随着为实现气候政策目标而逐步淘汰化石燃料,一个新出现的挑战是,为使用石油化学品生产的有价值的化学品寻找替代合成路线。考虑到这一点,中国的研究人员进行了基因工程大肠杆菌从葡萄糖或甘油而不是苯的衍生物开始生产众所周知的止痛剂扑热息痛。

虽然扑热息痛的工业合成经过了精心调整,以满足全球需求,但这一过程远非理想。“这些基质都来自于不可再生的石油衍生物苯,中间体有毒,对环境有害,[存在]安全性问题[以及]不需要的苯硝化的邻位异构体,青岛生物能源与生物加工技术研究所的黄伟(音译)解释说,这将产生大量的铁泥和污水。

现在,黄和他的同事们已经设计出一种可以通过生物合成途径制造扑热息痛的细菌。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)和扑热息痛(APAP)

当它的天然生物合成途径产生p氨基苯酸,大肠杆菌由于所需的生物合成酶本身只产生少量,所以只能形成少量。为了解决这个问题,研究人员插入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以及有毒性的致病菌铜绿假单胞菌

英国爱丁堡大学的合成生物学专家斯蒂芬·华莱士评论说:“你可以从自然界中,从非常奇怪的地方提取酶,并将它们组合到一个单细胞中,我认为这是一个很好的例子,说明了你可以这么做。”

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-氨基苯甲酸原料转化,9小时内每升培养物产率为4.2g扑热息痛。黄教授说:“我们的策略使细菌能够以细胞工厂的形式生产这种传统药物。”

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。