全细胞生物催化是指在微生物细胞的作用下，将某种底物转化成特定产物的过程，本质上是生物体系中酶的催化作用。这是生物催化的一个重要分支，以完整的细胞为催化剂，避免了细胞裂解和酶纯化步骤，极大削减了生产成本。

全细胞生物催化中天然和重组酶反应工程使化学品和生物燃料的生物生产成为可能，尤其是通过对反应选择性的微调使目标产物的制备达到高转化率。这种方法有望为可再生的底物转化为工业重要化合物提供新途径。

在一份最新的研究中，来自韩国梨花女子大学的研究人员证明了可以用可再生的 C18 油酸生成各种 C9 化学品，包括 9-氨基壬酸（9-ANA）、1,9-壬二醇、9-氨基-1-壬醇和 1,9-二氨基壬烷。在实验中，研究人员通过激活 6 种重组酶反应和抑制一种大肠杆菌生物催化中天然酶的反应生成了 9-氨基壬酸等物质，9-氨基壬酸（属于 一类 ω-氨基羧酸）的分离产率（isolation yield）为 54%。

这项研究已发表在ACS Catalysis上。论文的通讯作者是梨花女子大学食品科学与生物技术系教授Jin-Byung Park和韩国国民大学生物与发酵融合技术系副教授 Joo-Hyun Seo。

（来源：ACS Catalysis）

“这项研究不仅有助于从可再生脂肪酸包括油酸和蓖麻油酸生物合成 ω-氨基链烷酸，还有助于生物合成 ω-氨基-1-链烷醇（ω-amino-1-alkanols）和 α,ω-二氨基烷烃（α,ω-diaminoalkanes）。”

全细胞生物催化已经稳步扩大了可合成产物的范围，从 C1 到更复杂的多碳产物。基于数据科学的酶发现和酶工程，生物合成途径设计和全细胞生物催化剂工程加速了新生物催化剂的合成和生物催化过程。

其中，扩大全细胞生物催化剂产品范围的一个潜在途径是生物反应工程，包括多相酶反应工程和原生细胞反应工程。以甲醛制备乙醇酸或乙二醇为例，在基于大肠杆菌的全细胞生物催化剂中，多种酶的过表达使得甲醛生成乙醇醛并高效生产乙二醇和乙醇酸。尤其是，对大肠杆菌菌株进行微调可以抑制甲醛消散到二氧化碳中的副反应，达到目标产物的高转化率。

现阶段，许多大肠杆菌菌株包括 BL21、MG1655、JM109 以及 W3110 已被广泛用作宿主细胞设计和构建全细胞生物催化剂。不过，由于这些菌株在异质酶功能表达水平、耐受性以及碳代谢等方面存在差异，因此，代谢工程以及选择合适菌株可能是全细胞生物催化实现高生产率和高转化率的关键所在。

中链脂肪酸在化学工业中应用广泛，比方说，α，ω-二羧酸、ω-羟基烷酸、ω-氨基烷酸、ω-氨基-1-醇和 α,ω二氨基烷已用于生产生物聚酯和生物尼龙。这些化学物质主要通过全细胞生物催化以糖或脂肪酸为底物制备。然而，反应过程中，生物转化产量仍然很低，主要原因在于生物转化酶的催化活性低或细胞代谢酶的副反应。

▲图 | 以油酸为底物酶法制备各种 C9 化学品（来源：上述论文）

基于此，该团队设计本研究的重点放在了以油酸为底物高生物转化率制备 C9 化学品的生物反应工程。该团队设计了生物转化途径，并通过工程大肠杆菌菌株将靶向级联生物转化过程中发生的副反应最小化。在基于大肠杆菌的全细胞生物催化中，该团队激活了 6 个重组酶反应，并抑制了 1 个天然酶反应，最终以油酸为底物高产率合成了 9-氨基壬酸。

具体来说，该团队首先探索了可高效生产 C9−C12 ω-氨基羧酸的酶，筛选并确定了 ω-AT（ω-AT_Afab）具有广泛的底物特异性；然后，研究了油酸生物合成 9-ANA 的过程，这一过程中酯产物的生物转化率超过了 95%，9-ANA 纯度达到约 90%。最终，从油酸中分离得到 ω-氨基羧酸，分离产率为 54%。这些结果表明，以 ωAT_Afab 为关键酶，可以从长链不饱和脂肪酸（如油酸）中合成 ω-氨基羧酸；接下来，验证了 9-羟基壬酸（9-Hydroxynonanoic Acid）可以转化为 1,9-壬二醇，转化率为 97%；利用大肠杆菌 MG1655 和大肠杆菌 W3110 作为宿主细胞可将 1,9-壬二醇转化为 1,9-二氨基壬烷，转化率分别为 72% 和 81%。

最后，研究团队确定了大肠杆菌菌株的生物转化途径和特性是决定其全细胞产胺率的关键因素；质量传递反应在内的背景反应（background Reaction）是影响全细胞生物催化的关键因素之一。

▲图 | 油酸转化为各种 C9 化学物质的生物合成途径（来源：上述论文）

“我们的研究有助于理解全细胞生物催化，并基于油酸及其衍生物通过大肠杆菌全细胞生物催化合成 9-氨基壬酸、1,9-壬二醇、9-氨基-1-壬醇 和 1,9-二氨基壬烷等多种 C9 化学物质。而对细胞背景反应和异源酶反应的工程设计使我们能够以较高的速率和转化率生产 C9 化合物。”

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