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CN1681932A - L-醛糖内酯的生产方法 - Google Patents

L-醛糖内酯的生产方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了通过属于Pseudomonas属或Gluconobacter属的微生物从L-己醛糖生产L-醛糖内酯的方法,尤其是从L-古洛糖生产L-古洛糖酸-1,4-内酯或L-古洛糖酸的方法,以及从L-半乳糖生产L-半乳糖酸-1,4-内酯或L-半乳糖酸的方法。

Description

L-醛糖内酯的生产方法
技术领域
本发明涉及通过属于Pseudomonas属或Gluconobacter属的微生物从L-己醛糖生产L-醛糖内酯的方法。
背景技术
L-古洛糖酸-1,4-内酯(L-gulono-1,4-1actone)和L-半乳糖酸-1,4-内酯是L-醛糖内酯,它们分别是动物和植物对L-抗坏血酸(维生素C)进行生物合成中的中间产物。人们提出的动物中维生素C的合成途径始自D-葡萄糖,然后通过中间产物D-葡糖-6-磷酸、D-葡糖-1-磷酸、UDP-D-葡糖、UDP-D-葡糖醛酸、D-葡糖醛酸、L-古洛糖酸、L-古洛糖酸-1,4-内酯和2-酮基-L-古洛糖酸-1,4-内酯,至终产物维生素C形成。人们提出的植物中维生素C的合成途径始自D-葡萄糖,然后通过中间产物D-葡糖-6-磷酸、D-果糖-6-磷酸、D-甘露糖-6-磷酸、GDP-D-甘露糖、GDP-L-半乳糖、L-半乳糖-1-磷酸、L-半乳糖、L-半乳糖酸-1,4-内酯和2-酮基-L-半乳糖酸-1,4-内酯,至终产物维生素C形成。
从1934年“Reichstein方法”被建立以来,对维生素C生物技术合成的可行性研究已经进行了很多年。微生物Gluconobacter oxydans DSM4025、Candida albicans和Saccharomyces cerevisiae能将L-半乳糖酸-1,4-内酯氧化成维生素C。Saccharomyces cerevisiae和Candida albicans拥有D-阿拉伯糖脱氢酶,催化分别从D-阿拉伯糖和L-半乳糖产生D-阿拉伯糖酸-1,4-内酯和L-半乳糖酸-1,4-内酯的过程。然而,未有报道描述用另外的L-己糖作为中间产物来对维生素C进行生物生产的可能性,所述己糖是L-艾杜糖(L-idose)、L-古洛糖和L-塔罗糖(L-talose),其具有与维生素C相应的构型(在C4和C5位置上)。
发明内容
本发明提供了通过微生物从L-己醛糖来生产L-醛糖内酯的方法,所述微生物能从L-己醛糖生产L-醛糖内酯,以及,可选地,所述方法包括从反应混合物中分离L-醛糖内酯。
具体实施方式
通过本发明的方法生产的L-醛糖内酯选自由L-古洛糖酸-1,4-内酯、L-古洛糖酸、L-半乳糖酸-1,4-内酯和L-半乳糖酸所构成的组。
在本文中使用的“L-古洛糖酸-1,4-内酯(及其酸的形式,L-古洛糖酸)”或“L-半乳糖酸-1,4-内酯(及其酸的形式,L-半乳糖酸)”指:作为物理化学平衡的结果,以内酯形式和酸的形式共同存在的混合物。
在用于生产L-醛糖内酯的本发明方法中使用的L-己醛糖选自L-古洛糖或L-半乳糖。
因此,在本发明中,L-古洛糖酸-1,4-内酯及其酸的形式,L-古洛糖酸生产自L-古洛糖,而L-半乳糖酸-1,4-内酯及其酸的形式,L-半乳糖酸生产自L-半乳糖。
L-己醛糖,例如L-古洛糖、L-半乳糖、L-艾杜糖和L-塔罗糖,是稀有的糖,其基本通过化学方法来生产,在商业上是高成本的化合物。然而,近来已有对L-古洛糖和L-半乳糖的生物制备的报道。EP 0 832 974 A2中报道了通过G.oxydans DSM 4025的酶A从D-山梨糖醇对L-古洛糖进行的生产。US 6,037,153中公开了通过L-核糖异构酶从L-山梨糖对L-古洛糖进行的生产。Izumori et al.(2001 Annual Meeting of the Society for Bioscienceand Bioengineering,Japan)中报道了从L-山梨糖对L-半乳糖进行的生产。
