切位点(下划线标记)。在引物3和引物4的引发下，利用高保真Pfu DNA聚合酶进行扩增，获得长为777bp的羰基还原酶基因序列(其核苷酸序列如SEQ ID NO：1所示)，测序后利用Nde I和Xho I限制性内切酶(TaKaRa)对扩增片段进行处理，并利用T4DNA连接酶(TaKaRa)将该片段同用相同的限制性内切酶处理的商业化载体pET28a(Invitrogen)进行连接，构建表达载体pET28a-adh1。将构建的表达载体pET28a-adh1转化至大肠杆菌BL21(DE3)(Invitrogen)中，涂布于含有终浓度50μg/mL卡那霉素抗性的LB平板，37℃下培养8-16h，随机挑取克隆，抽提质粒进行酶切鉴定，鉴定结果见图4所示，从图4可以看出阳性重组质粒pET28a-adh1单酶切在3泳道和4泳道出现单一的与预期相符的条带，双酶切后5泳道出现两条带，一条带与目的基因片段大小一致。该结果说明目的基因已经克隆至pET28a的Nde I和XhoI位点，即获得了重组大肠杆菌E.coli BL21(DE3)/pET28a-adh1。
实施例3：重组羰基还原酶(BgADH1)湿菌体
将实施例2获得的含有表达重组质粒pET28a-adh1的重组大肠杆菌E.coliBL21(DE3)/pET28a-adh1菌体接种至含有终浓度50μg/mL卡那霉素抗性的LB液体培养基，37℃，200rpm下培养12h，再以1％接种量(v/v)接种至新鲜的含有终浓度50μg/ml卡那霉素抗性的LB液体培养基中，于37℃，150rpm下培养至菌体OD600达0.6-0.8，加入终浓度为0.1mM的IPTG，28℃下诱导培养12h后，4℃、5000rpm离心5min，弃去上清液，收集沉淀，即获得含有表达重组质粒的重组大肠杆菌BL21(DE3)/pET28a-adh1湿菌体。该菌体可直接作为生物催化剂或者用于蛋白纯化。
实施例4：羰基还原酶(BgADH1)的分离纯化
将实施例3中获得的湿菌体(即重组大肠杆菌BL21(DE3)/pET28a-adh1湿菌体)以结合缓冲液(50mM，pH 8.0磷酸钠缓冲液，含300mM NaCl，10mM咪唑)重悬后，经超声破碎，12000rpm离心40min，上清与经上述结合缓冲液平衡过的Ni亲和层析树脂孵育后，再用冲洗缓冲液(50mM，pH 8.0磷酸钠缓冲液，含300mM NaCl，20mM咪唑)冲洗至基本无杂蛋白，随后以洗脱缓冲液(50mM，pH 8.0磷酸钠缓冲液，含300mM NaCl，250mM咪唑)洗脱并收集目的蛋白，电泳鉴定纯度后合并目的蛋白并以透析缓冲液(50mM，pH 8.0磷酸钠缓冲液)透析48h，取截留液采用考马斯亮蓝法测定蛋白含量为2mg/mL，将酶液稀释至终浓度为0.5mg/mL分装，冻存于-80℃(羰基还原酶BgADH1蛋白电泳图见附图5)，获得羰基还原酶BgADH1纯酶。
实施例5：重组羰基还原酶BgADH1的活性测定
以实施例4方法分离纯化得到的羰基环化酶BgADH1纯酶用于催化底物2-苯甲酰氨甲基-3-酮丁酸酯。
