一种氧化酶及其应用的制作方法

本发明克隆表达了一种L-α-羟酸氧化酶，并公开了其核苷酸序列和氨基酸序列及酶学性质和应用，属于工业微生物领域。

背景技术：

L-α-羟酸氧化酶(L-α-hydroxyacid oxidase)是一种以FMN(FAD)为辅酶的脱氢酶(Aliphatic l-α-hydroxyacid oxidase from rat livers purification and properties.Biochimica et Biophysica Acta(BBA)-Enzymology 1968,167:9-22)，通常包含有乙醇酸氧化酶(glycolate oxidase)(Preparation and some properties of crystalline glycolic acid oxidase of spinach.J.Biol.Chem.1958,231(1):135–57)、L-乳酸氧化酶(L-lactate oxidase)(Conversion of L-lactate oxidase to a long chain alpha-hydroxyacid oxidase by site-directed mutagenesis of alanine 95to glycine.J Biol Chem.1996 8；271(45):28300-28305)。可用于生物传感器中测定乳酸的含量，或氧化L-乳酸生产丙酮酸。也有被用于光学纯α-羟酸的制备(中国专利201210109290.4)

目前为止，已经在恶臭假单胞菌(Pseudomonas putida)，绿色气球菌(Aerococcus viridians)，链球菌属(Streptococcus sp.)，片球菌属(Pediococcus sp.)，乳酸乳球菌(Lactococus lactis)，迟钝爱德华菌(Edwardsiella tarda)，耻垢分枝杆菌(Mycobacterium smegmatis),运动发酵单胞菌(Zymomonas mobilis)和过氧化醋杆菌(Acetobacter peroxidans)等细菌中克隆表达得到了L-乳酸氧化酶。L-乳酸氧化酶也在一些真菌中检测到，例如白地霉(Geotrichum candidum)和解脂耶氏酵母(Yarrowia lipolytica)。(Search for Lactate Oxidase Producer Microorganisms，Applied Biochemistry and Microbiology,2007,43(2)178–181)

本发明首次从Carnimonas nigrificans中克隆表达出一种新型的L-α-羟酸氧化酶，该酶不仅可以氧化(S)-α-羟酸，而且可以氧化(S)-α-羟酸酯，可应用于光学纯(R)-α-羟酸酯和(R)-α-羟酸的制备。

技术实现要素：

本发明从Carnimonas nigrificans中克隆得到了一种L-α-羟酸氧化酶的基因，利用大肠杆菌工程菌异源表达，公开了其相关的酶学特性，并进行了应用研究。

本发明的技术方案如下：

1、菌株

本发明L-α-羟酸氧化酶基因的来源菌株为：Carnimonas nigrificans ATCC BAA-78，购自美国ATCC菌种库。

2、L-α-羟酸氧化酶基因的克隆

提取Carnimonas nigrificans ATCC BAA-78菌体基因组总DNA。设计特异性引物，应用PCR方法，扩增出L-α-羟酸氧化酶基因全长编码框序列。并构建重组质粒。

3、L-α-羟酸氧化酶表达与纯化

将重组质粒导入E.coli BL21(DE3)中，诱导表达。菌体破碎后得到粗酶液，纯化后冷冻干燥备用。

4、L-α-羟酸氧化酶的酶学性质分析

以L-乳酸为底物研究pH对本发明所述L-α-羟酸氧化酶酶活的影响。

以L-乳酸为底物研究温度对本发明所述L-α-羟酸氧化酶酶活的影响。

L-α-羟酸氧化酶的底物特异性分析：所用的底物有L-乳酸、乙醇酸、L-苯乳酸、L-酒石酸、L-苹果酸、L-对羟基苯乳酸、L-丹参素、L-扁桃酸。

酶活测定方法为：根据Characterization of a Lactate Oxidase from a Strain of Gram Negative Bacterium from Soil，Applied Biochemistry and Biotechnology,56,1996,278-288。所述方法进行。

5、L-α-羟酸氧化酶拆分混旋的α-羟酸酯

拆分α-羟酸酯(alpha-hydroxy esters)的方法为：取纯化好的酶0.1克于50mL三角瓶中，加入溶有α-羟酸酯5mM的pH 7的磷酸盐缓冲液中，于30℃，150rpm水浴摇床中转化16h，转化后液相色谱分析上清液。(S)-α-羟酸酯中的α-羟基被脱氢氧化成对应的α-酮酸酯，(R)-α-羟酸酯不被氧化。

