汉堡工业大学/西湖大学曾安平组Nat Comm｜

构建结构多样化二醇生物合成通用途径

曾安平 2022-03-26

短链二醇（C2-C5 diols）是一类重要的平台化合物，广泛应用于新型溶剂、燃料、聚合物、生物制药和化妆品等行业。近些年，考虑到石油资源的日益减少及严重的环境问题，开发生物合成途径。

生产短链二醇的研究引起了极大的关注。迄今已报道了乙二醇(EG)、1,2-丙二醇(1,2-PDO)、1,3-丙二醇(1,3-PDO)、1,3-丁二醇(1,3-BDO)、1,4-丁二醇(1,4-BDO)、2,3-丁二醇(2,3-BDO)和1,5-戊二醇等的生物合成途径，其中杜邦公司实现了1,3-PDO的规模化生产，被认为是生物化工领域的里程碑事件。然而，目前的研究主要聚焦在直链二醇的生物合成，对于其他具有重要工业价值的支链二醇的人工合成途径的开发鲜有报道。

在本研究中曾安平团队提出一种生产多种结构不同的二醇的通用合成途径。该途径可将不同的底物氨基酸转化为对应的二醇（图1a）。具体来说，产物二醇的一个羟基(-OH)基团通过氨基酸羟化酶催化底物氨基酸羟基化引入，而另一个-OH基团则利用Ehrlich 途径转化底物氨基酸的氨基羧基基团得到（图1b）。该途径具有如下优势：

首先，之前报道的二醇生物合成途径中产物的羟基都是通过还原羧基或者羰基的方式获取，通常需要消耗NAD(P)H和ATP，并且在热力学上不太有利。本研究中，二醇产物中的一个羟基是通过氨基酸羟基化反应引入，反应与α-酮戊二酸氧化生成琥珀酸反应偶联，从而使该反应在热力学上非常有利，为后续的反应步骤提供强大的热力学驱动力（图1c）。此外，该反应不消耗NAD(P)H和ATP，从而降低了菌株代谢改造的难度。重要的是，氨基酸羟化酶具有良好的区域选择性和立体选择性，因此可以利用不同的羟化酶对同一氨基酸的不同碳位置进行羟基化，从而实现利用相同的底物氨基酸生成多种结构不同的二醇产物（图1b）。同时，利用羟化酶的区域选择性和立体选择性，可以获得纯度较高的目标产物，大大降低后续分离纯化过程的难度和成本。最后，该途径利用氨基酸作为前体生成二醇，而大肠杆菌内氨基酸代谢能力强大及其调控机制较为清晰，这有助于后续的代谢改造进一步提升产物二醇的产量，实现工业化应用。

图1. 以氨基酸为底物通过氧化和还原组合生成二醇的通用合成途径

为了验证该途径的可行性及通用性，分别以缬氨酸、亮氨酸、正缬氨酸、正亮氨酸、异亮氨酸和苏氨酸为底物，利用多种具有不同催化位置和底物偏好性的氨基酸羟化酶，合成了10种二醇（图2），其中2-甲基-1,3-丙二醇(MPO)、3-甲基-1,3-丁二醇 (IPDO)，2-甲基-1,3-丁二醇(2-M-1,3-BDO)、2-甲基-1,4-丁二醇(2-M-1,4-BDO)、2-乙基-1,3-丙二醇(2-E-1,3-PDO)这五种支链二醇以及1,4-戊二醇(1,4-PTD)的生物合成为首次报道。

在合成的二醇中，IPDO是一种化妆品行业的重要原材料，常用作保湿剂、增溶剂和防腐剂等。以IPDO为例，利用代谢工程手段对菌株进行改造以提高IPDO的产量。通过筛选具有更高活力的途径酶、增强前体亮氨酸的供给、以及定向进化羟化酶等手段，最终获得的菌株能够在摇瓶水平生产310mg/L IPDO，表明该平台途径具有巨大的潜在应用价值。

图2. 通过二醇平台途径合成10种结构不同的二醇