催化体系组成及催化条件如下：10mL磷酸盐缓冲液(100mM,pH 7.0)中加入羰基还原酶BgADH1纯酶(终浓度为0.1mg/mL缓冲液)，2-苯甲酰氨甲基-3-酮丁酸酯(终浓度20mmol/L缓冲液，2-苯甲酰氨甲基-3-酮丁酸酯以400mmol/L DMSO溶液的形式加入)，NAD(P)H(终浓度5mmol/L缓冲液)构成反应体系。30℃，转速150r/min条件下反应5min，取样检测酶活。同样条件下，以大肠杆菌BL21(DE3)以及大肠杆菌BL21(DE3)/pET28a菌体破碎上清经透析得到的截留液作为对照。
酶活单位(U)定义为：在30℃、pH 7.0条件下，1min内消耗1μmol NAD(P)H所需的酶量定义为1U。NAD(P)H的消耗量采用酶标仪在340nm下测定。根据体系中NAD(P)H的消耗量计算重组羰基还原酶BgADH1的酶活。测定结果见表1。
表1 重组羰基还原酶BgADH1的酶活测定
| 菌株/质粒 | 酶活(U/mg) |
| 大肠杆菌BL21(DE3) | 0 |
| 大肠杆菌BL21(DE3)/pET28a | 0 |
| 大肠杆菌BL21(DE3)/pET28a-adh1 | 3.7 |
实施例6：重组羰基还原酶BgADH1辅酶偏好性测定
催化体系组成及催化条件如下：10mL磷酸盐缓冲液(100mM,pH 7.0)中加入实施例4制备的重组羰基还原酶BgADH1纯酶(终浓度为0.1mg/mL缓冲液)，2-苯甲酰氨甲基-3-酮丁酸酯(终浓度20mmol/L缓冲液，2-苯甲酰氨甲基-3-酮丁酸酯以400mmol/L DMSO的形式加入)，NADH或者NADPH(2mmol/L缓冲液)构成反应体系。30℃，转速150r/min条件下反应5min后取样检测酶活(方法同实施例5)。同样条件下，以不加辅酶的反应液作为对照。测定结果见表2。
表2 重组羰基还原酶BgADH1辅酶偏好性
| 辅酶类型 | 酶活(U/mg) |
| 对照 | 0 |
| NADH | 0.1 |
| NADPH | 3.2 |
结果表明，该羰基还原酶以NADPH为辅酶时，酶活力远远高于以NADH作为辅酶的酶活力，因此该可推测该酶是一种NADPH辅酶依赖型羰基还原酶。
实施例7：重组羰基还原酶BgADH1辅酶再生体系
以实施例3方法获得的含有表达重组质粒的重组大肠杆菌BL21/pET28a-adh1湿菌体作为生物催化剂，以2-苯甲酰氨甲基-3-酮丁酸酯为底物。
(1)羰基还原酶BgADH1辅酶再生体系的选择
将葡萄糖脱氢酶(GDH)(来源于Exiguobacterium sibiricum 255-15，GenBank:ACB59697.1)的重组菌BL21(DE3)/pET28b-gdh)菌体(甘油管)和甲酸脱氢酶(FDH)(来源于Candida boidinii，GenBank:AF004096)的重组菌BL21(DE3)/pET28b-fdh)菌体(甘油管)分别接种至含有终浓度50μg/mL卡那霉素抗性的LB液体培养基，37℃，200rpm下培养12h，再以1％接种量(v/v)接种至新鲜的含有终浓度50μg/mL卡那霉素抗性的LB液体培养基中，于37℃，150rpm下培养至菌体OD600达0.6-0.8，加入终浓度为0.1mM的IPTG，28℃下诱导培养12h后，4℃、5000rpm离心5min，弃去上清液，收集沉淀，即获得葡萄糖脱氢酶湿菌体或甲酸脱氢酶湿菌体。该菌体可直接应用于辅酶再生体系。
