基于E. coli KPADH在低共熔溶剂中高效催化生物质醛类绿色合成醇类的研究

本研究针对化石燃料资源枯竭和环境污染问题，开发了重组E. coli KPADH在低共熔溶剂(DES) ChCl:Gly-H2O体系中高效催化生物质醛类（如HMF）还原为高附加值醇类（如BHMF）的绿色工艺。通过优化反应条件实现98.1%收率，分子 docking 揭示HMF与酶的高结合亲和力（-27.422 kcal/mol），为生物基化学品生产提供了环保新策略。

　　

全球对化石燃料的依赖正引发能源危机与气候变化的双重挑战，而生物质作为可再生资源，其高值化利用成为破解困局的关键。生物质衍生的醛类化合物（如纤维素转化的HMF、木质素衍生的香兰素）可通过还原反应生成广泛应用于燃料添加剂、药物中间体的醇类。传统金属催化法存在重金属污染、高温高压等问题，而生物催化虽环境友好，却受限于有机溶剂的毒性和效率瓶颈。

针对这一难题，国内研究人员在《Molecular Catalysis》发表研究，构建了重组Escherichia coli KPADH——通过共表达Kluyveromyces polysporus的酒精脱氢酶(ADH)与Bacillus subtilis的葡萄糖脱氢酶(GDH)，实现辅酶NAD⁺再生。创新性地采用低共熔溶剂(DES) ChCl:Glycerol-H₂O（10 wt%）作为反应介质，兼具生物相容性与催化活性。

关键技术方法
研究通过分子 docking 预测底物-酶结合能力，筛选DES体系（FT-IR表征氢键网络），优化pH、温度、底物比例等参数。采用分批补料策略提升产物浓度，并拓展底物谱验证普适性。

研究结果

1. DES体系优化
在ChCl:Gly-H₂O中，E. coli KPADH对HMF的还原效率显著优于传统溶剂。FT-IR显示DES氢键网络稳定酶结构，CDOCKER能量分析表明HMF与ADH结合能低至-27.422 kcal/mol，解释其超高催化活性。

2. 反应条件调控
最佳条件为30°C、pH 7.5、葡萄糖（2当量）、NAD⁺（0.1 μM/mM HMF）和细胞负载0.1 g/mL。8小时内将50 mM HMF转化为BHMF，收率98.1%，选择性100%。分批补料使产物浓度提升至166.7 mM。

3. 底物谱拓展
体系成功转化异香兰素、香兰素、对羟基苯甲醛等为对应醇类，收率均>90%，证实广谱适用性。

结论与意义
该研究开创了DES-全细胞耦合催化新范式：① 突破生物催化在非水相中的效率限制；② 分子 docking 指导的酶-底物适配性设计为理性改造提供依据；③ 避免贵金属催化剂使用，符合绿色化学原则。成果为生物基醇类工业化生产奠定基础，助力“双碳”目标下生物制造产业升级。