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论文DOI：10.1002/anie.202215935 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报道了一种高效将惰性环烷烃转化为α,ω-二胺的一锅法体内生物级联反应。作者基于逆向合成分析，理性设计了一种用于生物合成α,ω-二胺的体内生物催化路线，并且使用简单且容易获得的环烷烃作为底物，高效生物合成α,ω-二胺。脂肪族α,ω-二胺是一类重要的大宗化学品，主要用作聚酰胺塑料制造中的单体，在工程塑料、机械配件、纤维、薄膜等材料的制造中具有非常广泛的应用。其中，1,6-己二胺可用作尼龙 66 单体，尼龙 66 是纺织和塑料工业最重要的聚酰胺之一。由杜邦开发的主要的1,6-己二胺工业生产工艺是以丁二烯作为起始原料的能源密集型多级化学反应（图 1a）。虽然成功地大规模应用，但该工艺仍然存在使用剧毒的氰化氢、苛刻的反应条件和不理想的选择性等问题。相比之下，生物催化有着温和的反应条件和出色的选择性等优势。目前，人工设计的生物级联催化已引起越来越多的关注，因为它能够从简单、廉价且易于获得的起始原料通过一锅法高效合成目标产物。▲图1: a) 工业法合成HMD的路线；b) 本工作设计的HMD生物催化路线。鉴于目前大规模应用的1,6-己二胺工业生产工艺存在的高污染高能耗等问题。湖北大学李爱涛教授团队基于逆向合成分析，理性设计了一种用于生物合成1,6-己二胺的体内生物催化路线，这种生物催化级联反应由三种大肠杆菌细胞模块组成的微生物组催化，可以从容易获得的环烷烃作为底物高效绿色地合成1,6-己二胺和α,ω-二胺（图 1b）。为了实现高效的α,ω-二胺生物合成，以1,6-己二胺的合成为例，进行了生物催化逆向合成分析。使用RetroBioCat (https://retrobiocat.com/)软件对级联路线进行设计。发现了两条从1,6-己二醇出发的1,6-己二胺生物合成路线。如图2a所示，对于路线2，负责将己二腈还原为1,6-己二胺的酶仍然不可用，因此作者选择了路线1进行后续的研究，1,6-己二醇可经过相应的NAD+依赖的醇脱氢酶（ChnD）和转氨酶催化最终得到1,6-己二胺产物。此外，基于本课题组之前从廉价、易得的底物环己烷或环己醇高效合成1,6-己二醇的研究，作者设计了从环己烷或环己醇生产1,6-己二胺的生物催化级联反应（图2）。由于整条路线包括了多种不同种类的酶，因此，如何构建可以高效催化整个反应的大肠杆菌微生物组是一个非常重要的问题，作者基于CRISPR-Cas9介导的基因组编辑和模块化的酶分子组装构建了不同种类的细胞模块2和3，并对其进行了系统的优化，最终选择出效果最好的细胞模块2和3并与细胞模块1组成大肠杆菌微生物组EC 2_3和EC 1_2_3。构建的大肠杆菌微生物组可以实现从环烷烃或环烷醇出发高效合成α,ω-二胺（图3），尤其是对于1,6-己二胺，当使用环己醇和环己烷作为底物时，分别获得高达16.5mM和7.6mM的产物浓度，为工业生产1,6-己二胺的高能耗高污染等问题提供了理想的解决方案。总之，本研究开发了一种一锅法生物催化级联反应，高效生物合成尼龙单体α,ω-二胺，为工业化学生产过程中遇到的问题提供了理想的解决方案，还为用于体内人工生物催化级联反应的进一步开发提供了解决方案。为了进一步提高本研究生物催化系统的效率，未来的工作将侧重于限速酶的改造和挖掘以及放大反应中反应器参数的精准调控。https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202215935