转化体系：磷酸钾缓冲液(100mM,pH 7.0)10mL，羰基还原酶BgADH1湿菌体量0.5g(菌体干重为0.048g)，底物2-苯甲酰氨甲基-3-酮丁酸酯20mmol/L缓冲液，NADP+0.5mmol/L缓冲液，辅助底物(辅助底物为下列之一：50g/L缓冲液的葡萄糖、50g/L缓冲液的甲酸铵、30％(v/v)缓冲液的异丙醇或30％(v/v)缓冲液的无水乙醇)，脱氢酶(脱氢酶为下列之一：葡萄糖脱氢酶(GDH)或甲酸脱氢酶(FDH)，脱氢酶湿菌体用量为0.5g)，30℃，转速150r/min摇床反应12h。
反应结束后用等体积乙酸乙酯萃取两次，样品处理方法与实施例9相同。测定产物的转化率以及ee。同样条件下，以不加辅酶循环体系的反应液作为对照。结果见表3。
表3 不同辅酶循环***对催化反应的影响
结果表明当选择葡萄糖/GDH作为辅酶再生体系时，产率能达44.3％，并且其选择性均高于其他辅酶再生体系。
(2)羰基还原酶BgADH1辅酶再生循环体系中葡萄糖脱氢酶菌体量的优化
转化体系：磷酸钾缓冲液(100mM,pH 7.0)10mL，羰基还原酶BgADH1湿菌体量0.5g(菌体干重为0.048g，实施例3方法制备)，2-苯甲酰氨甲基-3-酮丁酸酯0.05g(终浓度20mmol/L，2-苯甲酰氨甲基-3-酮丁酸酯以400mmol/LDMSO的形式加入)，NADP+0.5mmol/L缓冲液，葡萄糖50g/L缓冲液，步骤(1)制备的葡萄糖脱氢酶湿菌体量分别为0.1、0.25、0.5、0.75、1.0g(菌体干重分别为0.011、0.024、0.05、0.074、0.09g)，30℃，转速150r/min摇床反应12h。反应结束后用等体积乙酸乙酯萃取两次，样品处理方法与实施例9相同。测定产物的转化率以及ee。同样条件下，以不加葡萄糖脱氢酶的反应液作为对照。优化结果见表4。
表4 BgADH1辅酶再生循环体系中GDH菌体量的优化
| GDH(湿菌体g) | 转化率(％) |
| 0 | 89 |
| 0.1 | 95 |
| 0.25 | 99 |
| 0.5 | 99 |
| 0.75 | 99 |
| 1.0 | 99 |
结果表明当BgADH1菌体量与葡萄糖脱氢酶菌体量重量比为1:1时，辅酶再生循环已基本能够满足BgADH2对NADPH的需求。以上催化反应产物ee>99％。
(3)羰基还原酶BgADH1辅酶再生循环体系中葡萄糖浓度的优化。
转化体系：磷酸钾缓冲液(100mM,pH 7.0)10mL，羰基还原酶BgADH1湿菌体量0.5g(菌体干重为0.048g，实施例3制备)，2-苯甲酰氨甲基-3-酮丁酸酯0.05g(终浓度20mmol/L缓冲液，2-苯甲酰氨甲基-3-酮丁酸酯以400mmol/LDMSO的形式加入)，NADP+0.5mmol/L缓冲液，葡萄糖浓度分别为10g/L缓冲液、50g/L缓冲液、100g/L缓冲液、150g/L缓冲液和200g/L缓冲液。步骤(1)制备的葡萄糖脱氢酶湿菌体量0.5g(菌体干重为0.05g)，30℃，转速150r/min下反应12h。反应结束后用等体积乙酸乙酯萃取两次，样品处理方法与实施例8相同。测定产物的转化率以及ee。同样条件下，以不加葡萄糖的反应液作为对照。优化结果见表5。
表5 羰基还原酶BgADH1辅酶再生循环体系中葡萄糖浓度的优化
| 葡萄糖(g/L) | 转化率(％) |
| 0 | 42 |
| 10 | 95 |
| 50 | >99 |
| 100 | >99 |
| 150 | >99 |
