近日，韩国科学技术院（KAIST）的研究人员开发了一种利用微生物以环保方式生产关键尼龙前体的技术。
该研究团队构建了一个基于大肠杆菌的模块化平台，能够利用系统代谢工程（一种设计和优化微生物代谢途径以最大化目标物质产量的技术），以甘油（一种生物柴油生产过程中产生的环保生物基副产品）这种可再生碳源为原料，生产尼龙6,6和尼龙6的三种关键单体：己二酸、己二胺和ε-己内酰胺。
该研究成果发表在《美国国家科学院院刊》（PNAS）上。
“尼龙6”具有极高的柔韧性，常用于服装和薄膜制造；而“尼龙6,6”则具有优异的强度和耐热性，常用于汽车和机械零件制造。尼龙名称后的数字表示原料分子中碳原子的数量。
本研究的核心在于将生物合成途径分为上游和下游模块，并分别赋予不同的大肠杆菌菌株不同的功能。上游菌株旨在利用甘油生产己二酸，而下游菌株则分别将其转化为己二胺或ε-己内酰胺。
通过这一策略，由韩国科学技术院化学与生物分子工程系特聘教授李相烨（Sang Yup Lee）领导的研究团队成功地在一个集成平台上生产了尼龙6,6的关键原料己二酸和己二胺，以及尼龙6的关键原料ε-己内酰胺。
为了提高生产效率，研究人员比较并验证了多种酶（生物体内促进化学反应的蛋白质），包括羧酸还原酶和转氨酶，并应用了最优组合，从而提高了己二胺的产量。
此外，在ε-己内酰胺的生产过程中，他们设计了一种柔性连接融合酶，该酶通过高效的辅因子再生来提高反应效率。
在上游模块中，研究团队重建了生物合成途径（生物体内化合物产生的一系列反应过程），并利用人工智能（AI）优化了关键酶的性能，从而提高了产量。
最终，他们成功地在补料分批发酵工艺中生产出了每升6克（g/L）的己二酸。
研究团队还采用了一种“延迟接种”策略（时间交错共培养），即在己二酸产量充足后再引入第二种菌株，而不是同时添加两种大肠杆菌。这是一种在不同时间按顺序引入具有不同作用的微生物的方法。
当将此策略应用于补料分批发酵工艺（一种通过逐步添加营养物质来提高生产率的发酵方法）时，该团队仅使用甘油就生产出了每升230毫克（mg/L）的己二胺和每升808微克（μg/L）的ε-己内酰胺。
尽管产量尚不高，但研究团队解释说，这些结果在直接以甘油为原料的生产案例中已达到世界一流水平。
这项技术意义重大，因为它为通过生物基方法生产尼龙原料提供了可能，而尼龙原料的生产此前一直依赖于石油化工工艺。
研究团队计划将基于人工智能的酶设计与代谢工程的其他系统相结合，进一步提高产量，并扩展该平台以生产各种聚合物原料（由多个单体重复键合形成的物质）。
李相烨教授表示：“这项研究意义重大，因为它展示了一个模块化的微生物平台，能够利用可再生碳源生产尼龙6和尼龙6,6生产所需的关键单体。我们将继续推进酶和代谢通量工程，以提高产量，并将其发展成为可持续生产各种生物基聚合物原料的核心平台。”
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