微生物硫酸酯酶研究進(jìn)展：來(lái)源、催化機(jī)制及應(yīng)用

張丹平，何玉財(cái)

（常州大學(xué) 制藥與生命科學(xué)學(xué)院 生物工程研究室，江蘇 常州 213164）

微生物硫酸酯酶研究進(jìn)展：來(lái)源、催化機(jī)制及應(yīng)用

張丹平，何玉財(cái)

（常州大學(xué) 制藥與生命科學(xué)學(xué)院 生物工程研究室，江蘇 常州 213164）

手性醇是合成醫(yī)藥、農(nóng)用化學(xué)品和其他精細(xì)化學(xué)品的關(guān)鍵中間體。硫酸酯酶可催化水解硫酸酯鍵裂解形成無(wú)機(jī)硫酸鹽和相應(yīng)的仲醇。筆者綜述了硫酸酯酶微生物來(lái)源、催化反應(yīng)機(jī)制及其應(yīng)用，也介紹了固定化提高催化穩(wěn)定性及通過(guò)添加金屬離子或有機(jī)助溶劑提高硫酸酯酶選擇性的方法。

硫酸酯酶；手性仲醇；生物轉(zhuǎn)化；選擇性

手性醇是醫(yī)藥、化妝品和農(nóng)用化學(xué)品等領(lǐng)域不可缺少的中間體，也是不對(duì)稱(chēng)合成中重要的手性助劑，因此光學(xué)活性仲醇化合物的制備越來(lái)越受到人們的關(guān)注［1-3］。許多方法用于合成手性仲醇［4］。與傳統(tǒng)化學(xué)合成法相比，生物催化合成具有立體選擇性強(qiáng)、活性高及反應(yīng)條件溫和等優(yōu)勢(shì)。生物不對(duì)稱(chēng)還原潛手性酮、氧化拆分外消旋醇和水解拆分環(huán)氧化合物等技術(shù)實(shí)現(xiàn)了高光學(xué)純手性醇的高效合成［3-5］。近些年研究發(fā)現(xiàn)，硫酸酯酶能夠催化水解，使得硫酸酯鍵的裂解從而形成無(wú)機(jī)硫酸鹽和相應(yīng)的醇［6-7］，并且可實(shí)現(xiàn)手性仲醇的高效合成，引起了許多專(zhuān)家和學(xué)者的極大興趣。

筆者對(duì)硫酸酯酶微生物來(lái)源、催化反應(yīng)機(jī)制及其應(yīng)用進(jìn)行了綜述，也對(duì)固定化技術(shù)提高硫酸酯酶催化穩(wěn)定性和通過(guò)添加金屬離子或有機(jī)助溶劑提高硫酸酯酶選擇性的方法進(jìn)行了介紹，以期為相關(guān)領(lǐng)域的研究者提供參考。

1 硫酸酯酶的微生物來(lái)源

目前已經(jīng)篩選到 Bacillus sphaericus FCC098、Gulosibacter molinativorax DSM13485、Paracoccus sp. DSM6392、Pseudomonas sp.S7、Rhodococcus ruber DSM-44541、Rhodopirellula baltica DSM10527、Sechococcus sp.RCC556和 Sulfolobus acidocaldarius DSM639等硫酸酯酶菌株［8-19］，如表1所示。研究發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)仲烷基硫酸酯酶對(duì)（ω-1）-烷基硫酸酯的對(duì)映體選擇性與烷基的大小有關(guān)，它的映體選擇性（E值）范圍為21到200［13］。在催化過(guò)程中，硫酸酯酶能夠?qū)τ丑w選擇性催化底物發(fā)生立體構(gòu)型反轉(zhuǎn)或立體構(gòu)型保留，從而催化外消旋硫酸酯水解生成同手性或異手性混合產(chǎn)物（圖1）。

表1 立體和對(duì)映選擇性烷基硫酸酯酶Table 1 Stereo-and enantioselectivities of microbial alkyl sulfatases

