随着化石燃料的使用被逐步淘汰,以满足气候政策目标,出现的挑战是发现使用石化制造的有价值化学品的替代合成途径。考虑到这一点,中国的研究人员遗传设计了大肠杆菌从葡萄糖或甘油而不是苯衍生物开始,产生众所周知的止痛药扑热息痛。

虽然帕拉基莫尔的工业合成经过精心调整以满足全球需求,但该过程远非理想。‘The substrates are all from the non-renewable petroleum derivative benzene, the intermediates are toxic and environmentally hazardous, [there are problems with] the safety [and] the unwanted ortho-isomer of benzene nitration, [and] a large amount of iron sludge and sewage will be produced,’ explains Wei Huang from the Qingdao Institute of Bioenergy and Bioprocess Technology.

现在,黄及其同事设计了一种可以通过生物合成途径制备扑热息痛的细菌菌株。大肠杆菌是否已经可以通过莽草酸途径,从葡萄糖或甘油中产生化合物羊毛脂酸,然后代谢羊毛脂酸形成p-氨基苯甲酸,尽管数量很少。扑热息痛可从p-氨基苯甲酸在两个生物合成步骤-氧化脱羧和区域选择性乙酰化-但是大肠杆菌本身没有必要的酶。通过改善现有的途径来p然后利用基因工程插入编码其他物种酶的基因,黄的团队将生物合成途径一直延伸到扑热扑热痛。

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资料来源:©黄伟/青岛生物能源与生物加工技术研究所

研究人员已经创造了一种生物合成途径大肠杆菌将葡萄糖或甘油转化为p- 氨基苯甲酸(PABA)然后扑热氨基酚(APAP)

它的本地生物合成途径产生p- 氨基苯甲酸,大肠杆菌只有少量形成这一点,因为所需的生物合成酶本身仅为少量产生。要解决这个问题,研究人员插入了大肠杆菌相应基因的额外拷贝,重新设计以增加表达来产生更多的这种酶。接下来的两个步骤需要酶大肠杆菌这些蛋白质不是天然产生的,研究小组随后插入了编码这些蛋白质的新基因,利用可食用的钮扣蘑菇的生物合成途径双孢蘑菇和毒性的病原细菌铜绿假单胞菌

‘You can take enzymes from across nature, from really odd locations, and combine them in one single cell, and I think this is a nice example of what you can do with that,’ comments synthetic biology expert Stephen Wallace from the University of Edinburgh, UK.

为了进一步提高生物合成产量,黄的团队利用突变研究来改变新添加的生物合成酶中的关键残基,并选择具有更好周转和选择性的突变体。优化发酵条件导致在5升的规模上,每升葡萄糖培养物的扑热息痛产量为942.5mg。或者,使用一种更短的生物合成途径可以达到95%p- 氨基苯甲酸原料在九小时内每升培养物的转化和4.2g扑热氨酸的产率。“我们的策略使得细菌可以作为细胞工厂生产这种传统药物,”黄说。

虽然这项工作是第一个用原核生物大量合成扑热扑热酚的例子,黄说,扩大这种方法还需要进一步的发展:“整个设计的生物合成途径需要进一步优化。”发酵和反应条件也需要改进。华莱士对此表示赞同,他说:“每升多重克数正在接近可以工业化放大的水平。”扑热息痛的问题在于它的生产规模是如此之大,而石化原料的价格又如此之低,这在经济上可能是不可行的。但这正是我们在减少化石燃料的情况下需要做的研究。