一种利用细胞色素P450酶合成16α-羟基化甾体类化合物的方法

文档序号:1961405 发布日期:2021-12-14 浏览:10次 >En<

阅读说明:本技术 一种利用细胞色素P450酶合成16α-羟基化甾体类化合物的方法 (Method for synthesizing 16 alpha-hydroxylated steroid compound by using cytochrome P450 enzyme ) 是由 许莲花 高齐霖 林素素 于 2021-09-13 设计创作,主要内容包括:本发明公开了一种利用细胞色素P450酶合成16α-羟基化甾体化合物的方法,属于生物技术领域。该方法首先构建了来自白酒红链霉菌的P450SabH基因与还原伴侣蛋白RhFRED基因的共表达载体,在大肠杆菌中表达;经过培养后,利用静息细胞法喂养底物甾体化合物进行生物转化,获得16α位羟基化产物。此反应具有严格的区域选择性和立体选择性,产生单一产物。与此同时,此反应对几种特定的甾体化合物例如孕酮、雄烯二酮等的转化率接近100%,在工业生产当中具有极高的利用价值,提高了原料和能源利用率,降低了16α-羟基化甾体化合物的生产成本。(The invention discloses a method for synthesizing a 16 alpha-hydroxylated steroid compound by using cytochrome P450 enzyme, belonging to the technical field of biology. The method firstly constructs a co-expression vector of a P450SabH gene from white spirit streptomyces erythropolis and a reduction chaperonin RhFRED gene, and expresses the co-expression vector in escherichia coli; after culturing, the substrate steroid compound is fed by a resting cell method for biotransformation, and a 16 alpha-position hydroxylation product is obtained. This reaction is strictly regioselective and stereoselective, resulting in a single product. Meanwhile, the conversion rate of the reaction on a plurality of specific steroid compounds such as progesterone, androstenedione and the like is close to 100%, the reaction has extremely high utilization value in industrial production, the utilization rate of raw materials and energy is improved, and the production cost of the 16 alpha-hydroxylated steroid compound is reduced.)

一种利用细胞色素P450酶合成16α-羟基化甾体类化合物的 方法

技术领域

本发明属于生物技术领域,涉及一种利用细胞色素P450酶合成16α-羟基化甾体类化合物的方法,具体说,是通过利用新型细胞色素P450酶P450SabH与还原伴侣RhFRED的共表达重组菌进行生物转化获得16α-羟基孕酮和16α-羟基雄烯二酮等16α-羟基甾体类化合物的方法。

背景技术

细胞色素P450酶作为生物催化剂,拥有化学催化剂不可比拟的优势,能够在温和条件下催化化合物中未活化的碳氢键,并且具有严格的局域选择性和立体选择性。其在环境污染物降解、精细化学品合成以及药物的合成生物学领域具有巨大的应用潜力。随着DNA测序技术的大力发展,大量的微生物基因组数据信息的积累,挖掘新的具有工业应用价值的P450酶日渐成为关注的热点。已有如青篙酸,普伐他汀等药物中间体及药物通过P450酶催化合成的工业化成功案例使得人们对P450能催化更多类型的药物工业合成更具信心。

甾体类药物是目前使用的仅次于抗生素的第二大类药物,大多数甾体类药物是利用对天然甾体化合物的结构修饰获得的具有新颖的生物活性的化合物。对甾体化合物的修饰反应包括羟基化、羰基化、脱氢、芳香化、溴化等。对甾体类化合物进行结构修饰可能会造成物理化学和药物性质发生巨大变化。例如,13-甲基-雌甾-4-烯-3,17-二酮的C-15羟基化,得到的羟基化产物是避孕药孕二烯酮的重要中间体;糖皮质激素16位羟基化能显著提高其生物活性等。

发明内容

本发明的目的在于公开了一种利用细胞色素P450酶与还原伴侣RhFRED共表达重组菌合成16α-羟基化甾体化合物的方法。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的:

一种利用细胞色素P450酶合成16α-羟基化甾体类化合物的方法,具体为:

