生物催化法合成(R)-3,5-双(三氟甲基)苯乙醇的研究

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(R)-3,5-双(三氟甲基)苯乙醇((R)-BTPE)是合成NK-1受体抑制剂药物(如:阿瑞匹坦、福沙匹坦)的重要手性中间体。(R)-BTPE的制备主要通过3,5-双三氟甲基苯乙酮(3,5-BTAP)的不对称还原。利用钌等重金属催化的氢转移或恶唑硼烷催化的还原等化学法,生物催化不对称还原具有产物立体选择性高、反应条件温和、环境友好等诸多优点。本论文从本实验室已有的酶库中筛选出一个对3,5-BTAP具有高选择性的羰基还原酶,对其进行了分离纯化和酶学性质研究;进而构建了辅酶原位再生的双酶表达系统,通过催化反应条件的优化,最终实现(R)-BTPE的高效生物合成。  首先,羰基还原酶的挖掘及纯化表征。通过筛选获得一株来源于Lactobacillus kefir的NADPH依赖的羰基还原酶LkCR,对3,5-BTAP表现较高的还原活性和严格的对映体选择性,产物为(R)-BTPE。该酶的最适pH为6.0,最适温度为40℃,低于30℃的条件下酶比较稳定。  其次,LkCR与葡萄糖脱氢酶(GDH)共表达系统的构建及催化反应条件优化。分别利用pETduet-1与pET28a载体,构建了4种LkCR与GDH串联表达的重组E.coli。并且,采取双质粒共表达策略,构建了LkCR与GDH并联表达的重组E.coli。通过对重组菌的蛋白表达、酶活以及细胞的催化能力的比较,串联表达菌E.coli(pET-LkCR-GDH)还原3,5-BTAP的效果最好。进而对该重组菌的催化反应条件进行了优化,E.coli(pET-LkCR-GDH)全细胞可以催化高达1.1M的3,5-BTAP,产物(R)-BTPE的ee值99%以上,产率为93.56%,时空产率8.86 g/(L*h)。  最后,LkCR与GDH融合表达系统的构建及(R)-BTPE的高效合成。通过4种不同的连接肽,构建4种LkCR与GDH的融合表达系统,实现了LkCR与GDH在E.coli中的融合表达。经比较发现,重组菌E.coli(pET-GDH-ER/K(10nm)-LkCR)中融合蛋白的表达量及LkCR、GDH的酶活力最高,故而细胞的催化反应效果最好。相比串联表达菌E.coli(pET-LkCR-GDH),1.1M底物完全转化的时间从48 h缩短到12h,而体系中细胞量和葡萄糖浓度分别减少了20%和50%。主要原因有两方面:一是融合表达提高了LkCR的有效表达量,二是融合表达加强了LkCR与GDH的空间临近效应,促进了辅酶循环的效率,进而提高了反应的催化效率。  重组菌Ecoli(pET-GDH-ER/K(10nm)-LkCR)的10 mL体系反应:底物浓度提高到1.2 M,10h内转化完全,产物(R)-3,5-BTPE的ee值>99%,产率96.69%,时空产率29.73 g/(L*h),产物浓度和时空产率高于当前文献报道的最高水平。
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