本发明涉及一种季鏻盐离子液体共溶剂体系中植物甾醇全细胞生物转化制备雄烯二酮的方法。
背景技术
雄甾-4-烯-3,17-二酮(ad)是重要的甾体药物中间体，可用于合成上百种甾体激素类药物。以自然界中丰富的植物甾醇为底物，通过生物转化法制备ad具有广阔的应用前景。然而，分枝杆菌降解植物甾醇侧链得到ad需经过11种功能酶系协同催化的16步反应历程，迄今为止只能在全细胞中完成。存在着两个主要问题：(1)甾醇底物的低水溶性；(2)疏水性产物ad在胞内对细胞活性的抑制甚至毒性，以及析出后对底物颗粒和细胞的包结。通常，基于溶剂工程策略添加共溶剂(助溶剂)，能够促进底物和产物溶解，提高过程转化效率。
随着人们对绿色过程开发的要求越来越迫切，一种新型的绿色溶剂——离子液体以其独特的理化性质逐渐进入人们的视野。离子液体(ionicliquid,il)是由阳离子和阴离子构成的在临界温度(一般为100℃)下呈液态的有机盐。目前常用的离子液体主要是由9类阳离子(烷基咪唑类、烷基吡啶类、季铵、季鏻、吡咯烷、哌啶、吗啉、胍类等)和28类阴离子(卤素类、六氟磷酸型、四氟硼酸型、硝酸型、磺酸型、羧酸型、亚胺型等)构成，主要用于有机合成和催化、萃取分离、电化学、功能材料等领域，将生物相容性差的离子液体直接用作生物催化反应介质会带来催化效率低、资源浪费、生态毒性等问题。因此，针对生物催化反应过程筛选和合成特定结构的离子液体是提高过程效率、实现绿色催化的途径之一。
离子液体用于全细胞生物催化过程的历史可以追溯到2000年(biotechnologyandbioengineering.2000,69:227-233)。但是，离子液体在甾体药物生物转化中的应用还较少。2011年wang等(biotechnologyandbioprocessengineering.2011,16:852-857)将2％的亲水性乳酸盐离子液体[bmim][lac]作为共溶剂添加到甲苯/缓冲液两相体系中，用于arthrobactersimplex全细胞催化11β-羟基甲羟孕酮的脱氢反应，使得转化率从原来的56.4％提高到83.2％。2012年，作者(appliedbiochemistryandbiotechnology.2012,167:2131-2143)又在arthrobactersimplex固定化细胞催化17α-羟基-16β-甲基-孕甾-4,9(11)-二烯-3,20-二酮的c1位脱氢反应中添加0.3％的亲水性离子液体[emim][lac]，将转化率提高到93.4％。最近，shen等(journalofchemicaltechnologyandbiotechnology.2018,93:426-431)也报道了在arthrobactersimplex全细胞催化醋酸可的松c1位脱氢反应中添加0.5％的[prmim][bf4]、[prmim][pf6]等离子液体作为共溶剂，并详细研究了各种离子液体对微生物细胞生长、细胞活性、细胞膜通透性、细胞组成结构和催化转化效率等的影响，对离子液体存在时全细胞催化转化过程有了更深刻的认识。但是，这些研究都集中在甾体药物的c1位脱氢反应上，还未见将离子液体作为共溶剂成功用于甾醇侧链降解反应的报道。考虑到商业化离子液体对甾醇溶解性差及对细胞生物相容性依然不够理想的情况(acssustainablechemistry&engineering.2017,5:10702-10709)，本发明结合甾醇的疏水性和氢键酸性及全细胞作为催化剂这两大特点，以生物相容性好、氢键碱性强的生物分子脂肪酸为阴离子供体，生物相容性和溶解性能均较好的季鏻盐为阳离子供体合成离子液体，作为促进底物和产物溶解的共溶剂，从而提高植物甾醇全细胞生物转化过程效率。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种季鏻盐离子液体共溶剂体系中植物甾醇全细胞生物转化制备ad的方法。
