从羧酸或二羧酸或其单酯生产胺和二胺的制作方法
【专利说明】从羧酸或二羧酸或其单酯生产胺和二胺
[0001] 本发明涉及全细胞催化剂，其表达重组α -双加氧酶和/或由重组脂肪酸还原酶 和将所述脂肪酸还原酶磷酸泛酰巯基乙胺基化的磷酸泛酰巯基乙胺基转移酶构成的组合， 且其另外表达转氨酶，其中所述磷酸泛酰巯基乙胺基转移酶和/或转氨酶优选地为重组 体；还涉及用于将羧酸或二羧酸或其单酯转化成胺或二胺的方法，所述方法包括下述步骤： 使所述羧酸或二羧酸或其单酯与磷酸泛酰巯基乙胺基化的脂肪酸还原酶或α-双加氧酶 接触，和使产物与转氨酶接触。
[0002] 聚酰胺是一类以重复的酰胺基为特征的聚合物。不同于化学上有关的蛋白，术语 "聚酰胺"通常涉及合成的、商购可得的热塑性聚合物。聚酰胺衍生自伯胺或仲胺，所述伯胺 或仲胺常规地在烃裂化中得到。但是，衍生物(更精确地讲，氨基羧酸、内酰胺和二胺）也可 以用于聚合物生产。作为反应物（Edukt)也感兴趣的是短链气态烷烃，其可以通过生物技 术方法从可再生原料开始得到。
[0003] 这样的胺和二胺的常规化学技术生产依赖于化石原料的供给，且是低效的，并且 在该过程中形成大量不希望的副产物，在一些合成步骤中最多达80%。这样的过程的一个例 子是月桂内酰胺的生产。常规地，这通过多级过程来实现，所述多级过程不仅产生低产率， 而且同时需要复杂的基础设施。
[0004] 由于所述缺点，已经开发了使用生物催化剂从可再生原料得到胺和二胺的方法。 合适的可再生原料尤其是脂肪酸源，其可以以下述形式得到：油菜籽油、球花蓟油、棕榈仁 油、椰子油、葵花子油和得自许多生物学来源(尤其是植物）的类似天然产物。
[0005] PCT/EP 2008/067447描述了使用细胞来生产化学上相似的产物(更精确讲， ω -氨基羧酸）的生物技术体系，所述细胞具有许多合适的酶活性，且能够将羧酸转化成相 应的ω-氨基羧酸。所述方法包括酶促催化反应的级联，尤其是将末端碳原子处的脂肪酸 氧化为醛，随后使用转氨酶和作为胺供体的氨基酸进行胺化，所述胺供体可以通过氨基酸 脱氢酶再生。
[0006] 但是，在其中使用的得自恶臭假单胞菌（/kewt/offimas GPOl的AlkBGT氧 化酶体系的已知缺点在于，它不能执行脂族烷烃至伯醇的选择性氧化。相反，产生大量氧 化产物，尤其是，更高度氧化的产物(诸如相应的醛、酮或相应的羧酸）的比例随着反应时间 的增加而增加（C. Grant, J. M. Woodley 和 F. Baganz (2011)，万似7膨 48，480-486)，这会相应地降低期望的胺的产率。
[0007] 由于形成的氧化产物在结构上非常类似，加重了相对非选择性氧化的问题。这造 成非常难以有效地和没有显著产率损失地将它们与期望的氧化产物分离。
[0008] 该方法的另一个缺点在于，过度氧化的副产物(例如用作反应物的脂肪酸的二羧 酸)、疏水溶剂和疏水液体阳离子交换剂(根据PCT/EP2011/071491，其可以用于从水性反应 混合物中分离产物）的回收是以资源利用效率为代价。
[0009] 在这方面，应当强调的是，如PCT/EP2008/067447所述的具有反应级联(其中每一 种反应由一种特定的酶催化)的生物技术体系的复杂性使得难以优化反应条件。例如，在基 本上以反应性的ω-氨基脂肪酸作为产物的情况下，存在从细胞内部的某一临界浓度起它 们将与生物体的必需组分反应并因而具有毒性效应的可能性。如果是这种情况，那么生物 体的生长和合成能力会受损，直至导致细胞的死亡，而开发者不能直接识别毒性或甚至将 它归因于特定反应物、中间产物或产物。也难以预测何种生物体耐受化学反应性物质的何 种浓度。
