韓國科學技術院 (KAIST) 的研究人員成功工程化微生物，將粗甘油——一種生物柴油生產的低價副產品——同時轉化為三種不同的尼龍前體，為目前幾乎完全依賴化石燃料的製造鏈提供了一種生物基替代方案。這項研究描述了一個微生物平台，能夠從單一的發酵原料中生產二氨基戊烷 (DAP)、戊二酸和谷氨醯胺——這些都是尼龍合成的基本材料。
粗甘油在每次植物油或動物脂肪經酯化製備生物柴油時，會以大量副產品的形式產生。由於其化學不純，過去在大規模價值提升方面一直面臨困難，通常以低利潤出售或被處置。KAIST 團隊對廣泛用於氨基酸發酵的細菌——穀氨酸棒狀桿菌 (Corynebacterium glutamicum) 進行了代謝重編程，使其通過改良的賴氨酸生物合成途徑將甘油碳轉化。賴氨酸隨後經過額外工程化的酶轉化為三種目標二胺和二酸化合物，這些化合物構成了聚酰胺（尼龍）聚合物的結構骨架。
從單一碳源在單一生物體中生產所有三種尼龍單體並非技術上簡單。每種目標分子需要一個獨特的酶分支，並且平衡代謝通量——確保碳流向所有三種產品而不是集中在一種上——需要對酶表達水平進行精確的基因調整。研究人員運用了促進子工程和基因劑量調整的組合，以達到三種化合物的生產標準。
這一生物基路徑的重要性在於，傳統的尼龍前體合成是以苯或環己烷為起點，而這兩者均源自石油煉製。裂解和氧化這些原材料會釋放大量二氧化碳並產生有害的中間產物。相比之下，從甘油發酵的過程在環境温度和壓力下運行，以水作為主要溶劑。
KAIST 研究擴展至多產品輸出
同一團隊早前的研究已在 300 升（約 79 加侖）的試點規模上展示了相關的微生物過程，這在 KAIST 的生物柴油廢料塑料成分試驗中有所報導。這項新研究將該平台擴展至多產品輸出，這一點非常重要，因為尼龍等級如尼龍-5,5 和尼龍-6,5 需要特定的單體比例，而單一生物體生成多種前體可以更整合地供應這些需求。雖然研究中報告了三種化合物的具體產量，但谷氨醯胺的絕對產量仍低於 DAP 和戊二酸，研究人員承認這是目前的限制。
提高胺類生產效率可能需要進一步的酶工程或輔因子平衡。該過程並非對所有原料都適用，依賴於粗甘油的持續可用性，而這與生物柴油的產量緊密相關。全球生物柴油的產量穩步增長，但甘油的供應和質量因原料而異——棕櫚油生產的甘油在成分上與大豆或油菜籽加工所產生的甘油有所不同，而這些雜質可能會影響微生物的性能。
生物基尼龍的商業化前景
對於生物基尼龍路徑的技術經濟分析一致認為，發酵生產力和下游純化成本是與石化路徑價格平價的兩大障礙。KAIST 平台解決了上游生物學問題，但尚未展示出一個完全整合的分離過程，能夠在商業規模下處理所有三種副產品。對於紡織品和汽車零部件的生物基尼龍的監管路徑相對明確，因為聚合物的最終性能對買家而言比合成來源更為重要。如果微生物平台達到競爭生產成本，則在最終用途方面的採用不太可能面臨技術障礙。
該研究小組的下一步是擴大多產品發酵的規模，超越實驗室生物反應器，同時優化影響碳在三個產物分支之間分配的代謝平衡。這些發現首次發表在《美國國家科學院院刊》上。
