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提高酵母细胞不对称氧化还原制备手性醇效率的研究

作　者: 胡庆森
导　师: 徐岩
学　校: 江南大学
专　业: 发酵工程
关键词: 生物催化剂 微生物去消旋 不对称还原 光学活性苯基乙二醇 α-羟基苯乙酮 萃取转化 辅酶循环
分类号: O621.2
类　型: 博士论文
年　份: 2010年
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内容摘要


光学活性仲醇是重要的医药和精细化学品中间体,光学纯苯基乙二醇(PED)是其中的重要代表,广泛用于手性药物、农药和液晶材料的合成。与化学合成法合成手性化合物相比,生物催化剂在位置、化学和立体选择性上具有独特优势。其中,微生物去消旋和不对称还原法由于其理论最大得率100%和操作简便已经成为当今生物催化中前沿领域和热点内容。但这两类反经常遇到的几个共性问题是底物浓度低,辅酶循环效率低和催化剂不稳定。本论文以酵母细胞催化不对称氧化还原反应高效合成光学纯苯基乙二醇为目标,针对近平滑假丝酵母(Candida parapsilosis)催化PED去消旋和酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)不对称还原α-羟基苯乙酮反应的瓶颈,采取过程控制和介质工程手段明显提高了其反应效率。此外,还揭示了C. parapsilosis细胞代谢D-木糖(戊糖)偶联去消旋苯基乙二醇过程的作用机理。这些发现不仅进一步丰富了还原酶手性生物催化理论,而且有助于合成其他精细化学品。主要结果如下：(1)以C. parapsilosis细胞催化PED去消旋为模式反应,对可能限制细胞催化活性的因素进行了系统考察。结果发现底物浓度高于25 g/l或产物浓度高于17.5 g/l对该反应产生强烈的抑制作用。较高的底物或产物浓度(如超过30 g/1)导致细胞死亡率大于18.3%。此外,在高底物浓度下(如30 g/1)NADPH再生也是限制该反应效率的因素之一。(2)运用树脂原位底物补料和产物移除“二合一”策略提高去消旋反应的效率。大孔树脂H103由于吸附容量高和对反应促进最明显被选作吸附材料。最佳反应条件如下：pH 8，温度30℃,细胞120 g/l,树脂72 g/l,转速150 r/min。在该条件下30g/l PED反应48 h后,产物(S)-PED光学纯度和得率分别达到99.2%和93.6%。基于通过异构反应实现生物催化去消旋的特点,提出一种合理运用树脂原位底物补料和产物移除“二合一”策略的方法。该新方法可使C. parapsilosis催化50g/l底物反应90 h后,产物e.e值和得率分别高达99.3%和92.0%。(3)C. parapsilosis催化苯基乙二醇去消旋分批连续反应中,添加D-木糖有利于细胞代谢活性的恢复,但对催化去消旋关键反应的(S)-羰基还原酶活力无影响。在证实细胞内存在木糖还原酶和木糖醇脱氢酶的基础上,通过磷酸戊糖途径抑制试验和直接测定胞内NADPH含量相结合的方法,揭示了C. parapsilosis细胞代谢D-木糖偶联去消旋苯基乙二醇过程的作用机理：D-木糖先后经过木糖还原酶和木糖醇脱氢酶的还原和氧化反应生成木酮糖,再经木酮糖激酶生成5-磷酸木酮糖并由此进入磷酸戊糖途径。通过磷酸戊糖途径中间代谢产物6-磷酸葡萄糖、6-磷酸葡萄糖酸的两步脱氢反应产生大量NADPH用于去消旋PED,提高反应效率和催化系统的稳定性。此外,萃取转化(树脂/缓冲液体系)和辅酶再生(添加D-木糖)相结合的策略,不但可以解除底物/产物抑制,还能提高生物催化剂的可持续性。(4)通过靶向反应定向筛选成功获得一株高立体选择性(e.e>99.9%)不对称还原α-羟基苯乙酮合成(R)-PED的酵母S. cerevisiae JUC15。当底物浓度为2g/l时游离细胞重复使用40次,产物得率和光学纯度无明显降低。该催化剂使用廉价的蔗糖作为辅助底物用于辅酶再生,可在相当宽的pH范围内(4-9)催化α-羟基苯乙酮。在所有考察条件下,产物e.e值始终保持大于99.9%。当α-羟基苯乙酮浓度低于其溶解度(11.4g/1)时,产物抑制是不对称还原反应的主要瓶颈。当底物浓度高于其溶解度,尤其是超过20g/l,产物抑制和催化剂失活是引起(R)-苯基乙二醇得率降低的主要原因。此外,S.cerevisiae细胞催化部分产物降解。为克服这些缺点,采取缓冲液和水不溶性有机溶剂组成的原位分离的策略。通过测定不同有机溶剂对底物/产物分配系数和对不对称还原反应的影响,筛选出对此反应具有较好促进作用的有机溶剂邻苯二甲酸二丁酯。在合适的相比例下,产物浓度达到20.7 g/l，明显高于目前已报道的其他生物法水平。

