环硫酸酯对映选择性微生物水解反应特性及催化机制研究

以从自然界筛选获得的并表达高活性环硫酸酯水解酶微生物菌株整细胞为生物催化剂，构建微生物环硫酸酯水解体系，研究催化反应条件、电子效应和立体效应与脂肪族及芳香族环硫酸酯水解反应活性和对映选择性的相互关系；在环硫酸酯水解酶分离纯化的基础上阐明水解反应机制。项目的研究将为光学纯1,2-二醇及环硫酸酯绿色合成提供新途径，丰富现有的酶学知识和应用范围，发展具有自主知识产权的生物催化剂新品种与新工艺，同时也为设计和构建新的环硫酸酯水解酶催化剂和水解酶的化学模拟奠定基础。

Rhodococcus sp. CCZU10-1、Bacillus sp. CCZU11-1和Brevibacterium sp. CCZU12-1具有高硫酸酯酶催化活性，分别为4.8、1.6和1.3 U/g CDW。以宽底物谱的产酶菌株Bacillus sp. CCZU11-1整细胞为生物催化剂，构建微生物环硫酸酯水解体系。转化50 mM 外消旋苯乙二醇24 h，(S)-苯乙二醇(> 99% ee ) 产率为48.7%。进一步，研究催化反应条件、电子效应和立体效应与脂肪族及芳香族环硫酸酯水解反应活性和对映选择性的相互关系；在环硫酸酯水解酶分离纯化的基础上阐明了水解反应机制。利用Rhodococcus sp. CCZU10-1也可催化1,3-丙二醇环硫酸酯(1,3-PDS)及其衍生物合成相应的二醇，其生长细胞可高效水解乙烯硫酸酯、乙二醇亚硫酸酯和1,2-PDS，并发现(R)-1,2-丙二醇(>99 % ee)的产率可达44%。进一步，整细胞的最适反应温度、pH和细胞添加量分别为30 °C、7.5 和17.9 mg DCW/mL。扩展底物谱，实现了高效的生物转化。进一步利用海藻酸钙固定化细胞，催化剂的稳定性明显提高(半衰期263 h，30 °C)，可操作192 h以上。利用Brevibacterium sp. CCZU12-1整细胞対映氧化外消旋苯乙二醇合成手性(S)-(+)-苯乙二醇(ees>99.9%)及(R)-(-)-扁桃酸(eep>99.9%)。扩展底物谱，合成了高光学纯度的有机羧酸及其衍生物。利用分批补料策略，经过7批添加底物，(R)-(-)-扁桃酸在反应体系中积累的总浓度为172.9 mM。进一步利用海藻酸钙固定化Brevibacterium sp. CCZU12-1整细胞催化氧化外消旋苯乙二醇。在液相反应体系中，重复利用固定化催化剂16次，(R)-(-)-扁桃酸(eep>99.9%)的产率为27.94 g (R)-(-)-扁桃酸/DCW细胞。进一步挖掘产酶微生物的潜力，实现了手性醇、手性亚砜和有机羧酸及等中间体的高效合成。项目的研究将为光学纯中间体绿色合成提供新途径，丰富现有的酶学知识和应用范围，发展具有自主知识产权的生物催化剂新品种与新工艺，同时也为设计和构建新的环硫酸酯水解酶等催化剂及其化学模拟奠定基础。