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中国酶工程的兴旺与崛起(上)

   日期:2015-11-11     来源:生物工程学报    作者:黎高翔    浏览:5562    评论:0    
脂肪酶是生物合成中一个重要酶类。目前我国已建立了通过理性设计成熟的 3 个脂肪酶基因改造、生产和应用的技术平台。用基因改组技术将抗展青霉 Penicillium expansum FS8486 酶活力提高了 317%[7]。对脂肪酶“蓋子”结构进行了定点突变,获得开蓋型脂肪酶,酶比活力提高 5.7 倍,两相催化效率提高 1.8 倍[8]。
我国还构建了表面展示工程菌、E. coli 工程菌、毕赤酵母工程菌、高密度培养的技术平台,假丝酵母 Candida sp. 99–125 脂肪酶活力达到15 000 U/mL 以上[9]。克隆米黑根霉 R. miehei脂肪酶在两个毕赤酵母成功表达,最高酶活力达到 18 000 U/mL。4 ℃ 6个月酶活力不下降,12 h 生物柴油产率超过 95%[9]。华根霉 Rhizopuschinensis 脂肪酶基因克隆到毕赤酵母中成功表达,两种共表达的伴侣蛋白可使酶活力提高30%,酶活力达 16 200 U/mL[10-11]。同时,亦开展了对有机溶剂耐受性、热稳定性好的细胞结合脂肪酶的研究。
 
淀粉酶是非常重要的工业用酶,占酶制剂市场 25%。目前工业主要是高温酶,来自深海液口嗜热厌氧古细菌热球菌属 Thermococcus 产胞外耐热高温酶,最适温度95 ℃,100 ℃仍有60%活力,用 PCR 法克隆此酶基因,并在 E. coli 中得到表达[7]。又从云南腾冲分离两株耐热生淀粉生产的 Geobacillus 细菌,经纯化后,比活力分别为1 320 和 890 U/mg[7]。用 PCR 法克隆了嗜碱芽胞杆菌 Bacillus alcalophilus 基因,其中枯草芽胞杆菌异源表达,活性为 450 U/mL[9]。中温酸性 α-淀粉酶,对淀粉加工有节能降耗作用,Bacillus sp. α-淀粉酶基因与B. amyliquefaciens α-淀粉酶基因有98%的同源性[7]。
 
甘露聚糖酶属于半纤维素酶,适用于甘露寡糖制备。肇东市日成酶制剂公司用黑曲霉工程菌酸性 β-甘露聚糖酶表达活力达 20 000 U/mL,为目前生产菌株水平的 25 倍,处于真菌基因工程菌领先地位[10]。利用 DNA shuffling 定点突变获得耐高温耐酸的 A. tabescens MAN 47 β-甘露聚糖酶突变体,高温 80 ℃、pH 4.0 酶活力为野生型的 10 倍。定向引入 N-糖基化位点,实现了野生型和突变型在毕赤酵母中的表达,热稳定性、酸稳定性、蛋白酶抗性均得到改善。也获得了比野生型甘露聚糖酶活性高 3–5 倍的 3 个突变体[10-11]。从嗜热网球菌中克隆获得热稳定的 β-1,4-甘露聚糖酶,在 80 ℃高温低渗油井中、对羟基瓜尔胶有最高活力。该酶半衰期为 46 h[10]。
 
漆酶为含铜多酚氧化酶,为木质素分解酶,亦可催化合成酚类、芳香胺的低聚物。担子菌漆酶酶基因克隆到毕赤酵母中表达活力为 9.03 U/mL,为原始菌株的 3 倍[5]。野生革耳 Panus rudis 漆酶转化到毕赤酵母分泌表达,通过定点突变及随机突变后,酶比活力为 16.17 U/mg,提高了 4.4 倍[7]。新型海洋细菌漆酶经氨基酸定点突变,突变体半衰期延长 3 倍,可溶性蛋白较优化前提高 244%。发酵产率为野生型的 7.9 倍[10]。热带白腐真菌菌株漆酶酶活力达 11 400 U/L (愈创木酚法)[7]。
 
