腈水解酶重組菌發酵產酶條件的優化及應用

吳 喬，薛亞平，鄭裕國

(浙江工業大學生物工程研究所，浙江 杭州 310014)

腈水解酶是一類能選擇性催化腈化合物生成酸和氨的蛋白酶[1，2]，具有來源廣泛、反應條件溫和、高效專一等特點，常用于工農業生產[3，4]。

R-(-)-扁桃酸是一種重要的手性中間體，具有很好的生物分解性，是目前最受矚目的酸性光學拆分劑，廣泛應用于多種光學活性醫藥、農藥的合成和手性化合物的光學拆分[3]。此外，R-(-)-扁桃酸的新的用途正不斷被發掘，市場需求日益增大[5]，其制備越來越受到重視。

R-(-)-扁桃酸的生產方法主要有化學法和生物法，其中生物法中的腈水解酶催化法由于底物價廉、反應條件溫和、環境污染小、轉化率高、產物光學純度高，具有良好的工業化前景[1，5]。目前已報道的腈水解酶菌株主要有AlcaligenesfaecalisATCC 8750[6，7]、PseudomonasputidaMTCC 5110[8，9]、Alcaligenessp.ECU0401[10，11]等。構建腈水解酶基因工程菌并進行發酵產酶已成為工業化生產R-(-)-扁桃酸的重要手段。Banerjee等[12]對P.putidaMTCC 5110的腈水解酶基因進行克隆，構建了重組菌E.colipET21b(+)-PspNit，但其搖瓶發酵的生物量較低，單位體積產酶不高。張志鈞等利用來自Alcaligenessp.ECU0401的腈水解酶基因重組得到E.coliJM109，優化后，搖瓶生物量為3.13 gdcw·L-1，產酶量達到4760 U·L-1，e.e.值大于95%[13，14]。

Xue等[15，16]通過大規模的篩選和育種，獲得一株高活性的立體選擇性腈水解酶菌株A.faecalisZJUTB10，并利用該腈水解酶進行了生物催化外消旋扁桃腈生產R-(-)-扁桃酸的研究。用PCR方法擴增出A.faecalisZJUTB10腈水解酶基因，并將其插入到表達載體pET28b(+)中，IPTG誘導后，腈水解酶在大腸桿菌胞內進行了活性表達，具有較高的活性[17]。

作者在此優化了含有A.faecalisZJUTB10腈水解酶基因的工程菌E.coliBL21(DE3)/pET28b(+)-NIT的培養基組分以及誘導產酶條件，擬為生物法工業化催化扁桃腈生產R-(-)-扁桃酸提供參考。

1 實驗

1.1 材料、試劑與儀器

產腈水解酶基因工程菌E.coliBL21(DE3)/pET28b(+)-NIT，目的基因源于A.faecalisZJUTB10，該基因序列全長1068 bp，編碼372個氨基酸，預測其分子量為41 548 Da，該序列已提交到GenBank數據庫，數據庫登記號為HQ407378，自行構建。

扁桃腈(Acros)、扁桃酸(J&K)，其余試劑均為市售分析純，實驗用水為蒸餾水。

高速離心機，美國Beckman Coulter；FA2004型電子分析天平，上海精密儀器儀表有限公司；SPD-20A型高效液相色譜儀，日本島津公司；Sky-110WX型水浴搖床，上海蘇坤有限公司。

1.2 培養基

種子培養基：蛋白胨10 g·L-1，酵母浸出汁5 g·L-1，NaCl 10 g·L-1，卡那霉素50 mg·L-1，121 ℃滅菌20 min。

初始發酵培養基：蛋白胨10 g·L-1，酵母浸出汁5 g·L-1，NaCl 10 g·L-1，pH值7.5，121 ℃滅菌20 min。

1.3 方法

初始培養方法：從甘油管或斜面挑取重組工程菌至裝液量為50 mL (250 mL三角瓶)的種子培養基中，37 ℃培養12 h后，取1 mL種子液于裝液量為100 mL(500 mL三角瓶)的發酵培養基中，37 ℃培養4 h后加誘導劑乳糖2.0 g·L-1，轉入28 ℃誘導培養16 h后離心收集菌體。

