Highly enantioselective reduction of 2-hydroxy-1-phenylethanolene to enantiopure (R)-phenyl-1,2-ethanediol using Saccharomyces cerevisiae of remarkable reaction stability
- 作者
- Qingsen Hu, Yan Xu, Yao Nie
- 单位
- Key Laboratory of Industrial Biotechnology of Ministry of Education, School of Biotechnology, Jiangnan University, 1800 Lihu Road, Wuxi, Jiangsu 214122, China
- 杂志
- Bioresource Technology（2010）
- DOI
- 10.1016/j.biortech.2010.06.044
- 所属领域
- 发酵工程
- 关键词
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解决的核心问题
筛选获得能高对映选择性还原2-羟基-1-苯乙醇(HPE)生成(R)-苯基-1,2-乙二醇((R)-PED)且具有高底物耐受性和优异操作稳定性的微生物菌株，以满足制药工业对光学纯度>98%的要求，并解决现有生物催化剂底物浓度低、反应时间长、对映选择性不足等问题。
研究策略
采用目标反应导向的筛选策略，从90余种微生物（酵母、细菌、霉菌）中筛选具有高立体选择性还原HPE能力的菌株，对优选菌株S. cerevisiae JUC15进行反应条件系统优化（温度、pH、辅底物种类与浓度、底物浓度等），并评估其操作稳定性、细胞活力与酶活性变化。
研究路线图
核心内容
该研究针对制药工业对光学纯(R)-苯基-1,2-乙二醇((R)-PED)的需求，采用目标反应导向的筛选策略，从90余种微生物中筛选出具有高立体选择性还原2-羟基-1-苯乙醇(HPE)能力的酿酒酵母菌株JUC15。通过系统优化反应条件，该菌株在30°C、pH 6.5、20 g/L蔗糖为辅底物的条件下可实现92.5%的产率，产物对映体过量值(e.e.)大于99.9%，完全满足光学纯度>98%的工业要求。该菌株表现出优异的操作稳定性，游离细胞在2 g/L底物浓度下可重复使用40批次而无显著产率和对映纯度下降，为迄今报道最稳定的全细胞催化体系之一。最适底物浓度达8 g/L，产率92.5%，24小时内(R)-PED浓度达7.4 g/L；即使在20 g/L含固体底物的异相反应体系中仍能以71%产率获得e.e.>99.9%的产品。该菌株pH适用范围宽(4-9)，且可利用廉价蔗糖再生辅因子，粗提液中NADH和NADPH依赖的HPE还原酶活性分别为869 U/g和536 U/g蛋白。这些特性使JUC15在工业生产光学活性(R)-PED方面具有显著应用潜力。
创新点
['首次获得能将HPE高对映选择性还原为(R)-PED的酿酒酵母菌株JUC15，对映体过量(e.e.)>99.9%', '游离细胞可重复使用40个批次（2 g/L底物）而无显著产率和对映纯度下降，为迄今报道最稳定的全细胞催化体系之一', '最适底物浓度达8 g/L，为当时报道的最高水平；在20 g/L含固体底物的异相反应体系中仍能以71%产率获得e.e.>99.9%的产品', '可利用廉价蔗糖作为辅底物进行辅因子再生，且pH适用范围宽(4-9)']
研究对象（2）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Saccharomyces cerevisiae JUC15 | 不对称还原 | — | HPE还原酶(HPER) | 催化 | 催化2-羟基-1-苯乙醇(HPE)还原为(R)-苯基-1,2-乙二醇((R)-PED)，对映体选择性>99.9% |
| Saccharomyces cerevisiae JUC15 | 糖酵解/辅因子再生 | — | — | 能量供给 | 利用蔗糖、葡萄糖等辅底物通过细胞代谢再生NADH/NADPH，为不对称还原提供还原力 |
关键发现
- 筛选获得S. cerevisiae JUC15，可高对映选择性还原HPE生成(R)-PED，e.e.>99.9%
- 游离细胞在2 g/L底物浓度下重复使用40批次，产率和对映纯度无显著下降
- 最适底物浓度为8 g/L，产率92.5%，24 h内产物(R)-PED浓度达7.4 g/L
- 当底物浓度升至20 g/L（其中43.2%以固体悬浮形式存在）时，仍能以71%产率获得e.e.>99.9%的产品
- 最适条件下（30°C、pH 6.5、20 g/L蔗糖）产率达92.5%
- pH 4-9范围内均能保持高产率（>74%）
- 细胞粗提液中NADH依赖的HPE还原酶活性和NADPH依赖活性分别为869 U/g和536 U/g蛋白。
研究结论
成功获得酿酒酵母JUC15，可高效高对映选择性还原HPE生成(R)-PED，对映体纯度大于99.9%，具有优异的重复使用性和底物耐受性，可利用廉价蔗糖再生辅因子，pH适用范围宽，在含固体底物的异相反应体系中仍能高产率获得目标产物，显示出在制药工业中生产光学活性(R)-PED的巨大应用潜力。