| 200 | >99 |
结果表明当葡萄糖浓度为50g/L时，辅酶再生循环体系已基本上能够满足羰基还原酶BgADH1对NADPH的需求。以上催化反应产物ee>99％。
(4)羰基还原酶BgADH1辅酶再生循环体系中NADP+浓度的优化。
转化体系：磷酸钾缓冲液(100mM,pH 7.0)10mL，羰基还原酶BgADH1湿菌体量0.5g(菌体干重为0.048g，实施例3制备)，2-苯甲酰氨甲基-3-酮丁酸酯0.05g(终浓度20mmol/L缓冲液，2-苯甲酰氨甲基-3-酮丁酸酯以400mmol/LDMSO的形式加入)，NADP+分别为0.01、0.02、0.05、0.1、0.5、1.0和2.0mmol/L缓冲液。葡萄糖浓度为50g/L缓冲液。步骤(1)制备的葡萄糖脱氢酶湿菌体量0.5g(菌体干重为0.05g)，30℃，转速150r/min下反应12h。反应结束后用等体积乙酸乙酯萃取两次，样品处理方法与实施例8相同。测定产物的转化率和ee。同样条件下，以不加NADP+的反应液作为对照。优化结果见表6。
表6 羰基还原酶BgADH1辅酶再生循环体系中NADP+浓度的优化
| NADP+(mM) | 转化率(％) |
| 0 | 60 |
| 0.01 | 78 |
| 0.02 | 80 |
| 0.05 | 86 |
| 0.1 | 99 |
| 0.5 | 99 |
| 1.0 | 99 |
| 2.0 | 99 |
结果表明羰基还原酶BgADH1催化底物的转化率随NADP+浓度增加而增加，当NADP+浓度大于0.1mM时，转化率趋于稳定。以上催化反应产物ee>99％。
实施例8：重组羰基还原酶BgADH1全细胞在制备4-AA中间体(2S,3R)-2-苯甲酰氨甲基-3-羟基丁酸酯中的应用
(1)以实施例3方法获得的含有表达重组质粒的重组大肠杆菌BL21(DE3)/pET28a-adh1湿菌体作为生物催化剂，以2-苯甲酰氨甲基-3-酮丁酸酯为底物，进行生物催化反应制备(2S,3R)-2-苯甲酰氨甲基-3-羟基丁酸酯。
催化体系组成及催化条件如下：10mL磷酸盐缓冲液(100mM,pH 7.0)中加入0.5g羰基还原酶BgADH1湿菌体(菌体干重为0.048g)，0.5g葡萄糖脱氢酶湿菌体(菌体干重为0.05g，实施例7方法制备)，2-苯甲酰氨甲基-3-酮丁酸酯0.05g(终浓度20mmol/L缓冲液，2-苯甲酰氨甲基-3-酮丁酸酯以400mmol/LDMSO的形式加入)，NADP+2mmol/L缓冲液，葡萄糖50g/L缓冲液构成反应体系。30℃，转速150r/min条件下水浴摇床反应12h，反应结束后用等体积乙酸乙酯萃取两次，合并有机层并用无水硫酸镁干燥，过滤，旋转蒸发仪除去乙酸乙酯，浓缩物用HPLC流动相溶解，HPLC检测转化率以及ee。同样条件下，以无菌体加入的反应液作为空白对照，以大肠杆菌BL21(DE3)/pET28a湿菌体代替上述重组大肠杆菌BL21(DE3)/pET28a-adh1作为阴性对照。羰基还原酶BgADH1湿菌体12h后底物的转化率为99％，ee>99％，与原始菌株唐菖蒲伯克霍尔德氏菌(Burkholderia gladioli)ZJB-12126相比(24h底物转化率为64％，产物ee 81％)，转化率与选择性均得到了显著提高。空白对照与阴性对照均显示对底物无活性。