利用共表达P450SabH基因和RhFRED基因的菌体发酵液对甾体类底物进行生物转化获得16α-羟基化甾体类化合物。其中,所述共表达P450SabH基因和RhFRED基因的菌体发酵液制备方法具体为:利用无缝克隆技术将pET28a载体与P450SabH基因和RhFRED基因连在一起,得到重组质粒pET28a-P450SabH-RhFRED,将所述质粒转入到大肠杆菌BL21(DE3),构建重组大肠杆菌,经筛选、前培养和扩大培养得到共表达P450SabH基因和RhFRED基因的菌体发酵液。所述pET28a的基因序列如SEQ ID NO.1所示,pET28a-P450SabH-RhFRED基因序列如SEQ ID NO.2所示,其中P450SabH基因序列如SEQ ID NO.3所示,RhFRED基因序列如SEQID NO.4所示。

进一步地,利用共表达P450SabH基因和RhFRED基因的菌体发酵液对甾体类底物进行生物转化的条件具体为:将菌体发酵液离心重悬在50mM磷酸盐缓冲液中,保持pH为7.2,加入甾体类底物进行生物转化,在25℃振荡反应。其中,磷酸盐缓冲液与为菌体发酵液的体积比为5:1。所述底物在磷酸缓冲液中的浓度为100μM。

进一步地,所述磷酸缓冲液由终浓度为50mM的磷酸盐(pH=7.2)和甘油组成,甘油体积为所述磷酸缓冲液的10%。

进一步地,所述前培养和扩大培养具体为:

将构建的重组大肠杆菌加入LB培养基中,在37℃条件下培养16h,得重组大肠杆菌的种子液。将所述种子液接种到2×YT培养基中,所述种子液和2×YT培养基的体积比为1:100,在37℃,摇床转速180rpm/min的条件下进行扩大培养,直至菌液OD600值达到0.8,然后加入IPTG和5-氨基乙酰丙酸盐诱导菌体表达蛋白,同时将温度降低至20℃,继续培养20h,得到菌体发酵液。所述IPTG在2×YT培养基中的终浓度为0.1mM,所述5-氨基乙酰丙酸盐在2×YT培养基中的浓度为0.5mM。

进一步地,所述底物为孕酮,经生物转化,得到的16-羟基化甾体类化合物为16α-羟基孕酮。

进一步地,所述底物为雄烯二酮,经生物转化,得到的16-羟基化甾体类化合物为16α-羟基雄烯二酮。

本发明的有益效果是:①本发明涉及的P450SabH为未公开的新酶,其重组菌可转化孕酮及雄烯二酮等甾体类化合物产生16α位羟基化产物,这些产物现阶段在工业上主要从化学合成方法获得;②P450SabH酶对孕酮和雄烯二酮具有严格的区域选择性和立体选择性,产生唯一产物即16α-羟基孕酮和16α-羟基雄烯二酮,可提高分离提取的效率;③本发明构建的催化体系可以在温和条件下选择性地进行氧化反应,相比于传统化学反应的复杂工艺流程,其在生物制药领域具有很大的应用价值;④利用重组菌的生物转化可大大减少副反应产物,易于分离出所要的产物,因此达到高效率。⑤本发明构建的催化体系对特定的甾体类化合物转化率极高,对孕酮和雄烯二酮的转化率接近100%,提高了原料和能源利用效率,具有巨大的市场前景。

附图说明

图1为P450SabH与底物生物转化的流程图;

图2为实验样品的HPLC图谱,其中图2A为孕酮,图2B为雄烯二酮。

具体实施方式

以下结合实施例详细对本发明作进一步地说明。实施方案为便于更好的理解本发明,但并非对本发明的限制。

实施例1

图1为P450SabH与底物生物转化的流程图,具体包括如下步骤:

1、制备共表达重组大肠杆菌:

将pET28a质粒(SEQ ID NO.1)用NdeI和XhoI这对限制性内切酶线性化得到线性化载体。

以白酒红链霉菌的全基因组为模板,通过PCR扩增获得P450SabH的编码基因sab3040序列(SEQ ID NO.3)。其中,PCR扩增所用正向引物序列为SEQ ID NO.5具体为:5′-CGCGCGGCAGCCATATGAACTGCCCGCACGCCG-3′,所用反向引物序列为SEQ ID NO.6,具体为:5′-GCAGCACGCCCAGGAGGACGGGGAAGG-3′。

以pET28b-RhFRED质粒为模板,通过PCR扩增获得RhFRED的编码基因RhFRED序列(SEQ ID NO.4),其中,PCR扩增所用正向引物序列为SEQ ID NO.7具体为:5′-TCCTGGGCGTGCTGCACCGCCATCAACCG-3′,所用反向引物序列为SEQ ID NO.8,具体为:5′-GGTGGTGGTGCTCGATCAGAGGCGCAGGGCCAG-3′。

