尼龙单体绿色高效合成获打破

 
 
尼龙单体绿色高效合成获打破  
 

10月7日，《自然—通讯》在线颁发了湖北大学生命科学学院、省部共建生物催化与酶工程国度重点尝试室传授李爱涛团队最新研究成就。他们以一类很是重要的大宗化学品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计策，实现了在水相体系中（操作氛围中的氧为氧化剂）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

尼龙是世界上呈现的第一种合成纤维，它的合成不只是纤维合成家产的重大打破，同时也是高分子化学的一个很是重要里程碑。尼龙的种类较多，凭据单体的布局可以分为脂肪族、芬芳族以及脂肪-芬芳族尼龙，个中脂肪族尼龙中的尼龙66是最重要的一种，被大量遍及地应用到浩瀚干系国计民生的重要规模，诸如纺织打扮、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汇报《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出产尼龙66，而己二酸的合成主要依赖高污染、高能耗的化学氧化进程。该进程需要利用大量腐化性的硝酸，同时发生大量的NO、N2O等有害温室气体（约占全球排放10%的N2O），带来诸多的情况问题。

几十年来，科学家们一直在摸索二元酸羧酸高效、绿色的新合成要领与工艺。譬喻，2019年德国阿尔伯特—爱因斯坦大学传授Matthias Beller团队报道了一种不需要硝酸就可以出产己二酸的全新工艺。他们回收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，该体系仍然存在必然的范围性，好比催化剂不变性差、本钱高以及贵金属接纳坚苦等。

上图为传统己二酸家产化学合成路径；下图为该研究成长的己二酸的生物合成路径。湖北大学供图

“此刻，生物催化的成长正在一步步改进我们的糊口，而且对人类社谋面对的一些挑战发挥重要浸染。可以将多种具有差异催化活性的酶催化剂放在同一个回响体系中，在温和且情况友好的条件下将便宜易得的原料，通过一锅多步法合成人类需要的高附加值产物。”李爱涛说。

另外，假如直接操作表达多种酶的细胞作为催化剂，在体内催化方针回响，可以制止酶的疏散纯化以及昂贵辅酶的添加，从而大大低落出产本钱。

基于这些原因，从新设计细胞催化剂实现体内方针级联催化回响得到了遍及的存眷。因此，通过将该要领用于α, ω-二元羧酸的合成，有望办理困扰科学界和家产界近几十年来的困难。

为此，李爱涛团队从新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。为了办理该途径中多个酶在单个微生物细胞中表达存在的卵白表达承担和氧化还原均衡问题，他们按照辅因子自给自足的原则将整个途径分别为了三个根基模块，并将每个模块中的酶别离在大肠杆菌中举办异源表达得到细胞催化剂。

论文配合第一作者王斐先容，第一个模块操作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。将三个模块同时别离举办构建、优化，然后将其彼此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。