圖1 生物催化外消旋仲烷基硫酸酯Fig.1 Biotransformation of rac-sec-alkyl sulfate esters

2 硫酸酯酶催化機(jī)制簡(jiǎn)介

迄今為止，對(duì)硫酸酯水解酶的研究主要集中在仲烷基硫酸酯的酶水解［14-18］：羥基負(fù)離子親核進(jìn)攻硫和碳使得S—O和C—O鍵被斷開(kāi)（圖2）。進(jìn)攻S原子斷裂S—O鍵和進(jìn)攻C原子斷裂C—O鍵分別導(dǎo)致了底物的結(jié)構(gòu)以碳原子為手性中心的保留和倒置反轉(zhuǎn)。

催化裂解硫酸酯鍵的硫酸酯酶主要存在著以下的類(lèi)型（圖3）：①真核芳基硫酸酯酶，這是目前研究最為透徹的一種硫酸酯酶，它的作用機(jī)制如圖3（a）所示；②依賴(lài)Fe2+硫酸酯酶，屬于能夠氧化裂解硫酸酯為相應(yīng)的醛和無(wú)機(jī)硫酸鹽的雙加氧酶（圖3（b）），并且需要α-酮戊二酸作為電子受體。因?yàn)樵摲磻?yīng)伴隨著碳手性中心的破壞，所以它對(duì)硫酸酯的生物轉(zhuǎn)化的立體選擇性是有限制的；③與金屬-β -內(nèi)酰胺有關(guān)的硫酸酯酶，活性中心需2個(gè) Zn2+，Zn2+能夠活化水分子形成OH-，進(jìn)一步OH在底物上親核攻擊，從而形成無(wú)機(jī)硫酸鹽和相應(yīng)的醇（圖3（c））。

圖2 酶催化水解烷基硫酸酯的立體化學(xué)途徑Fig.2 Stereochemical pathways of enzymatic hydrolysis of alkyl sulfate esters

圖3 可能的硫酸酯酶催化機(jī)制Fig.3 Possible catalytic mechanism of sulfatases

3 硫酸酯酶在生物轉(zhuǎn)化中的應(yīng)用

硫酸酯酶在生物轉(zhuǎn)化的最早應(yīng)用研究主要是利用它們對(duì)于烷基硫酸酯（例如，一些去污劑）的生物降解作用。首次發(fā)現(xiàn)烷基硫酸酯酶具有對(duì)映體選擇性催化水解仲烷基硫酸酯的特性是偶然發(fā)現(xiàn)的。最近10年，人們才對(duì)仲烷基硫酸酯酶的立體和對(duì)映體選擇性進(jìn)行深入的研究［14］。硫酸酯酶在各生物進(jìn)程中還有著關(guān)鍵的作用（例如，細(xì)胞信號(hào)傳導(dǎo)、調(diào)節(jié)內(nèi)分泌及發(fā)病機(jī)制），因此它們已經(jīng)在生物醫(yī)學(xué)研究領(lǐng)域做了深入的研究。這些是“生物醫(yī)學(xué)技術(shù)”［15］的研究領(lǐng)域，本文不做深入探討。

