123-54-6 / 乙酰丙酮的生物合成

乙酰丙酮是一種重要的有機(jī)合成中間體，廣泛應(yīng)用于貴金屬萃取、樹脂改性等方面，還可以作為燃料添加劑、染料中間體等。傳統(tǒng)方法主要是以石化來源的丙酮和乙烯酮為原料，需要利用貴金屬催化劑，在強(qiáng)酸高溫條件下獲得乙酰丙酮，存在條件苛刻、收率較低、易產(chǎn)生污染等問題，這些問題嚴(yán)重阻礙了乙酰丙酮的進(jìn)一步應(yīng)用。為了解決以上問題，中國科學(xué)院青島生物能源與過程研究所生物基材料組群研究人員實(shí)現(xiàn)了通過生物合成的方法來獲得乙酰丙酮。

約翰遜不動(dòng)桿菌體內(nèi)存在一種乙酰丙酮裂解酶（Dke1），該菌利用Dke1可以將乙酰丙酮降解為乙酸和甲基乙二醛。受此啟發(fā)，研究人員設(shè)計(jì)了以葡萄糖為原料的乙酰丙酮生物合成途徑（圖1）。通過在大腸桿菌體內(nèi)引入關(guān)鍵酶、改變外部環(huán)境等措施，成功扭轉(zhuǎn)了降解過程，實(shí)現(xiàn)了乙酰丙酮的從頭生物合成，誘導(dǎo)24h后產(chǎn)量為32mg/L。為了進(jìn)一步提高產(chǎn)量，通過與已知或推測具有乙酰丙酮裂解酶功能的蛋白進(jìn)行比較，研究人員深入分析了Dke1的氨基酸序列和三維結(jié)構(gòu)，確定了可能會(huì)影響Dke1催化活性的氨基酸位點(diǎn)，對這些潛在位點(diǎn)進(jìn)行定點(diǎn)突變后獲得了一系列突變體，雙突變株K15Q/A60D的催化活性比野生型提高了3.8倍。在雙突變株催化下，乙酰丙酮在搖瓶水平的產(chǎn)量為116mg/L，5L發(fā)酵罐水平的產(chǎn)量達(dá)到556mg/L。利用結(jié)構(gòu)模擬和分子對接，發(fā)現(xiàn)雙突變酶催化活性中心的通路體積有顯著增加，進(jìn)一步揭示了突變引起酶活性提升的可能機(jī)制。除了乙酰丙酮，Dke1被證明可作用于2,4-辛二酮、2-乙酰基環(huán)己酮、3,5-二庚酮等多種β-二羰基化合物，該研究的結(jié)果也為這一類物質(zhì)的生物合成提供了可能。

圖1該研究提出的乙酰丙酮生物合成途徑（實(shí)線代表合成途徑，虛線代表降解途徑）

圖2突變前后Dke1的結(jié)構(gòu)變化示意圖（a為野生型，b為突變型）

相關(guān)工作已于近日發(fā)表于Biotechnology for Biofuels 期刊，并申請了多個(gè)發(fā)明專利。該研究成果是目前公開的乙酰丙酮生物合成的首次報(bào)道。