神户大学团队改造大肠杆菌实现2,5-PDCA高效合成，产量提升7倍

塑料自 20 世纪中期以来快速发展，因其轻质、耐用和低成本的特点，广泛应用于包装、纺织、电子和建筑等领域。然而，大量塑料制品依赖石化资源，其生产和废弃物处理过程带来严重的碳排放与环境污染。如何开发绿色、可降解、来源可再生的塑料替代品，已成为化学与环境领域的共同课题。

在众多候选材料中，2,5-吡啶二羧酸（2,5-pyridinedicarboxylic acid，2,5-PDCA）引起了广泛关注。这种含氮芳香族二羧酸不仅结构稳定，还能作为聚酰亚胺、聚酯等高性能材料的单体，部分性能甚至优于传统的对苯二甲酸（PET 塑料的重要原料），因此实现 2,5-PDCA 的绿色合成，对于推动可降解塑料和高性能生物基材料的发展意义重大。

近日，日本神户大学 Tsutomu Tanak 教授团队发表在Metabolic Engineering 的一篇题为“Biosynthesis of 2,5-pyridinedicarboxylate from glucose via p-aminobenzoic acid in Escherichia coli”的最新研究成果中，他们开发了一条利用大肠杆菌从葡萄糖出发，经对氨基苯甲酸（PABA）合成 2,5-PDCA 的全新代谢途径，最终构建了一株能够从葡萄糖直接合成 2,5-PDCA 的大肠杆菌工程菌，实现了之前记录产量的 7 倍以上，且几乎无副产物生成。

在过去的探索中，研究人员尝试过从木质素衍生物或葡萄糖合成 2,5-PDCA。尽管取得了一定进展，但效率普遍偏低。例如，有研究通过改造 Rhodococcus 或 Pseudomonas 菌株，将原儿茶酸（protocatechuate，PCA）作为中间体来生成 2,5-PDCA，然而这条途径存在严重的副产物问题——PCA 衍生的中间体在反应中容易发生自发脱羧，生成吡啶酸（picolinate），从而大大降低了产率。

图 | 相较传统 PCA 合成路径，PABA 路径可避免副产物积累

为了突破瓶颈，神户大学团队选择了一条新的代谢路线——通过 PABA 而不是 PCA 来合成 2,5-PDCA，PABA 是芳香族氨基酸代谢途径的衍生物，本身含有氮原子，能够在芳香环上直接引入氮元素。这一策略避免了副产物积累，提高了反应的专一性。

研究团队的核心突破体现在三个方面：

关键酶的筛选与优化。研究团队在 PABA 转化为 4A3HBA 的过程中，比较了多种 p-羟基苯甲酸羟化酶（PobA）后发现来自弧形柄杆菌的 PobA 性能最佳。随后，他们又引入了来自鲍特氏菌的 4-氨基-3-羟基苯甲酸二加氧酶（AhdA），高效催化 4-氨基-3-羟基苯甲酸（4A3HBA）转化为 2,5-PDCA，转化效率高达 76.5%。最终通过与 AhdA 联合表达，团队成功构建了高效“PABA→2,5-PDCA”模块。并将其导入一株经过改造的高产芳香化合物的大肠杆菌底盘菌 CFT1 中。

结果令人振奋：该工程菌能够以 97.2% 的转化率将外源添加的 PABA 转化为 2,5-PDCA，且几乎无中间产物积累。

代谢通路的系统整合。研究人员在大肠杆菌中同时引入了 PABA 合成模块（pabABC 基因）和上述转化模块，实现了从葡萄糖到 2,5-PDCA 的全合成路径，为避免代谢竞争，他们在宿主菌株中删除了部分参与芳香族氨基酸合成的基因，使更多碳流导向 PABA 和 2,5-PDCA。

应对氧化应激。PobA 在催化过程中容易产生过氧化氢，导致酶失活。团队通过补充外源丙酮酸来清除活性氧，同时引入耐氧化应激相关基因（如 ytfK）。这一措施有效缓解了酶失活问题，使得代谢通路能够长期高效运转。

图 | 改造后的工程菌株在生物反应器中实现的 10.6 g/L 高产量

在实验室条件下，优化后的大肠杆菌工程株在补充丙酮酸的情况下，72 小时即可积累 1.8 g/L 的 2,5-PDCA。进一步放大至生物反应器培养时，研究人员通过控制溶氧水平和动态补料，抑制了副产物的生成。最终产量达到 10.6 g/L，是此前报道的 7 倍以上。

这一纪录不仅展示了代谢路径的可行性，也证明了该策略具备工业应用潜力。更重要的是，在整个过程中几乎没有检测到 PABA 或中间体的积累，说明碳流被高度有效地导向了目标产物。

不仅如此，该研究还提供了一种将氮元素高效引入芳香族骨架的普适思路，未来，随着优化与产业化推进，2,5-PDCA 有望成为可降解高性能塑料的核心单体，推动塑料产业向绿色、低碳和可持续的方向转型。

参考文献：

1.https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1096717625001302?via%3Dihub

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