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为解决 β,γ- 二醇（尤其是 C4 以上）生物合成途径有限的问题，研究人员以大肠杆菌为底盘，利用酿酒酵母来源的乙酰羟酸合成酶（AHAS）构建递归碳连接循环，从支链氨基酸（BCAA）代谢实现支链 β,γ- 二醇（如 4 - 甲基戊烷 - 2,3 - 二醇等）的从头合成，优化后产量达 129.8 mM，为 β,γ- 二醇合成提供新策略。
在生物基化学品合成领域，开发可持续的生产路径以替代石油基方法一直是研究热点。β,γ- 二醇作为一类具有独特化学和物理性质的化合物，在燃料添加剂、化妆品、聚合物和制药等领域应用广泛。例如，2,3 - 丁二醇（2,3-BDO）已用于生产软化剂、增塑剂等，但其更高碳链（>C4）的同系物生物合成却鲜有报道。传统依赖石油的合成方式面临环境挑战，而利用微生物从可再生原料合成化学品的策略备受关注。然而，现有 β,γ- 二醇合成路径局限于天然途径或简单碳链延伸，如何拓展结构多样性、实现高碳链支链 β,γ- 二醇的高效生物合成成为亟待解决的问题。
为突破这一瓶颈，厦门大学的研究人员开展了相关研究。他们以大肠杆菌（Escherichia coli）为底盘细胞，开发了一种从可再生原料合成支链 β,γ- 二醇的生物合成平台，相关成果发表在《Nature Communications》。
研究人员采用的关键技术方法包括：
- 酶筛选与改造：挖掘酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）来源的乙酰羟酸合成酶催化结构域（Ilv2c），验证其对支链醛与丙酮酸的碳连接活性；
- 代谢工程优化：通过敲除副产物合成基因（如 Pta、PflB、LdhA、AdhE）、过表达关键酶（如 IlvCD、LeuA*BCD）重构支链氨基酸代谢通路；
- 发酵工艺优化：利用分批补料发酵提升目标产物产量。
结果
设计递归碳连接循环
受天然 2,3-BDO 合成路径启发，研究人员设计了 “醛 - 羟基酮 - 二醇” 的合成模式。以 L - 缬氨酸代谢为例，通过 AHAS 催化丙酮酸与支链醛（如异丁醛）缩合生成 α- 羟基酮（如 3 - 羟基 - 4 - 甲基戊烷 - 2 - 酮），再经大肠杆菌内源性醛酮还原酶（AKR）还原为支链 β,γ- 二醇（如 4 - 甲基戊烷 - 2,3 - 二醇，4-M-PDO）。该循环利用硫胺素焦磷酸（ThDP）依赖的 AHAS 实现碳链 “+2” 延伸，为支链 β,γ- 二醇合成提供了通用框架。
筛选高效 AHAS 酶
通过比较大肠杆菌 IlvBN、枯草芽孢杆菌 AlsS 和酿酒酵母 Ilv2c 的催化活性，发现仅 Ilv2c 能高效催化异丁醛与丙酮酸缩合生成 α- 羟基酮，且大肠杆菌内源性代谢可直接将中间体还原为 4-M-PDO。进一步验证表明，Ilv2c 对 L - 亮氨酸代谢的异戊醛、L - 异亮氨酸代谢的 2 - 甲基丁醛均具有广谱催化活性，生成相应的 β,γ- 二醇（5 - 甲基己烷 - 2,3 - 二醇、4 - 甲基己烷 - 2,3 - 二醇）。
解析内源性还原酶作用
通过 CRISPRi 抑制大肠杆菌内源性 AKR 基因（YdjG、YghZ、YdhF 等），发现这些酶参与 α- 羟基酮的还原。纯化酶实验证实，YdjG、YghZ、YdhF 可催化 3 - 羟基 - 4 - 甲基戊烷 - 2 - 酮转化为 4-M-PDO，但对其他底物活性有限，提示存在其他协同还原酶。
从头合成与代谢工程优化
构建双质粒系统引入支链醛合成路径（如酿酒酵母 Aro10 催化 2 - 酮酸脱羧生成醛），实现 4-M-PDO、5-M-HDO 的从头合成。通过敲除副产物基因减少碳流失，过表达 IlvCD 增强 L - 缬氨酸通路通量，引入反馈抗性 LeuA*BCD Redirect 代谢流至 L - 亮氨酸通路。优化后，4-M-PDO 产量从 14.0 mM 提升至 74.1 mM，分批补料发酵进一步达 129.8 mM（15.3 g/L），理论产率 72%。
拓展应用潜力
研究表明，该平台可通过 BCAA 代谢生成多种支链醛，结合 AHAS 碳连接循环，有望合成 C6-C7 及更长碳链的 β,γ- 二醇。此外，非天然醛（如短链、中链脂肪酸醛）的引入可进一步扩展产物多样性，为生物基化学品合成提供新方向。
结论与讨论
本研究首次建立了基于大肠杆菌 BCAA 代谢的支链 β,γ- 二醇从头合成平台，利用 AHAS 介导的递归碳连接循环实现了 C6-C7 支链 β,γ- 二醇的高效生产。通过代谢工程优化与发酵工艺改进，4-M-PDO 产量达到工业可行水平，为替代石油基合成路径提供了可持续方案。研究揭示的 AHAS 催化机制与代谢工程策略，不仅拓展了 β,γ- 二醇的结构多样性，也为其他醛衍生化学品的生物合成提供了通用方法。未来，结合新型宿主（如抗噬菌体大肠杆菌或酵母）与廉价原料（如木质纤维素），该技术有望进一步提升经济性与环境效益，推动生物基化学品产业的发展。