产物(R)-α-羟酸酯的光学纯度通过对映体过量值(％e.e)来评价：

对映体过量值％e.e＝[(S_R-S_S)/(S_R+S_S)]×100％

(R)-α-羟酸酯得率(％)＝(S_R/S₀)×100％

式中S_R为反应后(R)-对映体的峰面积，S_S为反应后(S)-对映体的液相色谱峰面积，S₀为反应前(R)-和(S)-对映体的液相色谱峰面积之和。

产物测定液相色谱条件为：Chiralcel OD-H手性柱(4.6×250mm)，流动相体积比为正己烷：异丙醇：三氟乙酸＝80:20:0.1，流速为0.5mL/min，柱温25℃，检测波长210nm，进样量20μL。

所述的α-羟酸酯为下列之一：丹参素冰片酯、丹参素异丙酯、苯乳酸冰片酯、苯乳酸异丙酯、对羟基苯乳酸冰片酯、对羟基苯乳酸异丙酯、扁桃酸冰片酯、扁桃酸异丙酯、丹参素细辛醇酯、乳酸冰片酯、苯乳酸细辛醇酯、对羟基苯乳酸细辛醇酯。

所述的α-羟酸酯，根据中国专利200610042787.3、201410180490.8、201410175950.8和20140699506.6公布的方法合成。

本发表明的有益之处：从Carnimonas nigrificans ATCC BAA-78中克隆得到了一种L-α-羟酸氧化酶，该酶可以氧化(S)-α-羟酸和(S)-α-羟酸酯，可用于规模化制备手性纯(R)-α-羟酸酯，具有重要的工业应用价值。

具体实施方式

实施例1

本实施例为本发明所述L-α-羟酸氧化酶基因的克隆与大肠杆菌工程菌构建。

1、Carnimonas nigrificans ATCC BAA-78DNA的提取

将Carnimonas nigrificans ATCC BAA-78菌株在LB培养基中培养12h，12,000rmp/min离心10min得到菌体，应用细菌基因组DNA抽提试剂盒(TaKaRa公司)按照其操作提取菌体基因组总DNA，放冰箱备用。

2、大肠杆菌感受态制备

(1)接种E.coli DH5α和BL21(DE3)分别于含有20mL LB培养基的250mL摇瓶中，37℃、200rpm/min培养过夜。

(2)按1％接种量接种于50mL LB培养基中，37℃培养至OD₆₀₀约0.6(约2～3h)。

(3)将菌液转移到50mL预冷的离心管中，冰上放置30min，8000rpm/min、4℃离心5min。

(4)弃上清，加入5mL预冷的0.1mol/L CaCl₂溶液，使菌体悬浮，冰上放置20min，8000rpm/min、4℃离心5min。重复2次。

(5)弃上清，加入1.5mL预冷的0.1mol/L CaCl₂溶液(含15％甘油)，轻轻悬浮菌体，然后按每个离心管(1.5mL)加入100μL菌液分装，-70℃冰箱保藏备用。

3、L-α-羟酸氧化酶基因的克隆

(1)引物设计

设计引物序列为：

引物1：5'GCCGGGATCCATGAGTACTCCGCTAACTCCACGTC 3'

引物2：5'GCCGTCTAGACGTCCCGCGCCGATAG 3'

(2)PCR扩增

用以上合成的两条引物，以Carnimonas nigrificans ATCC BAA-78的基因组DNA为模板进行PCR扩增。

本步骤中扩增体系为：

扩增程序为：

98℃，10min

98℃，10sec；55℃，15sec；72℃，2min反应30个循环

72℃，10min

PCR产物送华大基因测序后得到该酶的基因序列，如SEQ ID NO:1所示。根据该基因序列得到的氨基酸序列如SEQ ID NO:2所示。

(3)双酶切和连接

将pColdⅡ质粒和PCR产物进行双酶切，酶切体系为：10×cut buffer 3μl,DNA 4μl，酶BamHI和XbaI各0.5μl，无菌水2μl共30μl。37℃水浴下双酶切1h。将DNA片段克隆到pColdⅡ载体上，并转化到E.coli DH5α感受态细胞中。连接体系：10×DNA ligase buffer 2.5μl，DNA片段8μl，载体DNA 2μl，T4 DNA ligase 1μl，无菌水11.5μl共25μl。16℃水浴下连接12h-16h。

