作者:李晨 来源:中国科学报 发布时间:2020/10/12 17:05:53
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尼龙单体绿色高效合成获突破

 

10月7日,《自然—通讯》在线发表了湖北大学生命科学学院、省部共建生物催化与酶工程国家重点实验室教授李爱涛团队最新研究成果。他们以一类非常重要的大宗化学品α, ω-二元羧酸的绿色生物合成为导向,设计了一条全新的人工生物合成途径,基于模块化和微生物菌群的催化策略,实现了在水相体系中(利用空气中的氧为氧化剂)环烷烃或环烷醇到相应α, ω-二元羧酸的生物合成。

理性设计大肠杆菌微生物菌群催化环烷烃合成α, ω-二元羧酸  湖北大学供图

尼龙是世界上出现的第一种合成纤维,它的合成不仅是纤维合成工业的重大突破,同时也是高分子化学的一个非常重要里程碑。尼龙的种类较多,按照单体的结构可以分为脂肪族、芳香族以及脂肪-芳香族尼龙,其中脂肪族尼龙中的尼龙66是最重要的一种,被大量广泛地应用到众多关系国计民生的重要领域,诸如纺织服装、医药卫生、农业食品、物流运输及军事国防等。

论文通讯作者李爱涛告诉《中国科学报》,尼龙合成的主要原料之一为α, ω-二元羧酸。以己二酸为例,它可以与己二胺缩合生产尼龙66,而己二酸的合成主要依赖高污染、高能耗的化学氧化过程。该过程需要使用大量腐蚀性的硝酸,同时产生大量的NO、N2O等有害温室气体(约占全球排放10%的N2O),带来诸多的环境问题。

几十年来,科学家们一直在探索二元酸羧酸高效、绿色的新合成方法与工艺。例如,2019年德国阿尔伯特—爱因斯坦大学教授Matthias Beller团队报道了一种不需要硝酸就可以生产己二酸的全新工艺。他们采用单步钯催化体系实现了丁二烯双羰基化一步制己二酸酯)。然而,该体系仍然存在一定的局限性,比如催化剂稳定性差、成本高以及贵金属回收困难等。

上图为传统己二酸工业化学合成路径;下图为该研究发展的己二酸的生物合成路径。湖北大学供图

“现在,生物催化的发展正在一步步改善我们的生活,并且对人类社会面临的一些挑战发挥重要作用。可以将多种具有不同催化活性的酶催化剂放在同一个反应体系中,在温和且环境友好的条件下将廉价易得的原料,通过一锅多步法合成人类需要的高附加值产品。”李爱涛说。

此外,如果直接利用表达多种酶的细胞作为催化剂,在体内催化目标反应,可以避免酶的分离纯化以及昂贵辅酶的添加,从而大大降低生产成本。

基于这些原因,从头设计细胞催化剂实现体内目标级联催化反应获得了广泛的关注。因此,通过将该方法用于α, ω-二元羧酸的合成,有望解决困扰科学界和工业界近几十年来的难题。

为此,李爱涛团队从头设计了一条从环烷烃到相应α, ω-二元羧酸的全新体内生物合成途径。为了解决该途径中多个酶在单个微生物细胞中表达存在的蛋白表达负担和氧化还原平衡问题,他们根据辅因子自给自足的原则将整个途径划分为了三个基本模块,并将每个模块中的酶分别在大肠杆菌中进行异源表达获得细胞催化剂。

论文共同第一作者王斐介绍,第一个模块利用P450突变体实现环己烷到环己醇的碳氢键活化,第二个模块催化环己醇生成相应己内酯,第三个模块将己内酯到最终转化为己二酸。将三个模块同时分别进行构建、优化,然后将其相互组合构建大肠杆菌菌群,最终实现了环己烷或环己醇到己二酸的高效生物合成。

该过程可在常温、常压和水相的温和条件下进行催化反应,使用自给自足的辅酶自循环,不需要任何外源的辅酶加入。同时,利用静息细胞作催化剂,反应体系单一,后续分离纯化简单,只需要简单的萃取旋蒸即可得到高纯度产物。

团队成员、湖北大学副教授赵晶说,通过“即插即用”的策略对三个基本模块进行组装和调控,可以以一条途径中某个环节的物质做底物得到己二酸产物。进一步,利用理性设计获得的大肠杆菌菌群作为催化剂,可以实现不同碳个数的环烷烃或环烷醇得到不同α, ω-二元羧酸的合成,充分证明了改方法的普适性。

最后,利用大肠杆菌微生物菌群作为全细胞催化剂,他们还在发酵罐上实现了己二酸产物的放大制备,为实现生物法大规模合成α, ω-二元羧酸奠定了重要的基础。

从环己烷或环己醇出发制备高纯度的己二酸    湖北大学供图

相关论文信息:https://doi.org/10.1038/s41467-020-18833-7

 
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