3.1 硫酸酯酶的擴(kuò)大篩選

為了避免對(duì)于烷基硫酸酯酶選擇性的低效和耗時(shí)的篩選，主要是在能代謝無(wú)機(jī)硫的微生物酶源中篩選硫酸酯酶。這些硫酸酯酶可催化包括所有的氧化態(tài)硫轉(zhuǎn)化為硫酸鹽，也可分解有機(jī)硫物質(zhì)（如烷基硫酸鹽）。許多硫酸酯酶菌株已篩選并應(yīng)用于生物轉(zhuǎn)化和生物降解。從洗滌劑污染的土壤中分離出的P.aeruginosa MTC 10311可在48 h內(nèi)降解1.4 g十二烷基磺酸（SDS），并可在40℃條件下降解90%的表面活性劑［13］。菌株A.calcoaceticus和P.agglomerans可在 130 h完全降解 SDS［10］。Flavobacteriaceae sp.CZ1127對(duì)海參巖藻聚糖硫酸酯具有較好的活性，其硫酸酯酶活力可達(dá) 22.88 U/mL［9］。Sulfolobus acidocaldarius DSM639可轉(zhuǎn)化直鏈和支鏈仲烷基硫酸酯，其對(duì)映體選擇性E可高達(dá)200以上［13］。He等［19］首次利用Rhodococcus sp.CCZU10-1、Brevibacterium sp.CCZU12-1和Bacillus sp.CCZU11-1轉(zhuǎn)化1，3-丙二醇環(huán)硫酸酯合成1，3-丙二醇，硫酸酯酶活力分別為4.8、1.6和1.3 U/g（干質(zhì)量細(xì)胞）。

另外，從生物資源庫(kù)中可以搜索出理想活性的硫酸酯酶。尋找這些酶的指導(dǎo)原則如下：與催化底物立體構(gòu)型倒置的烷基硫酸酯酶相比，催化立體構(gòu)型保留硫酸酯酶的催化機(jī)理及結(jié)構(gòu)研究得較清晰［20］，通過(guò)對(duì)從Pseudomonas aeruginosa和哺乳動(dòng)物中獲得的芳基硫酸酯酶A進(jìn)行研究，幾乎所有硫酸酯酶生成后都需經(jīng)歷一種翻譯修飾后才能產(chǎn)生活性的過(guò)程，這個(gè)過(guò)程發(fā)生在硫酸酯酶多肽折疊成天然結(jié)構(gòu)之前；若某種硫酸酯酶的翻譯修飾出現(xiàn)異常，致使酶活性降低或缺乏，會(huì)造成各種硫酸酯酶的硫酸酯底物堆積在細(xì)胞溶酶體和其他細(xì)胞器中，損害細(xì)胞的正常功能，從而出現(xiàn)一系列復(fù)雜的臨床表現(xiàn)［21］，如芳基硫酸酯酶A被懷疑與人類(lèi)乳腺癌的發(fā)病機(jī)制有關(guān)。在原酶中，一種絲氨酸或半胱氨酸殘基的翻譯后修飾提供1個(gè)醛基的Cα-甲酰甘氨酸。這種酶的催化循環(huán)從載入1個(gè)水分子開(kāi)始，然后產(chǎn)生相應(yīng)的醛水合物。作為一個(gè)強(qiáng)親核試劑，后者對(duì)硫原子進(jìn)行親核進(jìn)攻，它們的活性位點(diǎn)為二價(jià)金屬離子Ca2+或Mg2+。因此，硫酸酯中S—O被破壞，并且其手性中心不受影響。雖然硫酸基團(tuán)仍然是通過(guò)共價(jià)基團(tuán)連接到催化水合醛基上，從而產(chǎn)生水解產(chǎn)物仲醇，并且其構(gòu)型是不變的。硫酸氫從活性位點(diǎn)上消除后再生成醛基，然后催化循環(huán)停止（如圖3（a））。

對(duì)于一固定硫酸酯酶的搜索主要可根據(jù)已知的硫酸酯酶作用機(jī)制即C/S-X-P-X-A-X4-T-G，這個(gè)機(jī)制可在哺乳動(dòng)物以及低等真核生物和原核生物的硫酸酯酶中發(fā)現(xiàn)，但是Rhodococcus硫酸酯酶RS2的轉(zhuǎn)化作用不遵循此機(jī)制。與基因組數(shù)據(jù)庫(kù)的序列比較，發(fā)現(xiàn)在海洋菌屬 Rhodopirellula baltica DSM10527中其在編碼硫酸酯酶的基因含量是很高的［12］。研究表明，其靜息細(xì)胞能夠水解一系列的仲烷基硫酸酯，并且具有很高的對(duì)映體選擇性（E＞200），推測(cè)其具有嚴(yán)格的構(gòu)型保留催化機(jī)制［22］。