(4)转化

步骤：

1在连接体系中加入100μl DH5α感受态细菌，轻混匀，冰浴30min。

2放入预热的42℃水浴中，放置90s进行热休克处理。

3立即冰浴2min。

4加入1ml不含抗生素的LB培养液，37℃培养1h使菌体复苏。

5将菌体均匀涂布在含抗生素的LB平板上。

6培养24h长势良好。挑单菌落进行菌落PCR，核酸电泳验证，提取重组质粒。将重组质粒导入BL21大肠杆菌感受态中，保存备用。

实施例2

本实施例为本发明所述L-α-羟酸氧化酶的诱导表达及分离纯化。

1、加500μl重组菌液到50ml LB培养液中。37℃培养2.5h，15℃下静置0.5h。再加20μl 0.5M的IPTG，15℃下冷诱导培养24h。将发酵液进行离心(8000rmp/min，10min)得到菌体，用磷酸氢二钠-磷酸二氢钠缓冲溶液(20mmol/L，pH 7.0)复溶菌体，超声破碎仪破碎，离心(8000rmp/min，10min)收集上清得到粗酶液。

2、将步骤1得到的粗酶液采用AKTA avant 150蛋白纯化系统操作进行镍柱纯化，洗脱方法为：将A1、A2、B1、B2四根管路都放进水里，设置systemflow 20ml/min流速，进行排气。然后设置system flow 1ml/min、flow path(column position 3)、delta pressure 0.3、pre-pressure 0.5、Gradient 0、inset A1，待水滴均匀流出后装柱子，平衡十分钟之后把A1放进结合液中，B1放进洗脱液中，再进行排气一次，平衡二十分钟，然后上样粗酶液，用500mM的高浓度咪唑缓冲液(B1所处溶液)梯度洗脱目的蛋白，将吸附在离子柱上的蛋白洗脱下来得到纯化的酶。纯化后的酶经冷冻干燥备用。

实施例3

本实施例为本发明所述L-α-羟酸氧化酶的最适温度。以L-乳酸为底物，将底物与pH为5.0的磷酸缓冲液在30-60℃不同的温度条件下水浴15min，测定L-α-羟酸氧化酶的酶活，确定酶的最适反应温度为35℃。

实施例4

本实施例为本发明所述L-α-羟酸氧化酶的最适pH值。以L-乳酸为底物，将底物在pH 3-9，35℃水浴15min测定酶的酶活，结果发现在pH 5.0条件下L-α-羟酸氧化酶酶活最高。

