北化工袁其朋等构建人工合成途径，实现1,5 -戊二醇高效合成

在化工和制药领域，1,5-戊二醇（1,5-PDO）和 5-氨基-1-戊醇（5-APO）是两种不可或缺的重要物质。1,5-PDO 常用于制造聚酯、聚氨酯，在农药、涂料、胶粘剂和增塑剂等产品中也有广泛应用；5-APO 被广泛用于合成尼龙单体、生物活性分子和自愈材料。以往，这些化学品主要通过化学合成法生产，但这种方法存在诸多弊端，比如工艺复杂、成本高昂，而且还受到有限的石油原料的限制。

因此，随着生物技术的发展，科学界找到了一种更绿色、更高效的生产方式——微生物发酵合成，并探索出四条从头合成 1,5-PDO 的生物合成途径，这些途径都以赖氨酸为起始原料。

然而，这些传统途径存在一个很大的问题，就是能量消耗巨大。在整个合成过程中，不仅下游赖氨酸转化步骤需要消耗大量能量，上游赖氨酸的生物合成也需要消耗大量的能量。如此高的能量投入，使得生产效率大打折扣，碳产率也受到影响。

为了解决这些问题，近日，我国北京化工大学袁其朋、孙新晓等人

在 Biotechnology and Bioengineering 上发表题为“Design an Energy‐Conserving Pathway for Efficient Biosynthesis of 1,5‐Pentanediol and 5‐Amino‐1‐Pentanol”的文章，通过重新设计并构建一条全新的节能人工合成途径，实现了 1,5-PDO 和 5-APO 的高效合成。

整个代谢途径被分为三个模块：赖氨酸合成模块、5-APO 合成模块和 1,5-PDO 合成模块。在该路径中，葡萄糖先经一系列反应生成天冬氨酸半醛，再反应生成四氢二吡啶羧酸，最终生成赖氨酸。随后，通过巧妙的反应设计，赖氨酸只需要经过一步脱羧、两步转氨和两步还原反应即可转化为 1,5-PDO。而且，它的理论产量相当可观，每摩尔葡萄糖可以产生 0.75 摩尔的 1,5-PDO，比以往报道的途径都要高。

在实验开始，科研团队首先要解决的问题是找到合适的酶。在 5-APO 合成模块中，他们通过搜索能够催化结构相似底物的酶，从大肠杆菌和酿酒酵母中挑选出了五种候选的醇脱氢酶。最终发现大肠杆菌中的 YjgB 酶表现最为出色（对应工程菌株 ML04）。在 1,5-PDO 合成模块中，他们又对多种ω-转氨酶进行了筛选，最终确定了来自铜绿假单胞菌的 PAKω-TA（WTA）酶（对应工程菌株 ML06），能够有效地将 5-APO 转化为 1,5-PDO 的前体物质 5-羟基戊醛（5-HPA）。

确定了关键酶之后，团队开始对整个代谢途径进行组装和优化。

首先，科研团队通过调整大肠杆菌的代谢途径，实现了对赖氨酸合成模块的优化。他们发现，敲除大肠杆菌基因组中的 iclR 和 arcA 基因，可以激活三羧酸循环和乙醛酸支路，从而增加草酰乙酸的供应，推动碳通量流向赖氨酸合成途径，进而提高 5-APO 和 1,5-PDO的产量。同时，考虑到 1,5-PDO 的合成需要大量的 NADPH，科研团队通过过表达转氢酶基因 pntAB，提高了细胞内 NADPH 的浓度和 NADPH/NADP 的比例，使得 1,5-PDO 的产量进一步提升。

此外，通过调整基因的表达水平，科研团队发现将编码腐胺转氨酶的 patA 基因和编码醇脱氢酶的 yjgB 基因放在中等拷贝数的质粒上时，5-APO 的产量有了显著提高。同样，在 1,5-PDO 合成模块中，通过优化 WTA 和 YqhD 的表达水平，也提高了 1,5-PDO 的产量。

最终，经过一系列的优化，工程菌株的生产能力得到了极大的提高。在摇瓶实验中，最终优化后的工程菌株 ML22 能够分别产生 1502.8 mg/L 的 5-APO 和 726.2mg/L 的 1,5-PDO。在 3L 生物反应器的分批补料发酵实验中，1,5-PDO 的产量更是达到了 11.7g/L，展现出了这条新途径巨大的应用潜力。

总之，这项研究为 1,5-PDO 和 5-APO 的高效生产提供了新的途径，也为其他化学品的生物合成提供了借鉴。不过，目前这条合成途径仍存在一些问题。例如，在分批补料发酵过程中，会产生大量的副产物乙酸，这不仅会降低整个途径的效率，还会影响产品的质量；此外，实际产量与理论产量之间仍存在较大差距，主要原因是从赖氨酸到 1,5-PDO 的转化效率较低，尤其是两种转氨酶，特别是 WTA，成为了目前合成过程中的限速步骤。

未来，科研人员计划通过蛋白质工程技术提高这些酶的催化效率，同时进一步优化代谢途径和培养条件，以提高 1,5-PDO 和 5-APO 的产量和产率。

参考文献：

1.Ma L, Xie C, Zhang Y, Li W, An N, Shen X, Wang J, Sun X, Yuan Q. Design an Energy-Conserving Pathway for Efficient Biosynthesis of 1,5-Pentanediol and 5-Amino-1-Pentanol. Biotechnol Bioeng. 2025 Feb;122(2):445-451. doi: 10.1002/bit.28875. Epub 2024 Oct 31. PMID: 39482764.

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