醛酮还原酶的基因挖掘及反应工程研究

发布时间：2020-06-26 12:21

【摘要】：卡巴拉汀(Rivastigmine,(S)-3-[1-(dimethylamino)ethyl]phenyl ethyl(methyl)carbamate)是一种可有效治疗阿尔茨海默症(Alzheimer’s disease)的药物。N-乙基甲基氨基甲酸-3-[(1S)-羟乙基]-苯基酯((S)-NEMCA-HEPE)是制备卡巴拉汀的关键中间体。本论文利用醛酮还原酶(aldo-keto reductases,AKRs)催化还原N-乙基-甲基氨甲酰基苯乙酮(NEMCA)制备(S)-NEMCA-HEPE,并通过构建重组全细胞以及引入添加剂策略来提高AKRs催化该反应的速率及转化率。针对不对称还原NEMCA生成(S)-NEMCA-HEPE这一反应,在NCBI数据库中搜索潜在的可催化该反应的酶源。最终选定枯草杆菌168(Bacillus subtilis 168)基因组,并从中获得三种AKRs基因(ytbE,iol S,yhd N),在大肠杆菌BL21(DE3)中成功表达,最佳诱导温度为25℃,IPTG终浓度0.1 mM。蛋白经过镍柱纯化后得到纯的ytbE、iolS和yhdN酶,其比活力分别为0.6 U/mg、2.4 U/mg和0.5 U/mg。对AKRs进行酶学性质研究,发现AKRs酶适合在30-40℃以及pH 6.5-7.0这一中性或中性偏酸的磷酸缓冲液中发挥较好的活性。此外,除了金属离子Ca~(2+)和Mg~(2+)对iolS和yhdN的酶活有微弱激活作用外,大部分金属离子均对AKRs活性产生不同程度的抑制作用,以重金属离子Cu~(2+)和Fe~(3+)对AKRs酶活抑制最为明显。将三种AKRs酶用于催化制备(S)-NEMCA-HEPE的反应中。从反应结果来看,不同的AKRs在不同辅因子存在时都可以催化NEMCA发生还原反应,得到对映体过量值(e.e._p)为99.9%的(S)-NEMCA-HEPE。当NAD~+参与辅因子循环时,iolS、ytbE和yhdN催化该反应的转化率分别为10.1%、15.3%和0.8%;而当NADP~+存在反应系统时,iolS、ytbE和yhdN催化该反应得到的转化率分别为19.2%、18.4%和5.7%,可见三种AKRs在不同辅因子存在时表现出不同的催化活性,并且都优先选择依赖辅因子NADP~+。在所有AKRs催化的反应中,iolS酶在NADP~+存在时催化反应的活性最佳,在24h内得到最高的转化率19.2%。为了研究不同AKRs催化该反应存在的差异,利用分子对接(molecule docking)分析三种AKRs和底物NEMCA结合时产生的相互作用,发现AKRs中的氨基酸与NEMCA之间形成的氢键相互作用以及π-π相互作用对羰基还原反应有着促进的作用,其中氢键相互作用对该反应的发生尤为重要。为了避免向反应中额外加入辅因子,降低反应成本,本论文构建了含有AKR和葡萄糖脱氢酶(glucose dehydrogenase,GDH)的三种重组全细胞用于催化该还原反应。iolS-GDH、ytbE-GDH和yhdN-GDH重组全细胞可在1 h内催化还原NEMCA,且反应的转化率分别为83.3%、80.0%和78.2%,iolS-GDH全细胞具有最佳催化活性。三种AKRs-GDH全细胞催化该反应的趋势符合游离AKRs酶催化的结果,但全细胞催化可显著提升该反应的速率和转化率,并且(S)-NEMCA-HEPE的e.e._p仍保持在99.9%。为进一步提高全细胞催化反应的速率和转化率,向反应体系中引入不同类型的添加剂,如离子液体(ILs)、深共熔溶剂(DESs)和有机试剂。其中,5%(v/v)离子液体([BMIm]BF_4)的加入对反应速率和转化率的提升效果尤为明显,仅需1 h,反应的转化率即可从对照组的83.3%增加至98.3%,而且1 h的反应时间也远低于文献报道的24 h。为了解释添加剂提高全细胞催化反应性能,应用流式细胞术(flow cytometry,FCM)和紫外光谱分析来检测不同添加剂对细胞膜通透性的影响。两种方法的检测结果与反应数据相匹配,均可证明不同的添加剂确实对细胞膜存在不同的影响,适度增加膜的通透性可以很好的改善细胞催化反应的效果。本论文建立了一个简单、高效、环保且低成本的制备高光学纯度(S)-NEMCA-HEPE的方法,具有潜在的工业化应用前景。
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：Q78;TQ460.1

【参考文献】