2009.1(总第152期) I山东食品发酵 酶法转化头孢菌素C成为7一氨基头 孢烷酸的研究进展 刘福强李盛华 (山东轻工业学院食品与生物工程学院济南250353) 摘要7一氨基头孢烷酸(7-ACA)是生产头孢菌素的重要原料,目前大多由头孢菌素c通过化学法或酶法转化而来。本 文综述了两步酶法生产7-ACA的研究进展,并详细阐述了催化过程用到的D一氨基酸氧化酶和GL一7-ACA酰化酶的酶学特 性、表达、纯化及固定化。 关键词7一氨基头孢烷酸D一氨基酸氧化酶GL一7一ACA酰化酶头孢茵素c Progress in enzymatic conversion of cephalosporin C to 7-aminocephalosporanic acid LIU Fu--qiang (School ofFood and Bioengineering,Shandong Institute ofLight Industry,Jinan 250353) Abstract:The 7-aminocephalosporanic acid,a starting compound in the synthesis of cephalosporin antibiotics, is mainly obtained from cephalosporin C by a chemical process or by a two—step enzymatic process.The enzymatic conversion of cephalosporin C to 7-aminocephalosporanic acid by using D—amino acid oxidase and glutaryl一7一ACA acylase is reviewed with details of classification,characteristics,expression,purification and immobilization. Key words:7一aminocephalosporanic acid;D—amino acid oxidase;glutaryl一7-ACA acylase;cephalosporin C 前言 直接作用于CPC的侧链生成7一ACA,该法工艺简 少,不适于工-业化生产;两步酶法即利用D一氨基 酸氧化酶(DAAO)和戊二酰基-7一氨基头孢烷酸 头孢菌素类抗生素是一族B-内酰胺类广谱抗 单、成本低,但目前此类酶活性较低且种类较 生素,通过干扰细菌细胞壁的合成并加速细胞壁 的破坏而起到杀菌作用,具有抗菌谱广、抗菌活 性强、疗效高、毒性低等优点,近年来使用越来 越广泛。7一氨基头孢烷酸(7-ACA)是合成许多 半合成头孢菌素类抗生素的重要中间体,是当今 酰化酶两步酶促反应将CPC转化为7一ACA,是目 前主要研究的方法。 国际抗生素市场的主要角色【 。目前,国内外工 业生产上主要采用化学法生产7一ACA,成本高、 1二步酶法转化CPC为7-ACA CPC在DAAO的催化下,产生了一个具有酮 工艺复杂、三废污染严重,需使用大量危险化学 基的中间体和H:O 。此中间体不稳定,易与H:O 品。因此,研究人员正致力于酶法生产7一ACA的 反应,被H 0:氧化脱羧,变成戊二酰基一7一氨基头 研究。较之化学法,酶法具有工艺简单、低成 孢烷酸(GL一7一ACA),然后GL一7一ACA酰化酶 本、低污染、高产高质等优点。酶法生产7一ACA (GL一7-ACA acylase)作用于GL一7一ACA脱去其侧 有两种:一步酶法和两步酶法。一步酶法,即酶 链,生成7-ACA。 Shandong Food Fermentation——17—— 山东食品发酵 2009.1(总第1 52期) 1.1 DAAO转化CPC为GL一7-ACA 方法和疏水性层析法,即先用(NH4) SO 沉淀获 DAAO可以可溶性物或固定化形式用于CPC 得粗品,然后在苯基一琼脂糖凝胶 ̄NDEAE一纤维素 向GL一7一ACA的转化。 