本发明的能从L-己醛糖生产L-醛糖内酯的微生物可以选自Pseudomonas或Gluconobacter。优选的微生物是Pseudomonas putida或Gluconobacter oxydans。更优选的是P.putida ATCC 21812或G.oxydansIFO 3293。所述微生物也可以是具有P.putida ATCC 21812或G.oxydansIFO 3293的鉴定特征的微生物的生物学上和/或分类学上的均一培养物。
P.putida ATCC 21812菌株可从American Type Culture Collection(12301 Parklawn Drive,Rockville,Maryland 20852,USA)获得。G.oxydans IFO 3293菌株可从Institute for Fermentation,Osaka(17-85,Juso-honmachi 2-chome,Yodogawa-ku,Osaka 532,Japan)获得。
本文中使用的术语“生物性上和/或分类上同类的培养物”除包括P.putida ATCC 21812或G.oxydans IFO 3293之外,还包括具有P.putidaATCC 21812或G.oxydans IFO 3293的鉴定特征的不同种/属的微生物。确定一种微生物是否属于此种均一的培养物应当基于对16S rRNA序列的比较。
微生物“Pseudomonas putida”和“Gluconobacter oxydans”还包括此类物种的由《国际原核生物命名法规》(International Code ofNomenclature of Prokaryotes)所定义的具有相同物理-化学属性的同物异名体(synonym)或基原异名体(basonym)。
本发明因此提供了通过属于Pseudomonas属或Gluconobacter属的微生物从L-己醛糖生产L-醛糖内酯的方法,尤其是从L-古洛糖生产L-古洛糖酸-1,4-内酯或L-古洛糖酸的方法,以及从L-半乳糖生产L-半乳糖酸-1,4-内酯或L-半乳糖酸的方法,所述微生物能从L-己醛糖来生产L-醛糖内酯,所述方法包括将L-醛糖内酯从反应混合物中分离出来。所述方法可于生长中的培养物或静止细胞(resting cell)的反应中进行。
因此,本发明的一种实施方式是提供上述从L-己醛糖生产L-醛糖内酯的方法,其中,上面定义的能从L-己醛糖生产L-醛糖内酯的微生物被用于正在生长的培养物或静止细胞的反应中。
本发明中,上述菌株的突变体也可以使用。本文中所用到的术语“突变”指微生物基因组序列的改变,其可以是由任何便捷手段引入的,所述便捷手段包括:例如,化学诱变和UV诱变,随后针对期待的表型进行筛选或选择;通过重组技术在体外构建功能缺失的基因,以通过单交叉重组和双交叉重组来替换所述微生物基因组中相应的原有基因;以及其它公知技术。见:Sambrook,et al.,Molecular Cloning,A Laboratory Manual,2ndEd.,Cold Spring Harbor Laboratory Press(1989)和Harwood and Cutting,Molecular Biology Methods For Bacillus,John Wiley and Sons(1990),pp.27-74。合适的诱变剂包括但不限于紫外线、X-射线、γ-射线和亚硝酸。此外,突变菌株可以通过分离自发突变形成的克隆来获得,可以采用本领域技术人员公知的能达到此目的的任何方式。
所述微生物可在有氧条件下被培养于补充有适当营养物的水性培养基中。培养可以于pH在大约1.0至9.0之间的情况下进行,优选在大约2.0至8.0之间。虽然培养期是根据所用的pH、温度和营养培养基而变化的,但是通常1至120小时将产生最有利的结果。优选用于进行培养的温度范围是从大约13℃至45℃,更优选为大约18℃至42℃。
因此,本发明的一个目的是提供通过能从L-己醛糖生产L-醛糖内酯的微生物从L-己醛糖生产L-醛糖内酯的方法,其中,所述方法在大约1至大约9的pH范围内,大约13℃至大约45℃的范围内的温度下,进行1至120小时。在一种优选的实施方式中,上述方法进行于大约2至大约8的pH范围内,大约18℃至大约42℃的范围内的温度下。
