近日，ACS Catalysis在線發表了湖北大學生命科學學院李愛濤教授團隊最新研究成果，論文題目為“Biocatalytic Conversion of Caprolactam to 1,6-Hexanediamine: A Novel Route for Nylon Monomer Production”。李愛濤教授團隊設計了己內酰胺為底物生物合成1,6-己二胺的新型尼龍單體生產方法。團隊成員張中偉博士和碩士研究生陳菊林為本文的共同第一作者，李愛濤教授和王瑩博士為通訊作者。該工作入選美國化學學會“ACS Editors' Choice”。

作為尼龍66生產的關鍵單體，1,6-己二胺（HMD）傳統上是通過化學方法合成的，這些方法依賴于劇毒的氫氰酸和復雜的多步反應。李愛濤教授團隊報道了一種利用己內酰胺（CPL）體內生物合成HMD的系統，該系統結合了酶挖掘、酶改造和微生物菌群等技術，生物合成途徑包含六種不同功能的酶。首先篩選出了可以高效水解CPL生成6-氨基己酸（ACA）的酰胺水解酶4270/4271；為了解決限速酶羧酸還原酶（CAR）對底物ACA活性低的問題，團隊進行了多輪酶改造，最終獲得的四突變體（L342E/L284T/S986A/D987N）活性相比野生型提高了5.3倍。分子動力學模擬表明，腺苷酰化（A）結構域極性增強可穩定底物腺苷酰化過程，而還原酶（R）結構域的極性重分布與空間位阻減小，有利于形成最優的氫化物轉移幾何結構。通過對酶級聯反應進行系統優化，成功構建了一個由三種細胞模塊組成的生物合成系統（MCPL-ACA3_MACA-AH24_MAH-HMD1），以100 mM CPL為底物，最終產物HMD濃度達到43.5 mM，產率為43.5%，是目前已報道的體內生物合成HMD的最高水平。

團隊首先構建了三個基本功能細胞模塊，以CPL或ACA為底物，進行了一鍋法催化合成HMD的實驗。在以ACA為原料的HMD生物合成中，產物濃度達到9.7 mM，在以CPL為原料的生物合成中，產物濃度達到4.7 mM。盡管成功實現了以ACA或CPL為底物的HMD生物合成，但產物濃度較低，因此，通過多細胞模塊的整合與調控，或許能進一步提高生物催化系統的催化效率。

為進一步提高催化效率，團隊設計了共表達羧酸還原酶（MaCAR）和轉氨酶（TA）的單細胞模塊，使得MaCAR 將ACA還原為6-氨基己醛后，可直接由轉氨酶催化轉氨反應生成HMD。盡管如此，MaCAR對ACA的催化活性仍然較弱，這一問題仍是限制HMD生物合成效率的關鍵因素。因此，研究人員對MaCAR進行了系統的改造，最終獲得的四突變體（L342E/L284T/S986A/D987N）活性相比野生型提高了5.3倍。分子動力學模擬表明，腺苷酰化（A）結構域極性增強可穩定底物腺苷酰化過程，而還原酶（R）結構域的極性重分布與空間位阻減小，有利于形成最優的氫化物轉移幾何結構。MaCAR及其突變體催化ACA轉化為HMD的機制研究為CAR的理性改造提供了分子水平的依據。

過對酶級聯反應進行系統優化，成功構建了一個由三種細胞模塊組成的生物合成系統（MCPL-ACA3_MACA-AH24_MAH-HMD1），以100 mM CPL為底物，最終產物HMD濃度達到43.5 mM，產率為43.5%，是目前已報道的體內生物合成HMD的最高水平，為尼龍66單體的生產提供了全新途徑。