将PCR产物(P450SabH的编码基因和RhFRED的编码基因)和线性化载体根据试剂盒说明按一定比例混合后,在II重组酶的催化下,37℃反应30min,得到重组质粒pET28a-P450SabH-RhFRED,所述pET28a-P450SabH-RhFRED基因序列如SEQ ID NO.2所示。将重组质粒pET28b-CYP154C2-RhFRED转入到大肠杆菌BL21(DE3)感受态细胞,利用含有卡那霉素的LB固体培养基筛选出单克隆,得到多酶共表达的重组大肠杆菌。

2、重组大肠杆菌的前培养和扩大培养:

将共表达重组大肠杆菌接种到LB液体培养基中,在pH为7.4-7.6范围内,温度为37℃、转速为220rpm条件下培养16小时,得到重组大肠杆菌的种子液。将种子液接种到2×YT培养基中进行扩大培养、发酵,种子液和2×YT培养基的体积比为1:100;接种后,重组的大肠杆菌继续在37℃,摇床转速180rpm的条件下培养3-4h,直至菌液OD600值达到0.8,然后加入IPTG和5-氨基乙酰丙酸盐诱导菌体大量表达蛋白,同时将温度降低至20℃,继续培养20h,得到发酵液。所述IPTG在2×YT培养基中的浓度为0.1mM,所述5-氨基乙酰丙酸盐在2×YT培养基中的浓度为0.5mM。

3、生物转化合成16α-羟基孕酮:

将发酵液低速离心收集菌体,用磷酸缓冲液重悬收集好的菌体,保持pH为7.2,所述磷酸缓冲液由终浓度为50mM的磷酸盐和10vol%的甘油组成。加入孕酮,在25℃振荡反应24h后,加入等体积乙酸乙酯萃取,收集合并乙酸乙酯层,待乙酸乙酯彻底挥干后,得到16α-羟基孕酮。所述离心前发酵液与磷酸缓冲液的体积比为5:1(例如:500ml发酵液离心后的菌体加100ml磷酸缓冲液),所述孕酮在磷酸钠缓冲液中的浓度为100μM。

实施例2

将实施例1步骤3中的底物换成雄烯二酮,所述雄烯二酮在磷酸缓冲液中的浓度为100μM,其余条件不变,最终得到16α-羟基雄烯二酮。

向实施例1得到的16α-羟基孕酮或实施例2获得的16α-羟基雄烯二酮中加入100μL甲醇溶解,进行HPLC检测分析。本发明中HPLC分析采用的是新加坡的Waters E2695高效液相色谱系统和COSMOSIL填充柱,流动相采用的是35vt%-100vt%甲醇-水梯度洗脱20min,检测波长是240nm,流速是1ml/min。

图2为实验样品的HPLC图谱,其中图2A为孕酮的标准品和反应24个小时后获得的16α-羟基孕酮图谱,孕酮和16α-羟基孕酮的保留时间分别为19.486min和15.069min,根据实验样品中16α-羟基孕酮的峰积分面积/(16α-羟基孕酮的峰积分面积+孕酮的峰积分面积)计算得出该生物催化的转化率为99.7%;图2B为雄烯二酮的标准品和反应24个小时后获得的16α-羟基雄烯二酮图谱,雄烯二酮和和16α-羟基雄烯二酮保留时间分别为16.268min和13.111min,根据实验样品中16α-羟基雄烯二酮的峰积分面积/(16α-羟基雄烯二酮的峰积分面积+雄烯二酮的峰积分面积)计算得出该生物催化的转化率为98.7%。此结果均显示获得的产物为唯一产物并且转化效率极高,说明了较严格的底物选择性和催化的高效性。

通过此催化体系所获得的产物16α-羟基化甾体类化合物有望在生物制药领域具有较好的应用价值,相比于传统化学合成的复杂工艺流程以及多副产物的劣势,此催化体系获得的产物单一并且催化效率极高具有更好的经济效益和环境效益。

显然,上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例,而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说,在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化或变动。这里无需也无法把所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围。

序列表

<110> 浙江理工大学

<120> 一种利用细胞色素P450酶合成16α-羟基化甾体类化合物的方法

<160> 8

<170> SIPOSequenceListing 1.0

<210> 1

<211> 5369

<212> DNA

<213> 人工序列(Artificial Sequence)

