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，在水溶液中把環烷烴或環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烷烴一鍋法合成尼龍單體α, ω-二元羧酸》10月7日在線發表在《自然·通訊》上。
化學法合成尼龍單體，污染環境受制約
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、醫藥衛生、農業食品、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產業的發展。
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。基于這些原因，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，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節的中間產物出發，經過催化轉化合成己二酸產品。進一步發現，理性設計的大腸桿菌菌群還可以實現不同碳個數的環烷烴或環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，在發酵罐上實現了己二酸產物的放大制備，為實現生物法大規模合成α, ω-二元羧酸奠定了重要的基礎。