提供了一种离子液体共溶剂体系中分枝杆菌静息细胞降解植物甾醇侧链制备ad的方法，包括如下步骤：
(a)以分枝杆菌mycobacteriumsp.nrrlb-3683(菌种编号atcc29472)为菌种，进行种子液培养；其中菌种可购买自https://www.atcc.org/search_results.aspx？dsnav＝ntk:primarysearch％7c29472％7c3％7c,ny:true,ro:0,n:1000552&searchterms＝29472&redir＝1。该菌种在cn1507489a中也有公开报导。
(b)将步骤(a)所得种子液接种到发酵培养基中培养，制备静息细胞，冷冻保存备用；
(c)将步骤(b)所得静息细胞在含葡萄糖的tris-hcl缓冲液中活化培养2～12h，然后投入1～30gl-1底物植物甾醇和0.1～1vol.％的亲水性脂肪酸季鏻盐离子液体作为共溶剂，进行生物转化反应，制备ad。
优选地，所述种子培养基中添加玻璃珠以分散细胞，种子液培养温度为28℃，摇床转速为180rpm，培养时间为24～48h。
优选地，所述发酵培养在底部加工有2个大小约15×8×2mm挡板的500ml锥形瓶中进行，发酵培养基中添加1～2gl-1用tween80水溶液预分散的植物甾醇作为诱导剂，接种量为8～12vol.％，发酵培养温度为30℃，摇床转速为200rpm，培养时间为48～60h。发酵培养完成后，离心收集菌体，用ph7.0的磷酸盐缓冲液洗涤，即得所述静息细胞。
优选地，所述静息细胞浓度为50gl-1，葡萄糖浓度为2gl-1，tris-hcl缓冲液为ph7.5，0.1m，所述植物甾醇为白色粉末，主要成分为β-谷甾醇(45％)、豆甾醇(26.2％)、菜油甾醇(23.5％)和菜籽甾醇(3.2％)，纯度≥95％。
优选地，所述亲水性脂肪酸季鏻盐离子液体的阳离子为四丁基鏻(p4,4,4,4+)，阴离子为含8～18个碳的脂肪酸根。合成步骤为：将四丁基氢氧化鏻与等摩尔量的脂肪酸混合，在圆底烧瓶中45℃下搅拌反应至完全中和，然后通过加热搅拌并伴随空气吹扫直至恒重，以除去溶剂，得到离子液体。
优选地，所述生物转化反应在底部加工有2个挡板的锥形瓶中进行，反应温度为30℃，摇床转速为200rpm。
本发明的优势在于：作为共溶剂的亲水性脂肪酸季鏻盐离子液体对底物植物甾醇的溶解度高达176～468gl-1，相比于普通商业化离子液体提高了100倍以上；其低浓度水溶液对底物和产物的溶解能力也大大优于有机溶剂和表面活性剂参与的体系，且黏度不超过1.6cp，细胞和底物分散状况良好，细胞膜完整性几乎不受离子液体的影响。因此，这些离子液体作为共溶剂能有效促进底物和产物溶解，提高过程转化效率，且离子液体用料极少，有利于节约生产成本。
附图说明
图1为合成的离子液体四丁基鏻癸酸盐([p4,4,4,4][c9h19coo])的1hnmr谱图；
图2为合成的离子液体四丁基鏻癸酸盐([p4,4,4,4][c9h19coo])的13cnmr(500mhz,dmso-d6)谱图。
具体实施方式
以下的具体实施例对本发明展开了详细的描述，但本发明并不限制于以下实施例。
实施例1：四丁基鏻癸酸盐离子液体([p4,4,4,4][c9h19coo])-缓冲液共溶剂体系中植物甾醇生物转化制备ad，具体如下：
