木糖氧化无色杆菌（Achromobacter xylosoxydans）中几种β-内酰胺酰化酶的性质与结构研究

摘要

半合成β-内酰胺类抗生素是非常有效的抗细菌感染类药物，占全球抗生素市场约65％的份额，销售额约150亿美元。在经济和环境需求的驱动下，β-内酰胺酰化酶被越来越广泛地应用于半合成β-内酰胺类抗生素的工业生产。β-内酰胺类抗生素酰化酶根据底物的不同，主要分为青霉素酰化酶和头孢菌素酰化酶，工业上通常用作水解发酵产物(青霉素G和头孢菌素C)产生抗生素母核，同时也可以应用于半合成β-内酰胺类抗生素的合成催化反应。尽管β-内酰胺酰化酶的研究已开展多年并取得进展，但基础性的深入研究和大规模工业生产应用所必需的优良酶类仍然缺乏。 我们围绕β-内酰胺酰化酶开展研究，首先探索了产生菌株的筛选、鉴定。筛选指示物采用由头孢菌素C侧链和其模拟母核构成、对去酰化高度敏感的化合物，即本实验室合成的两种β-内酰胺类抗生素的模拟底物6-硝基-3-苯乙酰氨基苯甲酸(NIPAB)和戊二酰-2-硝基-5-氨基苯甲酸(GL-NABA)。从数千株极地和海洋微生物中成功地筛选到两株可能的β-内酰胺酰化酶产生菌，它们可分解青霉素G酰化酶高特异性模拟底物6-硝基-3-苯乙酰氨基苯甲酸(NIPAB)。同时，对一株本室筛选得到的β-内酰胺酰化酶产生菌株(SP650)进行了形态观察和生化分析，菌株鉴定为木糖氧化无色杆菌木糖氧化亚种(Achromobacterxylosxidans subsp．xylosoxidans)。该菌具有水解青霉素、头孢菌素和其他类似底物的能力，至少可产生三种β-内酰胺酰化酶，是少见的可以同时产生多种β-内酰胺酰化酶的菌株。 从获得的木糖氧化无色杆菌(Achromobacter xylosoxidans)中克隆得到一种新型的青霉素G酰化酶基因，标记为PGA650。该基因的开放阅读框有2586bp，GC含量高达68.72％，是目前已知的GC含量最高的青霉素G酰化酶基因。PGA650酰化酶与研究较为透彻的来源于Providence rettgeri,Kluyvera citrophila和E. coli青霉素G酰化酶具有超过50％的同源性。对同源建模构建的PGA650结构模型的分析发现，PGA650的分子表面分布大量精氨酸残基，预测PGA650具有高热稳定的特性。PGA650的最适反应温度是60℃，在55℃的半衰期是来源于Alcaligeenesfaecali的青霉素G酰化酶四倍，而Alcaligenes faecalis青霉素G酰化酶是之前已报道的热稳定最高的青霉素酰化酶。PGA650活力维持的pH范围较广，它的最适反应pH为8.5左右，但即使降低到pH5.3，也还有85％以上的活力，并且具有较高的酸性环境下的稳定性。酸性条件有利于所催化的反应向合成方向进行并有助于合成反应底物和产物的稳定，很有应用价值，因此酸性高活力和稳定性是PGA650的另一个特点。我们从同源结构建摸和氨基酸组成两个方面比较分析决定PGA650强热稳定性的分子基础。发现了PGA650分子内部有较多的盐键、较低的天冬酰胺和谷氨酰胺含量、显著高的精氨酸和脯氨酸含量、α亚基N-和C-末端额外的残基序列等性质，推断是其高热稳定性的主要决定因素。对动力学控制的PGA650酶促合成β-内酰胺类抗生素(头孢氨苄)，进行了精确测定。PGA650催化的头孢氨苄合成产量显著高于被认为最适合用做β-内酰胺类抗生素合成的E.coli青霉素G酰化酶，而且具有较高的底物特异性，较适合进行β-内酰胺类抗生素的合成催化。因此，PGA650所独有的高稳定性和在酸性环境下的高活性的特性，使之具有更适合于β-内酰胺类抗生素工业生产的潜在优势。 利用头孢菌素的模拟底物从木糖氧化无色杆菌(Achromobacterxylosoxidarts)克隆到另外一种具有广底物谱的新型酰化酶基因，命名为ana。对该基因进行了测序并在大肠杆菌中高表达和纯化。序列分析的结果表明，Ana是典型的酰化酶标记家族的成员，GC含量高达71％。酰化酶标记家族通常含有高度保守的约130个氨基酸序列(富含丝氨酸和甘氨酸)，催化三连体的活性中心完全保守。对包含ana基因在内的3.4kb的插入片断进行测序及遗传背景分析，推断Ana和其同源酰化酶很有可能就是转位子的一部分。有趣的发现是，与Ana同源性很高的酰化酶大都来源于可导致肺部慢性感染的致病菌，如Bordetellabronchiseptica，Bordetella pertussis，Mycobacterium tuberculosis H37RV，Mycobacterium leprae，Rhodopseudomonas palustris和Rhodobacter sphaeroides。Ana的底物谱广泛，能够水解多个头孢菌素酰化酶的底物类似物(包括AD-NABA，GL-NABA，GL-Aniline，GL-Nap，AD-NA等)，但不能水解头孢菌素。Ana对六个碳原子侧链的底物(AD-NABA)的亲和力高于五个碳原子侧链的底物(GL-NABA)。Ana底物谱广泛的优良特性，可能应用于某些工业反应的催化。

目录

摘要

综述部分 β-内酰胺类抗生素酰化酶的研究进展

论文部分 第一章β-内酰胺酰化酶产生菌的筛选和一株产多种β-内酰胺酰化酶菌株的鉴定与特性研究

论文部分 第二章来源于木糖氧化无色杆菌(Achromobacter xylosoxydans)的新型青霉素G酰化酶（PGA650）的研究

摘要

1.引言

2.材料和方法

3实验结果与讨论

4.小结

参考文献

论文部分 第三章木糖氧化无色杆菌(Achromobacter xylosoxydans)广底物谱酰化酶Ana的研究

附录：本论文缩写 汇编

在学期间论文发表、会议报告及获奖情况

致谢