柱上作两步柱层析;或者用双水相萃取技术进行 1.1.1 DAAO性质及来源DAAO是一种以黄素腺 分离纯化,细胞蛋白被萃取到磷酸盐溶液相中, 嘌呤(FAD)为辅基的黄素蛋白酶类,属于结构 DAAO被PEG ̄H萃取;还可采用基因改造的方法, 选择性催化剂;可氧化D一氨基酸的氨基生成相 在DAAO的N端接上6个组氨酸,利用组氨酸与金 应的酮酸和氨;底物专一性较低,可作用于D一 属敖合介质的亲和特性,采用His—TAG柱即可纯 氨基酸,亦可作用于具有D一氨基的化合物(如 化,此法既能完整地保持其生物活性,又能简化 CPC),但DAAO不能作用于D一天门冬氨酸和D一 操作、提高收率。 谷氨酸;在溶液中多以单体和二聚体的形式存 1.1.4 DAAO的稳定性DAAO在冷冻(一20℃)状 在。DAAO广泛来源于哺乳动物人、鼠、兔、猪 态下、pH8.3的20mmol/L焦磷酸盐中是稳定的, 等的肝、脑等组织器官中,以及三角酵母、红酵 解冻和冷冻均不影响活性。室温下,DAAO稳定 母、腐皮镰孢霉、曲霉、藻类、细菌等微生物中 性较差;23℃、pH7.0~7_3时,三角酵母的DAAO 口]。目前,应用于7-ACA酶法生产的DAAO主要 酶活半衰期只有10~15h J;30 ̄C、10%甘油稳定 来源于酵母菌,这是因为在以CPC为底物时,酵 剂的条件下,半衰期仅为12~14h ;无O2和H2O2 母菌来源的DAAO催化效率高于哺乳动物来源的 时,20 ̄25℃、pH 7~8.2的磷酸盐缓冲液中,半 DAAO两个数量级。 衰期可达50 ̄70h,但为实现快速、高产的反应, 1.1.2 DAAO底物特异性不同来源的DAAO有各异 必须有O 和H202存在。FAD的脱离是造成DAAO 的特异性底物。用H O 酶和邻连二茴香胺结合产 热不稳定的主要原因,向酶液中加入FAD ̄I]甘油 生H O 的量测定DAAO活力,发现pkDAAO的最 可明显改善其热稳定性。此外,对特定的氨基酸 适底物是D一脯氨酸,TvDAAO的最适底物是D一缬 进行定点突变来改变DAAO的结构或将DAAO固定 氨酸,RgDAAO的最适底物是D一甲硫氨酸,来自 化,也是提高其稳定性的有效途径。 C.boidinii的DAAO最适底物是D一丙氨酸,且通过 1.1.5 DAAO的固定化对酶进行固定化具有稳定 对比发现,TvDAAO对CPC有较高亲和性,更适 性高、可重复利用等优点。7.ACA催化所用的酶 于工业化生产7-ACA。 都是通过交联、吸附、包埋的方式对酶或细胞进 1.1.3 DAAO的表达与纯化DAAO的合成与培养 行固定化的。将DAAO固定在有机载体上能显著 基中的诱导物有直接关系,DAAO易被D一氨基酸 延长使用时间,常用的固定化载体有:CNBr活 诱导表达,常用的诱导剂是D一甲硫氨酸 ̄I:ID一丙氨 化的agrose、Sepharose HB或Duolite A365等 ; 酸。D一丙氨酸可使DAAO产量增加5.6倍。在三角 有一种新的固定化载体:聚甲基丙烯酸缩水甘油 酵母发酵过程中分别采用N-氨甲酰基一D-丙氨酸、 酯树脂,先利用酶蛋白变性的方法去除DAAO中 N.乙酰基.D.色氨酸和N.氨甲酰基-D—Q-氨基丁酸 的过氧化氢酶,再将DAAO经共价交联到该树脂 作诱导剂,DAAO产量比用D一丙氨酸作诱导剂时 上,酶对热、pH、O:的稳定性都大大提高,且在 分别高出4.2、2.1 ̄1:I1.5倍。有学者发现低通氧量也 催化CPC的过程中,酮酸中间体随反应批次的增 可以提高DAAO的酶活【4 】,这可能是因为DAAO 加而逐渐减少。此外,还可采用固定化三角酵母 辅基FAD的氧化受氧浓度的影响,细胞需通过增 细胞的形式进行催化。 JjHDAAO的生成量来弥补其低氧浓度时转化速率 1.1.6 H O 对DAAO转化CPC为GL一7-ACA的影响 的不足。 CPC首先在DAAO作用下与0:反应生成Q一酮己二 DAAO的分离纯化多采用传统方法,即酶液 酸单酰一7一ACA,再与H2O2反应生成GL一7一ACA。 经盐析沉淀、热处理、等电点沉淀,再用色谱进 a一酮己二酸单酰.7一ACA是造成目标产物收率低 行纯化。变异三角酵母DAAO的纯化可采用常规 的关键因素之一。