步骤一：制备离子液体[p4,4,4,4][c9h19coo]。具体地，将四丁基氢氧化鏻([p4,4,4,4][oh])的40wt.％水溶液与等摩尔量的癸酸混合，在圆底烧瓶中45℃下搅拌反应12h至完全中和，然后通过加热搅拌并伴随空气吹扫直至恒重，以除去溶剂，得到室温下呈透明液体的离子液体[p4,4,4,4][c9h19coo]。
用核磁氢谱1hnmr和碳谱13cnmr表征合成的[p4,4,4,4][c9h19coo]。1hnmrδ/ppm(500mhz,dmso-d6):0.84-0.89(15h,m；coo-c6-ch3andp-cn-ch3),1.15-1.50(58h,m；coo-c2-(ch2)4,p-c-(ch2)nandcoo-c-ch2),1.72-1.75(2h,t；coo-ch2),2.15-2.21(8h,m；p-ch2).13cnmrδ/ppm(500mhz,dmso-d6):13.24(s；p-c4),13.94(s；coo-c8),17.09-17.47(d；p-c1),22.14(s；coo-c7),22.65-22.68(d；p-c3),23.30-23.43(d；p-c2),26.83(s；coo-c6),28.91(s；coo-c5),29.59(s；coo-c4),31.42(s；coo-c3),39.21(s；coo-c2),174.68(s；coo-c1)。谱图如图1和图2所示。分析表明合成的离子液体结构无误且具有较高的纯度。
步骤二：种子液培养。在无菌条件下，将试管斜面分枝杆菌mycobacteriumsp.nrrlb-3683菌株接种到装有50ml种子培养基和15颗玻璃珠的250ml锥形瓶中，在恒温振荡培养箱中28℃，180rpm条件下培养48h。
该种子培养基配方为：葡萄糖5gl-1，牛肉浸膏3gl-1，胰蛋白胨5gl-1，nacl15gl-1，甘油1.5vol.％，ph7.0；115℃下高压蒸汽灭菌30min。
步骤三：发酵培养制备静息细胞。将培养2天的种子液以12vol.％的接种量转接到装有100ml发酵培养基的500ml具挡板锥形瓶中。其中，发酵培养基在灭菌前添加1gl-1用tween80水溶液预分散的植物甾醇以诱导分枝杆菌产酶(控制最终培养基中tween80浓度为0.05％)，置于恒温振荡培养箱中，在30℃，200rpm条件下培养至分枝杆菌细胞对数生长末期(60h)，此时细胞浓度和活性均较高且胞内酶量丰富。离心(4℃,8000rpm,2min)收集菌体，并用磷酸盐缓冲液洗涤3次，得到湿细胞(即静息细胞，每克湿细胞约含干细胞重0.2g)，于-20℃冷冻储存备用。
该发酵培养基配方为：葡萄糖8gl-1，柠檬酸2gl-1，柠檬酸铁铵0.05gl-1，mgso40.5gl-1，k2hpo40.5gl-1，(nh4)2hpo46gl-1，ph7.0；115℃下高压蒸汽灭菌30min。
步骤四：离子液体-缓冲液共溶剂体系中植物甾醇生物转化制备ad。有氧环境的分枝杆菌静息细胞催化植物甾醇侧链降解过程在100ml具挡板锥形瓶中进行。取出预先培养并在-20℃冷冻储存的分枝杆菌mycobacteriumsp.nrrlb-3683静息细胞作为生物催化剂。为提高催化速率，在进行生物转化反应前，先将50gl-1湿细胞和2gl-1葡萄糖添加到ph7.5的tris-hcl缓冲液中，在30℃和200rpm条件下活化7h。向体系中添加3gl-1植物甾醇和1vol.％的离子液体[p4,4,4,4][c9h19coo]作为共溶剂，进行生物转化反应，以不添加离子液体的缓冲液体系作为对照。间隔2h取样用hplc测定ad浓度，计算出ad时空产率(转化速率)为73mgl-1h-1，高于对照缓冲液体系中的ad产率(54mgl-1h-1)。
