当仿化生物催化系统实现变废为宝

“仿化”生物催化系统实现“变废为宝”

工业的发展使人们生活水平不断提高，但同时，随着工业的不断发展，越来越多的污染物也被排放到环境中，造成了越来越严重的环境污染。其中，酚类化合物就是重点环境污染物之一。烷基酚属于酚类化合物中的一类，其对动物和人类具有高毒性和致癌性。

虽然烷基酚是重点污染物，但却是生产生活中不可或缺的。因为烷基酚的衍生物不仅是抗氧化剂、洗涤剂、聚合材料、润滑剂、乳化剂、杀虫剂和药物等多种工业化学品生产中的重要前体，而且还是心血管疾病治疗药物美多心安、植物天然药物天麻素及红景天苷等高值精细化学品的结构组成单元。

微生物在生态环境中起到分解者的作用。大部分的环境污染物都是经过微生物的新陈代谢而降解。谷氨酸棒杆菌便是一类可以对酚类化合物进如抗拉强度、断裂伸长率及特性眭线等等随着科换递步行降解的微生物。

近期，中国科学院青岛生物能源与过程研究所李盛英团队与冯银刚团队合作，并携手中国科学院微生物研究所刘双江课题组，在鉴定并解析了谷氨酸棒杆菌的对甲酚降解途径的基础上，深入研究并发展了一套“仿化”生物催化系统。该生物催化系统可以转化多种有害的烷基酚为潜在价值的氧化产物，实现环境污染物的“变废为宝”。

对甲酚降解途径

在谷氨酸棒杆菌中，对甲酚首先被双亚基磷酸化酶转化为4-甲苯基磷酸；然后，4-甲苯基磷酸中的甲基被一种多功能细胞色素P450氧化系统连续氧化，生成磷酸化的醇、醛、酸国际知名、国内领先的新材料产业基地已具雏形中间产物；最终，这些磷酸化中间产物被磷酸水解酶水解，分别生成对羟基苯甲醇、对羟基苯甲醛和对羟基苯甲酸；对羟基苯甲酸可进入微生物中心代谢而被完全降解利用。

此外，该降解途径中还含有一个醇脱氢酶和一个醛脱氢酶，这两种酶的存在可进一步加强对甲酚的降解效率。

谷氨酸棒杆菌的对甲酚降解途径和“仿化”生物催化系统实现烷基酚选择性氧化

“仿化”生物催化高份子络链被拉伸变形后方式

化学催化过程中，对于某些反应活性很强，但并不想让其参加反应的基团，首先要对其进行保护，然后对反应物进行催化，最后脱保护，生成最终的产物。对甲酚降解途径中所展示的磷酸基团“装载”、磷酸化中间体氧化和磷酸基团“卸载”与化学氧化催化策略中通常采用的基团保护、中间体氧化和基团去保护的整个过程不谋而合，使得这种生物催化方式具有“仿化”特性。这种“仿化”生物催化方式在自然界中极为罕见。

“仿化”生物催化系统让污染物“变废为宝”

为了拓宽这一生物催化系统的普适性，研究者首先对该系统的核心催化剂P450单加氧酶与其底物对甲酚进行了共晶解析，充分理解其催化机理。在此基础上，选取了多种不同类型的烷基酚进行催化转化测试，发现该生物催化系统可以成功实现对位和间位取代烷基酚侧链的选择性氧化，催化过程涉及羟化、脱氢和碳—碳键断裂等多种氧化反应类型。其中，催化对乙酚和间乙酚的苄位羟化实现了完美的立体选择性，这在化学催化上是极难实现的。

研究者又以对乙酚为例，通过共晶结构解析完美地阐释了立体选择性氧化的分子机理。而且，通过调控这套“仿化”生物催化系统的反应条件，成功实现了对乙酚多种氧化产物的选择性合成，使得这套生物催化系统具有人工可控性。

值得一提的是，这套“仿化”生物催化系统不仅能够对烷基酚进行催化转化，而且还能实现非酚类化合物的催化转化。例如，可以将磷酸化环己醇及甲基环己醇转化为多种羟基化合物，体现出更广的底物宽泛性，具有广阔的实际应用前景。

&em可能会有生锈、腐蚀等现象sp;上述工作由中国科学院青岛生物能源与过程研究所“一三五重点培育方向”团队合作完成，主要核心成员均来自山东省合成生物学省级重点实验室（筹），得到了国家自然科学基金优秀青年科学基金（NSFC ）与面上项目（NSFC ）、山东省自然科学杰出青年基金（JQ201407）、中科院前沿重点研究计划（QYZDB-SSW-SMC042）及科技部973计划（2012CB）的支持，相关成果目前已发表于Journalof Biological Chemistry与Proceedingsof the National Academy of Sciences of the United States of America杂志。