乙醇酸的酶促生产制造技术

本发明专利技术涉及乙醇酸的酶促生产。具体地，提供了由乙醇腈酶促生产乙醇酸的多种方法。这些方法包括：1)利用具有改善的用于将乙醇腈转化为乙醇酸的腈水解酶活性的敏捷食酸菌72W腈水解酶突变体，和2)改善催化剂稳定性和/或生产率的方法。该改善催化剂稳定性和/或生产率的方法包括利用反应稳定剂，在基本上无氧的条件下运行反应以及控制反应混合物中底物的浓度。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及微生物学和分子生物学领域。更具体地说，提供了一种使用具有改善的腈水解酶活性的突变的腈水解酶，由乙醇腈酶促生产乙醇酸的方法。
技术介绍
乙醇酸(H0CH2C00H ；CAS登记号为79-14-1)是羧酸的α -羟基酸家族的最简单 成员。其特性使之理想地广泛用于消费和工业用途，包括用于水井修复、皮革工业、油气工业、洗衣和纺织工业、在聚乙醇酸(PGA)制备中作为单体、以及作为个人护理产品成分。在多个行业中，乙醇酸还是的清洁剂的主要成分(乳制品和食品加工设别清洁剂、家用和机构用清洁剂、工业清洁剂[用于运输设备、砖石建筑、印刷电路板、不锈钢锅炉和加工设备、冷却塔/热交换器]、以及金属加工[用于金属酸洗、铜抛光、蚀刻、电镀、电解抛光])。最近，已报道聚乙醇酸作为阻气性材料(即显示高阻氧特性)用于包装食品及汽水(W02005/106005Α1)。然而，乙醇酸的传统化学合成产生了大量的杂质，在用于制备作为阻气性材料的聚乙醇酸之前必须除去。商业化生产乙醇酸的新技术，特别是一种以高纯度及低成本生产乙醇酸的技术，将是工业上所渴望获得的。已知多种使用相应的α-羟基腈作为原料以及微生物作为催化剂用于制备α-羟基酸的方法。所产生的α-羟基酸的例子包括乙醇酸、乳酸、2-羟基异丁酸、2-羟基-2-苯丙酸、苦杏仁酸、2-羟基-3，3- 二甲基-4- 丁内酯和4-甲硫丁酸。这些产物是使用微生物合成的，例如属于诺卡氏菌属(Nocardia)、芽孢杆菌属(Bacillus)、短杆菌属(Brevibacterium)、金杆菌属(Aureobacterium)、假单胞菌属(Pseudomonas)、乳酪杆菌属(Caseobacter)、产喊杆菌属(Alcaligenes)、不动杆菌属(Acinetobacter)、肠杆菌属(Enterobacter)、节杆菌属(Arthrobacter)、埃希氏杆菌属(Escherich ia)、微球菌属(Micrococcus)、链霉菌属(Streptomyces)、黄杆菌属(Flavobacterium)、气单胞菌属(Aeromonas)、枝动杆菌属(Mycoplana)、纤维单胞菌属(Cellulomonas)、欧文氏菌属(Erwinia)、假丝酵母属(Candida)、无芽孢杆菌属(Bacteridium)、曲霉属(Aspergillus)、青霉属(Penicillium)、旋孢腔菌属(Cochliobolus)、镰孢菌属(Fusarium)、红假单胞菌属(Rhodopseudomonas)、红球菌属(Rhodococcus)、棒状杆菌属(Corynebacterium)、细杆菌属(Microbacterium)、Obsumbacterium和戈登氏菌属(Gordona)的那些微生物(相应于 US 5，223，416 的 JP-A-4-99495、JP-A-4-99496 和 JP-A-4-218385 ;相应于 US5，234，826 的 JP-A-4-99497 ;相应于 US 5，296，373 的 JP-A-5-95795 ； JP-A-5-21987 ；相应于 US 5，326，702 的 JP-A-5-192189 ;相应于 EP-A-0610048 的 JP-A-6-237789 ;相应于EP-A-0610049 的 JP-A-6-284899 ;相应于 US 5，508，181 的 JP-A-7-213296)。然而，大多数已知的上述由相应的α -羟基腈制备α _羟基酸的方法并不产生并以足够高的浓度积聚产物，以满足商业上的需要。