2,3,6-三甲基苯酚一步合成2,3,5-三甲基氢醌氧化还原酶的挖掘和分子改造

氧化还原酶论文 2,3,5-三甲基氢醌论文 P450_BM3论文
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2,3,5-三甲基氢醌(TMHQ)是人工合成维生素E的重要前体,维生素E作为目前市场容量最大的维生素产品之一,在医药、饲料、化妆品等方面有着广泛的应用。2,3,6-三甲基苯酚(TMP)氧化还原法和异佛尔酮法是工业合成2,3,5-三甲基氢醌的主要方法,但是化学法普遍存在反应步骤多,反应条件苛刻,催化剂及溶剂的使用对环境造成污染等问题,而生物催化法具有反应条件温和、绿色清洁等优点。为此,本课题通过构建氧化还原酶库,从中筛选出能够一步催化TMP生成TMHQ的生物催化剂,并在此基础上通过优化反应条件和定向进化的方法提高其催化活性。通过检索美国国家生物技术信息中心(NCBI)数据库进行基因挖掘,克隆了来源于不同物种的氧化还原酶并构建E.coliBL21(DE3)重组菌进行诱导表达,通过调整诱导温度、诱导时间和分子伴侣等进行表达优化,最终获得6个可溶性表达的蛋白,成功构建了氧化还原酶库;在此基础上,以2,3,6-三甲基苯酚(TMP)为底物,NADH为氢供体,筛选能够合成2,3,5-三甲基氢醌(TMHQ)的目标蛋白,最终获得4个具有目标催化活性的重组酶,即来自于大肠杆菌的HapC和UbiH-K、来自枯草芽孢杆菌的yjiB和来自巨大芽孢杆菌的P450BM3,其中以P450BM3的催化活性最佳。在确认P450BM3对2,3,6-三甲基苯酚的催化活性后,从辅酶特异性、温度、pH、底物浓度、助溶剂及助溶剂浓度和金属离子等七个方面对反应体系进行了优化。结果表明,底物浓度为0.5mM时,P450BM3能利用NADH和NADPH两种辅酶进行催化反应,反应最佳温度为25℃,最适pH为7.0,最适助溶剂为丙酮,助溶剂溶度为5%,金属离子Fe2+能促进反应进行;经过一系列反应条件的优化,P450BM3催化TMP生成TMHQ的产物得率由最初的0.4%提高到3.19%,提高了近7倍。为了进一步提高P450BM3 一步催化TMP生成TMHQ的催化活性,采用定向进化的手段对酶进行改造。结合P450BM3晶体结构和文献报道催化非天然底物的分子改造经验,运用定点饱和突变的方法构建突变体文库,利用咪唑蓝/吩嗪硫酸甲酯(MTT/PMS)显色的高通量筛选方法,获得活性分别提高57.5%和71.9%的两株突变体I259P和L181Q。动力学参数分析表明,两个突变体的Km值相比野生型均有所下降,对底物更具亲和力,总催化活性(kcat/Km)也均高于野生型。分子对接结果表明,L181Q的突变有利于关键氨基酸间氢键的形成从而稳定催化中心,促进反应进行,I259P位点突变则改变了底物通道内氨基酸残基与底物的相互作用,使底物分子更接近催化中心Fe原子。研究结果表明,生物催化剂代替化学法合成药物中间体具有一定的可行性,本研究中成功筛选到能够一步催化TMP合成TMHQ的生物催化剂,为生物合成TMHQ奠定了基础。
致谢第5-7页
摘要第7-9页
ABSTRACT第9-10页
英文缩写词对应表第11-16页
1 绪论第16-34页
    1.1 2,3,5-三甲基氢醌(TMHQ)简介第16页
    1.2 2,3,5-三甲基氢醌(TMHQ)合成第16-22页
        1.2.1 2,3,6-三甲基苯酚(TMP)氧化还原法第17-19页
            1.2.1.1 TMP法氧化反应研究进展第17-19页
            1.2.1.2 TMP法还原反应研究进展第19页
        1.2.2 异佛尔酮法第19-21页
            1.2.2.1 异佛尔酮的氧化第20-21页
            1.2.2.2 茶香酮重排酰化第21页
        1.2.3 TMHQ的生物合成第21-22页
    1.3 氧化还原酶第22-30页
        1.3.1 氧化还原酶简介第22页
        1.3.2 过氧化物酶第22-24页
        1.3.3 单加氧酶第24-30页
            1.3.3.1 P450_(BM3)简介第24-25页
            1.3.3.2 催化机制第25-27页
            1.3.3.3 关键氨基酸第27-30页
    1.4 酶分子改造第30-32页
        1.4.1 定向进化第30-31页
        1.4.2 半理性设计第31页
        1.4.3 理性设计第31-32页
    1.5 本课题研究的意义及内容第32-34页
2 氧化还原酶库的构建及筛选第34-55页
    2.1 引言第34页
    2.2 实验材料与方法第34-43页
        2.2.0 菌株及质粒第34-35页
        2.2.1 试剂与工具酶第35页
        2.2.2 实验仪器设备第35-36页
