李 惑,曹雪飛,儲建林,吳 斌
(1. 南京工業(yè)大學(xué)生物與制藥工程學(xué)院,江蘇南京211800; 2. 南京工業(yè)大學(xué)藥學(xué)院,江蘇南京211800)
1,2,4-丁三醇(1,2,4-butanetriol,BT)是一種無色、無味、無毒的水溶性C4平臺化合物,其為黏稠糖漿狀,化學(xué)式為C4H10O3,分子量為106.12[1];其2號碳原子為手性碳原子,具有旋光性,在醇類和水中有較高的溶解度,具有一定的吸濕性[2]。
1,2,4-丁三醇在合適的硝化體系中被完全硝化的產(chǎn)物是丁三醇三硝酸酯(BTTN)[3],BTTN是一種含能增塑劑,與硝化甘油(NG)相比,它具有沖擊感小、熱穩(wěn)定性高、毒性小、揮發(fā)性低及吸濕性低等優(yōu)點(diǎn),在炸藥、推進(jìn)劑等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[4-5]。1,2,4-丁三醇也是很多手性化合物的合成前體,以它為原料合成的緩釋劑可用來控制藥物的釋放速度[6-8]。光學(xué)純的1,2,4-丁三醇可以作為抗腫瘤、抗病毒、抗癌藥物、血小板活性因子、降膽固醇藥物及治療皮膚病藥物等藥物制備的關(guān)鍵中間體[9-15],如(S)-1,2,4-丁三醇的環(huán)化產(chǎn)物(S)-3-羥基-四氫呋喃是合成治療艾滋病的藥物Agenerase(一種HIV蛋白酶抑制劑)的重要中間體[16]。1,2,4-丁三醇用作煙草降焦油助劑,可以減弱硝基化合物對人體的毒害,從而降低焦油對人體的危害;作為防腐劑的添加劑,能夠抑制微生物生長,增強(qiáng)防腐效果;作為彩色顯影液的組分,可增加色彩度和黏著力;作為交聯(lián)劑,可以提高聚合物的強(qiáng)度和硬度[17]。另外,1,2,4-丁三醇還可用作高級服裝的表面處理劑、高級墨水防干劑、陶瓷加工助劑以及特殊用途的包裝與儲運(yùn)等[18-20]。
迄今為止,在生物法合成1,2,4-丁三醇的途徑中,α-酮酸脫羧反應(yīng)中的關(guān)鍵酶仍然沿用Forst團(tuán)隊的Niu等[21]報道的來源于惡臭假單胞菌的苯甲酰甲酸脫羧酶MDLC。
本研究利用分子模擬技術(shù),從京都基因與基因組百科全書數(shù)據(jù)庫(KEGG)、酶數(shù)據(jù)庫BRENDA等數(shù)據(jù)庫中篩選可能催化3-脫氧-D-甘油-戊酮糖酸脫羧形成3,4-二羥基丁醛的酮酸脫羧酶,將其克隆至pEGX-6p-1后于E.coliDH5α中表達(dá),比較目標(biāo)酶的酶活力大小,對酶活力最高的脫羧酶進(jìn)行純化,并對其酶學(xué)性質(zhì)進(jìn)行分析及體外催化研究,為提高BT生物合成效率提供優(yōu)異的新酶源。
菌株E.coliBL21、E.coliDH5α、質(zhì)粒pGEX-6p-1、質(zhì)粒pET-22b(+),何冰芳教授實(shí)驗室保存;E.coliBL21/pET22b-xylD,何冰芳教授實(shí)驗室構(gòu)建保存。質(zhì)粒pUC57-mdlC、pUC57-kivD、pUC57-kdcA、pUC57-aro10和pUC57-pdc5,蘇州金唯智生物科技有限公司合成。
各種限制性內(nèi)切酶、DNA聚合酶、標(biāo)準(zhǔn)DNA、標(biāo)準(zhǔn)蛋白,TaKaRa公司。DNA瓊脂糖凝膠回收試劑盒、質(zhì)粒提取試劑盒,Axygen公司;胰蛋白胨、酵母提取物、瓊脂糖,Oxoid公司;木糖酸,珍瑭生物科技有限公司;NaCl、Tris-base,進(jìn)口或國產(chǎn)分析純。