反应混合物中L-己醛糖的浓度可根据其它反应条件而变化,但是一般来说,其在1g/l至300g/l之间,优选在10g/l至200g/l之间。
通常要求培养基中含有若干营养物质,例如:可被吸收的碳源、可消化的氮源以及无机物、维生素、痕量元素和其它促进生长的因子。可被吸收的碳源的例子包括但不限于甘油、D-葡萄糖、D-甘露醇、D-果糖、D-阿糖醇、D-山梨糖醇和L-山梨糖。
若干有机或无机物质也可被用作氮源,例如酵母提取物、肉类提取物、蛋白胨、酪蛋白、玉米浆、尿素、氨基酸、硝酸盐、铵盐等。无机物硫酸镁、磷酸钾、氯化亚铁和氯化铁、碳酸钙等也可以使用。
维生素,例如生物素、氰钴胺素、硫胺·HCl、吡哆醇·HCl、泛酸钙、叶酸、肌醇、烟酸、p-氨基苯甲酸和核黄素对本发明都是有用的。
适合用于本发明的痕量元素选自稀有金属,例如:以无机盐、维生素、氨基酸、嘌呤和嘧啶的形式存在的Mo、Mn、Cu、Co和Zn,所述无机盐形式例如是Na2MoO4·2H2O。其它促进生长的因子包括但不限于氨基酸例如色氨酸或组氨酸、嘌呤例如腺嘌呤或鸟嘌呤和嘧啶例如胞嘧啶和胸腺嘧啶。
反应之后,可以通过多种色谱的组合方式从反应混合物中回收L-醛糖内酯,所述色谱例如是薄层色谱、吸附色谱、离子交换色谱、凝胶过滤色谱或高效液相色谱。也可以使用本发明的反应混合物中未经纯化的反应产物,作为进一步反应的底物。
下述实施例被用来进一步地阐述本发明的方法。这些实施例仅作阐述用,而并非欲以任何方式对本发明的范围加以限制。
实施例1:通过P.putida或G.oxvdans从L-古洛糖来生产L-古洛糖酸-1,4- 内酯
在由2.5%甘露醇、0.5%酵母提取物(Difco)和0.3%细菌蛋白胨(Difco)构成的MB琼脂培养基上,于30℃对P.putida ATCC 21812和G.oxydans IFO 3293进行48小时的培养。得到的细胞被用于静止细胞反应。在室温下对由2%的L-古洛糖、0.3%的NaCl、1%的CaCO3和1 mM吩嗪硫酸甲酯构成的反应混合物(1ml)进行17小时的培养。如表1中所概括的,产生的L-古洛糖酸-1,4-内酯和L-古洛糖酸的量通过薄层色谱(thin layer chromatography,TLC)和高效液相色谱(HPLC)来测定。用硅胶(Kiesel gel 60F254,0.25mm,Merck)和由正丙醇-H2O-1%H3PO4-HCOOH(400∶100∶10∶1)构成的溶剂体系来开展TLC检测。HPLC检测是用YMC-Pack Polyamine II柱(150×4.6mm I.D.;YMC CO.,Ltd.,Kyoto,Japan)和用乙腈-50mM NH4H2PO4(67∶33)在210nm处进行的。向TLC板喷上0.5%的KIO4溶液,然后再喷上由15%的MnSO4溶液和四碱价饱和(tetrabase-saturated)的2N CH3COOH所形成的等体积混合物。产物L-古洛糖酸-1,4-内酯和L-古洛糖酸作为白斑被检测到。
表1:用L-古洛糖作为底物进行试管静止反应
菌株       TLC  HPLC(mM)
  L-GuL  L-GuA  L-GuL+L-GuA
Pseudomonas putida ATCC 21812     nd     ++     16.5
Gluconobacter oxydans IFO 3293     nd     +     5.2
没有细胞     nd     nd     nd
L-GuL:L-古洛糖酸-1,4-内酯;L-GuA:L-古洛糖酸;++:超过5mM;+:5mM或更少;nd:无法探测到
用L-古洛糖作为底物进行的反应还可以在微量静止细胞反应中进行,所述反应中使用100μl由2%的L-古洛糖、0.3%的NaCl、1%的CaCO3构成的反应混合物。在Luria Bertani(LB)琼脂上于37℃生长了一天的Escherichia coli HB 101也被用于本反应。表2中展示了产生的L-古洛糖酸-1,4-内酯和L-古洛糖酸的量。
