生物酶联手大肠杆菌破解污染难题央广

生物酶“联手”大肠杆菌破解尼龙单体合成污染难题

尼龙是一种应用非常广泛的合成纤维,尼龙种类较多,其中尼龙66是最重要的一种。尼龙66的主要原料之一己二酸属于二元羧酸类尼龙单体,其合成主要依赖高污染、高能耗的多步骤化学氧化过程。

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,用空气中的氧作为氧化剂,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近半个世纪的难题,相关论文10月7日在线发表于《自然·通讯》。

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具有腐蚀性的硝酸,同时产生大量的一氧化氮、一氧化二氮等有害温室气体,带来全球气候变暖、臭氧空洞等环境问题,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》杂志上发表论文称,他们发明了一种全新工艺,不需要硝酸就可以生产己二酸,即采用钯金属催化体系实现了丁二烯双羰基化一步制成己二酸酯。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。

3种大肠杆菌表达8种酶,获得菌群催化剂

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


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