LB培養(yǎng)基[22](g/L):蛋白胨10.0、NaCl 10.0、酵母粉5.0;固體培養(yǎng)基另加瓊脂20.0。
LB+氨芐青霉素(Amp)培養(yǎng)基:LB培養(yǎng)基滅菌后冷卻至60 ℃以下,再加入過濾除菌的Amp,使其終質(zhì)量濃度分別為100 mg/L。
質(zhì)粒提取、DNA酶切、連接、電泳、轉(zhuǎn)化等DNA操作參照文獻(xiàn)[22]進(jìn)行。
利用MOE軟件(Chemical Computing Group)構(gòu)建3-脫氧-D-甘油戊酮糖酸的加H結(jié)構(gòu)(圖1(a)),采用MMFF94力場,優(yōu)化幾何三維結(jié)構(gòu),獲得底物的三維結(jié)構(gòu);按照反應(yīng)催化機(jī)制,將3-脫氧-D-甘油戊酮糖酸接到輔基二磷酸硫胺素(ThDP)上——ThDP結(jié)構(gòu)從酶的晶體結(jié)構(gòu)中提取,構(gòu)建反應(yīng)中間體結(jié)構(gòu)(圖1(b)),并優(yōu)化幾何三維結(jié)構(gòu)。
圖1 底物3-脫氧-D-甘油戊酮糖酸與中間體3-脫氧-D-甘油-戊酮糖酸-二磷酸硫胺的結(jié)構(gòu)Fig.1 Structures of the substrate (3-deoxy-D-glyceropentanoglycan acid) and the intermediate (3-deoxy-D-glyceropentanoglycan acid-thiamine diphosphate)
來源于Pseudomonasaeruginosa的5-胍基-α-含氧戊酸脫羧酶(ARUI)[23]、來源于Neurosporacrassa的丙酮酸脫羧酶(N-PDC)[24]、來源于Saccharomycescerevisiae的支鏈-α-含氧酸脫羧酶(S-PDC)[25]和來源于Lactococcuslactis的α-酮異戊酸脫羧酶(KIVD)[26]的晶體結(jié)構(gòu)沒有被解析出來,利用同源建模方法構(gòu)建其三維結(jié)構(gòu)。上述4個脫羧酶的模板結(jié)構(gòu)來自PDB數(shù)據(jù)庫,ID依次分別為6BD3、5EUJ、2VK4和2VBF。利用Discovery studio 2.55軟件構(gòu)建同源模型,并進(jìn)行全局能量最小化計算。
對接使用MOE軟件。分子對接前,所有的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)均去除水分子和原有配體;用MOE軟件為蛋白質(zhì)分配電荷和氫原子,并優(yōu)化結(jié)構(gòu),力場采用Amber10:EHT。將小分子對接進(jìn)入脫羧酶的活性中心,配體構(gòu)象由鍵旋轉(zhuǎn)生成,分子對接采用Triangle Matcher法,并用LondondG評分函數(shù)進(jìn)行排名,輸出100個構(gòu)象(pose),再用gbvi/wsadg評分功能進(jìn)一步優(yōu)化排序,使酶活性口袋中的能量最小化。
根據(jù)篩選所得序列設(shè)計PCR引物及序列(表1)進(jìn)行基因擴(kuò)增,上下游引物的5’端分別設(shè)計了BamHⅠ、XhoⅠ酶切位點(diǎn)。
表1 PCR引物及序列
PCR的反應(yīng)體系:模板2 μL,上下游引物各2 μL,2×Priemix 25 μL,加重蒸水至50 μL。
反應(yīng)條件:95 ℃預(yù)變性5 min后,95 ℃變性30 s,55 ℃退火30 s,72 ℃延伸2 min,進(jìn)行32個循環(huán),72 ℃延伸10 min。