轉化方法：將菌體用生理鹽水(0.85%)洗滌，稱取0.05 g菌體懸浮于10 mL(pH值8.5)Tris-HCl緩沖溶液中(測產酶時取1 mL發酵液離心，收集菌體，生理鹽水洗滌后懸浮于5 mL緩沖溶液中)，加入底物R，S-扁桃腈(終濃度50 mmol·L-1)，35 ℃、180 r·min-1下反應20 min，立即取樣1 mL，12 000 r·min-1離心6 min終止反應，取上清液，檢測產物和底物的濃度。

1.4 分析檢測

1.4.1 生物量的測定

取30 mL發酵液離心收集菌體，并用生理鹽水(0.85%)洗滌，90 ℃烘干至恒重，即為發酵液的生物量，以gdcw·L-1計。

1.4.2 酶活的測定

產物和底物濃度的檢測：色譜柱為Hypersil ODS(250 mm×4.6 mm，填料粒徑5 μm)，流動相為甲醇∶NH4H2PO4(50 mmol·L-1)=35∶65 (體積比)，柱溫 35 ℃，流速1 mL·min-1，檢測波長228 nm。

酶活力定義為：每分鐘催化生成1 μmolR-(-)-扁桃酸所需的酶量為1個酶活力單位(U)。

1.4.3 產物對映體過量值的測定

將轉化樣品用濃鹽酸調pH值至1.5，加入等體積乙酸乙酯萃取，收集有機相，風干，干燥后將白色晶體溶解于流動相正己烷∶異丙醇∶三氟乙酸(90∶10∶0.1)，用于色譜分析。色譜柱為CHIRALEL-OD-H手性柱 (250 mm×4.6 mm，5 μm；Daicel Chemical Industries，Japan)，柱溫40 ℃，流速0.8 mL·min-1，檢測波長228 nm。R-(-)-扁桃酸的光學純度通過計算對映體過量值(e.e.值)來評價。

式中：cR和cS分別為R型和S型異構體的濃度。

2 結果與討論

2.1 碳源對重組菌產酶的影響

以初始發酵培養基為基礎，考察不同碳源對菌株生長和產酶的影響，結果見表1。

表1 碳源對菌株生長和產酶的影響

由表1可知，碳源為甘油、葡萄糖、麥芽糖和甘露醇時，在乳糖誘導下，酶活很低或者沒有；碳源為玉米漿粉時比酶活和產酶量最高，分別達到約209.19 U·g-1、2275.99 U·g-1，生物量較高，約為2.72 gdcw·L-1。綜合考慮，選擇最佳碳源為玉米漿粉。

玉米漿粉濃度對菌株生長和產酶的影響見圖1。

圖1 玉米漿粉濃度對菌株生長和產酶的影響

由圖1可知，玉米漿濃度為10 g·L-1時比酶活最高，但生物量不高；玉米漿粉濃度為25 g·L-1時，產酶量最高，達2505.39 U·L-1；考慮到產酶，選擇最佳玉米漿粉濃度為25 g·L-1。

2.2 氮源對重組菌產酶的影響

以初始發酵培養基為基礎，考察不同氮源對菌株生長和產酶的影響，結果見表2。

表2 氮源對菌株生長和產酶的影響

由表2可知，氮源為酵母浸出汁時，比酶活有明顯優勢，產酶量也最高。因此，選擇最佳氮源為酵母浸出汁。

酵母浸出汁濃度對菌株生長和產酶的影響見圖2。

圖2 酵母浸出汁濃度對菌株生長和產酶的影響

由圖2可知，選擇最佳酵母浸出汁濃度為5 g·L-1，比酶活和產酶量均最高，分別為210.29 U·g-1和2458.76 U·L-1。

2.3 磷酸鹽對重組菌產酶的影響

以初始發酵培養基為基礎，考察不同磷酸鹽對菌株生長和產酶的影響，結果見圖3。

1.K2HPO4 2.KH2PO4 3.Na2HPO4 4.NaH2PO4 5.(NH4)2HPO4 6.NH4H2PO4 7.Control

由圖3可知，KH2PO4、NaH2PO4、NH4H2PO43種磷酸鹽對比酶活有促進作用，分別為262.67 U·g-1、245.27 U·g-1、244.60 U·g-1(對照樣比酶活為234.15 U·g-1)，說明含2個氫離子的磷酸鹽利于腈水解酶的表達，但是磷酸鹽的加入減少了生物量，抑制了產酶。