盡管微生物來(lái)源的硫酸酯酶已經(jīng)應(yīng)用于手性醇的合成（表1），但是大部分硫酸酯酶主要作用于脂肪族的硫酸酯，芳香族硫酸酯酶源的擴(kuò)大篩選及其用于芳香族手性醇的合成仍然是目前值得的研究工作。

3.2 純化的硫酸酯酶的生物轉(zhuǎn)化

與已報(bào)道的全細(xì)胞催化相比，只有極少的純化烷基硫酸酯酶被證實(shí)其對(duì)于烷基硫酸酯有良好的底物耐受性（表2）。然而，利用全細(xì)胞催化表現(xiàn)出了較為低的對(duì)映體選擇性，這可能主要由于全細(xì)胞中含有多種不同（或相反）對(duì)映選擇性的烷基硫酸酯酶。利用純化的硫酸酯酶可實(shí)現(xiàn)較為優(yōu)秀的對(duì)映選擇性。從純化酶的來(lái)源來(lái)看，大部分分離純化出的硫酸酯酶來(lái)自于原核生物，只有少數(shù)例外，例如Helix pomatia芳基硫酸酯酶［23］。但是，未發(fā)現(xiàn)有從古細(xì)菌中分離純化硫酸酯酶的報(bào)道，盡管古細(xì)菌很可能對(duì)于烷基硫酸酯具有較高的催化活性［24］。大多數(shù)純化硫酸酯酶是源自于變形細(xì)菌門(mén)，像Pisa1、PAS、SdsA1、Pseudomonas S1-3（NCIB11753）和SdsAP等硫酸酯酶有著很高的E 值 和 活 性。 Comamonasterrigena CS1 和Comamonas terrigena S2硫酸酯酶還可水解一些仲烷基硫酸酯，然而沒(méi)有關(guān)于其具體E值的報(bào)道［25］。Coryneform sp.B1a硫酸酯酶對(duì)于碳鏈長(zhǎng)度3～7個(gè)碳原子的伯烷基硫酸酯具有一定的活性。Aerobacter aerogenes ATCC 9621和 Helix pomatia硫酸酯酶底物譜較窄，它們僅僅對(duì)伯烷基硫酸酯酶表現(xiàn) 出 了 一 定 的 活 性［26］。Rhodococcus ruber DSM44541硫酸酯酶RS2是一種單體可溶性蛋白，在催化過(guò)程中無(wú)需輔助因子或金屬離子的輔助參與，它的相對(duì)分子質(zhì)量為4.3×104kDa。在催化反應(yīng)過(guò)程中，RS2嚴(yán)格對(duì)映體選擇地催化底物發(fā)生立體構(gòu)型倒置。仲烷基硫酸酯酶對(duì)映選擇性的高低范圍是不同的。當(dāng)催化外消旋2-辛基硫酸酯水解時(shí)，其對(duì)映選擇率E值可達(dá)21。與全細(xì)胞相比，純化酶的成本較高，但是其良好的對(duì)映選擇性和催化特性，仍然在合成高附加值的手性醇方面具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。

表2 純化硫酸酯酶的底物范圍、活性和對(duì)映體選擇性Table 2 Substrate scope，activities and enantioselectivities for purified sulfatases

3.3 外消旋sec-硫酸酯的化學(xué)-酶法去消旋化

化學(xué)-酶法組合催化也應(yīng)用于去消旋化sec-硫酸酯的研究，如圖4所示。第一步，外消旋仲醇硫酸酯的動(dòng)力學(xué)拆分，然后通過(guò)Rhodococcus反轉(zhuǎn)硫酸酯酶RS2催化，在生物水解過(guò)程中形成了同手性的仲醇以及未反應(yīng)完的硫酸酯混合物；第二步，混合物利用叔甲基丁基醚、二烷和對(duì)甲苯磺酸的混合物進(jìn)行處理，催化未轉(zhuǎn)化的硫酸酯以保持原構(gòu)型進(jìn)行水解。通過(guò)以上步驟使得水解產(chǎn)物為單一立體構(gòu)型的仲醇作為唯一的水解產(chǎn)物［6］。可見(jiàn)，外消旋sec-硫酸酯的化學(xué)-酶法去消旋化可實(shí)現(xiàn)手性醇的高效合成。

