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氧化過程。
湖北大學生命科學學院、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隊，設計了一條全新的人工生物合成途徑，通過理性設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)烷醇轉化為相應的二元羧酸尼龍單體。這一研究成果有望解決困擾科學界和工業(yè)界數近半個世紀的難題，相關論文《理性設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的一個非常重要里程碑。
尼龍的種類較多，按照單體的結構可以分為脂肪族、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，被大量廣泛地應用到眾多關系國計民生的重要領域，如紡織服裝、醫(yī)藥衛(wèi)生、農業(yè)食品、物流運輸及軍事國防等。
“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，因此嚴重制約著尼龍66產業(yè)的發(fā)展。
針對上述問題，近幾十年來，科學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-愛因斯坦大學的馬蒂亞斯·貝勒教授團隊在《科學》雜志上發(fā)表了文章，報道了一種不需要硝酸，就可以生產己二酸的全新工藝，即采用鈀金屬催化體系實現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，限制了其進一步的工業(yè)化應用。
用廉價酶催化，高效綠色合成尼龍單體
隨著合成生物技術的發(fā)展，人工設計的多酶級聯催化，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品。
此外，如果直接利用表達多種酶的細胞作為催化劑，在體內催化目標反應，可以避免酶的分離純化以及昂貴輔酶的添加，從而大大降低生產成本?；谶@些原因，從頭設計細胞催化劑實現體內目標級聯催化反應獲得了廣泛的關注。
而將該方法用于己二酸的合成，有望解決困擾科學界和工業(yè)界數近幾十年來的難題。
為了實現上述目標，李愛濤團隊從頭設計了一條含8個酶的生物合成途徑，期望在同一個反應體系中經過級聯催化把環(huán)己烷轉化為己二酸。
接下來，研究人員嘗試將8種酶在同一個細胞中進行表達來構建細胞催化劑，發(fā)現由于細胞負擔太重，某些酶在細胞內的表達量很低，導致整個反應的催化效率很差。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行表達，首先獲得三種具有不同催化功能的細胞催化劑， 再將三種細胞進行組合獲得菌群催化劑。通過任務分工、團隊協作的方式，最終實現了環(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）進行催化反應，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。同時反應過程沒有任何中間產物的積累，選擇性高、產物單一，后續(xù)分離純化簡單。
此外，通過“即插即用”的策略對三種細胞催化劑進行任意的組裝，可以從途徑中某個環(huán)節(jié)的中間產物出發(fā)，經過催化轉化合成己二酸產品。進一步發(fā)現，理性設計的大腸桿菌菌群還可以實現不同碳個數的環(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)酵罐上實現了己二酸產物的放大制備，為實現生物法大規(guī)模合成α, ω-二元羧酸奠定了重要的基礎。