(2S,3R)-2-苯甲酰氨甲基-3-羟基丁酸酯的ee计算如下：ee％＝[(A(2S,3R)-A(2R, 3S))/(A(2S,3R)+A(2R,3S))]×100，其中A为峰面积。
(2)2-苯甲酰氨甲基-3-酮丁酸酯与(2S,3R)-2-苯甲酰氨甲基-3-羟基丁酸酯的液相检测
高效液相色谱仪器：Shimadzu LC-20AD***-SPD-20A紫外检测器。
检测转化率是色谱柱为Hypersil ODS2C18(4.6mm×250mm，2.5μm)，流动相：水：乙腈＝75:25，流速1mL/min，柱温40℃，检测波长：254nm。2-苯甲酰氨甲基-3-酮丁酸酯的保留时间为10.5min。2-苯甲酰氨甲基-3-羟基丁酸酯两对对映异构体的保留时间分别为6.0min和6.9min。
检测ee时手性色谱柱为Chiralpak AY-H(250×4.6mm,5μm)，流动相：正己烷：乙醇＝76:24，流速1.0mL/min。(2S,3R)-2-苯甲酰氨甲基-3-羟基丁酸酯、(2R,3R)-2-苯甲酰氨甲基-3-羟基丁酸酯、(2R,3S)-2-苯甲酰氨甲基-3-羟基丁酸酯和(2S,3S)-2-苯甲酰氨甲基-3-羟基丁酸酯的保留时间分别是：5.8、6.7、7.3和10.4min。底物2-苯甲酰氨甲基-3-酮丁酸酯两种构型的保留时间分别在9.8min和11.0min。
实施例9：重组羰基还原酶BgADH1全细胞在制备阿托伐他汀药物中间体(S)-4-氯-3-羟基丁酸乙酯中的应用
(1)以实施例3中获得的含有表达重组质粒的重组大肠杆菌BL21(DE3)/pET28a-adh1湿菌体作为生物催化剂，以4-氯乙酰乙酸乙酯(COBE)为底物，进行生物转化反应制备(S)-4-氯-3-羟基丁酸乙酯(CHBE)。
催化体系组成及催化条件如下：10mL磷酸钾缓冲液(pH 7.0)中加入0.5g重组羰基还原酶BgADH1湿菌体(菌体干重为0.048g)和0.5g葡萄糖脱氢酶湿菌体(菌体干重为0.05g，实施例7方法制备)，COBE 0.033g(终浓度为20mmol/L缓冲液)，NADP+2mmol/L缓冲液，葡萄糖50g/L缓冲液。30℃，转速150r/min条件下反应12h。反应结束后加入等体积乙酸乙酯萃取两次，合并有机层并用无水硫酸镁干燥，过滤，旋转蒸发仪除去乙酸乙酯，浓缩物用流动相溶解，气相色谱检测产率以及ee。同样条件下，以不含菌体的反应液作为空白对照，以大肠杆菌BL21(DE3)/pET28a湿菌体代替上述重组大肠杆菌BL21(DE3)/pET28a-adh1湿菌体作为阴性对照。底物的转化率为96.4％，ee>95％。虽然目前已报道的利用重组羰基还原酶催化该反应的底物浓度均较高，最高可达3.6M，但这些反应往往需要在两相体系中进行，并需要采用底物流加的策略，或者其重组酶是经过改造后所得。本发明所采用的野生型重组羰基还原酶，单相体系反应，底物一次性加入，操作简便，底物转化率高。空白对照与阴性对照均显示对底物无作用。
(2)4-氯乙酰乙酸乙酯与(S)-4-氯-3-羟基丁酸乙酯的气相检测方法
气相色谱仪器：Shimadzu GC-14C***-FID检测器。
检测转化率以及ee时手性色谱柱均为BGB-174(30m×0.25mm×0.25μM)，进样口温度：220℃，检测器温度：220℃，柱温：110℃，以0.5℃/min速度程序升温至125℃。载体为氦气，流速：1.5mL/min。COBE、(S)-CHBE以及(R)-CHBE的保留时间分别为：6.8、23.7和24.2min。
