从葡萄糖到工程塑料：尼龙12单体的绿色制造新路径

尼龙12是一种性能优异的工程塑料，广泛应用于3D打印、汽车制造和医疗器械等领域。然而，其传统化学合成方法存在高技术壁垒和环境污染等问题。近日，浙江大学于洪巍/叶丽丹团队首次实现了从葡萄糖到尼龙12单体——ω-氨基十二烷酸（ω-AmDDA）的从头生物合成。这一突破为尼龙12的可持续生产开辟了全新路径。

图1. 从葡萄糖到尼龙12单体的生物合成途径

葡萄糖变工程塑料：从头生物合成的实现

研究团队通过构建大肠杆菌“细胞工厂”，将葡萄糖转化为尼龙12单体。他们引入了一种特异性催化C12酰基-ACP水解的硫酯酶（BTE），并结合由P450酶、醇脱氢酶和转氨酶组成的多酶级联反应系统，将中间代谢物十二烷酸（DDA）进一步转化为目标产物ω-AmDDA。构建的初代细胞工厂的ω-AmDDA产量为3.3 mg/L，首次证明了这一从头生物合成路径的可行性。为了提高产量，研究团队采用模块化途径工程策略，将复杂的合成途径分为四个模块：糖酵解、乙酰辅酶A激活、脂肪酸合成和DDA转化。通过优化模块间的平衡表达以及调整培养条件，将ω-AmDDA产量提升至242.8 mg/L。

绿色制造的奥秘：能量与耐受性的优化

在生物合成过程中，细胞需要大量能量和辅助因子支持复杂反应。研究团队通过引入高效葡萄糖转运蛋白（Glf），促进未磷酸化葡萄糖的摄取，用作葡萄糖脱氢酶（GDH1）的底物，并过表达转氢酶（PntAB），增强NADPH供应与再生。此外，通过敲除竞争性消耗ATP的基因（柠檬酸铁转运ATPase基因fecE），有效减少了能量浪费，使产量进一步提升。同时，为增强细胞对氧化应激的耐受性，团队过表达了氧化应激调控因子OxyR，显著降低了活性氧水平。这一改造不仅改善了细胞生长情况，还使ω-AmDDA产量达到370.9 mg/L。

突破瓶颈：限速酶的“升级改造”

在ω-AmDDA生物合成途径中，催化DDA羟基化反应的P450酶是一个限速酶。研究团队通过蛋白质工程手段对P450酶进行理性设计与定点饱和突变，开发出活性提高89%的突变体CYP153Am4-NCP。此外，他们在P450酶N端融合二聚化增强结构，使其催化效率再提升了44%。最终构建的工程菌株在摇瓶发酵18小时后，实现了471.5 mg/L ω-AmDDA的产量，比初始菌株提高了140余倍。

图2. Ω-AmDDA细胞工厂的构建与多层次调控优化

展望：从实验室走向工业应用

这项研究首次实现了从葡萄糖到尼龙12单体ω-AmDDA的高效从头生物合成，为尼龙12绿色制造提供了新思路。尽管目前转化效率仍有较大的提升空间，但随着代谢工程技术的发展，这一路径有望超越传统方法，在经济性和环境友好性上取得双赢。此外，该研究开发的多层次调控策略和高通量筛选方法，为其他脂肪酸衍生物的生物合成提供了宝贵经验。

这一成果近期发表在Nature Communications 上，文章的第一作者是浙江大学博士研究生葛佳炜和王婷，通讯作者为浙江大学叶丽丹副教授。研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金和中央高校基本科研业务费专项资金等项目资助。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

De novo biosynthesis of nylon 12 monomer ω-aminododecanoic acid

Jiawei Ge, Ting Wang, Hongwei Yu & Lidan Ye

Nat. Commun., 2025, 16, 175, DOI: 10.1038/s41467-024-55739-0

导师介绍

于洪巍

https://www.x-mol.com/university/faculty/21714 

叶丽丹

https://www.x-mol.com/university/faculty/21718 

https://mypage.zju.edu.cn/yelidan