尼龙是“石油化工”产品？从微生物中提取

Published 10 Aug.2023 16:16(KST)

KAIST发布系统代谢工程研究成果
开发出利用微生物生产尼龙5材料物质的工艺

人们通常认为尼龙是石油化工产品。不过，韩国国内研究团队开发出利用微生物生产尼龙材料的技术。

通过石油化学工艺生产的尼龙。资料图片。

韩国科学技术院（KAIST）10日表示，生命化学工程系特聘教授 Lee Sangyeop 研究团队的博士 Han Taehee 成功开发出能够生产尼龙‑5单体——戊内酰胺的微生物菌株。

戊内酰胺（valerolactam）是尼龙‑5以及尼龙 6,5 的重要单体。尼龙‑5和尼龙 6,5 是历史最悠久的合成纤维——尼龙的一种。尼龙‑5是由含有5个碳原子的单体构成的高分子，尼龙 6,5 则是由含有6个碳和5个碳的两种单体构成的高分子。由于加工性优异、质轻而坚韧，不仅被用于服装，还广泛应用于羽毛球拍线、渔网、帐篷以及齿轮零部件等各个产业领域。此外，所谓单体，就是用来合成这些高分子的原料，通过将单体彼此连接来合成高分子。

以石油化工为基础的化学法生产戊内酰胺存在反应条件极端、会产生有害废弃物等问题。为解决这些问题，业界一直在努力开发能够以环保且高效率方式生产戊内酰胺的微生物细胞工厂。系统代谢工程是为有效开发微生物菌株所必需的核心策略，也是 Lee 教授创立的研究领域。

尼龙-5 单体戊内酰胺生产微生物的开发策略。图片来源=KAIST 提供

研究团队利用调控微生物代谢途径的代谢工程技术，在主要用于氨基酸生产的一种细菌——棒状杆菌中构建了戊内酰胺生产合成代谢途径。由此，他们开发出一种微生物菌株，以生物质——葡萄糖作为碳源，生产高附加值的戊内酰胺。Lee 教授团队早在2017年就通过代谢工程改造大肠杆菌，首次在全球提出了生产戊内酰胺的策略。但当时存在戊内酰胺产量低、产生副产物等局限。

通过本次研究，团队提升了微生物的戊内酰胺生产能力，并在所开发的菌株中进一步导入了用于去除副产物的系统代谢工程策略。他们删除了与主要副产物生成相关的基因，并通过基因筛选，将既是副产物又是前体的5‑氨基戊酸（5‑aminovaleric acid）转化为戊内酰胺，从而成功减少了副产物的生成。

研究团队还通过将负责把5‑氨基戊酸转化为戊内酰胺的基因多次插入到基因组中的策略，加强了用于戊内酰胺生产的代谢流，成功高效地生产出世界最高浓度（76.1克/升）的戊内酰胺。这一数值是既有水平的6.17倍。