CN114875005A - 一种对映选择性翻转的ω-转氨酶突变体的构建及应用 - Google Patents

一种对映选择性翻转的ω-转氨酶突变体的构建及应用 Download PDF

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Abstract

本发明第一方面提供了一种对映选择性翻转的ω‑转氨酶ATA117突变体,该突变体的蛋白氨基酸序列如SEQ ID No.1所示;本发明第二方面提供了编码该ω‑转氨酶ATA117突变体的核苷酸序列,如SEQ ID No.2所示;本发明第三方面,提供了一种携带上述核苷酸序列的质粒;本发明第四方面,提供了一种表达ω‑转氨酶ATA117突变体的基因工程菌;本发明第五方面,提供了一种ω‑转氨酶ATA117突变体生产(1R,2R)‑1,3‑二羟基‑2‑氨基‑1‑对甲砜基苯丙烷2b的方法。本发明提供的ATA117_ACHH突变体的对映体比率为11.7E(R),翻转了野生型ATA117对手性1,3‑二羟基‑1‑对甲砜基苯基丙酮1的对映体比率(E(S)=8.5),本发明提供的突变体为其在手性(1R,2R)‑氨基二醇产物合成中的应用奠定了技术工艺基础。

Description

一种对映选择性翻转的ω-转氨酶突变体的构建及应用
技术领域
本发明涉及酶工程领域,具体涉及一种对映选择性翻转的ω-转氨酶突变体的构建及应用。
背景技术
转氨酶分为两类,α-转氨酶和ω-转氨酶。α-转氨酶包括I,III和IV型亚族,催化转氨反应时依赖底物酮的α-羧酸。而ω-转氨酶属于II型亚族,不依赖底物酮的α-羧酸,被广泛应用于多种脂肪酮和芳香酮的不对称转氨反应,生成立体专一性的胺。其中ATA117是广泛应用的ω-转氨酶之一。2008年Wolfgang Kroutil课题组报道ATA117可高效催化一系列芳香酮如4-苯基-2-丁酮和脂肪酮如辛酮产生R构型的胺,ee≥99%。Wolfgang Kroutil课题组在2010年报道ATA117可催化有机硒乙酰苯生成立体专一性的R-对硒苯乙胺,后者是钯催化剂的手性配基。同年,Gregory J.Hughes课题组通过对ATA117进行多轮酶进化获得了ATA-117-Rd11突变体,该突变体实现了对大位阻底物西他列汀前体酮的有效催化。而2020年Yu-Guo Zheng课题组利用ATA-117-Rd11突变体催化产生立体专一性的L-草丁膦产物,ee>99%,80kg的反应前体24小时被转化成70kg的L-草丁膦产物。综上表明,ω-转氨酶ATA117的底物谱较广,可高效催化多种底物产生立体专一性的胺。
ω-转氨酶除了能产生立体专一性的胺,同时对邻位的手性中心也具有一定的对映选择性。2009年Wolfgang Kroutil课题组报道通过ω-转氨酶ATA117对外消旋醛底物的动力学拆分获得了R-4-苯基-2-吡咯烷酮。ATA117对醛邻位的手性中心存在对映选择性,通过助溶剂和pH的优化,其转氨产物的ee可达68%。2013年Vicente Gotor课题组考察了24种商业S-和R-转氨酶对外消旋的α-烷基-β-酮酯的动力学拆分情况,结果表明其催化效率较高,但非对映选择性较差。2014年Wolfgang Kroutil课题组考察了假单胞菌属,节杆菌属,土曲霉属和生丝单胞菌属来源的ω-转氨酶对外消旋的2-苯基丙醛及对位间位邻位甲基和甲氧基取代的2-苯基丙醛的动力学拆分情况,表征了这些转氨酶对邻位手性中心的立体选择性,其ee(R)=76-98%。Wolfgang Kroutil课题组在2018年考察了节杆菌属KNK168,土曲霉,禾谷镰孢菌,生丝单胞菌,费氏新萨托菌,巨大芽孢杆菌等来源的ω-转氨酶对外消旋脂肪醛的动力学拆分情况,通过一步转氨反应,获得了高立体选择性的抗癫痫药物布瓦西坦和普瑞巴林。其中,生丝单胞菌来源的ω-转氨酶通过一步动力学拆分可获得高立体选择性的R-布瓦西坦手性中间体,ee可达92%。Wolfgang Kroutil课题组分别在禾谷镰孢菌来源的ω-转氨酶和ArRmut11突变体的基础上做了几个氨基酸位点的突变,所获得的突变体催化外消旋脂肪醛合成了S-普瑞巴林,其ee分别可达76%和80%。2019年Iván Lavandera课题组报道了一系列商业转氨酶和巨大芽孢杆菌来源的转氨酶及其突变体对外消旋的α-烷基-β-酮酰胺底物的动力学拆分情况,其中商业R转氨酶对该类底物的催化效率和立体选择性最高,其非对映选择性de可达96%。而巨大芽孢杆菌来源的转氨酶及其突变体仅可转化部分底物,其非对映选择性较低。综上,文献报道中大多通过筛选不同种属来源的ω-转氨酶,可获得对醛底物邻位手性中心的高立体选择性,而通过筛选商业转氨酶可获得对酮底物如α-烷基-β-酮酰胺的邻位手性中心的高立体选择性。但目前未有文献报道ω-转氨酶对手性芳香羟酮化合物的对映选择性。