普鲁兰酶又称茁霉多糖酶,属解枝酶,分解 α-1,6-葡萄糖苷键。嗜热古菌 Thermococcus sp.HJ21 产胞外高温普鲁兰酶,最适温度 95 ℃,酶活力在 100 ℃、2 h 仍有 50%以上活力[7]。通过PCR 技术克隆了此酶基因。温泉中厌氧芽胞杆菌属Anoxy bacillus sp. p28克隆到普鲁兰酶基因序列,构建了重组质粒。转化到 E. coli 中,产物为单一麦芽三糖,为Ⅰ型普鲁兰酶。从腾冲热泉中分离出耐热厌氧芽胞杆菌普鲁兰酶基因导入枯草芽胞杆菌中得到表达。60 ℃、48 h 仍保留 50%以上活力,胞外酶活力 42 U/mL,表达活力提高了 40 倍[10]。南京百斯杰生物工程公司通过基因敲除及重组技术,改造野生芽胞杆菌普鲁兰酶基因,与葡萄糖淀粉酶制成复合酶,可制备出 DE 值超过 96.5 的葡萄糖,商品名为High DEX 系列,满足了葡萄糖生产,达到国际水平[10]。
 
青霉素酰化酶是 β-内酰胺类抗生素工业的关键酶。我国已成功进入酶合成抗生素工业,青霉素酰化酶通过诱变获得突变株活力为 820 
 
U/mL[2]。克隆巨大芽胞杆菌青霉素酰化酶基因在枯草杆菌中表达活力为 30 U/mL[4]。青霉素酰化酶在枯草芽胞杆菌中分泌表达,表达量为 864 U/L,是野生型类产杆菌 A. faecalis 产量的 144 倍[5]。粪产杆菌的青霉素酰化酶在 E. coli 中分泌表达,改进培养的工程菌酶活力>2 000 U/L。7-氨基头孢烷酸酰化酶 (GL-7-ACA 酰化酶) 可转化头孢菌素 C,在 E. coli 中表达,最高酶活力达266 U/L[5],用 Eupergitc 载体固定化巨大芽孢杆菌青霉素酰化酶,连续转化生产 30 批次,活力未见下降[6]。
 
D-氨基酸氧化酶可催化 D-氨基酸生成相应的酮酸和氨,此酶与 7-氨基头孢烷酸酰化酶(7-ACA 酰化酶) 两步法生产头孢菌素重要原料7-氨基头孢烷酸 (7-ACA)。用甲醇酵母表达的D-氨基酸氧化酶,构建了高表达的毕赤酵母重组菌。14 L 罐发酵活力达 8 000–1 2000 U/L[5]
。构建了毕赤酵母融合表达的 D-氨基酸氧化酶活力为 1 700 U/L[5],还构建了两种重组 GL-7-ACA酰化酶,组成型菌株达到 1 500 U/L,诱导型菌株达 900 U/L,固定化酶转化率达到 97%[5]。三角酵母 D-氨基酸氧化酶基因转到 E. coli 中,表达活力为 23.3 U/mL[5]
,D-氨基酸氧化酶固定化在 Amberzyme 环氧树脂上转化 14 批次,活力未见下降[6]。对羟基苯甘氨酸是半合成 β-内酰胺类抗生素的重要中间体,可通过海因酶和 D-氨甲酰水解酶两步催化制备,通过对 D-氨甲酰水解酶随机突变,在 E. coli 中可溶性提高了 6 倍[6],重组表达 E. coli 的 D-海因酶可溶性差,共表达分子伴侣可将可溶性表达量提高约 3 倍[7]。
 
羰基还原酶不对称还原羰基化合物广泛用于制备手性醇。天蓝色链霉菌羰基还原酶制备(S)-4-氯-3-羟基丁酸乙酯。其重组菌 E. coli BL21制备了 (S)-4-氯-3-4-苯基丁酸乙酯和 (S)-邻氯扁桃酸甲酯,转化率和 ee 值均高达 99%以上
[9]
 
标签: 酶工程 酶制剂
 
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