反应过程中H O 浓度过低,则 ——18——Shandong Food Fermentation 2009.1(总第1 52期) I山东食晶发酵 会造成Q一酮己二酸单酰一7一ACA积累并分解;积 1.2.2 GL一7一ACA酰化酶重组菌的构建在国外, 累浓度过高则会氧化DAAO中半胱氨酸和丝氨酸 GL-7一ACA酰化酶已应用到7一ACA的工业化生产, 等残基,从而造成酶的失活,同时也会氧化CPC 国内工业用GL.7.ACA酰化酶仍依赖进口,因此 ¥ ̄/GL.7.ACA等成为亚砜类物质。这个问题可采 构建高酶活的GL一7一ACA酰化酶生产菌株意义重 用在反应过程中加入适量的双氧水的方法,使剩 大【1 。国内重组基因工程菌有:重组大肠杆菌 余的Q一酮己二酸单酰一7一ACA转化为GL一7一ACA, JM105/pMKC.ACY【1 ,在最优条件下,上罐补 从而提高裂解的收率,再加入适量的H:O 酶除掉 料高密度发酵产物酶活达6668.9U/L;大肠杆菌 多余的H O:。也可通过改进氧化分布器或搅拌速 BL21(DE3)pYW-GA,产物最高酶活可达3463.8U/ 度、氧气流量以控制溶液溶氧浓度的方法来 L:罗辉构建的重组大肠杆菌,产物酶活为266U/ 提高收率。有研究表 Il1],向反应体系中添加 L,再经一步DEAE—Sepharose纯化即可达 ̄080%的 6%的H o:可使Gl-7-ACA生成率提高为73.O%;将 纯度。 透性化的FA10细胞在pill0.5~1 1.0、20℃下保温 1.2.3 GL一7一ACA酰化酶的表达和纯化野生菌株 30min,GL一7一ACA的生成率可达84%。 在培养过程中通常采用戊二酸来诱导酰化酶的表 1.2酰化酶裂解GL一7一ACA产生7一ACA 达,且部分菌株经诱导后便不再需要戊二酸的诱 1.2.1 GL.7一ACA酰化酶的性质及来源较之 导也能产生高酶活的酰化酶。此外,将酰化酶基 DAAO,GL一7-ACA酰化酶活性较低,是酶法生产 因的信号肽去除后,采用E.coli的启动子也能得到 7-ACA的瓶颈。具有GL一7一ACA酰化酶活性的菌株 很好的表达效果,但采用E.coli作宿主经常导致外 通常都是从土壤或污水中筛选得到的。许多的微 源蛋白形成不溶性的包涵体 ,应对这个问题, 生物具有GL一7一ACA酰化酶活性,但真正具有应用 可以采用分泌表达型质粒,或使用分泌型宿主。 前途的是假单胞菌的一些突变株。Shibuya、Isogai 由于野生菌株培养困难,且往往存在导致底物及 和Matsuda等分别从土壤中筛选到了能产生GL一7一 产物降解的B一内酰胺酶和酯酶,因此人们将酰化 ACA酰化酶的菌株 卜Hj。 酶基因进行了克隆和表达【l ∞】,见表1。 表1 GL-7-ACA化酶的重组表达 酰化酶通常用色谱法进行纯化,包括6步:细 CL-6B ̄I]HA—Ultragel两步色谱纯化,产物纯度即 胞经匀浆得到酶粗提液;在2%硫酸铵存在下50 ̄C 超过90%。一般,不同来源的GL一7一ACA酰化酶要 进行热处理,此步仅使酰化酶少量失活,却能去 采用不同的纯化方法口”。 除杂酶(酯酶和 -内酰胺酶);混合物经超滤 1.2.4 GL-7一ACA酰化酶的稳定性GL.7一ACA酰化 处理后再进行四步色谱操作:Q—sepharose,HTP 酶热稳定性较好,在Pseudomonas A 1 4,Bacillus hydroxypeptite,SP—Triacyl,S一300。另外,新发现 J1 ̄I]Pseudomonas BL072中,此酶在50℃下可保持 一种简单有效的纯化方法,即用DEAE—sepharose 90%的酶活,但前两株菌的GL一7一ACA酰化酶仅在 Shandong Food Fermentation——19 山东食品发酵 2009.1(总第152期) pH 8-9时稳定,而7一ACA ̄[]CPC在碱性条件下不 融细胞固定化,用于氧化CPC,转化率达92%,产 稳定;此外,它们的酰化酶活性还受缓冲液类型 生GL一7一ACA的能力为9.2 mg/g固定化细胞・小时。 