乙酰丙酮是一種重要的有機合成中間體，廣泛應(yīng)用于貴金屬萃取、樹脂改性等方面，還可以作為燃料添加劑、染料中間體等。傳統(tǒng)方法主要是以石化來源的丙酮和乙烯酮為原料，需要利用貴金屬催化劑，在強酸高溫條件下獲得乙酰丙酮，存在條件苛刻、收率較低、易產(chǎn)生污染等問題，這些問題嚴重阻礙了乙酰丙酮的進一步應(yīng)用。為了解決以上問題，青島能源所生物基材料組群研究人員實現(xiàn)了通過生物合成的方法來獲得乙酰丙酮。
圖1 本研究提出的乙酰丙酮生物合成途徑（實線代表合成途徑，虛線代表降解途徑）
約翰遜不動桿菌體內(nèi)存在一種乙酰丙酮裂解酶（Dke1），該菌利用Dke1可以將乙酰丙酮降解為乙酸和甲基乙二醛。受此啟發(fā)，研究人員設(shè)計了以葡萄糖為原料的乙酰丙酮生物合成途徑（圖1）。通過在大腸桿菌體內(nèi)引入關(guān)鍵酶、改變外部環(huán)境等措施，成功扭轉(zhuǎn)了降解過程，實現(xiàn)了乙酰丙酮的從頭生物合成，誘導(dǎo)24h后產(chǎn)量為32mg/L。為了進一步提高產(chǎn)量，通過與已知或推測具有乙酰丙酮裂解酶功能的蛋白進行比較，研究人員深入分析了Dke1的氨基酸序列和三維結(jié)構(gòu)，確定了可能會影響Dke1催化活性的氨基酸位點，對這些潛在位點進行定點突變后獲得了一系列突變體，雙突變株K15Q/A60D的催化活性比野生型提高了3.8倍。在雙突變株催化下，乙酰丙酮在搖瓶水平的產(chǎn)量為116mg/L，5L發(fā)酵罐水平的產(chǎn)量達到556mg/L。利用結(jié)構(gòu)模擬和分子對接，發(fā)現(xiàn)雙突變酶催化活性中心的通路體積有顯著增加，進一步揭示了突變引起酶活性提升的可能機制。除了乙酰丙酮，Dke1被證明可作用于2,4-辛二酮、2-乙酰基環(huán)己酮、3,5-二庚酮等多種 -二羰基化合物，本研究的結(jié)果也為這一類物質(zhì)的生物合成提供了可能。
圖2 突變前后Dke1的結(jié)構(gòu)變化示意圖（a為野生型，b為突變型）
相關(guān)工作已于近日發(fā)表于Biotechnology for Biofuels期刊，并申請了多個發(fā)明專利。本研究成果是目前公開的乙酰丙酮生物合成的首次報道。值得一提的是，4位審稿人在審稿意見中分別用“a novel idea ”、“promising novel work”、“sufficiently novel to warrant publication”、“the acetylacetone is produced biologically for the first time which is meaningful for its green biological manufacturing ”等評語強調(diào)了本研究的創(chuàng)新性和重要性。
該工作獲得了國家自然科學基金、中國科學院青年創(chuàng)新促進會等項目的支持（文/圖 馮新軍）。
Yifei Zhou, Yamei Ding, Wenjie Gao, Jichao Wang, Xiutao Liu, Mo Xian, Xinjun Feng*, Guang Zhao*. Biosynthesis of acetylacetone inspired by its biodegradation. Biotechnology for Biofuels, 2020, 13:88.
https://biotechnologyforbiofuels.biomedcentral.com/articles/10.1186/s13068-020-01725-9
趙廣，馮新軍，咸漠，周怡斐，高文杰. 一種生產(chǎn)乙酰丙酮的重組菌及其構(gòu)建方法和應(yīng)用。申請?zhí)枺?/span>201810865467.0
咸漠，馮新軍，周怡斐，趙廣. 一種胞外酶反應(yīng)生成乙酰丙酮的方法。申請?zhí)枺?/span>201910464183.5
馮新軍，周怡斐，咸漠，趙廣. 一種提高乙酰丙酮合成效率的乙酰丙酮裂解酶突變體、核苷酸、表達載體、重組菌及應(yīng)用。申請?zhí)枺?/span>202010221306.5