因此对于本领域技术人员而言,如何提供一种对手性芳香羟酮化合物高对映选择性的ω-转氨酶,使其应用于动力学拆分合成(1R,2R)-氨基二醇产物,是一个急需要解决的问题。
发明内容
目前如何提供一种对手性芳香羟酮化合物高对映选择性的ω-转氨酶,使其应用于动力学拆分合成(1R,2R)-氨基二醇产物,对于本领域技术人员而言,是一个急需要解决的问题。
为了解决上述技术问题,本发明基于半理性设计对ω-转氨酶ATA117进行分子改造,结合基因的迭代饱和突变方法,获得了相应的突变体。
本发明第一方面提供了一种对映选择性翻转的ω-转氨酶ATA117突变体,该突变体的蛋白氨基酸序列如SEQ ID No.1所示。
进一步地,该突变体是ATA117的氨基酸序列通过迭代的饱和突变而产生的的,具有第N1位的缬氨酸,第N2位的苯丙氨酸,第N3位的异亮氨酸,第N4位的苯丙氨酸中至少一者的突变。
进一步地,第N1位的缬氨酸突变为丙氨酸。
进一步地,第N2位的苯丙氨酸突变为半胱氨酸。
进一步地,第N3位的异亮氨酸突变为组氨酸。
进一步地,第N4位的苯丙氨酸突变为组氨酸。
进一步地,该突变体对外消旋的对甲砜基苯基二羟酮1具有较高的R-对映选择性。
本发明第二方面,提供了一种DNA,含有编码该ω-转氨酶ATA117突变体的核苷酸序列。
进一步地,DNA的核苷酸序列如SEQ ID No.2所示。
本发明第三方面,提供了一种携带上述核苷酸序列的质粒。
进一步地,携带编码ω-转氨酶ATA117基因的重组质粒是由泓迅生物科技股份有限公司合成ATA117基因后酶切连接***pRSFduet-1载体salⅠ/HindⅢ酶切位点中所得。
本发明第四方面,提供了一种表达ω-转氨酶ATA117突变体的基因工程菌。
进一步地,基因工程菌的构建方法包括以下步骤:A1、以携带编码ATA117的基因的重组质粒为模板,A2、设计并合成含有突变的引物,A3、反向PCR扩增全质粒,A4、PCR产物转化表达宿主。
进一步地,表达宿主是E.coli BL21(DE3)
本发明第五方面,提供了一种ω-转氨酶ATA117突变体生产(1R,2R)-1,3-二羟基-2-氨基-1-对甲砜基苯丙烷2b的方法:以ω-转氨酶ATA117突变体纯蛋白为催化剂,在缓冲体系中催化外消旋1,3-二羟基-1-对甲砜基苯丙酮1,通过动力学拆分获取高立体选择性的(1R,2R)-1,3-二羟基-2-氨基-1-对甲砜基苯丙烷2b。
进一步地,缓冲体系是单水相体系。
发明效果:
1、本发明获得的ATA117_ACHH突变体对芳香羟酮化合物的邻位手性中心具有较高的R-选择性,补充了ω-转氨酶对手性羟酮化合物对映选择性的研究。
2、突变体ATA117_ACHH对外消旋羟酮化合物的动力学拆分可获得高立体选择性的(1R,2R)-氨基醇,后者是多种药物中间体,比如甲砜霉素,氟苯尼考,伪麻黄碱的手性中间体,因此该突变体具有应用于手性药物中间体合成的潜力。
3、野生型ATA117对手性1,3-二羟基-1-对甲砜基苯基丙酮1的对映体比率为8.5E(S),而ATA117_ACHH突变体的对映体比率为11.7E(R),本发明获得的突变体为其在手性(1R,2R)-氨基二醇产物合成中的应用奠定了基础。
附图说明
图1、ATA117_ACHH突变体对化合物1的动力学拆分示意图;
图2、ATA117_ACHH突变体蛋白动力学拆分外消旋底物1合成2的转化率示意图;
图3、ATA117_ACHH突变体蛋白动力学拆分外消旋底物1合成2的立体选择性示意图。
具体实施方式
下面结合具体的实施例,并参照数据进一步详细描述本发明。应理解,这些实施例只是为了举例说明本发明,而非以任何方式限制发明的范围。
本发明所述的生物材料的来源的一般性说明:
(1R,2R)-1,3-二羟基-2-氨基-1-对甲砜基苯丙烷购自黄石永信生物科技有限公司。普通液相色谱柱C18(4.6mm×250mm,粒径5μm)为菲罗门科学仪器公司产品;手性液相色谱柱IG(4.6mm×250mm,粒径5μm)为大赛璐药物手性技术公司产品。
实施例1迭代的饱和突变
VN-F:agcgacgttacctataccnnkttccacgtttggaacggtaacgca
VN-R:accgttccaaacgtggaamnnggtataggtaacgtcgctatgcag
FN-F:accgaactgcgcgaagcgnnkgttagcgttagcattacccgcggt
FN-R:ggtaatgctaacgctaacmnncgcttcgcgcagttcggtttttgc
IN-F:gctgttccgtaccagtggnnkgttccgtttgatcgtattcgcgac
IN-R:aatacgatcaaacggaacmnnccactggtacggaacagcgtacat
FN-F:ctggcagaaggtagcggcnnkaacgtcgtcgtcattaaagatggg
FN-R:tttaatgacgacgacgttmnngccgctaccttctgccagtaaacc
其中N代表A、T、C和G任意碱基,K代表T或G碱基,该简并密码子可编码随机20种氨基酸。
(1)以重组质粒pRSFduet-1-ATA117为模板,以VN-F和VN-R为引物,利用PhantaMax聚合酶(购自诺唯赞)进行PCR扩增(95℃5min;95℃30s,65℃30s,72℃5min,34个循环;72℃10min);PCR产物经FD-Dpn I消化(30℃培养箱,6h)后直接转化至E.coli BL21(DE3)感受态细胞,复苏液充分吹吸混匀,涂布约1/8复苏液于卡那霉素抗性LB平板,37℃培养12-16h,获得重组子文库。
(2)挑取上述稀释平板上的所有单菌落(约40个)于卡那霉素抗性LB培养基中37℃培养7-8h,一部分培养液用于测序,另一部分培养液暂时置于4℃冰箱短期保存。测序阳性的转化子培养液以1%的接种量转接至新鲜的装有含卡那霉素抗性5mL LB培养基的24孔的深孔板中,37℃条件下培养3h后,加入0.2mM IPTG诱导剂20℃培养15h,诱导重组基因的高效表达,重组细胞经4000rpm离心收集菌体,-80℃保藏。以同样诱导方法获得pRSFduet-1-ATA117重组菌体作为对照。
(3)将获得的重组菌体加入300ul的50mM Tris-Cl(pH=7.5)悬浮,超声破碎,低温离心,上清液用于催化外消旋1,3-二羟基-1-对甲砜基苯丙酮。
(4)将(3)所述反应产物采用C18柱测定其非对映选择性,液相分析条件如实施例2所述。实验结果表明ATA117/VN饱和突变体中,ATA117_A突变体相比野生型ATA117对S-羟酮底物的选择性明显降低,因此选用ATA117_A为下一轮FN饱和突变的模板。其突变体构建,表达,反应和检测方法如上所述。实验结果表明ATA117_A/FN饱和突变体中,ATA117_AC突变体对手性羟酮底物的选择性发生了翻转,因此选用ATA117_AC为下一轮IN饱和突变的模板。IN饱和突变后迭代FN突变,最终获得对R-羟酮底物选择性较高的突变体ATA117_ACHH。
实施例2转氨酶的表达纯化
转氨酶的表达纯化方法:在LB固体培养基上挑取含重组质粒的大肠杆菌E.coliBL21(DE3)单菌落,接种至40ml LB液体培养基(含50μg/ml卡那霉素抗生素),37℃,220rpm培养过夜。将7.5ml细菌培养液转移至含500ml液体LB培养基的2L摇瓶中,接种两瓶,37℃,220rpm培养至OD600达到0.6-0.8,加入0.2mM IPTG诱导,于20℃,200rpm下诱导培养15h。收集1L发酵液,于5000rpm,离心20min收集细胞,将收集得到的细胞重悬于30mL镍柱结合缓冲液中,并置于冰水混合物中。超声破碎条件:工作5s,停顿10s,总计30min。将经过破碎处理后的混合物,于12,000rpm离心1h后,上清液过0.22μm滤膜过滤。将过滤后的样品上样经镍柱结合缓冲液预先平衡过的2ml镍填料,用10倍柱体积的50mM咪唑洗脱缓冲液冲洗杂蛋白,然后用5ml 250mM咪唑洗脱缓冲液洗脱目的蛋白,分管接样,每管500ul。NanoDrop测定每管的蛋白浓度,合并浓度较高的几管蛋白液,稀释或者浓缩至2.5ml,上样经甘油缓冲液平衡过的脱盐柱,蛋白液流干后,加入3.5ml甘油缓冲液洗脱蛋白。
