光合细菌生物不对称加氢催化体系的研究

论文摘要

利用生物转化制备具有实际应用价值的高光学纯度手性化合物是当前生物技术中一个具有理论意义和应用价值的领域,关于在生物不对称加氢过程中利用光能进行不放氧光合作用推动辅酶（NADPH）再生的光合细菌作为催化细胞的研究国内外未见相关报道。本论文以能进行不放氧光合作用的类球红杆菌（Rhodobacter sphaeroides）作为生物催化剂,采用苯乙酮还原转化具有光学活性的苯乙醇的反应为模型反应,前期实验证明在最优反应条件下的发酵培养基中其产物的收率在90%以上,产物的光学纯度更是高达99%。在此基础上进一步探讨了光合细菌生物不对称加氢催化体系的催化机理及其底物适用范围;催化体系产物的收率、光学构型、ee值的调控因素;另外为了减少底物对催化细胞的毒害作用,进一步实现光合生物的固定化及其在化学反应器中的原位再生,以期实现高光学纯度的手性中间体的工业化生产,我们还研究了水/有机相催化体系。得出如下结论:1、对光合细菌生物不对称加氢催化体系的催化条件进行了研究,选择了同类研究中应用最广的苯乙酮作为反应的模型底物,通过前期实验和相关文献查阅,选定对光合细菌生物不对称加氢催化体系影响最大的三个因素:pH值、底物浓度和催化细胞的菌体浓度作为单因子,考查了它们对催化体系的产物收率和ee值的影响,并在此基础上采用响应面方法（Response Surface Methodology,RSM）优化催化条件参数,确定了催化体系的最佳pH值为6.97,最佳底物浓度:17.58 mmol/L,最佳菌体细胞浓度:215 g/L,为工业化生产制备重要手性中间体奠定理论基础和实验指导。2、根据该催化体系的特点,建立了以气相色谱（GC）、火焰离子检测器（FID）作为手段的检测方法。采用标准图谱比较和添加产物标准品对照的方法进行定性和定量分析。3、通过制备类球红杆菌（Rhodobacter sphaeroides）的载色体和分离纯化的胞内氧化还原酶混合液,构建了以类球红杆菌全细胞、S-氧化还原酶和R-氧化还原酶混合液以及载色体与氧化还原酶耦合为生物催化剂的三种不对称还原反应体系,并向反应体系中加入能提高产物转化率的最适氢供体乙酸钠和电子供体硫代硫酸钠。通过检测目标产物的收率、对映体过量（ee）值和光学构型,分析了光合细菌生物不对称加氢的生物催化机理,光照条件下,位于细胞膜载色体上的捕光色素将吸收的光量子传递到光化学反应中心的菌绿素分子Bch1上,Bch1吸收一个光量子后由基态转变成激发态Bch1*,Bch1*分子释放的高能电子经过非循环式光电子传递链传递,还原NADP+为不对称加氢过程中所必需的辅酶NADPH,通过加入供氢体和供电子体的方式补充NADPH再生所需的活性H和菌绿素分子Bch1失去的电子,这就是上述反应中在载色体或全细胞存在时,加入乙酸钠和硫代硫酸钠后,反应的转化率和ee值大幅提高的原因。光照使得细胞内S-氧化还原酶的活性远高于R-氧化还原酶,此时胞内再生的辅酶NADPH同等条件下只能被S-氧化还原酶紧密结合和利用,而R-氧化还原酶由于活性相对较低,没有足够的辅酶可利用。因此光照条件下的ee值远高于黑暗条件下,并且其产物以S-苯乙醇为主。而黑暗条件下S-氧化还原酶未被激活,无法大量结合辅酶NADPH,胞内S-氧化还原酶和R-氧化还原酶活性差异不大,结合NADPH的能力也相似,因此反应的ee值较低,产物以R-苯乙醇为主,同时由于没有辅酶NADPH再生所必需的光能的提供,反应的产率也较低。4、通过实验发现反应过程中加入氢供体和电子供体后可以提高产物收率,在阐明生物催化机理的基础上分析硫代硫酸钠和乙酸钠分别为最佳电子供体和最佳氢供体的原因。同时考查了光照和反应前对菌体细胞进行热预处理后产物的光学构型和产物收率的变化。试验结果表明光照条件下产物是生成S-苯乙醇,黑暗条件下则是生成R-苯乙醇,当热预处理温度高于51℃,产物以R-苯乙醇为主,其中在54℃时产物R-苯乙醇的ee值达到最高的93.6%,温度在51℃以下产物则是以S-苯乙醇为主,其中30℃时产物的ee值为最高的94.0%。5、比较石油醚、环己烷、正庚烷、正己烷、正辛烷在两相体系中对催化细胞的生物相容性和对底物、产物的分配性能,确定出两相体系中的最佳有机溶剂。用该有机溶剂处理类球红杆菌（Rhodobacter sphaeroides）菌体细胞后,通过分光光度计（Ultrospec 3300 pro,Amersham Biosciences）对其胞内氧化还原酶的酶活进行测定,研究了菌体细胞对最佳有机溶剂的耐受性。其次比较了在水溶液体系和两相体系中类球红杆菌（Rhodobacter sphaeroides）细胞催化苯乙酮的不对称还原反应过程。最后,为了优化反应工艺,分别考察了相体积比、振荡速度、生物量/底物量之比、反应温度以及反应体系的pH值对还原反应的影响,发现水相与有机溶剂相体积比、振荡速度、反应时间、pH这些因素对反应的ee值影响较小,但是对反应的产物收率却有着较大影响。水相pH在7.0有利于反应的进行;振荡速度180 r/min;水与有机溶剂之比在1:1为最佳;反应时间控制在48 h可达到反应的最大产物收率。6、通过实验可以知道光能微生物类球红杆菌（Rhodobacter sphaeroides）的底物适用范围广,它能不对称加氢催化芳香酮化合物、直链脂肪酮和不饱和羰基酯类化合物生成高光学纯度的目标产物。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 第一章 引言
