关键词:
(S)-N-Boc-3-哌啶醇
不对称合成
羰基还原酶
理性设计
两相系统
辅酶再生
摘要:
含氮杂环小分子活性药物中间体,具有独特的活性,故医药行业的需求量很大。(S)-N-Boc-3-哌啶醇是六元杂环醇的一种,是合成许多酶抑制剂类药物的结构单元。氧化还原酶作为催化剂在不对称合成(S)-N-Boc-3-哌啶醇中极具潜力,但尚存不足之处。本课题针对氧化还原酶还原前手性酮的过程中,活力和选择性难统一、辅酶再生效率低以及底物难溶造成的催化底物浓度低的问题进行研究,提供解决的思路,以达到高效不对称合成高浓度高选择性的手性醇的目的。本研究利用实验室构建的重组羰基还原酶不对称合成高浓度的(S)-N-Boc-3-哌啶醇,研究内容具体包括以下几方面:1.源自Rhodococcus erythropolis的羰基还原酶ReCR作为一个中链羰基还原酶,具有优异的催化性质:(1)高活力,且还原活力高于氧化活力。对N-Boc-3-哌啶酮的还原活力高达85.8 U/mg,kcat/Km达35.96 s-1mM-1,对产物(S)-N-Boc-3-哌啶醇几乎检测不到活力;对仲辛酮的活力达173.95 U/mg,kcat/Km达43.23 s-1mM-1;对仲辛醇的氧化活力高达88 U/mg,kcat/Km达13.05 s-1mM-1。(2)稳定性好,酶在55℃水浴6 h后保留54.26%的酶活,在35℃下保温12 h,残余酶活大于90%。酶在40%的仲辛醇和20%异丙醇的作用下处理3.5 h,残余酶活分别还有68%和29%。(3)立体选择性高,酶还原N-Boc-3-哌啶酮产生(S)-N-Boc-3-哌啶醇,e.e.值大于99%。2.以仲辛醇作辅底物、助溶剂及第二相,构建了单酶偶联底物的辅酶循环体系,并形成了水/仲辛醇的两相催化体系。与现有的催化剂相比,重组羰基还原酶ReCR能够高效高选择性地转化高浓度的N-Boc-3-哌啶酮。高效表达ReCR的全细胞催化10%底物最佳条件是pH8.0、35℃、300 rpm、0.4 mM NAD+,底物和辅底物摩尔比为1:4,水相和有机相的体积比是6:4。在pH8.0、35℃和200 rpm的条件下,高效表达ReCR的全细胞催化10%底物10 h后得率大于99%,催化20%底物的得率也有94%。底物浓度提至30%和40%,催化得率分别达到76%和56%。在300 rpm的条件下,催化30%底物的得率达82%。与现有的催化体系相比,本研究催化的底物浓度达到工业化要求,即大于100 g/L。3.通过理性设计改造羰基还原酶,获得一个酶活力更高、催化效果更好的突变酶。本研究构建了9个突变酶,得到F43Y和Y54F两个活力得到提高的突变酶,其中Y54F对N-Boc-3-哌啶酮的还原活力和对仲辛醇的氧化活力分别是121.7 U/mg和112.68 U/mg。动力学常数测定表明Y54F对N-Boc-3-哌啶酮和仲辛醇的kcat/Km值分别是49.25 s-1mM-1和56.54 s-1mM-1。Y54F偶联仲辛醇再生辅酶,全细胞催化30%底物6 h得率高达91.46%,TTN值达1142,时空得率达1096.8 g L-1d-1,催化12 h后最终得率可达93.92%,比野生型提高了11.89%。Y54F与N-Boc-3-哌啶酮和仲辛醇的对接分析结果表明Y54F的底物通道里底物更接近催化中心与辅酶,便于递氢,从结构上解释了突变株Y54F催化效果变好的原因。4.本研究探讨了通过双酶双底物再生辅酶不对称合成(S)-N-Boc-3-哌啶醇,即以仲辛醇作辅底物,羰基还原酶ReCR偶联醇脱氢酶ADH-A再生辅酶。研究发现源自Rhodococcus ruber DSM44541的醇脱氢酶ADH-A的酶活高,适应的pH(7.0~10.0)和温度(30℃85℃)范围广。氧化仲辛醇的最适pH和温度是8.5和75℃,最适条件下仲辛醇的活力高达113.15 U/mg。采用双质粒共转一个宿主的策略进行共表达羰基还原酶和醇脱氢酶。利用双酶共表达的全细胞或双酶偶联酶法催化不对称合成(S)-N-Boc-3-哌啶醇,与对照组相比没有得到理想的提高。ReCR(8 U/mL)偶联ADH-A(4 U/mL)催化20%底物5 h,催化得率只有49.78%,而对照组单酶ReCR(8 U/mL)催化的得率有51.42%。0.15 g/mL BL21(DE3)-pACYCDuet1-recr/pET28b-adh-a双酶共表达全细胞催化20%底物5 h,得率只有44.3%,而0.15 g/mL表达单酶ReCR的全细胞催化得率为66.47%。