[0010] 关于要提高的产物产率和要减少的副产物形成，本领域技术人员也不能常规地鉴 别体系（诸如在PCT/EP2008/067447中描述的体系）中的限制性因素和决定性因素。如果 产物产率过低，那么这可能是因为酶之一以过低的浓度存在，而不知道这是可能的酶中的 哪一种，即由于合成能力不足，在预定的时间范围内或在被竞争酶降解之前，反应物未被转 化。或者，可能是由于，尽管可检测到一种酶在细胞中以多肽的形式存在，但是恰好在该细 胞中不具有为活性所必需的折叠，或者缺乏迄今未知的、但是为活性所必需的辅因子。同样 地，如已提及的，代谢产物可能是对细胞有毒的，或者被降解。最后，必须考虑与内源酶（即 在用作全细胞催化剂的细胞中天然存在的酶）的干扰性相互作用。
[0011] 因此存在对由脂肪酸生产烷基单胺和-二胺的方法的需求，在该方法中酶促催化 的反应更选择性地进行，并且使不希望的副产物的形成最小化。
[0012] 在该背景下，本发明的目的是，提供在产率、碳-和/或氮平衡和/或纯度方面尽 可能有效的由脂肪酸生产烷基单胺和-二胺的生物技术方法。
[0013] 本发明的另一个目的是，提供在产率、碳-和/或氮平衡、所使用的试剂的可重复 使用性和/或产物的纯度方面尽可能有效的由脂肪酸生产烷基单胺和-二胺的生物技术方 法。在这方面，有效的碳-和/或氮平衡优选地被理解为是指，在期望的终产物中以尽可能 高的比例重新找到为转化羧酸或羧酸酯以合适的底物的形式喂养给细胞的碳和/或氮，而 不是例如转化成不期望的产物。
[0014] 本发明的另一个目的是，改善得自由脂肪酸生产烷基单胺和-二胺的多相反应混 合物的可处理性，尤其是在用于处理使用过的疏水溶剂和液体阳离子交换剂的可重复使用 性方面，以及在两相体系中的相形成和相分离方面，所述两相体系包含水相(在其中进行羧 酸或羧酸酯的转化）和有机相(其含有有机溶剂和/或液体阳离子交换剂)。
[0015] 本申请的主题和尤其是附带的独立权利要求的主题的主题实现了这些和其它目 的，其中由从属权利要求获悉实施方案。
[0016] 在第一方面中通过全细胞催化剂解决了作为本发明的基础的问题，所述全细胞催 化剂表达重组α-双加氧酶或由重组脂肪酸还原酶和由将所述脂肪酸还原酶磷酸泛酰巯 基乙胺基化的磷酸泛酰巯基乙胺基转移酶构成的组合，且其另外表达转氨酶，其中所述磷 酸泛酰巯基乙胺基转移酶和/或转氨酶优选地为重组体。
[0017] 在第一方面的第一个实施方案中通过全细胞催化剂解决了所述问题，所述全细胞 催化剂另外表达氨基酸脱氢酶，所述氨基酸脱氢酶优选地为重组体。
[0018] 在第二个实施方案中，其也是第一个实施方案的一个实施方案，通过全细胞催化 剂解决了所述问题，所述全细胞催化剂另外表达烷烃羟化酶，所述烷烃羟化酶优选地为重 组体。
[0019] 在第三个实施方案中，其也是第一至第二个实施方案的一个实施方案，通过全细 胞催化剂解决了所述问题，所述全细胞催化剂另外表达AlkL家族的多肽，所述多肽优选地 是重组体。
[0020] 在第四个实施方案中，其也是第二个实施方案的一个实施方案，通过全细胞催化 剂解决了所述问题，所述全细胞催化剂另外表达醇脱氢酶，所述醇脱氢酶优选地为重组体。
[0021] 在第五个实施方案中，其也是第一至第四个实施方案的一个实施方案，通过全细 胞催化剂解决了所述问题，其中与所述全细胞催化剂的野生型相比，至少一种参与氧 化的酶的活性降低。
[0022] 在第六个实施方案中，其也是第一至第五个实施方案的一个实施方案，通过全细 胞催化剂解决了所述问题，其中与所述全细胞催化剂的野生型相比，BioH或其变体的活性 降低或增加。
[0023] 在第七个实施方案中，其也是第一至第六个实施方案的一个实施方案，通过全细 胞催化剂解决了所述问题，其中与所述全细胞催化剂的野生型相比，FadL或其变体的活性 增加。
