Application of microorganisms towards synthesis of chiral terpenoid derivatives
- 作者
- Renata Kuriata-Adamusiak, Daniel Strub, Stanislaw Lochyński
- 杂志
- Applied Microbiology and Biotechnology（2012）
- DOI
- 10.1007/s00253-012-4304-9
- 所属领域
- 发酵工程
- 关键词
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解决的核心问题
化学合成手性萜类衍生物存在选择性差、副反应多、产率低、使用昂贵有毒金属催化剂等问题，需要绿色高效的替代方法。
研究策略
综述微生物全细胞催化的立体选择性羟基化、环氧化、Baeyer-Villiger氧化、酮的不对称还原和动力学拆分等五类反应，并介绍定点突变和定向进化等酶工程手段以提升催化性能。
核心内容
该文系统综述了微生物全细胞催化在合成手性萜类衍生物中的应用，重点讨论了立体选择性羟基化、环氧化、Baeyer-Villiger氧化、酮的不对称还原及动力学拆分五类反应，并结合定点突变和定向进化等酶工程策略提升催化性能。关键实例包括Rhizoctonia solani转化(-)-menthol得到65.2%的(-)-6-hydroxymethanol；Absidia cylindrospora催化底物12b生成对映体过量100%的trans-epoxylactone；环戊酮单加氧酶突变体催化4-甲基环己酮时对映体过量由野生型的46%提升至92%，公斤级Baeyer-Villiger氧化产物对映体过量达98%以上。该综述表明，合理选择微生物菌株并借助酶工程手段可高效获得光学纯萜类衍生物，为替代昂贵有毒金属催化剂的绿色工业化生产提供了可行途径。
创新点
系统总结了微生物在手性萜类衍生物合成中的应用，强调绿色化学和立体选择性，并结合现代酶工程方法为工业化应用提供思路。
研究对象（10）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Rhizoctonia solani | 单萜羟基化 | — | 细胞色素P450单加氧酶 | 催化 | 转化(-)-menthol生成羟基化产物 |
| Botrytis cinerea | 单萜羟基化 | — | 单加氧酶 | 催化 | 转化(-)-α-pinene生成羟基化产物 |
| Penicillium digitatum | 单萜环氧化 | — | 单加氧酶/过氧化物酶 | 催化 | 转化(R)-limonene生成limonene氧化物 |
| Absidia cylindrospora | 内酯环氧化 | — | 单加氧酶 | 催化 | 转化不饱和双环γ-内酯得到trans-epoxylactones，13b对映体过量100% |
| Acinetobacter calcoaceticus | Baeyer-Villiger氧化 | — | Baeyer-Villiger单加氧酶(BVMO) | 催化 | 转化(±)-dihydrocarvone得到两种内酯 |
| Trichosporum cutaneum CCT 1903 | Baeyer-Villiger氧化 | — | Baeyer-Villiger单加氧酶 | 催化 | 转化(4R)-(-)-carvone得到内酯16为主产物 |
| Hormonema sp. UOFS Y-0067 | 单萜酮还原 | — | 醇脱氢酶(ADH) | 催化 | 还原(-)-menthone、(+)-pulegone和(4S)-isopiperitenone生成新薄荷醇等 |
| Rhodotorula mucilaginosa | 单萜酮还原 | — | 醇脱氢酶 | 催化 | 固定化细胞还原(-)-menthone |
| Gongronella butleri, Diplogelasinospora grovesii, Schizosaccharomyces octosporus | 单萜酮还原 | — | 烯酮还原酶和醇脱氢酶 | 催化 | 还原(4R)-carvone和(4S)-carvone，D. grovesii效果最佳 |
| Rhodococcus erythropolis DCL14 | 动力学拆分 | — | 1,2-环氧柠檬烯水解酶、carveol脱氢酶 | 催化 | 拆分(+)-1,2-epoxylimonene和carveol混合物，获得光学纯产物 |
关键发现
- Rhizoctonia solani转化(-)-menthol 1得到(-)-6-hydroxymethanol 2 (65.2%)、(+)-6,8-dihydroxymethanol 4 (32.4%)和(-)-1-hydroxymethanol 3 (18.4%)
- Botrytis cinerea转化(-)-α-pinene 5得到(1R,3S,5R)-trans-β-pinen-3-ol 6 (10%)和(1S,2R,5S)-trans-7-oxoverbenol 7 (16%)
- Absidia cylindrospora转化12b得到trans-epoxylactone 13b，对映体过量100%
- Trichosporum cutaneum转化(4R)-(-)-carvone R-17得到主要产物氢化内酯16 (31%)，副产物酮酸18 (5%)、dihydrocarveol 19 (3.8%)和epoxydihydrocarveol 20 (2.2%)
- Hormonema sp. UOFS Y-0067还原(-)-menthone和(+)-pulegone得到(+)-neomenthol 23
- Gongronella butleri、Diplogelasinospora grovesii和Schizosaccharomyces octosporus还原(4R)-carvone得到dihydrocarveol 26
- Rhodococcus erythropolis DCL14动力学拆分(+)-1,2-epoxylimonene得到光学纯(+)-(1S,2S,4R)-limonene-1,2-diol 30和未反应的(+)-(1S,2R,4R)-1,2-epoxylimonene
- 酶工程中，环戊酮单加氧酶突变体催化4-甲基环己酮得到92%对映体过量，而野生型为46%
- 公斤级Baeyer-Villiger氧化获得对映体过量>98%和>99%。
研究结论
微生物可高效、选择性地转化萜类底物生成光学纯衍生物，针对不同反应类型可选择合适的微生物和酶工程策略，为工业化绿色生产提供可行途径。