尼龍是一種應用非常廣泛的合成纖維，尼龍種類較多，其中尼龍66是最重要的一種。尼龍66的主要原料之一己二酸屬於(yu) 二元羧酸類尼龍單體(ti) ，其合成主要依賴高汙染、高能耗的多步驟化學氧化過程。

　　湖北大學生命科學學院、省部共建生物催化與(yu) 酶工程國家重點實驗室李愛濤教授團隊，設計了一條全新的人工生物合成途徑，通過理性設計微生物菌群催化體(ti) 係，用空氣中的氧作為(wei) 氧化劑，在水溶液中把環烷烴或環烷醇轉化為(wei) 相應的二元羧酸尼龍單體(ti) 。這一研究成果有望解決(jue) 困擾科學界和工業(ye) 界近半個(ge) 世紀的難題，相關(guan) 論文10月7日在線發表於(yu) 《自然·通訊》。

　　化學法合成尼龍單體(ti) ，汙染環境受製約

　　尼龍是聚酰胺的俗稱，是世界上出現的第一種合成纖維，它的合成不僅(jin) 是纖維合成工業(ye) 的重大突破，同時也是高分子化學的一個(ge) 重要裏程碑。

　　尼龍的種類較多，按照單體(ti) 的結構可以分為(wei) 脂肪族、芳香族以及脂肪-芳香族尼龍，其中脂肪族尼龍中的尼龍66是最重要的一種，被大量廣泛地應用到眾(zhong) 多關(guan) 係國計民生的重要領域，如紡織服裝、醫藥衛生、農(nong) 業(ye) 食品、物流運輸及軍(jun) 事國防等。

　　“尼龍66是由己二酸與(yu) 己二胺縮合製得，而己二酸作為(wei) 其中主要的單體(ti) ，其合成主要依賴高汙染、高能耗的多步驟化學氧化過程。”李愛濤介紹，該過程需要使用大量具有腐蝕性的硝酸，同時產(chan) 生大量的一氧化氮、一氧化二氮等有害溫室氣體(ti) ，帶來全球氣候變暖、臭氧空洞等環境問題，因此嚴(yan) 重製約著尼龍66產(chan) 業(ye) 的發展。

　　針對上述問題，近幾十年來，科學家們(men) 一直在探索該類尼龍單體(ti) 高效、綠色的新合成方法與(yu) 工藝。例如，近期德國阿爾伯特-愛因斯坦大學的馬蒂亞(ya) 斯·貝勒教授團隊在《科學》雜誌上發表論文稱，他們(men) 發明了一種全新工藝，不需要硝酸就可以生產(chan) 己二酸，即采用鈀金屬催化體(ti) 係實現了丁二烯雙羰基化一步製成己二酸酯。然而，該體(ti) 係仍存在一定的局限性，比如催化劑穩定性差、成本高以及貴金屬回收困難等，限製了其進一步的工業(ye) 化應用。

　　3種大腸杆菌表達8種酶，獲得菌群催化劑

　　隨著合成生物技術的發展，人工設計的多酶級聯催化，可以將多種具有不同催化活性的酶催化劑放在同一個(ge) 反應體(ti) 係中，在溫和且環境友好的條件下將廉價(jia) 易得的原料，通過一鍋多步法合成人類需要的高附加值產(chan) 品。

　　此外，如果直接利用表達多種酶的細胞作為(wei) 催化劑，在體(ti) 內(nei) 催化目標反應，可以避免酶的分離純化以及昂貴輔酶的添加，從(cong) 而大大降低生產(chan) 成本。基於(yu) 這些原因，從(cong) 頭設計細胞催化劑實現體(ti) 內(nei) 目標級聯催化反應獲得了廣泛的關(guan) 注。

　　而將該方法用於(yu) 己二酸的合成，有望解決(jue) 困擾科學界和工業(ye) 界幾十年來的難題。為(wei) 了實現這一目標，李愛濤團隊從(cong) 頭設計了一條含8個(ge) 酶的生物合成途徑，期望在同一個(ge) 反應體(ti) 係中經過級聯催化把環己烷轉化為(wei) 己二酸。

　　研究人員嚐試將8種酶在同一個(ge) 細胞中進行表達來構建細胞催化劑，發現由於(yu) 細胞負擔太重，某些酶在細胞內(nei) 的表達量很低，導致整個(ge) 反應的催化效率很差。為(wei) 了解決(jue) 上述問題，他們(men) 將8種酶分散到3種大腸杆菌中進行表達，首先獲得三種具有不同催化功能的細胞催化劑，然後再將三種細胞進行組合獲得菌群催化劑。通過任務分工、團隊協作的方式，最終實現了環己烷到己二酸的高效綠色合成。

　　該過程在溫和條件下（常溫、常壓和水相）進行催化反應，使用自給自足的輔酶自循環，不需要任何外源的昂貴輔酶，成本低。同時反應過程沒有任何中間產(chan) 物的積累，選擇性高、產(chan) 物單一，後續分離純化簡單。

　　此外，通過“即插即用”的策略對3種細胞催化劑進行任意組裝，可以從(cong) 某個(ge) 環節的中間產(chan) 物出發，經過催化轉化合成己二酸產(chan) 品。對大腸杆菌菌群進一步設計後，還可用不同碳個(ge) 數的環烷烴或環烷醇合成不同尼龍單體(ti) （二元羧酸），充分證明了該方法的普適性。而且，利用大腸杆菌微生物菌群作為(wei) 催化劑，還能在發酵罐上實現己二酸產(chan) 物的放大製備，為(wei) 實現生物法大規模合成α, ω-二元羧酸奠定重要基礎。