        2.2.3 氧化还原酶的挖掘第36页
            2.2.3.1 数据库挖掘第36页
            2.2.3.2 文献挖掘第36页
        2.2.4 基因组的提取第36-37页
        2.2.5 大肠杆菌感受态的制备第37-38页
        2.2.6 目的基因的扩增及重组质粒的构建第38-39页
        2.2.7 重组子的鉴定第39-40页
        2.2.8 目标蛋白的表达第40页
        2.2.9 SDS-PAGE检测蛋白表达第40-42页
        2.2.10 氧化还原酶活性筛选第42页
        2.2.11 HRPC的复性第42-43页
        2.2.12 HRP C酶活检测第43页
        2.2.13 液相检测条件第43页
    2.3 实验结果与讨论第43-53页
        2.3.1 目的基因的克隆第43-45页
        2.3.2 目标蛋白的可溶性表达第45-51页
            2.3.2.1 HRP C的表达第45-48页
            2.3.2.2 26℃氧化还原酶的可溶性表达第48-49页
            2.3.2.3 16℃氧化还原酶的可溶性表达第49-51页
        2.3.3 氧化还原酶催化TMP活力筛选第51-53页
            2.3.3.1 复性HRP C的催化活性第51-52页
            2.3.3.2 可溶性表达氧化还原酶的催化活性第52-53页
    2.4 本章小结第53-55页
3 P450_(BM3)催化2,3,6-三甲基苯酚氧化的反应条件优化第55-69页
    3.1 引言第55页
    3.2 实验材料第55-56页
        3.2.1 菌种第55页
        3.2.2 试剂第55页
        3.2.3 仪器第55-56页
    3.3 实验方法第56-60页
        3.3.1 P450_(BM3)重组蛋白的诱导表达第56页
        3.3.2 目标蛋白的纯化第56-58页
        3.3.3 蛋白浓度的测定第58页
        3.3.4 还原剂的选择第58页
        3.3.5 催化反应的条件优化第58-60页
        3.3.6 反应进程第60页
    3.4 实验结果与讨论第60-67页
        3.4.1 检测条件的优化第60-61页
        3.4.2 还原剂对TMHQ氧化反应的影响第61-62页
        3.4.3 辅酶对催化反应的影响第62-63页
        3.4.4 温度对催化反应的影响第63页
        3.4.5 pH对催化反应的影响第63-64页
        3.4.6 助溶剂对催化反应的影响第64-65页
        3.4.7 助溶剂浓度对催化反应的影响第65页
        3.4.8 底物浓度对催化反应的影响第65-66页
        3.4.9 金属离子对催化反应的影响第66-67页
        3.4.10 P450_(BM3)催化TMP生成TMHQ的反应进程第67页
    3.5 本章小结第67-69页
4 氧化还原酶P450_(BM3)在大肠杆菌中的定向进化第69-79页
    4.1 引言第69页
    4.2 实验材料第69-70页
        4.2.1 菌株第69页
        4.2.2 试剂、试剂盒、工具酶第69-70页
        4.2.3 实验仪器设备第70页
    4.3 实验方法第70-74页
        4.3.1 突变文库的构建第70-71页
        4.3.2 突变文库的诱导表达第71-72页
        4.3.3 高通量筛选方法的构建第72-73页
        4.3.4 复筛第73页
        4.3.5 突变体蛋白的表达与纯化第73页
        4.3.6 动力学常数测定第73-74页
        4.3.7 分子对接第74页
    4.4 结果与讨论第74-78页
        4.4.1 突变文库的构建第74-75页
        4.4.2 高通量筛选方法构建第75-76页
        4.4.3 突变体蛋白的表达第76页
        4.4.4 P450_(BM3)和突变体催化TMP生成TMHQ第76-77页
        4.4.5 分子对接第77-78页
    4.5 本章小结第78-79页
5 结论与展望第79-81页
    5.1 结论第79-80页
    5.2 展望第80-81页
参考文献第81-90页
附录第90-94页
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