[0024] 在第二方面，通过一种用于将羧酸或二羧酸或其单酯转化成胺或二胺的方法解决 了作为本发明的基础的问题，所述方法包括下述步骤： a) 提供羧酸或二羧酸或在二羧酸的情况下其单酯，优选地通过使羧酸与烷烃羟化酶和 /或醇脱氢酶接触， b) 使所述羧酸或二羧酸或其单酯与磷酸泛酰巯基乙胺基化的脂肪酸还原酶或α-双 加氧酶接触，形成醛产物，和 c) 使得自步骤a)的产物与转氨酶接触。
[0025] 在第二方面中，一种方法解决了作为本发明的基础的问题，其中在步骤c)中，存 在氨基酸脱氢酶。
[0026] 在第二方面的第一个实施方案中，通过一种方法解决了所述问题，其中将选自包 含磷酸泛酰巯基乙胺基化的脂肪酸还原酶、α -双加氧酶、转氨酶、氨基酸脱氢酶和烷烃羟 化酶的组的至少一种酶，优选所使用的选自该组的所有酶，以全细胞催化剂的形式提供给 根据本发明的第一方面。
[0027] 在第二个实施方案中，其也是第一个实施方案的一个实施方案，通过一种方法解 决了所述问题，其中所述羧酸或二羧酸或其单酯是式（I)的化合物 R1 - A - COOR2 (I)， 其中R1选自-H和COOR 3， 其中R2和R 3各自并彼此独立地选自Η、甲基、乙基和丙基， 前提条件是，残基R2和R3中的至少一个是Η， 其中A是无分支的、支链、直链、环状、被取代的或未被取代的、具有至少4个碳原子的 烃基。
[0028] 在第三个实施方案中，其也是第一至第二个实施方案的一个实施方案，一种方法 解决了所述问题，其中A具有式-(CH2)n -，其中η是至少4,优选至少10。
[0029] 在第三方面，通过使用根据第一方面的全细胞催化剂或根据第二方面的方法用于 将脂肪酸、ω-羟基脂肪酸、ω-氧代脂肪酸或其单酯胺化，解决了作为本发明的基础的问 题。
[0030] 在第四方面，一种反应混合物解决了作为本发明的基础的问题，所述反应混合 物包含在水溶液中的根据第一方面的全细胞催化剂和式（I)的脂肪酸、ω-羟基脂肪酸、 ω-氧代脂肪酸或其单酯 R1-A- COOR2 (I), 其中 R1 选自-Η、-CH0、-OH 和 COOR 3， 其中R2和R 3各自并彼此独立地选自Η、甲基、乙基和丙基， 前提条件是，残基R2和R3中的至少一个是Η， 其中A是无分支的、支链、直链、环状、被取代的或未被取代的、具有至少4个碳原子的 烃基，优选式-(CH2)n -，其中η是至少4,特别优选至少10。
[0031] 本发明是基于发明人的以下认识：用于由脂肪酸生产胺和二胺且具有适当酶配备 (Ausstattung)的全细胞催化剂中的功能重组的脂肪酸还原酶或α -双加氧酶令人惊讶地 提高胺和二胺的产率。
[0032] 此外，本发明是基于发明人的以下认识：用于由脂肪酸生产胺和二胺且具有适当 酶配备的全细胞催化剂中的功能重组的脂肪酸还原酶或α-双加氧酶令人惊讶地降低产 生的产物中的干扰性副产物(尤其是二羧酸及其酯形式的过度氧化的脂肪酸）的浓度。
[0033] 此外，本发明是基于发明人的以下认识：用于由脂肪酸生产胺和二胺且具有适当 酶配备的全细胞催化剂中的功能重组的脂肪酸还原酶或α-双加氧酶改善液体阳离子交 换剂(诸如油酸）的纯度和可重复使用性，所述液体阳离子交换剂用于从含有全细胞催化剂 的发酵溶液中除去胺和二胺。
[0034] 本发明涉及改进的将羧酸或二羧酸或其单酯转化成胺或二胺的方法，所述方法的 特征在于，除催化脂肪酸经由它的多个氧化阶段转化为胺的反应的酶外，也存在脂肪酸还 原酶或α-双加氧酶，优选地，当使用全细胞催化剂进行所述方法时。在一个优选的实施方 案中，本文中使用的术语"脂肪酸还原酶"被理解为是指这样的酶：其在消耗ATP和NAD (P) H的情况下催化ω-羧基酸(也被称为二羧酸或ω-羧基脂肪酸）向相应的ω-氧代脂肪酸 的转化。在现有技术中，例如在W0/2010/135624中，描述了用于生产ω-羟基脂肪酸的脂 肪酸还原酶，但是并未作为生产ω-氨基脂肪酸的体系的一部分。