將質(zhì)粒與目標(biāo)酶基因用BamHⅠ、XhoⅠ進(jìn)行雙酶切,得到的線性載體與目標(biāo)酶基因用T4連接酶16 ℃連接8 h,導(dǎo)入感受態(tài)E.coliDH5α/E.coliBL21,得到重組質(zhì)粒E.coliDH5α/pGEX-6p-1-mdlC、E.coliDH5α/pGEX-6p-1-kivD、E.coliDH5α/pGEX-6p-1-kdcA、E.coliDH5α/pGEX-6p-1-aro10、E.coliDH5α/pGEX-6p-1-pdc5。
將重組菌E.coliDH5α/pGEX-6p-1-mdlC、E.coliDH5α/pGEX-6p-1-kivD、E.coliDH5α/pGEX-6p-1-kdcA、E.coliDH5α/pGEX-6p-1-aro10、E.coliDH5α/pGEX-6p-1-pdc5,加入含Amp的LB種子培養(yǎng)基中,在37 ℃、180 r/min搖床中培養(yǎng)12 h。以2%(體積分?jǐn)?shù))的接種量接入LB發(fā)酵培養(yǎng)基中,在37 ℃、180 r/min搖床中培養(yǎng)1.5~2 h,至OD600約為0.6時加入終濃度為1 mmol/L的IPTG,于16 ℃下誘導(dǎo)表達(dá),繼續(xù)培養(yǎng)36 h后在4 ℃下8 000 r/min離心20 min收集沉淀菌體,破碎后離心,留上清液。
利用SDS-PAGE分析胞外上清液中的表達(dá)產(chǎn)物,并采用脫羧酶酶活檢測的方法測定目標(biāo)α-酮酸脫羧酶的酶活[27]。E.coliDH5α中含有BT合成途徑中所需的木糖酸脫水酶和醇脫氫酶,通過醇脫氫酶將3,4-二羥基丁醛轉(zhuǎn)化為BT過程中NADH的消耗來測量其活性。體系中含有50 mmol/L磷酸鉀(pH6.5)、10 mmol/L木糖酸、0.15 mmol/L ThDP、0.2 mmol/L NADH、10 U乙醇脫氫酶、20 μL粗酶裂解物。因為醇脫氫酶是測定中最后一種酶,所以需要添加足夠量的醇脫氫酶,使得醇脫氫酶的酶活不會對整體酶活產(chǎn)生影響。所測得的活性表示木糖酸轉(zhuǎn)化生成3,4-二羥基丁醛所經(jīng)歷的2步酶反應(yīng)的總活性。在96孔板中加入酶活測定的組分后混勻,在30 ℃下,340 nm處每隔1 min記錄一次吸光值A(chǔ)340。篩選階段為了簡化實(shí)驗,在酶活檢測中所使用的脫羧酶均為粗酶液。酶學(xué)性質(zhì)研究中所使用的均為純酶液。
反應(yīng)總酶活定義:一個單位的酶活定義為每分鐘消耗1 μmol NADH的量(U)。
將經(jīng)水系濾膜過濾的細(xì)胞破碎上清液通過鎳親和層析柱純化,收集目標(biāo)酶出峰的洗脫液,于4 ℃透析以除去咪唑和鹽。
取適當(dāng)稀釋的酶液,使用Bradfoard法測定蛋白質(zhì)濃度,以牛血清蛋白(BSA)為標(biāo)準(zhǔn)。
木糖酸脫水酶的酶活定義為每分鐘消耗1 μmol木糖酸的量。采用比色法檢測木糖酸脫水酶酶活。
1)1,2,4-丁三醇體外催化。50 mmol/L磷酸緩沖液(pH6.5)、0.5 mmol/L 焦磷酸硫胺素(TPP)、10 mmol/L MgCl2、20 mmol/L木糖酸、0.375 mmol/L NADH、0.5 mg/L脫羧酶、0.5 mg/L木糖酸脫水酶、25 U醇脫氫酶。體外催化中所使用的酶均為純酶。
2)1,2,4-丁三醇體外催化。將上述溶液加入1.5 mL離心管中混勻,在30 ℃、100 r/min控溫?fù)u床中避光轉(zhuǎn)化24 h。
3)1,2,4-丁三醇液相檢測方法。使用有機(jī)酸分析柱Aminex HPX-87H(300 mm×7.8 mm)檢測1,2,4-丁三醇,流動相為5 mmol/L H2SO4水溶液,流速0.5 mL/min,進(jìn)樣量20 μL,柱溫55 ℃,檢測器為折光示差檢測器。