实施例2：四丁基鏻月桂酸盐离子液体([p4,4,4,4][c11h23coo])-缓冲液共溶剂体系中植物甾醇生物转化制备ad，具体如下：按实施例1的方法制备离子液体[p4,4,4,4][c11h23coo]，并进行核磁氢谱1hnmr和碳谱13cnmr的表征。
按实施例1的方法进行种子液培养和发酵培养制备静息细胞。
有氧环境的分枝杆菌静息细胞催化植物甾醇侧链降解过程在100ml具挡板锥形瓶中进行。取出预先培养并在-20℃冷冻储存的分枝杆菌mycobacteriumsp.nrrlb-3683静息细胞作为生物催化剂。为提高催化速率，在进行生物转化反应前，先将50gl-1湿细胞和2gl-1葡萄糖添加到ph7.5的tris-hcl缓冲液中，在30℃和200rpm条件下活化7h。向体系中添加3gl-1植物甾醇和1vol.％的离子液体[p4,4,4,4][c11h23coo]作为共溶剂，进行生物转化反应，以不添加离子液体的缓冲液体系作为对照。间隔2h取样用hplc测定ad浓度，计算出ad时空产率(转化速率)为101mgl-1h-1，远高于对照缓冲液体系中的ad产率(54mgl-1h-1)。
实施例3：四丁基鏻月桂酸盐离子液体([p4,4,4,4][c11h23coo])-缓冲液共溶剂体系中植物甾醇生物转化制备ad，具体如下：
按实施例1的方法制备离子液体[p4,4,4,4][c11h23coo]，并进行核磁氢谱1hnmr和碳谱13cnmr的表征。
按实施例1的方法进行种子液培养和发酵培养制备静息细胞。
有氧环境的分枝杆菌静息细胞催化植物甾醇侧链降解过程在100ml具挡板锥形瓶中进行。取出预先培养并在-20℃冷冻储存的分枝杆菌mycobacteriumsp.nrrlb-3683静息细胞作为生物催化剂。为提高催化速率，在进行生物转化反应前，先将50gl-1湿细胞和2gl-1葡萄糖添加到ph7.5的tris-hcl缓冲液中，在30℃和200rpm条件下活化7h。向体系中添加3gl-1植物甾醇和0.4vol.％的离子液体[p4,4,4,4][c11h23coo]作为共溶剂，进行生物转化反应，以不添加离子液体的缓冲液体系作为对照。间隔2h取样用hplc测定ad浓度，计算出ad时空产率(转化速率)为56mgl-1h-1，高于对照缓冲液体系中的ad产率(54mgl-1h-1)。
实施例4：四丁基鏻硬脂酸盐离子液体([p4,4,4,4][c17h35coo])-缓冲液共溶剂体系中植物甾醇生物转化制备ad，具体如下：
按实施例1的方法制备离子液体[p4,4,4,4][c17h35coo]，并进行核磁氢谱1hnmr和碳谱13cnmr的表征。
按实施例1的方法进行种子液培养和发酵培养制备静息细胞。
有氧环境的分枝杆菌静息细胞催化植物甾醇侧链降解过程在100ml具挡板锥形瓶中进行。取出预先培养并在-20℃冷冻储存的分枝杆菌mycobacteriumsp.nrrlb-3683静息细胞作为生物催化剂。为提高催化速率，在进行生物转化反应前，先将50gl-1湿细胞和2gl-1葡萄糖添加到ph7.5的tris-hcl缓冲液中，在30℃和200rpm条件下活化7h。向体系中添加3gl-1植物甾醇和0.1vol.％的离子液体[p4,4,4,4][c17h35coo]作为共溶剂，进行生物转化反应，以不添加离子液体的缓冲液体系作为对照。间隔2h取样用hplc测定ad浓度，计算ad时空产率(转化速率)为123mgl-1h-1，远高于对照缓冲液体系中的ad产率(54mgl-1h-1)。