雄甾-4-烯-3,17-二酮的11α羟化及人参皂苷Rd微生物转化研究
本论文包括两部分内容,第一部分为雄甾-4-烯-3,17-二酮的微生物11α羟化研究;第二部分为人参皂苷Rd的微生物转化发酵罐制备及分离纯化。 第一部分雄甾-4-烯-3,17-二酮的微生物11α羟化研究 微生物转化反应具有专一性强、污染少和产率高的优点,羟化反应是甾体微生物转化反应中最重要的反应,微生物能在甾体母核的任何位置进行羟化反应,为甾体药物的合成提供关键中间体,而化学方法除了较易在C17引入羟基外,在其它位置都很难引入。雄甾-4-烯-3,17-二酮(AD)是制备孕激素、皮质激素、利尿剂、雄激素和避孕药等甾体药物的重要中间体,在其甾体母核引入11-羟基能增强甾体药物的抗炎活性。雄甾-4-烯-3,17-二酮(AD)的11α羟基衍生物是制备依普利酮(Eplerenone,商品名Inspra,第一个获准上市的选择性醛固酮受体阻断剂)的关键中间体。 本研究从不同来源的霉菌中筛选得到能在雄甾-4-烯-3,17-二酮上引入11α羟基的菌株Metarhizium anisopliae M28,并通过紫外诱变获得一株高转化活性的突变株Metarhizium anisopliae M28-203。本研究对突变株Metarhizium anisopliae M28-203进行代谢调控研究,从营养代谢调控和转化条件控制两个方面着手,提高突变株转化效率。培养基正交试验结果表明该突变株培养基最佳配方为葡萄糖3％、玉米浆2％、蚕蛹粉0.5％、硫酸铵0.25％、磷酸氢二钾0.1％、硫酸镁0.05％、硫酸亚铁0.002％。转化条件控制试验表明,该突变株在28～32℃、pH6.0-6.5、菌龄48～60 h、250 mL摇瓶装液为30ml和40ml、接种量5％和转化时间72 h时能取得最佳转化效果。在底物投料量0.2％(w/v)时,采用4％(v/v)无水乙醇溶解底物或加入0.75 mg/mL Tween80均有利于羟化反应,在以上优化条件下转化率分别达到62.5％和66.8％。 甾体的水不溶性造成投料浓度低(仅0.1％～2％,w/v),转化效率不高。由于有机溶剂和表面活性剂对菌体的毒性作用,采用无水乙醇和Tween80不能解决投料量的问题。β-环糊精(CD)是一种外部亲水内部疏水的笼形分子,能与疏水性分子形成包合物,增加其水溶性。本研究考察了β-环糊精(CD)对甾体底物在水中的溶解度及菌种羟化反应的影响,结果表明β-环糊精能显著提高底物AD在发酵培养基中的溶解度,增溶效果优于有机溶剂。在底物投料浓度0.2％(w/v)时,与4％无水乙醇投料方式相比,8g/LCD能使AD转化率提高约10％,达到73.2％,并且使转化时间缩短至60 h左右。说明CD的增溶作用能使底物迅速转移到菌体内部与酶接触,从而提高甾体微生物转化效率。在CD与AD的最佳摩尔比1:1的条件下,能使投料浓度提高至0.3％(w/v)。本研究采用ROESY对CD-AD包合物结构进行鉴定,结果表明甾体母核深入到环糊精笼形分子空腔内部,形成稳定的包合物。 本研究利用原生质体、无细胞抽提液和酶抑制剂等生物合成机制研究方法考察了Metarhizium anisopliae M28-203的羟化酶及羟化反应机理。原生质体的羟化反应实验表明,该菌的羟化酶属于胞内诱导酶,真菌细胞壁是甾体微生物转化的一个很重要的速率限制因子。原生质体的一氧化碳差示光谱显示在450 nm处有最大吸收峰,结合无细胞抽提液的酶抑制试验表明Metarhizium anisopliae M28-203的11α-羟化酶是一种细胞色素P450依赖的氧化还原酶系统,包括细胞色素P450和NADPH依赖的细胞色素C还原酶。不同亚细胞组分的羟化反应活性检测表明,该羟化酶的两个组成部分细胞色素P450和NADPH依赖的细胞色素C还原酶分别处于不同的亚细胞部位,前者位于微粒体上,后者位于去除微粒体的上清液中,分别起到结合底物和传递电子的作用。 本研究获得了雄甾-4-烯-3,17-二酮的11α-羟化高转化菌种Metarhizium anisopliae M28-203,为制备依普利酮及其他甾体药物的关键中间体11α-羟基雄甾-4-烯-3,17-二酮提供了一个新的微生物转化方法。β-环糊精与雄甾-4-烯-3,17-二酮形成包合物的方法为解决困扰甾体工业化生产的主要问题--甾体的水不溶性提供了有益的参考。对Metarhizium anisopliae M28-203的11α羟化酶和羟化反应机理的探索,为进一步分离纯化和研究该微生物甾体羟化酶系奠定基础。 第二部分人参皂苷Rd的微生物转化发酵罐制备及分离纯化 人参皂苷Rd是原人参二醇型稀有人参皂苷,具有多种药理活性,在野生人参中含量极低。本研究的前期工作是从野山参土样中分离筛选获得了高转化活性菌株Paecilomyces bainier sp.229能转化二醇型人参皂苷Rb1制备稀有人参皂苷compound K,并利用UV-LiC1联合诱变对亲代菌株进行改造,运用高浓度人参皂苷定向筛选的方法,得到一株能耐受高浓度底物,并且能专一性转化人参总皂苷中Rbl到人参皂苷Rd的突变株Paecilomyces bainier sp.229-7。前期研究在摇瓶发酵条件下对Paecilomyces bainiet sp.229-7的发酵培养基和转化条件进行了优化。 本研究在前期研究的基础上,对突变株Paecilomyces bainiev sp.229-7转化人参总皂苷为人参皂苷Rd的10 L发酵罐制备进行研究,进一步证实突变株Paecilomyces bainier sp.229-7能专一性的将三七茎叶总皂苷中的Rbl转化为Rd,并且具有高的底物耐受性。10 L发酵罐装液量为6 L,投料浓度2％(w/v)时,通过控制溶氧、转速、pH和温度等,克分子转化率可以达到88.9％。 本研究首次采用大孔树脂对发酵液中的人参皂苷Rd进行分离纯化,通过大孔树脂HP20粗分、脱水及大孔树脂H41精制后,转化产物人参皂苷Rd纯度可以达到93％左右,回收率55％以上。利用大孔树脂从发酵液中分离纯化人参皂苷:Rd方法的建立将有利于其工业化生产。 Paecilomyces bamier sp.229-7与已报道的其他具有专一性转化能力的菌种比较,具有底物耐受性好、投料浓度高和转化时间短的优点,且作用的底物为三七茎叶总皂苷而非纯化的人参皂苷Rb1,因此Paecilomyces bainiert sp.229-7更具有工业化生产潜力。
雄甾-4-烯-3,17-二酮;人参皂苷Rd;微生物转化反应;发酵罐;分离纯化;11α羟化;大孔树脂
复旦大学
博士
药物化学
周珮
2010
中文
R284.2
141
2012-12-31（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）