实施例10：重组羰基还原酶BgADH1全细胞在制备阿托伐他汀药物中间体6-氰基-(3R,5R)-二羟基己酸叔丁酯中的应用
(1)以实施例3中获得的含有表达重组质粒的重组大肠杆菌BL21(DE3)/pET28a-adh1湿菌体作为生物催化剂，以(R)-6-氰基-5-羟基-3-羰基己酸叔丁酯为底物，进行生物转化反应制备6-氰基-(3R,5R)-二羟基己酸叔丁酯。
催化体系组成及催化条件如下：10mL磷酸钾缓冲液(pH 7.0)中加入0.5g重组羰基还原酶BgADH1湿菌体(菌体干重为0.048g)和0.5g葡萄糖脱氢酶湿菌体(菌体干重为0.05g，实施例7方法制备)，(R)-6-氰基-5-羟基-3-羰基己酸叔丁酯0.0458g(终浓度为20mmol/L缓冲液)，NADP+2mmol/L缓冲液，葡萄糖50g/L缓冲液。30℃，转速150r/min条件下反应12h。反应结束后加入等体积乙酸乙酯萃取两次，合并有机层并用无水硫酸镁干燥，过滤，旋转蒸发仪除去乙酸乙酯，浓缩物用流动相溶解，液相色谱检测产率以及de。同样条件下，以不含菌体的反应液作为空白对照，以大肠杆菌BL21(DE3)/pET28a湿菌体代替上述重组大肠杆菌BL21(DE3)/pET28a-adh1湿菌体作为阴性对照。底物的转化率为89.3％，de为86％。与专利US7879585B2中的Saccharomyces cerevisiae野生型酮还原酶YDL(反应时间24h，转化率85％)相比，转化率有了一定的提高。空白对照与阴性对照均显示对底物无作用。(2)(R)-6-氰基-5-羟基-3-羰基己酸叔丁酯与6-氰基-(3R,5R)-二羟基己酸叔丁酯的液相检测方法
液相色谱仪器：Shimadzu LC-20AD***-SPD-20A紫外检测器。
检测转化率以及ee时色谱柱均为Hypersil ODS2C18(4.6mm×250mm,2.5μm)，流动相：乙腈：水＝1:3，流速1mL/min，检测波长220nm。(R)-6-氰基-5-羟基-3-羰基己酸叔丁酯、6-氰基-(3R,5R)-二羟基己酸叔丁酯以及6-氰基-(3R,5S)-二羟基己酸叔丁酯的保留时间分别为：11.4、9.4和9.8min。
实施例11：重组羰基还原酶BgADH1全细胞在制备依泽替米贝手性中间体(4S)-3-[(5S)-5-(4-氟苯基)-5-羟基戊酰基]-4-苯基-1,3-氧氮杂环戊烷-2-酮中的应用
(1)以实施例3中获得的含有表达重组质粒的重组大肠杆菌BL21(DE3)/pET28a-adh1湿菌体作为生物催化剂，以(4S)-3-[5-(4-氟苯基)-1,5-二氧代戊基]-4-苯基-2-恶唑烷酮为底物，进行生物转化反应制备(4S)-3-[(5S)-5-(4-氟苯基)-5-羟基戊酰基]-4-苯基-1,3-氧氮杂环戊烷-2-酮。
