第4918期:第01版 封面

生物技术破解尼龙单体合成污染难题

尼龙是一种应用非常广泛的合成纤维,尼龙种类较多,其中尼龙66是最重要的一种。尼龙66的主要原料之一己二酸属于二元羧酸类尼龙单体,其合成主要依赖高污染、高能耗的多步骤化学氧化过程。

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,设计了一条全新的人工生物合成途径,通过理性设计微生物菌群催化体系,用空气中的氧作为氧化剂,在水溶液中把环烷烃或环烷醇转化为相应的二元羧酸尼龙单体。这一研究成果有望解决困扰科学界和工业界近半个世纪的难题。

尼龙的种类较多,按照单体的结构可以分为脂肪族、芳香族以及脂肪-芳香族尼龙,其中脂肪族尼龙中的尼龙66是最重要的一种,被大量广泛地应用到众多关系国计民生的重要领域,如纺织服装、医药卫生、农业食品、物流运输及军事国防等。

“尼龙66是由己二酸与己二胺缩合制得,而己二酸作为其中主要的单体,其合成主要依赖高污染、高能耗的多步骤化学氧化过程。”李爱涛介绍,该过程需要使用大量具有腐蚀性的硝酸,同时产生大量的一氧化氮、一氧化二氮等有害温室气体,带来全球气候变暖、臭氧空洞等环境问题,因此严重制约着尼龙66产业的发展。

李爱涛团队从头设计了一条含8个酶的生物合成途径,研究人员尝试将8种酶在同一个细胞中进行表达来构建细胞催化剂,发现由于细胞负担太重,某些酶在细胞内的表达量很低,导致整个反应的催化效率很差。为了解决上述问题,他们将8种酶分散到3种大肠杆菌中进行表达,首先获得三种具有不同催化功能的细胞催化剂,然后再将三种细胞进行组合获得菌群催化剂。通过任务分工、团队协作的方式,最终实现了环己烷到己二酸的高效绿色合成。

该过程在温和条件下(常温、常压和水相)进行催化反应,使用自给自足的辅酶自循环,不需要任何外源的昂贵辅酶,成本低。同时反应过程没有任何中间产物的积累,选择性高、产物单一,后续分离纯化简单。(陈曦)