<400> 1

atccggatat agttcctcct ttcagcaaaa aacccctcaa gacccgttta gaggccccaa 60

ggggttatgc tagttattgc tcagcggtgg cagcagccaa ctcagcttcc tttcgggctt 120

tgttagcagc cggatctcag tggtggtggt ggtggtgctc gagtgcggcc gcaagcttgt 180

cgacggagct cgaattcgga tccgcgaccc atttgctgtc caccagtcat gctagccata 240

tggctgccgc gcggcaccag gccgctgctg tgatgatgat gatgatggct gctgcccatg 300

gtatatctcc ttcttaaagt taaacaaaat tatttctaga ggggaattgt tatccgctca 360

caattcccct atagtgagtc gtattaattt cgcgggatcg agatctcgat cctctacgcc 420

ggacgcatcg tggccggcat caccggcgcc acaggtgcgg ttgctggcgc ctatatcgcc 480

gacatcaccg atggggaaga tcgggctcgc cacttcgggc tcatgagcgc ttgtttcggc 540

gtgggtatgg tggcaggccc cgtggccggg ggactgttgg gcgccatctc cttgcatgca 600

ccattccttg cggcggcggt gctcaacggc ctcaacctac tactgggctg cttcctaatg 660

caggagtcgc ataagggaga gcgtcgagat cccggacacc atcgaatggc gcaaaacctt 720

tcgcggtatg gcatgatagc gcccggaaga gagtcaattc agggtggtga atgtgaaacc 780

agtaacgtta tacgatgtcg cagagtatgc cggtgtctct tatcagaccg tttcccgcgt 840

ggtgaaccag gccagccacg tttctgcgaa aacgcgggaa aaagtggaag cggcgatggc 900

ggagctgaat tacattccca accgcgtggc acaacaactg gcgggcaaac agtcgttgct 960

gattggcgtt gccacctcca gtctggccct gcacgcgccg tcgcaaattg tcgcggcgat 1020

taaatctcgc gccgatcaac tgggtgccag cgtggtggtg tcgatggtag aacgaagcgg 1080

cgtcgaagcc tgtaaagcgg cggtgcacaa tcttctcgcg caacgcgtca gtgggctgat 1140

cattaactat ccgctggatg accaggatgc cattgctgtg gaagctgcct gcactaatgt 1200

tccggcgtta tttcttgatg tctctgacca gacacccatc aacagtatta ttttctccca 1260

tgaagacggt acgcgactgg gcgtggagca tctggtcgca ttgggtcacc agcaaatcgc 1320

gctgttagcg ggcccattaa gttctgtctc ggcgcgtctg cgtctggctg gctggcataa 1380

atatctcact cgcaatcaaa ttcagccgat agcggaacgg gaaggcgact ggagtgccat 1440

gtccggtttt caacaaacca tgcaaatgct gaatgagggc atcgttccca ctgcgatgct 1500

ggttgccaac gatcagatgg cgctgggcgc aatgcgcgcc attaccgagt ccgggctgcg 1560

cgttggtgcg gatatctcgg tagtgggata cgacgatacc gaagacagct catgttatat 1620

cccgccgtta accaccatca aacaggattt tcgcctgctg gggcaaacca gcgtggaccg 1680

cttgctgcaa ctctctcagg gccaggcggt gaagggcaat cagctgttgc ccgtctcact 1740

ggtgaaaaga aaaaccaccc tggcgcccaa tacgcaaacc gcctctcccc gcgcgttggc 1800

cgattcatta atgcagctgg cacgacaggt ttcccgactg gaaagcgggc agtgagcgca 1860

acgcaattaa tgtaagttag ctcactcatt aggcaccggg atctcgaccg atgcccttga 1920

gagccttcaa cccagtcagc tccttccggt gggcgcgggg catgactatc gtcgccgcac 1980

ttatgactgt cttctttatc atgcaactcg taggacaggt gccggcagcg ctctgggtca 2040

ttttcggcga ggaccgcttt cgctggagcg cgacgatgat cggcctgtcg cttgcggtat 2100

tcggaatctt gcacgccctc gctcaagcct tcgtcactgg tcccgccacc aaacgtttcg 2160

gcgagaagca ggccattatc gccggcatgg cggccccacg ggtgcgcatg atcgtgctcc 2220

tgtcgttgag gacccggcta ggctggcggg gttgccttac tggttagcag aatgaatcac 2280

cgatacgcga gcgaacgtga agcgactgct gctgcaaaac gtctgcgacc tgagcaacaa 2340

catgaatggt cttcggtttc cgtgtttcgt aaagtctgga aacgcggaag tcagcgccct 2400

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catctgtatt aacgaagcgc tggcattgac cctgagtgat ttttctctgg tcccgccgca 2520