经常的结果是在反应初期酶就失活。US5，756，306教导了“当使用腈水解酶或腈水合酶酶促水解或水合α-羟基腈以产生羟基酸或α-羟基酰胺时，所出现的问题是在短时间内酶失活。因此，难以以高浓度和高产率获得α -羟基酸或α -羟基酰胺”(第I栏，第49-54行)。维持反应混合物中醛浓度(由α-羟基腈解离为醛和氰化氢所形成的)和/或α-羟基腈浓度在规定的范围内是一种避免该问题的方法。US 5，508，181提出了涉及酶快速失活的更多困难。特别是，U. S. 5，508，181提及根据解离平衡，α-羟基腈化合物部分解离为相应的醛。这些醛通过与蛋白结合，在短时间内失活酶，因此很难由α-羟基腈以高产率获得高浓度的α-羟基酸或α-羟基酰胺(第2栏，第16-29行)。阻止由于醛积聚所引起的酶失活的解决方案是将磷酸盐或次磷酸盐离子添加到反应混合物中。US 5，326，702使用亚硫酸盐、二亚硫酸盐或连二亚硫酸盐离子来 螯合醛并阻止酶失活。然而，即使通过使用上述这样的添加剂，所产生和积聚的α-羟基酸的浓度仍然是不高的。U. S. 6，037，155教导了 α -羟基酸产物的低积聚与由于解离的醛积聚所引起的短时间内酶失活相关。这些专利技术人提出在水中α-羟基腈部分解离所产生的氰化氢(Agricultural Biological Chemistry, Vol. 46, pages 1165 (1982))以及相应的醒或酮(Chemical Reviews, Vol. 42, pages 189 (1948))存在下，酶活性受抑制。本专利技术人通过使用微生物解决了醛诱导的酶失活问题，所述微生物酶活性能通过将氰化物添加到反应混合物中而得到改善。氰化物的添加限制了 α-羟基腈解离为醛和氰化氢。具体就乙醇酸生产来说，已知乙醇腈能可逆解离为氰化氢和甲醛，两者都可失活酶活性。US 3，940，316描述了一种由相应的腈制备有机酸的方法，使用了具有“腈水解(nitrilasic) ”活性的细菌，并列出乙醇腈作为底物。具体来说，该专利描述了对于该目的使用芽孢杆菌属、无芽孢杆菌属、微球菌属和短杆菌属细菌。虽然被描述具有腈水解活性，但是短杆菌R312 (Brevibacterium R312)是在US 3，940，316所有实施例中使用的唯一菌株。已知短杆菌R312具有腈水合酶和酰胺酶活性，但没有腈水解酶活性(Toumeix等，Antonie van Leeuwenhoek, 52 :173-182(1986))。一种通过利用属于棒状杆菌(Corynebacterium spp.)的微生物制备乳酸、乙醇酸和2-羟基异丁酸的方法披露于日本专利公开号昭61-56086中。JP 09028390披露了一种通过红球菌属或戈登氏菌属水解酶起作用，由乙醇腈制备乙醇酸的方法。报道了对乙醇酸的选择性几乎为100%，没有乙醇酸酰胺生成。US 6，037，155披露了由α -羟基腈产生包括乙醇酸的α-羟基酸的方法的例子。该公开内容承认由于前述问题之故并非所有的微生物催化剂都能产生高浓度的乙醇酸，并教导应当进行筛选研究以便发现在工业上有益的微生物。US 6, 037, 155具体鉴定了抗α-轻基腈或α -轻基酸抑制效应的Variovorax spp.和节杆菌(Arthrobacter spp.)微生物,具有持久的活性,并能在高浓度下产生期望的产物。敏捷食酸菌(Acidovoraxfacilis) 72W(ATCC 55746)具有脂族腈水解酶(EC3.5. 5. 7)活性，以及腈水合酶(EC 4. 2. 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种由乙醇腈生产乙醇酸的方法，包括：a)将适合的含水反应混合物中的乙醇腈与包含具有腈水解酶活性的多肽的酶催化剂接触，由此产生乙醇酸，所述多肽如SEQ？ID？NO:？8所示；和b)以盐或酸的形式回收(a)中产生的乙醇酸；其中当在相同的反应条件下将乙醇腈转化为乙醇酸时，相对于敏捷食酸菌72W腈水解酶的腈水解酶活性，所述酶催化剂提供了至少1.5倍腈水解酶活性增加。