圖4 化學(xué)-酶法去消旋化仲烷基硫酸酯Fig.4 Deracemization of rac-sec-alkyl sulfate esters using bio-and chemo-hydrolysis

3.4 硫酸酯酶選擇性的強(qiáng)化

當(dāng)使用全細(xì)胞或者純化酶催化硫酸酯時(shí)，其對(duì)映體選擇性經(jīng)常會(huì)有一些不足，這主要是由于多種不同硫酸酯酶立體選擇性的相互競(jìng)爭(zhēng)或抑制作用。因此，研究人員研究了一些方法以解決硫酸酯酶在催化過(guò)程中所遇到的這些問(wèn)題。例如，各種添加劑對(duì)酶對(duì)映體選擇性的影響主要表現(xiàn)在促進(jìn)劑或?qū)τ尺x擇性抑制劑方面，這是眾所周知的烷基硫酸酯酶手性識(shí)別調(diào)節(jié)因子［16］。研究發(fā)現(xiàn)聚合物、非離子洗滌劑以及多羥基化合物對(duì)于烷基硫酸酯酶的對(duì)映選擇性的影響不明顯。然而，離子型去污劑（例如，十六烷基三甲基溴化銨）對(duì)其表現(xiàn)出了較顯著的影響。有機(jī)助溶劑可提高全細(xì)胞和純化酶等生物催化劑 的 選擇 性。對(duì) 于從 Pseudomonas sp.DSM6611純化得到的硫酸酯酶Pisa1，在一個(gè)較廣泛的范圍內(nèi)進(jìn)行了極性和非極性有機(jī)溶劑的選擇研究，發(fā)現(xiàn)二甲基亞砜（DMSO）可抑制含有活性烯丙基和芐基官能團(tuán)的硫酸酯的水解。加入助溶劑DMSO后，硫酸酯酶Pisa1的選擇性明顯增加。在藍(lán)藻全細(xì)胞催化中加入有機(jī)助溶劑，其對(duì)映體選擇性也有了較為明顯的提高，例如 Synechococcus elongatus PCC7942 和 Paracoccus denitrificans DSM6392可選擇類(lèi)似甲醇和乙醇等低碳醇作為有機(jī)助溶劑。加入低碳醇助溶劑后，盡管這2種菌株的轉(zhuǎn)化成本有所提高，但是它們的E值可以提高到200 以上［10］。 在叔丁醇-水兩相體系中，P.denitrificans DSM 6392催化獲得的產(chǎn)物e.e.值＞99%［10］。研究發(fā)現(xiàn)，幾種烷基和芳基硫酸酯酶的催化反應(yīng)依賴(lài)于金屬離子。例如P.Aeruginosa芳基硫酸酯酶PAS主要依賴(lài)于Ca2+，引導(dǎo)酶與帶負(fù)電荷的底物正確的結(jié)合［19］，Pseudomonas sp.DSM6611烷基硫酸酯酶Pisa 1需要2個(gè)Zn2+激活水，從而為硫酸酯酶催化水解反應(yīng)提供一個(gè)良好的親核試劑［OH-］。Fe2+和Fe3+對(duì)Rhodococcus ruber DSM44541硫酸酯酶RS2的對(duì)映體選擇性具有顯著的影響，當(dāng)加入5 mmol/L的FeCl3時(shí)，其對(duì)映體選擇性從3.6提高到了200以上［17］。因?yàn)檫x擇性的增加通常會(huì)使活性降低，所以這種選擇性強(qiáng)化的技術(shù)并不適合大規(guī)模的生產(chǎn)［14］。

