韩国科研团队利用大肠杆菌甘油合成尼龙原料

韩国研究团队在绿色化工领域取得重要突破，成功利用微生物替代传统石油化工手段，生产广泛用于服装及汽车零部件的尼龙核心原料。该成果以生物柴油生产过程中的副产物甘油为碳源，不仅开辟了高附加值环保化学品的新制造路径，更展示了替代高碳排放石油化学工艺的巨大潜力。

韩国科学技术院（KAIST）李相烨（Lee Sang-Yup）生命化学工程系教授团队于31日宣布，利用系统代谢工程技术，开发出一种基于大肠杆菌的模块化平台。该平台能够从可再生碳源甘油中高效生产尼龙6和尼龙6,6的核心单体。所谓系统代谢工程，是指通过精密设计与优化微生物的代谢途径，以Zui大化目标物质的生产效率。

模块化菌株分工与AI辅助酶优化

尼龙作为生活中常见的合成高分子材料，其应用极为广泛。其中，尼龙6因柔韧性好，主要用于纺织品和薄膜；尼龙6,6则凭借高强度和耐热性，成为汽车及机械零部件的关键工业素材。尼龙名称后的数字代表原料分子中的碳原子数。目前，己二酸、己二胺和ε-己内酰胺等核心原料几乎全部依赖石油化学工艺生产，这一过程伴随着大量的二氧化碳排放问题。

为解决这一痛点，研究团队选用甘油作为原料，并在同一集成平台内设计了两种功能不同的大肠杆菌菌株。上游菌株负责将甘油转化为己二酸，下游菌株则进一步将己二酸转化为己二胺或ε-己内酰胺。为提高生产效率，团队对比验证了促进体内化学反应的羧酸还原酶和转氨酶，并应用了组合。在ε-己内酰胺的生产过程中，还设计了具有多重功能的融合酶以提升反应效率。

此外，在上游模块中，研究团队引入人工智能（AI）技术优化核心酶性能，并通过重构生物合成途径显著提升了产量。经过一系列优化，发酵过程中己二酸的产量达到了每升6克（g/L）的水平。

时间差共培养策略刷新世界纪录

本次研究的一大亮点是采用了“延迟接种”策略，即时间差共培养法。该策略并非同时投入两种菌株，而是先让上游菌株充分生产己二酸，再投入下游菌株进行转化。结合流加发酵工艺中逐步供给营养的方式，团队成功以甘油为原料，生产出每升230毫克的己二胺和每升808微克的ε-己内酰胺。

尽管当前产量尚未达到商业化标准，但研究团队指出，这是全球范围内首次实现从甘油直接生产这些原料的Zui高水平成果。李相烨教授表示，该研究的意义在于提出了可从可再生碳源生产尼龙核心单体的模块化微生物平台。若未来能确保足够的生产效率，将有助于逐步替代依赖石油的尼龙原料。

鉴于甘油是生物柴油生产的廉价副产物，该模式有望与生物柴油产业结合，形成资源循环型生产模型。团队计划下一步融合AI酶设计与系统代谢工程技术，进一步提升生产力，并将该平台扩展至多样化生物基高分子原料的可持续生产。

该研究由KAIST安多熙（Ahn Da-hee）博士生担任第一作者，成果发表于5月4日的国际学术期刊《美国科学院院刊》（PNAS）。研究得到了韩国科学技术信息通信部“石油替代环保化学技术开发事业”及“合成生物学核心技术开发事业”的支持。

对于中国生物制造行业而言，这一进展提供了重要的技术参考。中国在生物基材料领域拥有庞大的应用市场和完善的化工产业链，但在核心菌种构建与代谢通路优化方面仍有提升空间。借鉴KAIST的模块化设计与AI辅助酶工程思路，结合国内成熟的发酵工艺优势，有望加速生物基尼龙等绿色材料的产业化进程，助力实现“双碳”目标下的化工产业转型。