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|生物酶“联手”大肠杆菌 破解尼龙单体合成污染难题

|生物酶“联手”大肠杆菌 破解尼龙单体合成污染难题
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【|生物酶“联手”大肠杆菌 破解尼龙单体合成污染难题】视觉中国供图
尼龙是一种应用非常广泛的合成纤维 ， 尼龙种类较多 ， 其中尼龙66是最重要的一种 。尼龙66的主要原料之一己二酸属于二元羧酸类尼龙单体 ， 其合成主要依赖高污染、高能耗的多步骤化学氧化过程 。
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李爱涛教授团队 ， 设计了一条全新的人工生物合成途径 ， 通过理性设计微生物菌群催化体系 ， 用空气中的氧作为氧化剂 ， 在水溶液中把环烷烃或环烷醇转化为相应的二元羧酸尼龙单体 。这一研究成果有望解决困扰科学界和工业界近半个世纪的难题 ， 相关论文10月7日在线发表于《自然·通讯》 。
化学法合成尼龙单体 ， 污染环境受制约
尼龙是聚酰胺的俗称 ， 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 ， 如纺织服装、医药卫生、农业食品、物流运输及军事国防等 。
“尼龙66是由己二酸与己二胺缩合制得 ， 而己二酸作为其中主要的单体 ， 其合成主要依赖高污染、高能耗的多步骤化学氧化过程 。”李爱涛介绍 ， 该过程需要使用大量具有腐蚀性的硝酸 ， 同时产生大量的一氧化氮、一氧化二氮等有害温室气体 ， 带来全球气候变暖、臭氧空洞等环境问题 ， 因此严重制约着尼龙66产业的发展 。
针对上述问题 ， 近几十年来 ， 科学家们一直在探索该类尼龙单体高效、绿色的新合成方法与工艺 。例如 ， 近期德国阿尔伯特-爱因斯坦大学的马蒂亚斯·贝勒教授团队在《科学》杂志上发表论文称 ， 他们发明了一种全新工艺 ， 不需要硝酸就可以生产己二酸 ， 即采用钯金属催化体系实现了丁二烯双羰基化一步制成己二酸酯 。然而 ， 该体系仍存在一定的局限性 ， 比如催化剂稳定性差、成本高以及贵金属回收困难等 ， 限制了其进一步的工业化应用 。
3种大肠杆菌表达8种酶 ， 获得菌群催化剂
随着合成生物技术的发展 ， 人工设计的多酶级联催化 ， 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 。
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 。
而将该方法用于己二酸的合成 ， 有望解决困扰科学界和工业界几十年来的难题 。为了实现这一目标 ， 李爱涛团队从头设计了一条含8个酶的生物合成途径 ， 期望在同一个反应体系中经过级联催化把环己烷转化为己二酸 。
研究人员尝试将8种酶在同一个细胞中进行表达来构建细胞催化剂 ， 发现由于细胞负担太重 ， 某些酶在细胞内的表达量很低 ， 导致整个反应的催化效率很差 。为了解决上述问题 ， 他们将8种酶分散到3种大肠杆菌中进行表达 ， 首先获得三种具有不同催化功能的细胞催化剂 ， 然后再将三种细胞进行组合获得菌群催化剂 。通过任务分工、团队协作的方式 ， 最终实现了环己烷到己二酸的高效绿色合成 。
该过程在温和条件下（常温、常压和水相）进行催化反应 ， 使用自给自足的辅酶自循环 ， 不需要任何外源的昂贵辅酶 ， 成本低 。同时反应过程没有任何中间产物的积累 ， 选择性高、产物单一 ， 后续分离纯化简单 。


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