根據(jù)底物特點(diǎn),在KEGG等數(shù)據(jù)庫中檢索類似的基團(tuán)反應(yīng)。本研究從BRENDA數(shù)據(jù)庫的脫羧酶EC 4.1.1-家族成員中選擇了9種具有相似基團(tuán)反應(yīng)的不同來源不同種類的脫羧酶:支鏈-α-酮酸脫羧酶(KDCA)(Lactococcuslactis)[28]、5-胍基-2含氧戊酸脫羧酶(ARUI)(Pseudomonasaeruginosa)[23]、苯丙酮酸脫羧酶(ARO10)(Saccharomycescerevisiae)[29]、丙酮酸脫羧酶(L-PDC)(Lactococcuslactis)[25]、丙酮酸脫羧酶(N-PDC)(Neurosporacrassa)[24]、支鏈α-含氧酸脫羧酶S-PDC)((Saccharomycescerevisiae)[25]、丙酮酸脫羧酶(PDC1)(Saccharomycescerevisiae)[25]、吲哚丙酮酸脫羧酶(PDC5)(Saccharomycescerevisiae)[25]、α-酮異戊酸脫羧酶(KIVD)(Lactococcuslactis)[26]進(jìn)行模擬篩選,以原有的苯甲酰甲酸脫羧酶作為對照。酶的氨基酸序列來源于Uniport蛋白質(zhì)序列數(shù)據(jù)庫(https:∥www.uniprot.org/),索引號見表2。
表2 幾種不同來源的α-酮酸脫羧酶的三維結(jié)構(gòu)及序列
其中 KDCA、ARO10、L-PDC、PDC1和PDC5蛋白質(zhì)晶體結(jié)構(gòu)都已經(jīng)解析,將從PDB蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫(https:∥www.rcsb.org)中獲得的蛋白質(zhì)信息列在表2中,另外4個酶的三維結(jié)構(gòu)用同源建模方法構(gòu)建獲得。
利用分子對接軟件,將反應(yīng)中間體與上述蛋白的活性中心逐一對接,并以原有的MDLC做對照,對目標(biāo)酶進(jìn)行篩選,獲得可能更高效的脫羧酶,最后在實(shí)現(xiàn)篩選酶克隆表達(dá)和分離純化的基礎(chǔ)上,考察此酶的特性。脫羧酶家族(EC 4.1.1-)含有上百種不同來源、催化不同底物的脫羧酶。本研究根據(jù)催化底物特性,在KEGG數(shù)據(jù)庫中搜索相似的基團(tuán)反應(yīng),并對數(shù)據(jù)庫大量的脫羧酶進(jìn)行比較,選擇了9個不同來源催化不同底物的α-酮酸脫羧酶進(jìn)行篩選。
選取的9種α-酮酸脫羧酶都是ThDP依賴性的非氧化酶,在反應(yīng)過程中,產(chǎn)生“底物-ThDP”的反應(yīng)中間體。反應(yīng)中間體在酶中的穩(wěn)定與否,往往能夠體現(xiàn)催化反應(yīng)的強(qiáng)弱,因此我們構(gòu)建了反應(yīng)中間體,將該中間體與所選的9種α-酮酸脫羧酶進(jìn)行了分子對接,并將MDLC作為對照,比較其結(jié)合自由能,分析其相互作用,從而進(jìn)一步篩選更有效的催化蛋白質(zhì)。
表3為不同來源的α-酮酸脫羧酶的對接自由能。由表3可知:反應(yīng)中間體均能合適地對接到9種α-酮酸脫羧酶活性中心,并有比對照組MDLC更小的對接自由能(負(fù)絕對值大),這說明選擇的9種α-酮酸脫羧酶都有望替代原有的苯甲酰甲酸脫羧酶。尤其Lactococcuslactis來源的KDCA和Lactococcuslactis來源的KIVD的對接自由能相比對照組有更顯著的優(yōu)勢,說明反應(yīng)中間體與這些酶的親和性遠(yuǎn)高于對照組,有望獲得更高活性的α-酮酸脫羧酶。
