湖北大学生命科学学院、省部共建生物催化与酶工程国家重点实验室李爱涛教授团队，设计了一条全新的人工生物合成途径，通过理性设计微生物菌群催化体系，利用空气中的氧为氧化剂，在水溶液中把环烷烃或环烷醇转化为相应的二元羧酸尼龙单体。这一研究成果有望解决困扰科学界和工业界数近半个世纪的难题，相关论文《理性设计大肠杆菌菌群催化环烷烃一锅法合成尼龙单体α, ω-二元羧酸》10月7日在线发表在《自然·通讯》上。
化学法合成尼龙单体，污染环境受制约
尼龙是聚酰胺的俗称，是世界上出现的第一种合成纤维，它的合成不仅是纤维合成工业的重大突破，同时也是高分子化学的一个非常重要里程碑。
尼龙的种类较多，按照单体的结构可以分为脂肪族、芳香族以及脂肪-芳香族尼龙，其中脂肪族尼龙中的尼龙66是最重要的一种，被大量广泛地应用到众多关系国计民生的重要领域，如纺织服装、医药卫生、农业食品、物流运输及军事国防等。
“尼龙66是由己二酸与己二胺缩合制得，而己二酸作为其中主要的单体，其合成主要依赖高污染、高能耗的多步骤化学氧化过程。”李爱涛介绍，该过程需要使用大量腐蚀性的硝酸，同时产生大量的NO、N2O等有害温室气体(约占全球10%N2O)，带来诸多的环境问题，比如全球气候变暖、臭氧空洞等，因此严重制约着尼龙66产业的发展。
针对上述问题，近几十年来，科学家们一直在探索该类尼龙单体高效、绿色的新合成方法与工艺。例如，近期德国阿尔伯特-爱因斯坦大学的马蒂亚斯·贝勒教授团队在《科学》杂志上发表了文章，报道了一种不需要硝酸，就可以生产己二酸的全新工艺，即采用钯金属催化体系实现了丁二烯双羰基化一步制己二酸酯。然而，该体系仍存在一定的局限性，比如催化剂稳定性差、成本高以及贵金属回收困难等，限制了其进一步的工业化应用。
用廉价酶催化，高效绿色合成尼龙单体
随着合成生物技术的发展，人工设计的多酶级联催化，可以将多种具有不同催化活性的酶催化剂放在同一个反应体系中，在温和且环境友好的条件下将廉价易得的原料，通过一锅多步法合成人类需要的高附加值产品。
此外，如果直接利用表达多种酶的细胞作为催化剂，在体内催化目标反应，可以避免酶的分离纯化以及昂贵辅酶的添加，从而大大降低生产成本。基于这些原因，从头设计细胞催化剂实现体内目标级联催化反应获得了广泛的关注。
而将该方法用于己二酸的合成，有望解决困扰科学界和工业界数近几十年来的难题。
为了实现上述目标，李爱涛团队从头设计了一条含8个酶的生物合成途径，期望在同一个反应体系中经过级联催化把环己烷转化为己二酸。
接下来，研究人员尝试将8种酶在同一个细胞中进行表达来构建细胞催化剂，发现由于细胞负担太重，某些酶在细胞内的表达量很低，导致整个反应的催化效率很差。为了解决上述问题，研究人员将8种酶分散到三种大肠杆菌中进行表达，首先获得三种具有不同催化功能的细胞催化剂， 再将三种细胞进行组合获得菌群催化剂。通过任务分工、团队协作的方式，最终实现了环己烷到己二酸的高效绿色合成。
该过程在温和条件下（常温、常压和水相）进行催化反应，使用自给自足的辅酶自循环，不需要任何外源的昂贵辅酶，成本低。同时反应过程没有任何中间产物的积累，选择性高、产物单一，后续分离纯化简单。
此外，通过“即插即用”的策略对三种细胞催化剂进行任意的组装，可以从途径中某个环节的中间产物出发，经过催化转化合成己二酸产品。进一步发现，理性设计的大肠杆菌菌群还可以实现不同碳个数的环烷烃或环烷醇得到不同尼龙单体（二元羧酸）的合成，充分证明了改方法的普适性。最后，利用大肠杆菌微生物菌群作为催化剂，在发酵罐上实现了己二酸产物的放大制备，为实现生物法大规模合成α, ω-二元羧酸奠定了重要的基础。
图2 a)传统的己二酸工业化学合成路径；b)本研究发展的己二酸的生物合成路径。
图3 从环己烷或环己醇出发制备高纯度己二酸产物
据悉，李爱涛教授目前担任省部共建生物催化与酶工程国家重点实验室副主任、湖北省生物催化与酶工程技术引智示范基地负责人，一直从事新酶资源挖掘、改造及其在功能化学品生物合成中的应用的研究。近5年在Nature Commun. (2篇，IF:12.121)、Angew. Chem. Int. Ed. (4篇，其中封面1篇，IF:12.959)、ACS Catal. (1篇，IF:12.35)和Green Chem. (2篇，IF:9.48) 等国际权威期刊上发表20余篇高水平文章，并获得科技部国家重点研发计划、国家自然科学基金面上项目和青年项目，以及省部共建生物催化与酶工程国家重点实验室自主研发基金等项目的资助。