表2:用L-古洛糖作为底物进行微量静止反应
菌株           TLC
    L-GuL     L-GuA
Pseudomonas putida ATCC 21812     nd     +
Cluconobacter oxydans IFO 3293     +     +
Escherichia coli HB 101     nd     nd
没有细胞     nd     nd
L-GuL:L-古洛糖酸-1,4-内酯;L-GuA:L-古洛糖酸;+:5mM或更少;nd:无法探测到
实施例2:从L-半乳糖生产L-半乳糖-1,4-内酯
P.putida ATCC 21812和G.oxydans IFO 3293在MB琼脂平板上于30℃被培育了48小时。Saccharomyces cerevisiae ATCC 9763在有2%的D-葡萄糖和1.8%琼脂的YN培养基(Difco)上于30℃被培育了48小时。在Luria Bertani(LB)琼脂上于37℃生长了一天的E.coli HB 101也被用于本反应。得到的细胞被用于进行静止细胞反应。由2%的L-半乳糖、0.3%的NaCl、1%的CaCO3和细胞(OD600=20)构成的反应混合物(100μl)在室温被培养23小时。表3中概括了通过TLC和HPLC检测出的L-半乳糖酸-1,4-内酯和L-半乳糖酸的产生量。较之Saccharomycescerevisiae ATCC 9763和E.coli HB 101,P.putida ATCC 21812和G.oxydans IFO 3293明显生产出了更多的L-半乳糖酸-1,4-内酯和L-半乳糖酸,Saccharomyces cerevisiae ATCC 9763和E.coli HB 101生产的L-半乳糖酸-1,4-内酯和L-半乳糖酸的量都无法探测到。
表3:用L-半乳糖作为底物进行微量静止反应
菌株         TLC  HPLC(mM)
L-GaL  L-GaA  L-GaL+L-GaA
Pseudomonas putida ATCC 21812     ++     ++     75.8
Cluconobacter oxydans IFO 3293     +     +     10.0
Saccharomyces cerevisiae ATCC 9763     nd     nd     nd
Escherichia coli HB 101     nd     nd     nd
没有细胞     nd     nd     nd
L-GaL:L-半乳糖酸-1,4-内酯;L-GaA:L-半乳糖酸;++:超过10mM;+:10mM或更少;nd:无法探测到。

Claims (9)

1.一种通过微生物从L-己醛糖来生产L-醛糖内酯的方法,所述微生物能从L-己醛糖生产L-醛糖内酯,以及,可选地,所述方法包括从反应混合物中分离出L-醛糖内酯。
2.如权利要求1所述的方法,其中,L-醛糖内酯选自由L-古洛糖酸-1,4-内酯、L-古洛糖酸、L-半乳糖酸-1,4-内酯和L-半乳糖酸所构成的组。
3.如权利要求1所述的方法,其中L-己醛糖选自L-古洛糖或L-半乳糖。
4.如权利要求1所述的方法,其中所述微生物选自Pseudomonas或Gluconobacter。
5.如权利要求4所述的方法,其中所述微生物是Pseudomonas putida或Gluconobacter oxydans。
6.如权利要求4所述的方法,其中所述微生物是P.putida ATCC21812或G.oxydans IFO 3293。
7.如权利要求1所述的方法,其中,所述的微生物被用于正在生长的培养物或静止细胞反应。
8.如权利要求1所述的方法,其中所述方法在大约1至大约9的范围内的pH和大约13℃至大约45℃的范围内的温度下,进行1至120小时。
9.如权利要求8所述的方法,其中所述方法在大约2至大约8的范围内的pH和大约18℃至大约42℃的范围内的温度下,进行1至120小时。
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