• 1.1 手性技术在实际中的应用和研究
• 1.1.1 手性技术在医药领域的应用
• 1.1.2 手性技术在其它领域的应用
• 1.1.3 重要手性中间体手性醇的研究进展
• 1.2 获得手性化合物的方法
• 1.2.1 天然产物的提取及半合成
• 1.2.2 外消旋化合物的拆分
• 1.2.3 化学合成或生物催化制备手性化合物
• 1.3 生物不对称还原生成手性化合物
• 1.3.1 生物催化中的酶催化
• 1.3.2 生物催化中的全细胞生物催化
• 1.3.3 全细胞生物催化剂的类型
• 1.3.4 全细胞生物催化制备手性醇类化合物的原理
• 1.3.5 全细胞生物催化反应的实际应用举例
• 1.3.6 控制反应产率和立体选择性的方法
• 1.4 课题的创新点及论文研究思路
• 1.4.1 课题研究的创新性
• 1.4.2 论文的研究思路
• 第二章 光合细菌生物不对称加氢催化体系构建及其检测方法的建立
• 2.1 实验仪器及试剂
• 2.2 实验方法
• 2.2.1 光合细菌生物不对称加氢催化体系的构建
• 2.2.2 色谱操作条件的确定
• 2.2.3 定性分析
• 2.2.4 定量分析
• 2.3 实验结果
• 2.3.1 定性分析
• 2.3.2 定量分析
• 第三章 光合细菌生物不对称加氢催化体系的催化条件研究
• 3.1 材料与方法
• 3.1.1 实验材料
• 3.1.2 实验仪器
• 3.1.3 实验方法
• 3.1.3.1 类球红杆菌（Rhodobacter sphaeroides）全细胞生物催化体系的构建
• 3.1.3.2 单因子试验
• 3.1.3.3 响应面实验
• 3.2 结果与讨论
• 3.2.1 单因子实验结果讨论
• 3.2.2 响应面分析法设计优化催化条件
• 3.2.3 响应面分析法优化不对称加氢催化条件
• 3.3 结论
• 第四章 光合细菌生物不对称加氢催化体系生物催化机理的研究
• 4.1 材料与方法
• 4.1.1 实验材料与相关仪器
• 4.1.2 类球红杆菌（Rhodobacter sphaeroides）色体的制备、胞内S-氧化还原酶和R-氧化还原酶的分离纯化
• 4.1.3 光合细菌生物不对称加氢催化体系构建及产物分析
• 4.1.4 细胞内氧化还原酶活力的测定
• 4.2 结果与讨论
• 4.2.1 胞内氧化还原酶活的测定
• 4.2.2 全细胞催化的光控不对称加氢反应体系的构建
• 4.2.3 S-氧化还原酶和R-氧化还原酶为催化剂不对称还原反应体系的构建
• 4.2.4 载色体与氧化还原酶耦合不对称还原体系的构建
• 4.2.5 光合细菌生物不对称加氢催化反应机理小结
• 4.3 结论
• 第五章 光合细菌生物不对称加氢催化体系产物收率和光学构型调控因素的研究
• 5.1 材料与方法
• 5.1.1 菌种
• 5.1.2 培养基
• 5.1.3 试剂
• 5.1.4 实验方法
• 5.1.5 产物检测
• 5.2 结果与讨论
• 5.2.1 光合细菌生物不对称加氢催化体系最适催化细胞筛选
• 5.2.2 氢供体和电子供体对产物收率和ee值的影响
• 5.2.3 光照对反应产率和光学构型的影响
• 5.2.4 热预处理菌体细胞对反应产物收率和ee值的影响
• 5.3 结论
• 第六章 水/有机相催化体系中光合细菌生物不对称加氢催化体系的研究
• 6.1 材料与方法
• 6.1.1 菌种
• 6.1.2 试剂
• 6.1.3 反应体系的构建
• 6.1.4 菌体细胞在有机溶剂中活力保留值的测定
• 6.2 结果与讨论
• 6.2.1 光合细菌生物不对称加氢催化体系中有机溶剂对反应的影响
• 6.2.2 水溶液反应体系和水/有机溶剂反应体系中光合细菌生物不对称加氢催化苯乙酮的反应过程比较
• 6.2.3 水/有机相溶剂体系中不对称还原反应的影响因素
• 6.3 结论
• 第七章 光合细菌生物不对称加氢催化体系底物适用范围的研究
• 7.1 材料与方法
• 7.2 结果与讨论
• 7.2.1 水相中芳香酮化合物的还原
• 7.2.2 水相中中简单脂肪酮的还原
• 7.2.3 水相中羰基酯化合物的还原
• 7.3 结论
• 第八章 结论与展望
• 8.1 结论
• 8.2 展望
• 参考文献
• 发表文章目录
• 致谢