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我国开发尼龙单体制备生物合成途径
2020-10-21 16:54:25

  10月20日,记者在采访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时了解到,李爱涛研究团队在尼龙单体制备领域取得重大突破,打破现有的工业合成尼龙单体带来的高污染高能耗环境污染问题限制,为制备尼龙单体找到新方法。

  研究人员通过设计微生物菌群催化体系,为尼龙单体设计了一条全新的人工生物合成途径。据李爱涛介绍,该人工生物合成体系采用模块化和微生物菌群的催化策略,将整个生物合成途径中的8种酶分成3个模块,分别在3种大肠杆菌中进行表达,从而获得3个模块化细胞催化剂。随后,采用“即插即用”的组装策略,将3种细胞进行组合构建大肠杆菌微生物组催化体系,最终实现了环己烷或环己醇到己二酸的高效生物转化。这一研究成果凭借其高效绿色的显著优势为尼龙单体合成提供了新思路。

  “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,在传统的工业中,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,引发诸多环境问题,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。

  为应对上述挑战,李爱涛团队基于前期在生物催化方面的积累,设计了一种人工生物合成体系,可以催化环己烷到尼龙66单体己二酸的合成。李爱涛进一步介绍说:“该过程可在温和条件下(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,利用理性设计获得的大肠杆菌微生物组作为催化剂,可以实现多种环烷烃或环烷醇(C5~C8)得到不同α,ω-二元羧酸的合成,充分证明了该方法的普适性。最后,将整个生物转化反应在发酵罐进行放大反应,成功实现了己二酸产物的放大制备,这一人工生物合成体系为实现生物法大规模合成α,ω-二元羧酸奠定了重要基础。”李爱涛说。

  尼龙作为一种应用非常广泛的合成纤维,被应用于众多关系国计民生的重要领域。下一步,李爱涛研究团队将进一步提高酶催化效率,使8个酶的催化性能保持一致,打破限速酶的瓶颈,并通过设计改造酶分子使酶产生突变,赋予其更高的催化性能,从而使整个人工生物合成尼龙单体效率得到提升。
来源:中国化工报

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