【技术特征摘要】
2004.12.22 US 60/638,176中所提及的规定的特征、整体、步骤或组分的存在，但其并不排除一个或多个其他特征、整体、步骤、组分或它们的组的存在或添加。如本文所使用的，修饰所使用的本发明成分或反应物的数量的术语“约”指数量上的变化，所述变化可例如通过用于在真实世界中制备浓缩物或使用溶液的标准量度和液体处理工序；通过在这些工序中的疏忽过失；通过用于制造组合物或执行方法的产品、原料或配料纯度的差异等产生。术语“约”还包含由于由特定的初始混合物产生的组合物的不同的平衡条件之故所相异的量。无论是否为术语“约”所修饰，权利要求包括相等的量。在一个实施方案中，术语“约”表示在所报告的数值的10%之内，优选在所报告的数值的5% 之内。如本文所使用的，术语“回收”表示分离、纯化或转移利用本发明方法所生成的产物。分离和纯化来自反应混合物的产物的方法是本领域众所周知的，可包括但不限于选择性沉淀、结晶、过滤、反应性溶剂萃取、离子交换、电渗析、聚合、蒸馏、热分解、醇解以及它们的组合。在一个实施方案中，术语“回收”还可包括将反应混合物(通常在滤除酶催化剂之后)转移到另一种反应中以产生一种或多种额外的产物。如本文所使用的，术语“酶催化剂”或“微生物细胞催化剂”指具有用于将乙醇腈转化为乙醇酸和氨的腈水解酶活性特性的催化剂(即包含至少一种具有腈水解酶活性的多肽)。酶催化剂可以完整的微生物细胞、透化处理的微生物细胞、微生物细胞提取物的一种或多种细胞成分、部分纯化的酶或纯化的酶的形式存在。酶催化剂可以是游离的(未固定的)或固定在可溶性或不溶性支持物中或其上。如本文所使用的，“再循环的酶催化剂”指在分批反应中被再生为酶催化剂的酶催化剂。如本文所使用的，术语“催化剂生产率”和“酶催化剂生产率”指每克催化剂产生的产物总量。在本发明中，所述催化剂是腈水解酶(EC3. 5. 5. 7)，所产生的产物是乙醇酸和/或乙醇酸铵(取决于反应的pH)。一般而言，在基本上pH中性的条件下进行本发明方法，以便所产生的乙醇酸主要以乙醇酸相应的盐(即乙醇酸铵)的形式存在。一般来说，在具有催化剂再循环的分批反应中，随每一次循环反应催化剂活性而降低(酶失活)。如本文所使用的，术语“敏捷食酸菌(Acidovorax facilis) ”和“敏捷食酸菌(A. facilis)”可交换地使用，并指保藏在美国典型培养物保藏中心(国际保藏机构)，具有保藏号55746( “ATCC 55746”)的敏捷食酸菌72W。如本文所使用的,术语“大肠杆菌(Escherichia coli)”和“大肠杆菌(E. coli) ”可交换地使用。一些适合用于重组表达的大肠杆菌菌株描述于此，包括但不限于具有国际保藏编号ATCC 47076的大肠杆菌MG1655、具有国际保藏编号ATCC 53911的大肠杆菌FM5、具有国际保藏编号ATCC 27325的大肠杆菌W3110、具有国际保藏编号ATCC 35695的大肠杆菌MC4100和具有国际保藏编号ATCC 12435的大肠杆菌W1485。在一个实施方案中，适合的大肠杆菌菌株包括大肠杆菌FM5 (ATCC53911)和大肠杆菌MG1655 (ATCC 47076)。如本文所使用的，术语“大肠杆菌SS1001”或“SS1001”指表达敏捷食酸菌72W腈水解酶的转化的大肠杆菌菌株，具有ATCC登记号PTA-1177 (US 6，870, 038 ;其全文在此并入作为参考)。与野生型72W腈水解酶序列(SEQ ID NO :6)相比，重组表达的大肠杆菌SS1001腈水解酶(SEQ ID NO 38)含有2个小的序列改变。起始密码子由GTG变为ATG以利于重组表达，并在克隆过程中导入在C-末端附近引起单个氨基酸改变(Pro367[CCA] — Ser[TCA])的人工序列。如本文所使用的，术语“乙醇腈”缩写为“GLN”，并且与羟基乙腈、2-羟基乙腈、羟基甲腈以及CAS登...

【专利技术属性】
技术研发人员：R迪科西莫，MS佩恩，A帕诺瓦，DP奥基夫，JS汤普森，
申请(专利权)人：纳幕尔杜邦公司，
类型：发明
国别省市：