全文目录


摘要  4-6
Abstract  6-11
第一章 绪论  11-25
  1.1 生物催化去消旋和不对称还原  11-12
    1.1.1 生物催化去消旋简介  11-12
    1.1.2 生物催化不对称还原简介  12
  1.2 微生物去消旋和不对称还原中几个共性的关键问题  12-18
    1.2.1 具有工业应用潜力生物催化剂的筛选  12-14
    1.2.2 辅酶有效循环  14-17
    1.2.3 利用介质工程与过程工程提高微生物去消旋和不对称还原的反应效率  17-18
  1.3 光学纯苯基乙二醇简介及用途  18
  1.4 微生物去消旋和不对称还原法合成光学纯苯基乙二醇  18-23
    1.4.1 研究进展  18-20
    1.4.2 研究中存在的问题和研究的意义  20-23
  1.5 本研究的思路和内容  23-25
第二章 C.parapsilosis细胞催化苯基乙二醇去消旋反应的瓶颈  25-37
  2.1 前言  25
  2.2 材料与方法  25-30
    2.2.1 菌种  25-26
    2.2.2 培养基  26
    2.2.3 主要试剂  26
    2.2.4 主要仪器  26
    2.2.5 研究方法  26-28
    2.2.6 测定方法  28-30
  2.3 结果与讨论  30-36
    2.3.1 高浓度底物对去消旋反应的影响  30-31
    2.3.2 C.parapsilosis细胞失活限制高浓度PED反应产率较低  31-32
    2.3.3 产物浓度对去消旋反应的影响  32-33
    2.3.4 反应温度、缓冲溶液和产物对细胞代谢活性与催化能力的影响  33
    2.3.5 去消旋过程中细胞数目变化  33-34
    2.3.6 NADPH标准曲线的建立及监测体系内NADPH稳定性  34-35
    2.3.7 (S)-羰基还原酶和辅酶的变化  35-36
  2.4 本章小结  36-37
第三章 树脂原位底物补料和产物移除"二合一"策略提高产物浓度  37-49
  3.1 前言  37
  3.2 材料与方法  37-39
    3.2.1 菌种  37
    3.2.2 培养基  37
    3.2.3 主要试剂  37-38
    3.2.4 主要仪器  38
    3.2.5 研究方法  38-39
  3.3 结果与讨论  39-48
    3.3.1 筛选合适的树脂  39-40
    3.3.2 反应条件对C.parapsilosis细胞催化PED去消旋的影响  40-44
    3.3.3 单水相与树脂/缓冲液双相体系反应过程的比较  44
    3.3.4 理性运用树脂原位底物补料和产物移除"二合一"策略  44-48
  3.4 本章小结  48-49
第四章 D-木糖代谢实现NADPH再生的研究及应用  49-59
  4.1 前言  49
  4.2 材料与方法  49-51
    4.2.1 菌种  49
    4.2.2 培养基  49
    4.2.3 主要试剂  49
    4.2.4 主要仪器  49-50
    4.2.5 研究方法  50-51
  4.3 结果与讨论  51-57
    4.3.1 D-木糖对关键酶催化活性的影响  51-52
    4.3.2 D-木糖对静息细胞代谢活性的影响  52-53
    4.3.3 C parapsilosis细胞代谢木糖可行性验证  53-54
    4.3.4 D-木糖对辅酶再生的影响  54-56
    4.3.5 糖酵解和三羧酸循环抑制剂对去消旋反应的影响  56-57
    4.3.6 萃取转化结合添加D-木糖提高底物浓度和细胞重复利用率  57
  4.4 本章小结  57-59
第五章 S.cerevisiae细胞不对称还原α-羟基苯乙酮合成(R)-苯基乙二醇的研究  59-74
  5.1 前言  59
  5.2 材料与方法  59-62
    5.2.1 菌种  59-60
    5.2.2 培养基  60
    5.2.3 主要试剂  60
    5.2.4 主要仪器  60
    5.2.5 研究方法  60-62
  5.3 结果与讨论  62-73
    5.3.1 菌株筛选及通气条件对反应的影响  62-64
    5.3.2 S.cerevisiae操作稳定性研究  64-65
    5.3.3 反应条件对S cerevisiae细胞不对称还原反应的影响  65-70
    5.3.4 S.cerevisiae细胞降解PED的初步验证  70-71
    5.3.5 提高时空效率的研究  71-73
  5.4 本章小结  73-74
结论与展望  74-76
  主要结论  74-75
  研究展望  75-76
论文创新点  76-77
致谢  77-78
参考文献  78-96
附录:图表  96-98
附录:作者在攻读博士学位期间发表的论文  98

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