8种酶“一锅法”催化尼龙单体的高效绿色合成

尼龙是一种用途非常广泛的合成纤维。尼龙的类型很多，而尼龙66是最重要的一种。己二酸是尼龙66的主要原料之一，是一种二羧酸尼龙单体，其合成主要依靠多步骤，高污染，高能耗的化学氧化工艺。由湖北大学生命科学学院李爱涛教授组成的团队与省部级部门共同建立的生物催化与酶工程国家重点实验室，设计了一条新的人工生物合成途径。通过合理设计微生物菌群催化系统，使用空气中的氧气作为氧化剂，将环烷烃或环烷醇在水溶液中转化为相应的二羧酸尼龙单体。预期该研究结果将解决困扰科学和工业界近半个世纪的问题。相关论文“大肠杆菌菌群的合理设计催化尼龙单体α，ω-二羧酸的环烷一锅合成” 10月7日在线发表在《自然通讯》上。尼龙单体的化学合成，对环境的污染受到限制。尼龙是聚酰胺的俗称，也是世界上第一种合成纤维。

它的合成不仅是纤维合成工业的重大突破，而且是聚合物化学中非常重要的一部分。里程碑。尼龙有很多类型。根据单体的结构，可以分为脂肪族，芳香族和脂肪族-芳香族尼龙。其中，脂肪族尼龙中最重要的尼龙66是尼龙66，在许多国民经济和民生中得到了广泛的应用。该行业的重要领域，例如纺织品和服装，医药和保健，农业和食品，物流和运输以及军事防御。 “尼龙66是由己二酸和六亚甲基二胺的缩合反应制得的，己二酸是主要单体。其合成主要依赖于多步化学氧化工艺，具有高污染和高能耗的特点。”李爱涛介绍说，该过程需要使用。大量的腐蚀性硝酸还会产生大量的有害温室气体，如NO和N2O（约占全球N2的10％）。O），带来许多环境问题，例如全球变暖，臭氧空洞等，严重制约了尼龙66工业的发展。针对上述问题，近几十年来，科学家一直在探索用于这种类型的尼龙单体的新的有效和绿色合成方法和方法。例如，德国阿尔伯特·爱因斯坦大学（Albert Einstein University）的马蒂亚斯·贝勒（Matthias Baylor）教授小组最近在《科学》杂志上发表了一篇文章，报道了一种可以在不使用硝酸的情况下生产己二酸的新工艺，即使用钯金属催化剂体系实现以下目的：丁二烯的二羰基化制备己二酸酯的步骤。然而，该系统仍然具有某些局限性，例如不良的催化剂稳定性，高成本以及难以回收贵金属，这限制了其进一步的工业应用。使用廉价的酶催化，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具有不同催化活性的多种酶催化剂置于同一反应体系中。在环境友好的条件下，廉价且易于获得的原材料用于通过一锅多步法合成人类所需的高附加值产品。

另外，如果将表达多种酶的细胞直接用作催化剂以在体内催化靶反应，则可以避免酶的分离和纯化以及昂贵的辅酶的添加，从而大大降低了生产成本。由于这些原因，从头开始设计用于在体内实现目标级联催化反应的细胞催化剂受到了广泛的关注。该方法在己二酸合成中的应用有望解决近几十年来困扰科学界和工业界的问题。为了实现上述目标，李爱涛的团队设计了一种从头开始包含8种酶的生物合成途径，希望在同一反应体系中通过级联催化将环己烷转化为己二酸。接下来，研究人员试图在同一细胞中表达8种酶来构建细胞催化剂，结果发现细胞负担过高。严重地，细胞中某些酶的表达非常低，导致整个反应的催化效率差。为了解决上述问题，研究人员将8种酶分散到三个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，然后将三种细胞合并以获得菌群催化剂。通过任务和团队的划分，最终实现了环己烷向己二酸的高效绿色合成。该方法在温和的条件下（常温，常压和水相）进行催化反应，使用自足的辅酶自循环，不需要任何外部昂贵的辅酶，并且成本低。同时，反应过程没有任何中间产物的积累，高选择性，单一产物，并且随后的分离和纯化简单。另外，通过“即插即用”策略任意地组装三种电池催化剂，有可能从该途径的某一环节中的中间产物开始并进行催化转化以合成己二酸产物。进一步发现，合理设计的大肠杆菌菌群还可以从具有不同碳原子数的环烷烃或环烷醇中合成不同的尼龙单体（二羧酸），这充分证明了改进方法的普遍性。最后，以大肠埃希菌微生物菌群为催化剂，在发酵罐上实现了己二酸产物的放大制备，这为生物法大规模合成α，ω-二羧酸奠定了重要的基础。