催化体系组成及催化条件如下：10mL磷酸钾缓冲液(pH 8.0)中加入0.5g重组羰基还原酶BgADH1湿菌体(菌体干重为0.048g)和0.5g葡萄糖脱氢酶湿菌体(菌体干重为0.05g，实施例7方法制备)，(4S)-3-[(5S)-5-(4-氟苯基)-5-羟基戊酰基]-4-苯基-1,3-氧氮杂环戊烷-2-酮0.071g(终浓度为20mmol/L缓冲液)，NADP+2mmol/L缓冲液，葡萄糖50g/L缓冲液。30℃，转速150r/min条件下反应12h。反应结束后加入等体积乙酸乙酯萃取两次，合并有机层并用无水硫酸镁干燥，过滤，旋转蒸发仪除去乙酸乙酯，浓缩物用流动相溶解，液相色谱检测产率以及de。同样条件下，以不含菌体的反应液作为空白对照，以大肠杆菌BL21(DE3)/pET28a湿菌体代替上述重组大肠杆菌BL21(DE3)/pET28a-adh1湿菌体作为阴性对照。底物的转化率为26.4％，de>99％。与已报道的其它催化该底物的野生型羰基还原酶相比，如Schizosaccharomyces octosporus ATCC 2479和Burkholderia cenocepacia MTCC 5427中的羰基还原酶(底物浓度2mM，de>99％)，底物浓度得到了提高，并且保持较高的非对映选择性。空白对照与阴性对照均显示对底物无作用。
(2)(4S)-3-[5-(4-氟苯基)-1,5-二氧代戊基]-4-苯基-2-恶唑烷酮与(4S)-3-[(5S)-5-(4-氟苯基)-5-羟基戊酰基]-4-苯基-1,3-氧氮杂环戊烷-2-酮的液相检测方法
高效液相色谱仪器：Shimadzu LC-20AD***-SPD-20A紫外检测器。
检测转化率以及de时手性色谱柱均为Chiralcel OD-H(250×4.6mm,5μm)，流动相：正己烷：乙醇＝80：20，流速1.0mL/min，检测波长215nm。(4S)-3-[5-(4-氟苯基)-1,5-二氧代戊基]-4-苯基-2-恶唑烷酮、(4S)-3-[(5R)-5-(4-氟苯基)-5-羟基戊酰基]-4-苯基-1,3-氧氮杂环戊烷-2-酮以及(4S)-3-[(5S)-5-(4-氟苯基)-5-羟基戊酰基]-4-苯基-1,3-氧氮杂环戊烷-2-酮的保留时间分别为：22.0、17.1和19.3min。
由以上实验结果可知，本发明得到的含有羰基还原酶基因的重组大肠杆菌具有较强的羰基还原的能力，可直接以含酶的菌体细胞为酶源进行生物催化或者转化反应。羰基还原酶BgADH1(SED ID NO.2)作为转化用酶，可以利用2-苯甲酰氨甲基-3-酮丁酸酯、4-氯乙酰乙酸乙酯(COBE)、(R)-6-氰基-5-羟基-3-羰基己酸叔丁酯和(4S)-3-[5-(4-氟苯基)-1,5-二氧代戊基]-4-苯基-2-恶唑烷酮为底物，进行生物转化反应制备高光学纯的药物手性中间体(2S,3R)-2-苯甲酰氨甲基-3-羟基丁酸酯、(S)-4-氯-3-羟基丁酸乙酯、6-氰基-(3R,5R)-二羟基己酸叔丁酯以及(4S)-3-[(5S)-5-(4-氟苯基)-5-羟基戊酰基]-4-苯基-1,3-氧氮杂环戊烷-2-酮。
Claims (10)
1.一种来源于唐菖蒲伯克霍尔德氏菌(Burkholderia gladioli)ZJB-12126的羰基还原酶基因，其特征在于所述基因的核苷酸序列为SEQ ID NO：1所示。
2.一种由权利要求1所述羰基还原酶基因编码的重组羰基还原酶。
3.如权利要求2所述的重组羰基还原酶，其特征在于所述酶的氨基酸序列为SEQ ID NO：2所示。
4.一种由权利要求1所述羰基还原酶基因构建的重组载体。
5.一种由权利要求4所述重组载体转化得到的重组基因工程菌。