实施例3ATA117及其突变体对映选择性的测定
反应体系共100ul(50mM Tris-Cl buffer,pH 7.5),2mM外消旋1,3-二羟基-1-对甲砜基苯丙酮,2mM PLP,200mM D-Ala,5uM ATA117,20uM ATA117_A,20uM ATA117_AC,40uMATA117_ACH,40uM ATA117_ACHH,30℃反应1h,反应结束后加200ul甲醇终止反应。样品分析采用安捷伦液相,C18柱(4.6mm×150mm,粒径3μm),柱温30℃,224nm,0.5ml/min,A相:H2O(10mM KH2PO4,pH=8.5),B相:乙腈,色谱条件如表1所示:
表1、色谱条件表
Figure BDA0002936074420000051
(1S,2R)-和(1R,2R)-1,3-二羟基-1-对甲砜基苯丙酮的保留时间分别为13.2和14.1min。de=(RR-SR)/(RR+SR),E=ln[1-c×(1+de)]/ln[1-c×(1-de)]。其中:RR和SR表示(1R,2R)-和(1S,2R)-1,3-二羟基-1-对甲砜基苯丙酮浓度,c表示外消旋1,3-二羟基-1-对甲砜基苯丙酮的转化率。
检测结果如表2所示:
表2 ATA117及其突变体的对映体比率(E)
Figure BDA0002936074420000061
De表示非对映体过量值
实施例4应用ATA117_ACHH合成(1R,2R)-1,3-二羟基-2-氨基-1-对甲砜基苯丙烷反应体系共100ul(100mM Tris-Cl buffer,pH 7.5),25uM ATA117_ACHH纯蛋白,5mM外消旋1,3-二羟基-1-对甲砜基苯丙酮,2mM PLP,200mM D-Ala,10mM NADH,90U/ml LDH,200mM葡萄糖,30U/ml GDH,30℃反应15min,30min,1h,2h,3h,4h,反应结束后加甲醇终止反应。反应产物先用普通液相柱分离,考察非对映异构体的选择性,分析方法如上所述。(赤式)-和(苏式)-1,3-二羟基-1-对甲砜基苯丙酮的保留时间分别为13.2和14.1min。根据液相出峰,收集(苏式)-1,3-二羟基-2-氨基-1-对甲砜基苯丙烷样品,浓缩,进一步用手性液相柱分离,考察对映异构体的选择性。对映异构体分析条件为:手性柱IG柱,柱温25℃,0.5ml/min,224nm,色谱条件:纯甲醇(含0.1%二乙胺),15min。(1R,2R)-和(1S,2S)-1,3-二羟基-2-氨基-1-对甲砜基苯丙烷的保留时间分别为5.6和9.4min。ee=[(RR-SS)/(RR+SS)]×100%。其中:RR和SS表示(1R,2R)-和(1S,2S)-1,3-二羟基-2-氨基-1-对甲砜基苯丙烷。ATA117_ACHH突变体蛋白催化合成(1R,2R)-1,3-二羟基-2-氨基-1-对甲砜基苯丙烷转化率以及立体选择性示意图如图2、3所示。
虽然本发明已以较佳实施例公开如上,但其并非用以限定本发明,任何熟悉此技术的人,在不脱离本发明的精神和范围内,都可做各种的改动与修饰,因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。
序列表
<110> 上海交通大学
<120> 一种对映选择性翻转的ω-转氨酶突变体的构建及应用
<130> 2020
<160> 2
<170> SIPOSequenceListing 1.0
<210> 1
<211> 330
<212> PRT
<213> 人工序列(Artificial Sequence)
<400> 1
Met Ala Phe Ser Ala Asp Thr Ser Glu Ile Val Tyr Thr His Asp Thr
1 5 10 15
Gly Leu Asp Tyr Ile Thr Tyr Ser Asp Tyr Glu Leu Asp Pro Ala Asn