实施例5

本实施例为本发明所述L-α-羟酸氧化酶与不同底物的反应特性列于表2中。

表2 L-α-羟酸氧化酶对不同底物的活性

实施例6

根据发明内容中的方法拆分各种外消旋α-羟酸酯，结果如下表所示：

表3拆分各种外消旋α-羟酸酯的效果

由上表可以看出，当在反应时间充分时，可以得到各类高光学纯的(R)-α-羟酸酯，该酶的光学专一性非常好。

SEQUENCE LISTING

<110> 江南大学

<120> 一种氧化酶及其应用

<130> No

<160> 2

<170> PatentIn version 3.5

<210> 1

<211> 1188

<212> DNA

<213> Carnimonas nigrificans ATCC BAA-78

<400> 1

atgagtactc cgctaactcc acgtcgcagc gatcaaaagc gttatctgaa tctggacgac 60

tacagcgcgg ctgcacagcg cctgttgcca cgggcgctgt tcgcctacgt ttcaggctcg 120

gcaggcgacg gtgaaacact ggctgcgaac cgcgatgcct tcaagcagtg ggcgctaata 180

ccgcagcagc tgcgcggcgt cgcttcacga agtgccgcca tcgagctact cggccagcgt 240

tttgccatgc cgattggcgt gtcggcattc ggcgcggcgg cggttttggg ctataacgct 300

gatatcgcga tggcggcagc ggcatataac gcaaatgtgc cttatcagct gagtgccaac 360

tccattacgc ccatggaaga ggtaatcaag gtgaatcccg aggcgtggtt cgccgcctat 420

ctgccagacg atgcagcgct gatcagaggc gttgtcgagc gcgttagcaa cgcaggcttc 480

aagactctgg taattacggt cgatgtgccg gtggctgccc gacgcgagcc ggaaacgcgg 540

gctggctacg ccatgccgtt caaggcatcg gcgcgcttgg ggtttgatat gctccgccat 600

ccgcgctggg tgctgagccg cttcactcgt accctgctgc ggcgcgggat tccgcacatt 660

gaaaacgtta ccccccagcg tggccccagt atctttgctt ccaacacagg gtcgatcggt 720

ggagcggcca acttcaactg ggacaatatt cgtgctattc gcgcacagtg gcccggcaag 780

ctgctgctga agggtattct ttccgaacgc gatgcgctaa cagcacagga gattggcgtc 840

gatggcgtga ttgtctcgaa tcatggcgcc cgtttaagcg attcatccat cacaccgctg 900

gaagccctgc caaacatccg cgcagcctgc cctgagctga cggttctgct cgatggcggc 960

gtgcggcgtg ccggggatgc gttaaaggcg atcgcgctgg gggcagatgg cgtgatgatt 1020

ggccgtccac tgttttacgc caccatcctt ggtggccggc gcggcctcgt tcatgcgctg 1080

catttgctga gcgcagaact ggatcgggag atgggctttc atggcttgct aaacgttaac 1140

gaagtacgtg aggaagatcg gctctatcgg cgcgggacgc ttgcctaa 1188

<210> 2

<211> 395

<212> PRT

<213> Carnimonas nigrificans ATCC BAA-78

<400> 2

Met Ser Thr Pro Leu Thr Pro Arg Arg Ser Asp Gln Lys Arg Tyr Leu

1 5 10 15

Asn Leu Asp Asp Tyr Ser Ala Ala Ala Gln Arg Leu Leu Pro Arg Ala

20 25 30

Leu Phe Ala Tyr Val Ser Gly Ser Ala Gly Asp Gly Glu Thr Leu Ala

35 40 45

Ala Asn Arg Asp Ala Phe Lys Gln Trp Ala Leu Ile Pro Gln Gln Leu

50 55 60

Arg Gly Val Ala Ser Arg Ser Ala Ala Ile Glu Leu Leu Gly Gln Arg

65 70 75 80

Phe Ala Met Pro Ile Gly Val Ser Ala Phe Gly Ala Ala Ala Val Leu

85 90 95

Gly Tyr Asn Ala Asp Ile Ala Met Ala Ala Ala Ala Tyr Asn Ala Asn

100 105 110

Val Pro Tyr Gln Leu Ser Ala Asn Ser Ile Thr Pro Met Glu Glu Val

115 120 125

Ile Lys Val Asn Pro Glu Ala Trp Phe Ala Ala Tyr Leu Pro Asp Asp

130 135 140

Ala Ala Leu Ile Arg Gly Val Val Glu Arg Val Ser Asn Ala Gly Phe

145 150 155 160

Lys Thr Leu Val Ile Thr Val Asp Val Pro Val Ala Ala Arg Arg Glu

165 170 175

Pro Glu Thr Arg Ala Gly Tyr Ala Met Pro Phe Lys Ala Ser Ala Arg

180 185 190

Leu Gly Phe Asp Met Leu Arg His Pro Arg Trp Val Leu Ser Arg Phe

195 200 205

Thr Arg Thr Leu Leu Arg Arg Gly Ile Pro His Ile Glu Asn Val Thr

210 215 220

Pro Gln Arg Gly Pro Ser Ile Phe Ala Ser Asn Thr Gly Ser Ile Gly

225 230 235 240

Gly Ala Ala Asn Phe Asn Trp Asp Asn Ile Arg Ala Ile Arg Ala Gln

245 250 255

Trp Pro Gly Lys Leu Leu Leu Lys Gly Ile Leu Ser Glu Arg Asp Ala

260 265 270

Leu Thr Ala Gln Glu Ile Gly Val Asp Gly Val Ile Val Ser Asn His

275 280 285

Gly Ala Arg Leu Ser Asp Ser Ser Ile Thr Pro Leu Glu Ala Leu Pro

290 295 300

Asn Ile Arg Ala Ala Cys Pro Glu Leu Thr Val Leu Leu Asp Gly Gly

305 310 315 320

Val Arg Arg Ala Gly Asp Ala Leu Lys Ala Ile Ala Leu Gly Ala Asp

325 330 335

Gly Val Met Ile Gly Arg Pro Leu Phe Tyr Ala Thr Ile Leu Gly Gly

340 345 350

Arg Arg Gly Leu Val His Ala Leu His Leu Leu Ser Ala Glu Leu Asp

355 360 365

Arg Glu Met Gly Phe His Gly Leu Leu Asn Val Asn Glu Val Arg Glu

370 375 380

Glu Asp Arg Leu Tyr Arg Arg Gly Thr Leu Ala

385 390 395