Delftia lacustris单加氧酶催化喹啉绿色生物合成2-羟基喹啉的机制与产业化潜力

针对化学法合成2-羟基喹啉(2-HQ)存在高能耗、二次污染等问题，研究人员从喹啉驯化污泥中分离出Delftia lacustris菌株，首次实现喹啉单加氧酶催化一步转化2-HQ并实现化学计量积累。通过基因组和转录组分析揭示FAD依赖性单加氧酶关键作用，外源琥珀酸使转化速率提升120%，产物纯度达80%，为高附加值NHCs（氮杂环化合物）绿色合成提供新范式。

　　

【研究背景】
喹啉及其衍生物作为重要的氮杂环化合物(NHCs)，在抗疟疾、抗肿瘤等药物研发中具有核心地位。其中2-羟基喹啉(2-HQ)的市场价值是原料喹啉的5000倍，但传统化学合成依赖贵金属催化剂和复杂工艺，存在高能耗、重金属污染等瓶颈。更棘手的是，微生物转化喹啉时，2-HQ往往被进一步氧化为2,8-二羟基喹啉而无法积累。如何通过生物法实现2-HQ的高效定向合成，成为绿色化学领域的重大挑战。

【研究团队与成果】
来自中国的研究团队在《Biochemical Engineering Journal》发表突破性研究，从喹啉驯化污泥中分离到一株Delftia lacustris，首次实现喹啉到2-HQ的单加氧酶催化一步转化，且产物能化学计量积累至80%纯度。通过外源电子供体调控和组学分析，揭示了FAD依赖性单加氧酶的关键作用，为高附加值NHCs生物合成开辟新路径。

【关键技术】
研究采用污泥分离培养获得目标菌株，通过傅里叶变换红外光谱(FTIR)和核磁共振(NMR)验证产物结构；利用分步动力学模型拟合转化过程；结合基因组和转录组测序鉴定FAD依赖性单加氧酶(FAD-dependent mono-oxygenase)和FMNH₂
依赖性烷基磺酸单加氧酶(FMNH₂
-dependent alkanesulfonate monooxygenase)等关键酶基因。

【研究结果】

1. 菌株特性：D. lacustris在含无机盐培养基中对喹啉的转化符合分数阶动力学模型r=-dC/dt=kC^α
   ，反应级数α介于0-1之间。
2. 电子供体效应：添加0.2-mM琥珀酸使转化速率提升120%，证实单加氧反应依赖细胞内电子传递。
3. 产物抑制机制：喹啉存在时nicC/ssuD基因表达被抑制，阻止2-HQ进一步氧化。
4. 组学证据：基因组注释发现K00488和K14539等氧化还原酶基因，转录组显示其表达与转化过程同步。

【结论与意义】
该研究首次阐明D. lacustris通过FAD依赖性单加氧酶将喹啉特异性转化为2-HQ的分子机制，突破传统生物转化中产物无法积累的瓶颈。通过外源电子供体调控可显著提升转化效率，结合培养基优化使产物纯度达药用级标准（80%）。相较于化学法，该生物合成路径无需贵金属催化剂，能耗降低超80%，为喹啉衍生物绿色制造提供工业化可能。更重要的是，该策略可拓展至其他高价值NHCs的生物合成，推动制药工业向可持续发展转型。