迈向丙烯酸这种大宗化学品的酶级联合成方法

《Nature Communications》：Towards an enzyme cascade synthesis of the bulk chemical acrylic acid

　　

摘要

丙烯酸是一种大量生产的化学品，其主要通过化石基工艺制造。在本研究中，我们对一种依赖硫胺素二磷酸的酶进行改造，使其能够催化二羟基丙酮磷酸中的\({{{\rm{H}}}}_{2}{{{\rm{PO}}}}_{4}^{-}\)直接脱除反应，从而用于丙烯酸的合成。量子化学计算揭示了该催化机制，包括异构化、烯醇-硫胺素二磷酸中间体的形成、\({{{\rm{H}}}}_{2}{{{\rm{PO}}}}_{4}^{-}\)脱除以及水解过程。通过自动化的高通量筛选平台，我们进行了定向进化，得到了性能提升13.6倍的变体，将其命名为丙烯酸合成酶。我们建立了从甲醇到丙烯酸的酶促转化路径，其转化浓度可达4.3克/升，生产速率为268.9毫克/升·小时，转化效率达到99.5%。这项研究为大规模丙烯酸的生物制造提供了高效方案，同时也拓展了依赖硫胺素二磷酸的酶在可持续一碳转化领域的应用范围。