的强烈影响(使用甘氨酸缓冲液时,其活性要比 罗辉等提出了一条游离细胞反应与膜分离耦合的 使用磷酸盐或Tris—HCL缓冲液高5~10倍[2 ), 7-ACA生产新工艺,并发现中空纤维超滤膜可以 因此这两种菌的应用受到很大的。但经固定 将反应体系中的细胞和催化产物分离,结晶后, 化后,GL一7一ACA酰化酶的稳定性即可显著提高。 7-ACA纯度为93.1%,结晶收率为51%。该方法节 Monti等对固定化GL一7一ACA酰化酶重复操作42批 约生产成本,有很好的应用前景。 次后,其酶活仍为初始值的93%。 1.2.5 GL一7一ACA酰化酶的固定化使用固定化GL一 3总结及展望 7-ACA酰化酶进行转化,可提高转化率、减少副 产物、重复利用酶、降低成本,因此适于大规模 头孢菌素C酶法生产7一ACA有化学法生产不可 比拟的优点,也已部分实现了工业化,石药集团 的生产。常用的共价固定化载体有:环氧乙烷基 等大型制药企业已部分采用了酶法生产7一ACA, 丙烯酸珠粒和可控制孔径的玻璃珠粒。此外,还 但由于酶法生产目前仍存在较难克服的问题,因 可以先将酶吸附,再同戌二醛交联至阴离子交换 此尚未完全取代化学法,仍需深入研究。 树脂上,但此法固定的酶活低于共价固定的平均 DAAO ̄IGL一7一ACA酰化酶是酶法生产7一ACA 酶活。国产固定化GL一7一ACA酰化酶的表观米氏 过程中两个重要的酶,提高这两种酶的酶活和稳 常数(Km)和最大反应速度(Vm)分别为8.69 定性等对酶法生产7一ACA具有重大的意义,也是 mmol‘L一1 ̄N76 la mol‘g—Imin一1,均高于游离酶。由 研究重点。过去主要通过酶工程、诱变等方法来 于GL一7一ACA酰化酶在重组大肠杆菌中有相当一部 提高酶活、得到高产菌株,随着现代生物技术的 份可能位于细胞间质,因此也可以采取将重组大 发展,基因手段的应用越来越多:利用定点突变 肠杆菌直接固定的方法。 2酶法生产7-ACA举例 的技术来改变酶的结构,以提高酶的活性和稳定 性,通过改变质粒或宿主细胞来提高酶的产量; 通过基因工程手段构建基因工程菌、优化生产工 Conlon等 在1LS ̄FI10L的反应器中进行了固定 艺,提高工程菌的酶活;利用基因融合、多基因 化两步酶法制备7一ACA的研究,固定化DAAO ̄[] 共表达的方法优化催化过程,从而提高酶活、简 GL一7一ACA酰化酶的半衰期分别为138 ̄N172批次, 化酶的分离纯化过程并降低成本。但这些技术同 双酶法工艺的7一ACA综合产量为67%,最后7一ACA 样存在问题,如酶活提高了但稳定性仍不够、构 结晶产品的纯度为97.4%;K.F.Wolf- ̄口 提出改造 建成本高、大肠杆菌作为宿主菌易出现无活性包 戊二酰基酰胺酶结构改造以实现从CPC ̄U7一ACA 涵体等。探索更好的酶的固定化方法、进一步研 的一步酶法转化的构想;Q.Tan等提出利用固定化 究不同载体上的固定化和共固定化、开发新型的 细胞结合酶和载体结合酶在单孔内将CPC转化成 反应和分离耦合工艺等,都是今后的研究方向,7-ACA,产率达90%。 也将是酶法生产7.ACA的发展方向。 在国内,杨利敏等利用固定化DAAO ̄I]GL-7一 我国人口众多,市场需求潜力巨大,抗生 ACA酰化酶裂解得到7-ACA,总收率达74%,含 素类药物在我国发展前景广阔。目前,第三、四 代头孢类抗生素开发与仿制发展势头迅猛,也带 载体上,反应同时利用这两种酶以类似一步方式 动了相关中间体的飞速发展。国外大制药公司从 量>98%;而廖福荣 则将两种酶分别固定于不同 进行,在最优化条件下CPC转化为7一ACA的转化 发展中国家大量进口医药中间体,为抗生素类中 率高于90%;也有学者提出将两种酶固定在同一 间体的研究开发及生产创造了良好的条件。在世 介质上,但Bianchi等通过实验证明这并非是最好 界各国越来越重视环境保护的大环境下,环境污 的选择。李维泉等【2叫将三角酵母进行种内融合得 染严重的化学法生产7.ACA必将被酶法生产所取 到三角酵母的二倍体,成功地提高了DAAO的活 代,酶法生产7一ACA拥有发展潜力巨大。’ (参考文献略) 力;任克勤等[2 将DAAO高产菌株三角酵母的冻 ——20——Shandong Food Fermentation