在一个还更优选的实施 方案中，所述脂肪酸还原酶选自含有以下氨基酸序列及其变体的脂肪酸还原酶： YP_887275. U ZP_11001941. U ZP_06852401. U NP_959974. U ΥΡ_001070587. U ΖΡ_05217435. 1、ΥΡ_882653. 1、ΥΡ_639435. 1、ΖΡ_10800193. 1、ΥΡ_006452763. 1、 ΥΡ_006730440. 1、ΖΡ_11196216. 1、ΥΡ_005349252. 1、ΖΡ_05224908. 1、ΥΡ_005338837. 1、 ΥΡ_006307000. 1、ΥΡ_005343991. 1、ΖΡ_11001942. 1、ΖΡ_09979565. 1、ΥΡ_005003162. 1、 ΥΡ_953393. 1、ΥΡ_001850422. 1、ΖΡ_11011489. 1、ΖΡ_12689264. 1、ΥΡ_905678. 1、 ΖΡ_09976919. 1、ΥΡ_004746059. 1、ΝΡ_217106. 1、ΥΡ_004525443. 1、ΝΡ_337166. 1、 ΖΡ_09685823. 1、ΥΡ_978699. 1、ΖΡ_06437984. 1、ΖΡ_06514086. 1、ΝΡ_856267. 1、CAA19077. 1、 ΝΡ_301424. 1、ΖΡ_06522140. 1、ΖΡ_06518098. 1、ΖΡ_11008938. 1、ΖΡ_07432374. 2、 AAR91681. 1、ΥΡ_006808747· 1、ΥΡ_001851230· 1、ΖΡ_15327751· 1、ΖΡ_15455857· 1、 ΖΡ_12874284. 1、ΖΡ_15332534. 1、ΖΡ_15512956. 1、ΖΡ_14244106. 1、ΖΡ_15470899. 1、 ΖΡ_11439367. 1、ΥΡ_001703694. 1、ΖΡ_15446742. 1、ΥΡ_006808978. 1、ΖΡ_07964926. 1、 ΥΡ_006521379. 1、ΖΡ_10796908. 1、ΖΡ_15512957. 1、ΖΡ_12874283. 1、ΥΡ_005350955. 1、 ΖΡ_14243341. 1、ΥΡ_001705436. 1、ΖΡ_15329649. 1、ΥΡ_006522325. 1、ΥΡ_006732197. 1、 ΥΡ_003658971. 1、ΖΡ_05227804. 1、ΥΡ_001703695. 1、ΥΡ_006308707. 1、ΖΡ_15342047. 1、 YP_006521380. 1、ZP_15327752. 1、YP_005340557. 1、ZP_11439578. 1、ZP_15392943. 1、 ZP_15514789. 1、ZP_12996178. 1、ZP_09412214. 1、ZP_06849686. 1、YP_889972. 1、 YP_006570321. 1、ZP_15375693. 1、YP_006308219. 1、YP_006521600. 1、YP_005340029. 1、 YP_005350457. 1、ZP_11439836. 1、ZP_12994664. 1、ZP_14240588. 1、ZP_14236860. 1、 ZP_09410830. 1、YP_006731697. 1、YP_005264225. 1、YP_001704097. 1、ZP_15328186. 1、 ZP_09402885. 1、ZP_12690463. 1、AF059871. 1、ZP_07966879. 1、YP_118225. 1、 YP_001828302. 1、YP_006566873. 