8種酶“一鍋”催化 高效綠色合成尼龍單體
來源：科技日報
尼龍是一種應(yīng)用非常廣泛的合成纖維，尼龍種類較多，其中尼龍66是最重要的一種。尼龍66的主要原料之一己二酸屬于二元羧酸類尼龍單體，其合成主要依賴高污染、高能耗的多步驟化學(xué)氧化過程。
湖北大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院、省部共建生物催化與酶工程國家重點實驗室李愛濤教授團(tuán)隊，設(shè)計了一條全新的人工生物合成途徑，通過理性設(shè)計微生物菌群催化體系，利用空氣中的氧為氧化劑，在水溶液中把環(huán)烷烴或環(huán)烷醇轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的二元羧酸尼龍單體。這一研究成果有望解決困擾科學(xué)界和工業(yè)界數(shù)近半個世紀(jì)的難題，相關(guān)論文《理性設(shè)計大腸桿菌菌群催化環(huán)烷烴一鍋法合成尼龍單體α, ω-二元羧酸》10月7日在線發(fā)表在《自然·通訊》上。
化學(xué)法合成尼龍單體，污染環(huán)境受制約
尼龍是聚酰胺的俗稱，是世界上出現(xiàn)的第一種合成纖維，它的合成不僅是纖維合成工業(yè)的重大突破，同時也是高分子化學(xué)的一個非常重要里程碑。
尼龍的種類較多，按照單體的結(jié)構(gòu)可以分為脂肪族、芳香族以及脂肪-芳香族尼龍，其中脂肪族尼龍中的尼龍66是最重要的一種，被大量廣泛地應(yīng)用到眾多關(guān)系國計民生的重要領(lǐng)域，如紡織服裝、醫(yī)藥衛(wèi)生、農(nóng)業(yè)食品、物流運(yùn)輸及軍事國防等。
“尼龍66是由己二酸與己二胺縮合制得，而己二酸作為其中主要的單體，其合成主要依賴高污染、高能耗的多步驟化學(xué)氧化過程。”李愛濤介紹，該過程需要使用大量腐蝕性的硝酸，同時產(chǎn)生大量的NO、N2O等有害溫室氣體(約占全球10%N2O)，帶來諸多的環(huán)境問題，比如全球氣候變暖、臭氧空洞等，因此嚴(yán)重制約著尼龍66產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。
針對上述問題，近幾十年來，科學(xué)家們一直在探索該類尼龍單體高效、綠色的新合成方法與工藝。例如，近期德國阿爾伯特-愛因斯坦大學(xué)的馬蒂亞斯·貝勒教授團(tuán)隊在《科學(xué)》雜志上發(fā)表了文章，報道了一種不需要硝酸，就可以生產(chǎn)己二酸的全新工藝，即采用鈀金屬催化體系實現(xiàn)了丁二烯雙羰基化一步制己二酸酯。然而，該體系仍存在一定的局限性，比如催化劑穩(wěn)定性差、成本高以及貴金屬回收困難等，限制了其進(jìn)一步的工業(yè)化應(yīng)用。
用廉價酶催化，高效綠色合成尼龍單體
隨著合成生物技術(shù)的發(fā)展，人工設(shè)計的多酶級聯(lián)催化，可以將多種具有不同催化活性的酶催化劑放在同一個反應(yīng)體系中，在溫和且環(huán)境友好的條件下將廉價易得的原料，通過一鍋多步法合成人類需要的高附加值產(chǎn)品。
此外，如果直接利用表達(dá)多種酶的細(xì)胞作為催化劑，在體內(nèi)催化目標(biāo)反應(yīng)，可以避免酶的分離純化以及昂貴輔酶的添加，從而大大降低生產(chǎn)成本。基于這些原因，從頭設(shè)計細(xì)胞催化劑實現(xiàn)體內(nèi)目標(biāo)級聯(lián)催化反應(yīng)獲得了廣泛的關(guān)注。
而將該方法用于己二酸的合成，有望解決困擾科學(xué)界和工業(yè)界數(shù)近幾十年來的難題。
為了實現(xiàn)上述目標(biāo)，李愛濤團(tuán)隊從頭設(shè)計了一條含8個酶的生物合成途徑，期望在同一個反應(yīng)體系中經(jīng)過級聯(lián)催化把環(huán)己烷轉(zhuǎn)化為己二酸。
接下來，研究人員嘗試將8種酶在同一個細(xì)胞中進(jìn)行表達(dá)來構(gòu)建細(xì)胞催化劑，發(fā)現(xiàn)由于細(xì)胞負(fù)擔(dān)太重，某些酶在細(xì)胞內(nèi)的表達(dá)量很低，導(dǎo)致整個反應(yīng)的催化效率很差。為了解決上述問題，研究人員將8種酶分散到三種大腸桿菌中進(jìn)行表達(dá)，首先獲得三種具有不同催化功能的細(xì)胞催化劑， 再將三種細(xì)胞進(jìn)行組合獲得菌群催化劑。通過任務(wù)分工、團(tuán)隊協(xié)作的方式，最終實現(xiàn)了環(huán)己烷到己二酸的高效綠色合成。
該過程在溫和條件下（常溫、常壓和水相）進(jìn)行催化反應(yīng)，使用自給自足的輔酶自循環(huán)，不需要任何外源的昂貴輔酶，成本低。同時反應(yīng)過程沒有任何中間產(chǎn)物的積累，選擇性高、產(chǎn)物單一，后續(xù)分離純化簡單。
此外，通過“即插即用”的策略對三種細(xì)胞催化劑進(jìn)行任意的組裝，可以從途徑中某個環(huán)節(jié)的中間產(chǎn)物出發(fā)，經(jīng)過催化轉(zhuǎn)化合成己二酸產(chǎn)品。進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，理性設(shè)計的大腸桿菌菌群還可以實現(xiàn)不同碳個數(shù)的環(huán)烷烴或環(huán)烷醇得到不同尼龍單體（二元羧酸）的合成，充分證明了改方法的普適性。最后，利用大腸桿菌微生物菌群作為催化劑，在發(fā)酵罐上實現(xiàn)了己二酸產(chǎn)物的放大制備，為實現(xiàn)生物法大規(guī)模合成α, ω-二元羧酸奠定了重要的基礎(chǔ)。