3.5 硫酸酯酶的固定化

生物催化制劑的可回收以及可重復(fù)利用的特性使其在工業(yè)上有著廣闊的應(yīng)用前景。目前固定化硫酸酯酶的研究較少。Thomas等［9］首次利用聚丙烯酰胺微球固定Pseudomonas C12B細(xì)胞，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)固定化后的細(xì)胞對(duì)伯烷基硫酸酯鹽的活性與游離酶相近。固定化后的細(xì)胞可在48 h內(nèi)將硫酸酯鹽催化水解完全，并且其經(jīng)過(guò)13次的使用后仍然保留著13%的活性。He等［19］利用海藻酸鈣固定化Rhodococcus sp.細(xì)胞轉(zhuǎn)化1，2-和1，3-丙二醇環(huán)硫酸酯，固定化催化劑操作192 h，可合成高產(chǎn)率的（R）-1，2-丙二醇（e.e.＞99%）和1，3-丙二醇。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，可以利用固定化的 Pseudomonas C12B和Comamonas terrigena N3H作為污水處理廠的生物膜［27］。C.terrigena N3H對(duì)SDS并沒(méi)有表現(xiàn)出活性，但是Pseudomonas C12B作為眾所周知的SDS降解器，其在固定化的形態(tài)下依然能夠水解表面活性劑［27］。利用DEAE-和Ecteola-纖維素固定化Rhodococcus ruber DSM44541 RS2的粗酶，其殘留活性分別約為100%和22%［17］。采用合適的固定化載體開(kāi)發(fā)新型的硫酸酯酶固定化技術(shù)是值得研究的方向。由于烷基硫酸酯酶對(duì)底物構(gòu)型的反轉(zhuǎn)或者保留作用機(jī)制的發(fā)現(xiàn)［28-31］，具有同樣作用機(jī)制的酶很快被人們?cè)谄渌奈⑸镏邪l(fā)現(xiàn)。

4 結(jié)語(yǔ)

在未來(lái)，可以有望利用轉(zhuǎn)基因技術(shù)來(lái)大量表達(dá)產(chǎn)生一系列的重組硫酸酯酶，大規(guī)模用于催化各種硫酸酯發(fā)生去消旋化，產(chǎn)生相應(yīng)的仲醇。另外，對(duì)環(huán)硫酸酯的酶法對(duì)映選擇性水解也是目前研究的熱點(diǎn)。可以預(yù)期，硫酸酯酶在生物轉(zhuǎn)化中具有廣闊的工業(yè)應(yīng)用前景。

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（責(zé)任編輯 荀志金）

Progress in microbial sulfatases：source，catalytic mechanism and application

ZHANG Danping，HE Yucai
（Laboratory of Biochemical Engineering，College of Pharmaceutical and Life Sciences，Changzhou University，Changzhou 213164，China）

Chiral alcohols are key intermediates in the synthesis of pharmaceutical，agrochemical，and other fine chemicals.Sulfatase can catalyze the hydrolytic cleavage of sulfate esters by liberating inorganic sulfate and the corresponding secondary alcohol.In this review，microbial sources，catalytic mechanisms，and applications of sulfatase were summarized.Moreover，methods for improving catalytic stability by immobilization and enhancing selectivity by addition of metal ions or organic cosolvents were introduced.

sulfatases；chiral secondary alcohol；biotransformation；selectivity

Q93；X703

A

1672-3678（2015）01-0106-07

10.3969/j.issn.1672-3678.2015.01.018

2014-07-08

國(guó)家自然科學(xué)基金（21102011）；江蘇省自然科學(xué)基金（BK20141172）；常州市生物醫(yī)藥科技專(zhuān)項(xiàng)（CE20115051）

張丹平（1990—），男，江蘇徐州人，碩士研究生，研究方向：生物催化；何玉財(cái)（聯(lián)系人），副教授，E-mail：heyucai2001@163.com