|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。分页标题
此外，通过“即插即用”的策略对3种细胞催化剂进行任意组装，可以从某个环节的中间产物出发，经过催化转化合成己二酸产品。对大肠杆菌菌群进一步设计后，还可用不同碳个数的环烷烃或环烷醇合成不同尼龙单体（二元羧酸），充分证明了该方法的普适性。而且，利用大肠杆菌微生物菌群作为催化剂，还能在发酵罐上实现己二酸产物的放大制备，为实现生物法大规模合成α,ω-二元羧酸奠定重要基础。

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