顆粒在線訊：北京時(shí)間2021年11月23日0時(shí)，美國(guó)加州大學(xué)伯克利分?；瘜W(xué)系Michelle C.Y. Chang團(tuán)隊(duì)在Nature Chemistry上發(fā)表了一篇題為“A dual cellular–heterogeneous catalyst strategy for the production of olefins from glucose”的新研究。

課題組運(yùn)用細(xì)胞代謝工程和異相催化高效串聯(lián)實(shí)現(xiàn)從葡萄糖到燃油組成物烯烴的可再生合成。論文通訊作者是Michelle C.Y. Chang（張嘉瑜）教授，紐約州立大學(xué)王真教授；王真教授和武漢大學(xué)宋恒教授為該論文共同第一作者。

作為工業(yè)社會(huì)的能源基礎(chǔ)，石油能夠提供高度還原以及無(wú)基團(tuán)取代的烴類(lèi)用做燃料、工業(yè)潤(rùn)滑油以及多種聚合物等化工產(chǎn)品。然而，石油屬于不可再生的化石燃料，對(duì)其過(guò)度依賴(lài)會(huì)造成能源危機(jī)、環(huán)境污染和溫室效應(yīng)。因此，研發(fā)可再生來(lái)源的烴類(lèi)，例如生物可再生烴類(lèi)，可以作為一種有效途徑來(lái)滿(mǎn)足現(xiàn)代社會(huì)的能源需求和環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。然而，生物來(lái)源的烴類(lèi)大多含有多種基團(tuán)取代，比如酯類(lèi)和醇類(lèi)（其親水性易使燃料水分超標(biāo)），而非人們常用燃料（如無(wú)基團(tuán)取代烴類(lèi)）。此外，生物來(lái)源的烴類(lèi)大多數(shù)碳鏈偏長(zhǎng)，不宜作為燃料。

這篇報(bào)道里，Michelle C.Y. Chang團(tuán)隊(duì)針對(duì)生物來(lái)源烴類(lèi)和燃料烴類(lèi)的化學(xué)結(jié)構(gòu)差別，通過(guò)基因工程及合成生物學(xué)技術(shù)設(shè)計(jì)和構(gòu)建了能大量產(chǎn)生3-羥脂肪酸的菌株，并基于這些生物來(lái)源的3-羥基脂肪酸，運(yùn)用路易斯酸異相催化一步將3-羥基離去生成適用于燃料的烯烴結(jié)構(gòu)。該設(shè)計(jì)的巧妙之處在于3-羥基的引入使得生物來(lái)源的3-羥基脂肪酸在異相催化脫羧的過(guò)程中無(wú)需再加入還原劑即可實(shí)現(xiàn)向燃料烯烴結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)化。此外Michelle C.Y. Chang團(tuán)隊(duì)可通過(guò)所引入酶對(duì)底物鏈長(zhǎng)的選擇性，高效生產(chǎn)碳鏈長(zhǎng)度為C8-C10脂肪酸鏈，從而使其異相催化轉(zhuǎn)化后的產(chǎn)物為中鏈長(zhǎng)烯烴，并與燃油鏈長(zhǎng)近似。該產(chǎn)生烯烴的碳源是植物來(lái)源的葡萄糖，因此運(yùn)用該方法合成的烯烴是可再生的。該報(bào)道通過(guò)將生物途徑（合成3-羥基脂肪酸）和化學(xué)途徑（烴類(lèi)去修飾）串聯(lián)，實(shí)現(xiàn)了可再生烯烴的合成。目前，從葡萄糖到烯烴的轉(zhuǎn)化效率為理論值的8%，未來(lái)該方法有望實(shí)現(xiàn)更高效的可再生烯烴合成。

首先，該團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了可支持3-羥基脂肪酸合成的一系列新型酶。其中，在戀臭假單胞菌（Pseudomonas putida）以及恥垢分枝桿菌（Mycobacterium smegmatis）中發(fā)現(xiàn)的硫解酶（thiolase）PaaJ9，氧化巰基輔酶A還原酶（oxoacyl-CoA reductase）FabG4，以及脫水酶（dehydratase）MaoC9，可催化以乙酰輔酶A為底物的Claisen縮合，還原，及水合反應(yīng)。另外，該團(tuán)隊(duì)還在厭氧球菌（Anaerococcus tetradium）中發(fā)現(xiàn)了對(duì)于碳鏈長(zhǎng)度為8-10的巰基輔酶A特異的硫酯酶。

接著，利用新發(fā)現(xiàn)的酶構(gòu)建了能大量生產(chǎn)3-羥脂肪酸的大腸桿菌菌株。該團(tuán)隊(duì)將生物合成3-羥基脂肪酸的酶組件分別構(gòu)建到多基因表達(dá)體系質(zhì)粒中，并根據(jù)產(chǎn)量在搖瓶生產(chǎn)測(cè)試過(guò)程中進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。在得到較優(yōu)菌株之后，他們利用生物發(fā)酵罐進(jìn)行產(chǎn)量的工程化優(yōu)化放大，最終可實(shí)現(xiàn)3.6 克/升產(chǎn)量的C8-C10鏈長(zhǎng)的3-羥基脂肪酸，同時(shí)還生產(chǎn)0.74 克/升的正辛酸（該產(chǎn)量已接近正辛酸在水中溶解度）。

最后，運(yùn)用路易斯酸異相催化將生物來(lái)源的3-羥基脂肪酸轉(zhuǎn)化為烯烴。該團(tuán)隊(duì)基于從上述菌株生物發(fā)酵生產(chǎn)的脂肪酸產(chǎn)物，利用異相催化方法篩選出合適的路易斯酸催化劑，最終可將發(fā)酵產(chǎn)物在小于350攝氏度、并且無(wú)需加入還原劑條件下以30-40%的選擇性脫羧轉(zhuǎn)化為庚烯（C7）和壬烯（C9）。因此，從該方法生物轉(zhuǎn)化源頭的葡萄糖算起，到最終產(chǎn)物烯烴的總轉(zhuǎn)化效率為理論值的8%，未來(lái)該方法有望實(shí)現(xiàn)更高效的可再生烯烴合成。

該報(bào)道的作者包括Michelle C.Y. Chang，王真，宋恒，加州大學(xué)伯克利分校的Edward J. Koleski， Noritaka Hara，Yejin Min，以及明尼蘇達(dá)大學(xué)的Dae Sung Park，Gaurav Kumar和Paul J. Dauenhauer。

相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1038/s41557-021-00820-0