生物酶“聯(lián)手”大腸桿菌 破解尼龍單體合成污染難題
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(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,用空氣中的氧作為氧化劑,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)界近半個世紀的難題,相關(guān)論文10月7日在線發(fā)表于《自然·通訊》。
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(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的一個重要里程碑。
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具有腐蝕性的硝酸,同時產(chǎn)生大量的一氧化氮、一氧化二氮等有害溫室氣體,帶來全球氣候變暖、臭氧空洞等環(huán)境問題,因此嚴重制約著尼龍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)表論文稱,他們發(fā)明了一種全新工藝,不需要硝酸就可以生產(chǎn)己二酸,即采用鈀金屬催化體系實現(xiàn)了丁二烯雙羰基化一步制成己二酸酯。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。
3種大腸桿菌表達8種酶,獲得菌群催化劑
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,如果直接利用表達多種酶的細胞作為催化劑,在體內(nèi)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(chǎn)成本?;谶@些原因,從頭設(shè)計細胞催化劑實現(xiàn)體內(nèi)目標級聯(lián)催化反應獲得了廣泛的關(guān)注。
而將該方法用于己二酸的合成,有望解決困擾科學界和工業(yè)界幾十年來的難題。為了實現(xiàn)這一目標,李愛濤團隊從頭設(shè)計了一條含8個酶的生物合成途徑,期望在同一個反應體系中經(jīng)過級聯(lián)催化把環(huán)己烷轉(zhuǎn)化為己二酸。
研究人員嘗試將8種酶在同一個細胞中進行表達來構(gòu)建細胞催化劑,發(fā)現(xiàn)由于細胞負擔太重,某些酶在細胞內(nèi)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,他們將8種酶分散到3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,然后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(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(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3種細胞催化劑進行任意組裝,可以從某個環(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。對大腸桿菌菌群進一步設(shè)計后,還可用不同碳個數(shù)的環(huán)烷烴或環(huán)烷醇合成不同尼龍單體(二元羧酸),充分證明了該方法的普適性。而且,利用大腸桿菌微生物菌群作為催化劑,還能在發(fā)酵罐上實現(xiàn)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-二元羧酸奠定重要基礎(chǔ)。
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