6.一种权利要求1所述的羰基还原酶基因在制备重组羰基还原酶中的应用，其特征在于所述的应用为：构建含有所述羰基还原酶基因的重组载体，将所述重组载体转化至宿主菌中，获得的重组基因工程菌进行诱导培养，培养液分离得到含有重组羰基还原酶的菌体细胞。
7.一种权利要求2所述重组羰基还原酶在不对称还原前手性羰基化合物中的应用。
8.如权利要求7所述的应用，其特征在于所述应用为：以含重组羰基还原酶基因的工程菌经发酵培养获得的湿菌体为催化剂，于pH值为6～10的缓冲液中，加入底物，辅助底物和NAD(P)+，在20～40℃、50～250rpm条件下反应，反应完全后，获得含手性醇的混合液；所述底物为2-苯甲酰氨甲基-3-酮丁酸酯、4-氯乙酰乙酸乙酯、(R)-6-氰基-5-羟基-3-羰基己酸叔丁酯和(4S)-3-[5-(4-氟苯基)-1,5-二氧代戊基]-4-苯基-2-恶唑烷酮中的一种，当所述底物为2-苯甲酰氨甲基-3-酮丁酸酯时，2-苯甲酰氨甲基-3-酮丁酸酯以400mmol/L 2-苯甲酰氨甲基-3-酮丁酸酯的二甲基亚砜溶液的形式加入；所述辅助底物为葡萄糖、甲酸铵、异丙醇或无水乙醇，当所述辅助底物为葡萄糖时，添加葡萄糖脱氢酶构成辅助底物体系，当所述辅助底物为甲酸铵时，添加甲酸铵脱氢酶构成辅助底物体系；所述催化剂的用量以湿菌体的重量计为20～200g/L缓冲液，所述底物的初始浓度为10～100mmol/L缓冲液，所述辅助底物的用量为10～200g/L缓冲液，所述葡萄糖脱脱氢酶或甲酸铵脱氢酶的用量以含葡萄糖脱氢酶或甲酸铵脱氢酶的菌体经发酵培养获得的湿菌体重量计，为20～200g/L缓冲液，所述NAD(P)+的用量为0.01～5mmol/L缓冲液。
9.如权利要求8所述的应用，其特征在于所述湿菌体按如下方法制备：将含有重组羰基还原酶基因的工程菌接种至含有终浓度50μg/ml卡那霉素抗性的LB液体培养基，37℃，200rpm下培养12h，再以体积浓度1％接种量接种至新鲜的含有终浓度50μg/ml卡那霉素抗性的LB液体培养基中，于37℃，150rpm下培养至菌体OD600达0.6-0.8，加入终浓度为0.1mM的IPTG，28℃下诱导培养12h后，4℃、5000rpm离心5min，弃去上清液，收集湿菌体。
10.如权利要求8所述的应用，其特征在于所述的应用以含重组羰基还原酶基因的工程菌经发酵培养获得的湿菌体为催化剂，于pH值为6～10的缓冲液中，加入底物，葡萄糖、葡萄糖脱氢酶和NAD(P)+，在30℃、150rpm条件下反应，反应完全后，获得含手性醇的混合液；所述底物为2-苯甲酰氨甲基-3-酮丁酸酯、4-氯乙酰乙酸乙酯、(R)-6-氰基-5-羟基-3-羰基己酸叔丁酯和(4S)-3-[5-(4-氟苯基)-1,5-二氧代戊基]-4-苯基-2-恶唑烷酮中的一种，当所述底物为2-苯甲酰氨甲基-3-酮丁酸酯时，2-苯甲酰氨甲基-3-酮丁酸酯以400mmol/L 2-苯甲酰氨甲基-3-酮丁酸酯的二甲基亚砜溶液的形式加入；所述催化剂的用量以湿菌体的重量计为50g/L缓冲液，所述底物的初始浓度为20mmol/L缓冲液，所述葡萄糖的用量为50g/L缓冲液，所述葡萄糖脱脱氢酶的用量以含葡萄糖脱氢酶的菌体经发酵培养获得的湿菌体重量计，为50g/L缓冲液，所述NAD(P)+的用量为2mmol/L缓冲液。
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