1、YP_003660169. 1、ZP_15337407. 1、ZP_08240521. 1、 ZP_10456477. 1、YP_001537947. 1、YP_004016539. 1、ZP_07664024. 1、ZP_14244107. 1、 ZP_09794557. 1、ZP_09274211. 1、ZP_05224899. 1、ZP_15484175. 1、AAA17105. 1、 ZP_11437924. 1、ZP_15446621. 1、YP_003646340. 1、ZP_15382134. 1、ZP_14237669. 1、 ZP_09165547. U YP_004019203. U ZP_14240225. U YP_001220863. U CBA74242. U ZP_12994240. 1、EIE27140. 1、ZP_15354547. 1、ZP_15432557. 1、ZP_15500132. 1、 ZP_15478632. 1、ZP_06846978. 1、AAA17108. 1、ZP_15333767. 1、ZP_05217205. 1、 AAD44234. 1、YP_005348984. 1、YP_006306749. 1、ZP_05224611. 1、YP_005343772. 1、 YP_006730188. 1、YP_882425. 1、ZP_10799956. 1、ZP_05045132. 1、NP_960176. 1、 ZP_12398880. 1、ZP_11192735. 1、ZP_11440091. 1、ZP_05217203. 1、ZP_06846979. 1、 ZP_10800936. 1、ZP_06523596. 1、YP_882421. 1、YP_006306748. 1、YP_006522017. 1、 ZP_15432556. 1、ZP_15354095. 1、ZP_05227781. 1、ZP_09684639. 1、YP_006730187. 1、 YP_005343770. 1、YP_005338616. 1、YP_005348983. 1、ZP_15472813. 1、ZP_15457007. 1、 ZP_15421152. 1、ZP_15488933. 1、ZP_14240030. 1、YP_001704825. 1、ZP_15328982. 1、 YP_005911512. 1、ZP_09411638. 1、ZP_12876400. 1、ZP_12995435. 1、ZP_07667680. 1、 YP_001281387. 1、EIE21044. 1、ZP_15375054. 1、NP_334518. 1、4DQV_A、ZP_06435375. 1、 YP_003030020. 1、YP_976237. 1、ZP_04926822. 1、YP_004998149. 1、YP_004743589. 1、 YP_005907921. 1、NP_214615. 1、YP_001286047. 1、ZP_06515541. 1、ZP_05139482. 1、 YP_888016. 1、ZP_06452908. 1、ZP_06519578. 1、YP_004721827. 1、CAJ77696. 1、 ZP_09680854. 1、ZP_09686453. 1、YP_884815. 1、YP_884815. 1， CAB55600. 1、ZP_09081423. 1、YP_006521568. 1、ZP_11440626. 1、ZP_15513309. 1、 ZP_09410778. 1、ZP_15374248. 1、ZP_15405954. 1、YP_001704047. 1、ZP_1423691