至此，我終于明白了。她所謂的“怕”，其實是面對弱者的遭遇無力提供幫助而產生的自責，繼而形成的逃避行為。

2.4 金屬離子對重組菌產酶的影響(表3)

表3 金屬離子對菌株生長和產酶的影響

由表3可知，Cu+、Mg2+(MgCl2·6H2O)、Fe3+、Fe2+、Al3+、Ca2+對相對酶活有促進作用，對生物量影響不一，Fe3+、Fe2+有利于菌株產酶(分別提高3.71%和2.45%)，由于Fe2+在空氣中容易被氧化成Fe3+，可認為Fe3+促進了菌株產酶。

Fe3+濃度對菌株生長和產酶的影響見圖4。

圖4 Fe3+濃度對菌株生長和產酶的影響

由圖4可知，選擇最佳Fe3+濃度為0.5 mmol·L-1，比酶活和產酶量最高，分別為252.49 U·g-1和2502.89 U·L-1。

2.5 誘導劑乳糖濃度對重組菌產酶的影響(圖5)

圖5 乳糖濃度對菌株生長和產酶的影響

由圖5可知，隨著乳糖濃度的增大，菌株生物量上升，比酶活和產酶量呈現先升后降的趨勢。選擇最佳乳糖濃度為0.5 g·L-1，比酶活和產酶量最高，分別為340.91 U·g-1和3262.84 U·L-1。

2.6 誘導溫度對重組菌產酶的影響(圖6)

圖6 誘導溫度對菌株生長和產酶的影響

由圖6可知，隨著誘導溫度的升高，比酶活和產酶量呈現先升后降的趨勢，在30 ℃時最高，分別為352.06 U·g-1和3791.12 U·L-1；菌株生物量呈現先升后降再升的趨勢，在30 ℃時最高，而后下降，超過35 ℃時，又緩慢回升。綜合考慮，選擇最佳誘導溫度為30 ℃。

2.7 乳糖加入時間對產酶的影響(圖7)

圖7 乳糖加入時間對菌株生長和產酶的影響

由圖7可知，隨著乳糖加入時間的延后，比酶活和產酶呈現先升后降的趨勢，在乳糖加入時間為6 h時最高，分別為368.04 U·g-1和3880.50 U·L-1；菌株生物量呈現先降后升再降的趨勢。綜合考慮，選擇最佳乳糖加入時間為6 h。

2.8 重組菌產酶過程(圖8)

自誘導劑加入后開始計時，不同時間取樣分析檢測誘導過程中pH值、比酶活、生物量以及產酶量的變化，見圖8。

圖8 加入乳糖后發酵過程中菌株生長和產酶的變化

由圖8可知，隨著誘導時間的延長，pH值沒有明顯變化，生物量一直呈上升趨勢，比酶活在16 h時達到最高368.92 U·g-1，其后急劇下降。從產酶出發考慮，選擇最佳誘導時間為28 h，其生物量、比酶活以及產酶量分別為5.27 gdcw·L-1、297.15 U·g-1和6161.46 U·L-1。

2.9 重組菌腈水解酶不對稱催化轉化外消旋型扁桃腈生成R-(-)-扁桃酸

以最優培養條件下獲得的菌體催化外消旋型扁桃腈生成R-(-)-扁桃酸，結果見圖9。

圖9 菌體催化扁桃腈生成R-(-)-扁桃酸的過程

由圖9可知，初始底物濃度為47.77 mmol·L-1，轉化50 min后產物濃度為43.96 mmol·L-1，轉化率達92.02%，產物e.e.值達99%以上，表明該酶的立體選擇性很嚴格。

3 結論

對于重組菌E.coliBL21 (DE3)/pET28b(+)-NIT產腈水解酶，最適發酵培養基為：玉米漿粉25 g·L-1，酵母浸出汁5 g·L-1，NaCl 10 g·L-1，Fe3+0.5 mmol·L-1，初始pH值7.5；最適誘導產酶條件為：誘導劑乳糖0.5 g·L-1，誘導劑加入時間為接種6 h后，誘導溫度30 ℃，誘導時間28 h。在該條件下，產酶量達到6161.46 U·L-1，所得菌體用于不對稱轉化R，S-扁桃腈生成R-(-)-扁桃酸，轉化率達92.02%，產物e.e.值達99%以上。該菌株十分有潛力作為R-(-)-扁桃酸工業生產的生物催化劑。

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