表3 不同來源的α-酮酸脫羧酶的對接自由能
最終選擇了Lactococcuslactis來源的KDCA、Saccharomycescerevisiae來源的ARO10、S.cerevisiae來源的PDC5和L.lactis來源的KIVD進(jìn)行后續(xù)實(shí)驗驗證。
2.2.1 α-酮酸脫羧酶的克隆表達(dá)
通過PCR擴(kuò)增得到mdlC、kdcA、kivD、pdc5和aro10這5種脫羧酶的基因片段,通過酶切連接轉(zhuǎn)化,經(jīng)菌落PCR及測序驗證,選擇正確的菌落進(jìn)行保存。由于E.coliDH5α自身存在木糖脫水酶以及醇脫氫酶基因,我們將目標(biāo)脫羧酶基因克隆至E.coliDH5α中表達(dá),可以簡化后續(xù)酶活檢測體系。將發(fā)酵破碎上清液進(jìn)行SDS-PAGE電泳分析,結(jié)果見圖2。由圖2可知:MDLC、KDCA和KIVD在大腸桿菌E.coliDH5α中均可表達(dá),其表觀分子量分別為5.6×104、5.6×104和6.1×104。然而釀酒酵母(S.cerevisiae)來源的ARO10和PDC5表達(dá)量很低,表達(dá)失敗。
M—標(biāo)準(zhǔn)蛋白;1—pGEX-6p-1上清液;2—pGEX-6p-1沉淀;3—MDLC上清液;4—MDLC沉淀;5—KDCA上清液;6—KDCA沉淀;7—KIVD上清液;8—KIVD沉淀;9—ARO10上清液;10—ARO10沉淀;11—PDC5上清液;12—PDC5沉淀圖2 重組酶的SDS-PAGE分析Fig.2 SDS-PAGE analysis of the combinant recombinase
2.2.2 α-酮酸脫羧酶酶活測定
將發(fā)酵破碎離心后的上清液作為粗酶液用于脫羧酶酶活的檢測,由于E.coliDH5α中含有木糖脫水酶以及醇脫氫酶的基因,為了簡化篩選,選用粗酶液進(jìn)行酶活檢測。用BCA試劑盒檢測粗酶液的蛋白含量,再結(jié)合蛋白灰度掃描確定酮酸脫羧酶的大致濃度,進(jìn)行酶活力測定,結(jié)果見圖3。由圖3可知:MDLC、KDCA和KIVD均顯示出明顯的酶活,且KDCA和KIVD酶活力均高于MDLC,而ARO10和PDC5則無明顯比酶活。而孫雷等[30]研究發(fā)現(xiàn),KIVD的催化效率要優(yōu)于MDLC,但KDCA還沒有人對其進(jìn)行討論,我們篩選所得的KDCA比KIVD有更高的酶活性,是MDLC的1.93倍,因此KDCA比KIVD在生產(chǎn)BT方面更具有優(yōu)勢。
圖3 α-酮酸脫羧酶的相對酶活力Fig.3 Relative enzyme activity of α-keto acid decarboxylase
2.3.1 KDCA在E.coliBL21中的表達(dá)
由于E.coliDH5α并不是一個專門的蛋白表達(dá)宿主,因此,我們將支鏈-α-酮酸脫羧酶kdcA基因克隆至pET-22b(+),轉(zhuǎn)入蛋白表達(dá)宿主E.coliBL21中表達(dá),結(jié)果見圖4。由圖4可知,KDCA成功在大腸桿菌BL21中表達(dá)。
圖4 KDCA在E.coli BL21中表達(dá)Fig.4 Expression of KDCA in E.coli BL21
2.3.2 KDCA酶學(xué)性質(zhì)分析
通過鎳柱親和層析分離獲得純的KDCA。KDCA的理論等電點(diǎn)為4.95,選擇pH 7.5的Na2HPO4-KH2PO4緩沖液 A平衡柱子,用緩沖液 B洗脫,收集對應(yīng)的洗脫峰。木糖酸脫水酶XYLD為本實(shí)驗室前期構(gòu)建,為了后續(xù)檢測,用相同的方法對XYLD進(jìn)行純化。
