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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

来源:科技日报2020-10-27 09:30

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  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。

  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。(陈 曦)

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