从化石基化学制造向可再生生物制造的转型激发了人们对将木质纤维素生物质转化为燃料、化学品和功能材料的浓厚兴趣 (Cai et al., 2025; Di et al., 2026; Gao et al., 2026; Lu and Li, 2026; Pirotti et al., 2025; Romero et al., 2026; Xie et al., 2026; Xu et al., 2026; Zhang et al., 2024)。在众多生物质衍生平台化合物中，通过碳水化合物脱水和选择性氧化获得的呋喃衍生物尤其具有吸引力，因为它们的活性含氧官能团能够进行多样化的下游转化 (图 1a) (Bielski and Grynkiewicz, 2021; Gao et al., 2023; Pan et al., 2022; van Putten et al., 2013; Wu et al., 2024; Zhu et al., 2024b)。特别是，可衍生自 5- 羟甲基糠醛选择性氧化的 2,5- 呋喃二甲醛 (DFF) 和 5- 甲酰基 -2- 呋喃甲酸 (FFCA) 是含有醛基和/或羧基功能基团的重要 C6 呋喃中间体 (Awang et al., 2024; Chen et al., 2022; Ghatta et al., 2019; Ilkaeva et al., 2018)。这些结构特征使 DFF 和 FFCA 成为合成可再生聚合物、药物、精细化学品和含氮砌块化合物的合适前体。
含氮呋喃衍生物作为石油衍生胺和单体的可再生替代品，引起了越来越多的关注 (Cao et al., 2025; Gallezot, 2012; Yang et al., 2021; Zhang et al., 2025a)。其中，5- 氨基甲基 -2- 呋喃甲酸 (AFCA) 尤为前景广阔，因为它既含有伯氨基又含有羧基 (图 1b)。这种双功能结构使 AFCA 能够作为生产呋喃基聚酰胺和其他特种聚合物的潜在单体 (Lancien et al., 2021; Woroch et al., 2023)。然而，AFCA 的高效可持续合成仍然具有挑战性。
AFCA 的传统化学路线通常涉及 5- 羟甲基糠醛或相关呋喃中间体的顺序氧化和还原胺化。例如，HMF 到 FFCA 的均相氧化已与加压氢气下的异相还原胺化偶联 (Zhu et al., 2024a)。贵金属催化剂也已被用于生物质衍生呋喃醛向相应伯胺的还原胺化 (Du et al., 2025)。尽管这些化学方法可以提供令人满意的产品收率，但它们可能需要金属催化剂、高温、加压氢气、有机溶剂或多步分离程序，从而增加工艺复杂性和环境负担 (Gupta et al., 2022; Zhu et al., 2024a)。因此，在温和条件下运行并提供高化学选择性的替代催化策略是理想的。
生物催化为含氮化合物的选择性合成提供了一种有前景的方法，因为酶通常在温和的水相条件下运行并表现出高催化选择性 (图 1c) (Bilal et al., 2022; Hollmann and Fernandez-Lafuente, 2021; Huang et al., 2025; Li et al., 2023; Lu et al., 2023; Maier et al., 2024b; Mutti et al., 2011; Zhang et al., 2025b; Li et al., 2025)。依赖吡哆醛 -5'- 磷酸 (PLP) 的 ω- 转氨酶特别适用于通过氨基转移将醛和酮转化为相应的胺 (Kelly et al., 2018; Wu et al., 2023; Zhou et al., 2025a)。几种 ω- 转氨酶已被应用于生物质衍生呋喃醛，包括糠醛和 HMF，证明了通过酶促转氨生产可再生呋喃胺的可行性 (Giri et al., 2024; Patil et al., 2018)。然而，ω- 转氨酶催化的反应是可逆的，并且经常受到不利的反应平衡的限制。当使用l- 丙氨酸作为胺供体时，丙酮酸作为副产物生成。丙酮酸的积累会促进逆反应并降低最终胺的收率。因此，通常需要大量的胺供体过量以使平衡向产物形成方向移动 (Koszelewski et al., 2008; Leipold et al., 2019; Meng et al., 2022)。这种过量的供体负载可能会使下游产品回收变得复杂。
克服这种热力学限制的一种有效策略是原位移除丙酮酸 (Wu and Li, 2018)。乳酸脱氢酶 (LDH) 可以利用 NADH 将丙酮酸还原为乳酸，从而降低转氨副产物的浓度并使平衡向所需的胺移动。然而，持续的丙酮酸还原需要一个高效的 NADH 再生系统。甲酸脱氢酶 (FDH) 对于此目的很有吸引力，因为它通过氧化甲酸再生 NADH，产生 CO2 作为主要副产物 (Maier et al., 2024a; Zhang et al., 2020)。与基于葡萄糖脱氢酶的再生系统相比，使用甲酸脱氢酶避免了葡萄糖酸盐的形成，并可能减少含碳废物。因此，ω- 转氨酶、乳酸脱氢酶和甲酸脱氢酶的结合可以在氧化还原平衡的催化系统中结合氨基转移、丙酮酸移除和辅因子再生。尽管有这些优势，但构建高效的多酶全细胞系统仍然具有挑战性。组分酶必须在相互兼容的条件下运行，并且它们的表达水平和催化活性必须充分平衡，以防止丙酮酸积累或 NADH 再生不足。此外，生物质衍生呋喃醛可能会抑制酶活性或对重组全细胞产生毒性效应，特别是在底物浓度较高的情况下。因此，必须仔细评估底物负载量、胺供体浓度、甲酸剂量、pH 和温度的影响。
除了 FFCA 的直接转氨外，整合上游 DFF 氧化步骤将提供一条从生物质衍生二醛到 AFCA 的更完整路线。利用表达芳醇氧化酶 (AAO) 的重组全细胞生物催化剂已经证明了 DFF 到 FFCA 的选择性生物氧化 (Yang et al., 2025)。然而，将此氧化模块与氧化还原平衡的转氨系统相结合需要两个反应阶段之间的兼容性，以及含 FFCA 反应混合物的高效转移，而无需大量的中间体纯化。从 DFF 生产胺功能化呋喃化合物的顺序氧化 - 转氨级联反应仍未得到充分探索。在本研究中，构建了一种共表达工程化 ω- 转氨酶、乳酸脱氢酶 (LDH) 和甲酸脱氢酶 (FDH) 的大肠杆菌重组全细胞系统，用于将 FFCA 生物胺化为 AFCA。引入乳酸脱氢酶 - 甲酸脱氢酶模块是为了将丙酮酸移除与胞内 NADH 再生偶联，从而增强转氨反应的热力学驱动力。系统研究了l- 丙氨酸负载量、甲酸钠剂量、反应 pH、温度和初始 FFCA 浓度对 AFCA 生产的影响。随后，将转氨模块与表达重组芳醇氧化酶的细胞整合，建立了 DFF 到 AFCA 的顺序两步转化。在第一阶段，DFF 被选择性氧化为 FFCA。在移除氧化细胞后，所得含 FFCA 的滤液直接用于转氨阶段，而无需分离中间体。本工作展示了一种模块化的生物催化策略，结合选择性氧化、热力学驱动的转氨、丙酮酸移除和辅因子再生，将生物质衍生呋喃中间体转化为胺功能化单体。