20 25 30
Pro Leu Ala Gly Gly Ala Ala Trp Ile Glu Gly Ala Phe Val Pro Pro
35 40 45
Ser Glu Ala Arg Ile Ser Ile Phe Asp Gln Gly Tyr Leu His Ser Asp
50 55 60
Val Thr Tyr Thr Ala Phe His Val Trp Asn Gly Asn Ala Phe Arg Leu
65 70 75 80
Asp Asp His Ile Glu Arg Leu Phe Ser Asn Ala Glu Ser Met Arg Ile
85 90 95
Ile Pro Pro Leu Thr Gln Asp Glu Val Lys Glu Ile Ala Leu Glu Leu
100 105 110
Val Ala Lys Thr Glu Leu Arg Glu Ala Cys Val Ser Val Ser Ile Thr
115 120 125
Arg Gly Tyr Ser Ser Thr Pro Gly Glu Arg Asp Ile Thr Lys His Arg
130 135 140
Pro Gln Val Tyr Met Tyr Ala Val Pro Tyr Gln Trp His Val Pro Phe
145 150 155 160
Asp Arg Ile Arg Asp Gly Val His Ala Met Val Ala Gln Ser Val Arg
165 170 175
Arg Thr Pro Arg Ser Ser Ile Asp Pro Gln Val Lys Asn Phe Gln Trp
180 185 190
Gly Asp Leu Ile Arg Ala Val Gln Glu Thr His Asp Arg Gly Phe Glu
195 200 205
Ala Pro Leu Leu Leu Asp Gly Asp Gly Leu Leu Ala Glu Gly Ser Gly
210 215 220
His Asn Val Val Val Ile Lys Asp Gly Val Val Arg Ser Pro Gly Arg
225 230 235 240
Ala Ala Leu Pro Gly Ile Thr Arg Lys Thr Val Leu Glu Ile Ala Glu
245 250 255
Ser Leu Gly His Glu Ala Ile Leu Ala Asp Ile Thr Leu Ala Glu Leu
260 265 270
Leu Asp Ala Asp Glu Val Leu Gly Cys Thr Thr Ala Gly Gly Val Trp
275 280 285
Pro Phe Val Ser Val Asp Gly Asn Pro Ile Ser Asp Gly Val Pro Gly
290 295 300
Pro Val Thr Gln Ser Ile Ile Arg Arg Tyr Trp Glu Leu Asn Val Glu
305 310 315 320
Ser Ser Ser Leu Leu Thr Pro Val Gln Tyr
325 330
<210> 2
<211> 993
<212> DNA
<213> 人工序列(Artificial Sequence)
<400> 2
atggcattta gcgcggatac cagcgaaatc gtctataccc acgataccgg tctggattac 60
atcacctaca gcgattacga actggatccg gcaaatccgt tagcaggcgg cgcagcttgg 120
attgaaggcg catttgttcc gccgtctgaa gcgcgtatta gcatcttcga tcagggctat 180
ctgcatagcg acgttaccta taccgcattc cacgtttgga acggtaacgc atttcgtctg 240
gacgatcaca tcgaacgtct gttcagcaac gccgaaagta tgcgtattat tccgccgctg 300