1)溫度對重組酶活力及穩(wěn)定性的影響。考察KDCA的最適催化溫度及其熱穩(wěn)定性,結(jié)果見圖5~6。由圖5可知:KDCA的最適溫度為30 ℃,與Wei等[28]報道的來源于Lactococcuslactis來源的KDCA的最適溫度為45 ℃相比較低。由圖6可知:KDCA在30 ℃孵育2 h后仍能保持其初始活性的90 %左右;當(dāng)溫度大于40 ℃孵育時,酶活降低顯著;當(dāng)溫度達(dá)到60 ℃孵育時,幾乎喪失其初始活性的90%以上。
圖5 溫度對KDCA活力的影響Fig.5 Effect of temperature on KDCA activity
圖6 溫度對KDCA穩(wěn)定性的影響Fig.6 Effect of temperature on KDCA stability
2)pH對重組酶活力及穩(wěn)定性的影響
考察pH對KDCA酶活的影響及其熱穩(wěn)定性,結(jié)果見圖7~8。由圖7可知:KDCA的最適pH為6.5,且pH為6.0~7.0時,具有較好的活性。這與Smit等[31]研究的Lactococcuslactis來源的KDCA的最適pH 6.3相近,與Wei等[28]發(fā)現(xiàn)在pH為6.0~7.0時它有廣泛活性的結(jié)論一致。
圖7 pH對KDCA的活力的影響Fig.7 Effect of pH on KDCA activity
圖9 脫羧酶體外催化結(jié)果的HPLC分析Fig.9 HPLC chromatogram analysis of results of decarboxylase catalysis in vitro
由圖8可知:KDCA在0 ℃、pH為6.0~7.0的條件下孵育2 h后,保留了其初始活性的80%以上;在pH大于8的條件下孵育2 h后,KDCA穩(wěn)定性下降顯著。這表明在pH為6.0~7.0時KDCA具有良好的pH穩(wěn)定性。
圖8 pH對KDCA穩(wěn)定性的影響Fig.8 Effect of pH on KDCA stability
發(fā)酵制備KDCA、KIVD和MDLC這3種脫羧酶的粗酶液用于1,2,4-丁三醇無細(xì)胞催化,在30 ℃、100 r/min條件下避光催化,高效液相色譜(HPLC)檢測MDLC、KDCA以及KIVD體外催化生產(chǎn)BT的產(chǎn)物,結(jié)果如圖9所示。1,2,4-丁三醇標(biāo)準(zhǔn)品出峰時間為17.1 min,底物木糖酸標(biāo)準(zhǔn)品的出峰時間為11.7 min。由圖9可知:作為對照的空質(zhì)粒,無1,2,4-丁三醇產(chǎn)生;MDLC、KDCA以及KIVD均能合成1,2,4-丁三醇。MDLC、KDCA以及KIVD這3個脫羧酶催化生產(chǎn)BT的能力(從小到大)的順序為MDLC(0.175 g/L)、KIVD(0.216 g/L)、KDCA(0.337 g/L),該結(jié)果與酶活檢測一致。KDCA體外催化24 h的BT產(chǎn)量為0.337 g/L,是MDLC的1.93倍。
利用分子模擬技術(shù),成功篩選出了一個較MDLC酶活力更高的脫羧酶——KDCA,經(jīng)體外催化研究發(fā)現(xiàn),其24 h的BT產(chǎn)量是MDLC的1.93倍,并對KDCA的酶學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)其最適反應(yīng)溫度為30 ℃,最適反應(yīng)pH 為6.5,為提高BT生物合成效率提供了優(yōu)異的新酶源。