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ttggcgggtg tcggggcgca gccatgaccc agtcacgtag cgatagcgga gtgtatactg 3000

gcttaactat gcggcatcag agcagattgt actgagagtg caccatatat gcggtgtgaa 3060

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actgactcgc tgcgctcggt cgttcggctg cggcgagcgg tatcagctca ctcaaaggcg 3180

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cagcaaaagg ccaggaaccg taaaaaggcc gcgttgctgg cgtttttcca taggctccgc 3300

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ctataaagat accaggcgtt tccccctgga agctccctcg tgcgctctcc tgttccgacc 3420

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agctcacgct gtaggtatct cagttcggtg taggtcgttc gctccaagct gggctgtgtg 3540

cacgaacccc ccgttcagcc cgaccgctgc gccttatccg gtaactatcg tcttgagtcc 3600

aacccggtaa gacacgactt atcgccactg gcagcagcca ctggtaacag gattagcaga 3660

gcgaggtatg taggcggtgc tacagagttc ttgaagtggt ggcctaacta cggctacact 3720

agaaggacag tatttggtat ctgcgctctg ctgaagccag ttaccttcgg aaaaagagtt 3780

ggtagctctt gatccggcaa acaaaccacc gctggtagcg gtggtttttt tgtttgcaag 3840

cagcagatta cgcgcagaaa aaaaggatct caagaagatc ctttgatctt ttctacgggg 3900

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gtctgcttac ataaacagta atacaagggg tgttatgagc catattcaac gggaaacgtc 4020

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gtttttctaa gaattaattc atgagcggat acatatttga atgtatttag aaaaataaac 4860

aaataggggt tccgcgcaca tttccccgaa aagtgccacc tgaaattgta aacgttaata 4920

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cgccgctaca gggcgcgtcc cattcgcca 5369

<210> 2

<211> 7533

<212> DNA

<213> 人工序列(Artificial Sequence)

<400> 2

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ggggttatgc tagttattgc tcagcggtgg cagcagccaa ctcagcttcc tttcgggctt 120

tgttagcagc cggatctcag tggtggtggt ggtggtgctc gatcagaggc gcagggccag 180

ccggtcgcca caggcacgcg agcagcaggt catcatctgc cggttcgccg cccgctcggc 240

cttggtcagc accgtgtcgc gatggtcgac ctcgccgtcg aggacggcga cctcgcacga 300

gccgcagagg ccttcctcgc agtcgctggg cacgtcgatg ttgttggcgc gcaacgcgtc 360

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gagataggcc atgccggaac ggtttcggcc gcagtagtgc agttcgtagc tccacccccg 720

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tccgccggcg tcgcgcagga cgaggcgcag cacgtcgtcg gcgatccggt ccaggcgctc 1080

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cagcggctgg gcgaagaccg ccttcaggtc gacgaccccg tcctcgccct gggcggcgtc 1980

gaggtcgtcc agcagctctt cggtgaactt ctcgatgtcc gggcggatcg cctccaggcg 2040

ccggggagtc agcgcctgcg aggtcttggt gcgcagccgc cggtgttcgg caccgtcgac 2100

ggtgaacatg gaacgcccgg cgtcgatcat gccgatcagc ggccaggcac gtgtcaccgc 2160

tccgctccgc cacgcacccc aggcgtcgat gtccttcacc aggcgtgggt cgacgagcag 2220

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catatggctg ccgcgcggca ccaggccgct gctgtgatga tgatgatgat ggctgctgcc 2460

catggtatat ctccttctta aagttaaaca aaattatttc tagaggggaa ttgttatccg 2520

ctcacaattc ccctatagtg agtcgtatta atttcgcggg atcgagatct cgatcctcta 2580

cgccggacgc atcgtggccg gcatcaccgg cgccacaggt gcggttgctg gcgcctatat 2640

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cctttcgcgg tatggcatga tagcgcccgg aagagagtca attcagggtg gtgaatgtga 2940

aaccagtaac gttatacgat gtcgcagagt atgccggtgt ctcttatcag accgtttccc 3000

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<211> 1254

<212> DNA

<213> 白酒红链霉菌(Streptomyces)

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