acccaagacg aagtcaaaga aatcgcgctg gaactggttg caaaaaccga actgcgcgaa 360
gcgtgtgtta gcgttagcat tacccgcggt tatagtagta ccccgggcga acgcgatatt 420
accaaacatc gtccgcaggt ctacatgtac gctgttccgt accagtggca tgttccgttt 480
gatcgtattc gcgacggcgt tcacgcaatg gttgcacaga gcgtgcgtcg taccccgcgt 540
agcagcatcg atccgcaggt caaaaacttc cagtggggcg atttaattcg cgcagttcag 600
gaaacccacg atcgcggttt tgaagcaccg ttactgttag acggcgacgg tttactggca 660
gaaggtagcg gccataacgt cgtcgtcatt aaagatgggg ttgttcgttc tccgggtcgt 720
gcagcattac cgggtattac ccgcaaaacc gttctggaaa ttgcggaatc cctgggtcat 780
gaagcgattc tggcggatat taccttagcg gaactgctgg acgcagacga agttttaggt 840
tgtaccaccg ctggcggcgt ttggccgttt gttagcgttg acggcaatcc gattagcgat 900
ggtgttccgg gtccggttac ccaaagcatt attcgtcgct actgggagct gaacgttgaa 960
agtagcagcc tgttaacccc ggttcagtat taa 993

Claims (10)

1.一种对映选择性翻转的ω-转氨酶ATA117突变体,其特征在于,所述ω-转氨酶ATA117突变体的蛋白氨基酸序列如SEQ ID No.1所示。
2.如权利要求1所述的ω-转氨酶ATA117突变体,其特征在于,所述ω-转氨酶ATA117突变体是ω-转氨酶ATA117的氨基酸序列通过迭代的饱和突变而产生的的,所述ω-转氨酶ATA117突变体具有第N1位的缬氨酸,第N2位的苯丙氨酸,第N3位的异亮氨酸,第N4位的苯丙氨酸中至少一者的突变。
3.如权利要求2所述的ω-转氨酶ATA117突变体,其特征在于,第N1位的缬氨酸突变为丙氨酸,第N2位的苯丙氨酸突变为半胱氨酸,第N3位的异亮氨酸突变为组氨酸,第N4位的苯丙氨酸突变为组氨酸。
4.一种DNA核苷酸序列,其特征在于,所述DNA核苷酸序列含有编码如权利要求2所述的ω-转氨酶ATA117突变体的核苷酸序列。
5.如权利要求4所述的一种DNA核苷酸序列,其特征在于,所述DNA核苷酸序列如SEQ IDNo.2所示。
6.一种携带如权利要求5所述的DNA核苷酸序列的质粒。
7.一种表达ω-转氨酶ATA117突变体的基因工程菌,其特征在于,所述ω-转氨酶ATA117突变体的蛋白氨基酸序列如SEQ ID No.1所示。
8.如权利要求7所述的一种表达ω-转氨酶ATA117突变体的基因工程菌的构建方法,其特征在于,包括以下步骤:A1、以携带编码ATA117的基因的重组质粒为模板,A2、设计并合成含有突变的引物,A3、反向PCR扩增全质粒,A4、PCR产物转化表达宿主。
9.如权利要求8所述的一种表达ω-转氨酶ATA117突变体的基因工程菌的构建方法,其特征在于,所述表达宿主是E.coliBL21(DE3)。
10.一种基于如权利要求1所述的ω-转氨酶ATA117突变体生产(1R,2R)-1,3-二羟基-2-氨基-1-对甲砜基苯丙烷2b的方法:以所述ω-转氨酶ATA117突变体纯蛋白为催化剂,在缓冲体系中催化外消旋1,3-二羟基-1-对甲砜基苯丙酮1,通过动力学拆分获取高立体选择性的(1R,2R)-1,3-二羟基-2-氨基-1-对甲砜基苯丙烷2b。
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