Water immiscible ionic liquids as solvents for whole cell biocatalysis
- 作者
- Holger Pfrüender, Ross Jones, Dirk Weuster-Botz
- 单位
- Institute of Biochemical Engineering, Munich University of Technology
- 杂志
- Journal of Biotechnology（2006）
- DOI
- 10.1016/j.jbiotec.2005.12.004
- 所属领域
- 发酵工程
- 关键词
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解决的核心问题
全细胞生物催化效率低，底物/产物毒性及水溶性差，常用有机溶剂损伤细胞膜，影响过程效率与选择性。
研究策略
采用水不互溶的离子液体构建双相离子液体/水体系，作为底物储库和原位萃取剂，通过测定底物/产物在两相间的分配系数（log D）筛选合适的离子液体，实现高效不对称酮还原。
研究路线图
核心内容
该研究构建了水不互溶离子液体与水组成的双相体系，用于全细胞不对称酮还原生物催化。研究者以大肠杆菌和酿酒酵母为对象测试了三种离子液体的生物相容性，并通过测定底物和产物在两相间的分配系数来筛选合适溶剂。结果显示，BMIM[PF6]等离子液体对微生物细胞完全无损伤，且高粘度并未限制传质，搅拌条件下初始反应速率反而高于纯水相体系，如BMIM[PF6]体系中合成(R)-1-(4-氯苯基)乙醇的速率达75 μM s⁻¹ L⁻¹，而纯水相仅为43 μM s⁻¹ L⁻¹。在酿酒酵母还原4-氯乙酰乙酸乙酯的反应中，离子液体体系使化学产率从不足50%提升至80–90%，对映体过量也从61.7%提高到83.9%；开菲尔乳杆菌还原叔丁基6-氯-3,5-二氧代己酸酯时，BMIM[TF2N]体系产率达81.3%，远超纯水相的47.5%。研究表明，水不互溶离子液体可作为底物储库和原位萃取剂替代有机溶剂，其中分配系数是决定成败的关键，选择log D大于2.0的离子液体可有效降低底物产物毒性并显著提升反应效率与选择性。
创新点
1. 证明BMIM[PF6]、BMIM[TF2N]和OMA[TF2N]对大肠杆菌和酿酒酵母完全生物相容；2. 系统揭示反应物分配系数（log D）对产率和过程效率的决定性作用；3. 证明高粘度离子液体中仍可实现高传质速率，初始反应速率高于纯水相体系。
研究对象（5）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Escherichia coli K12 (DSM 498) | 无特定代谢通路（生物相容性测试） | — | — | — | 离子液体暴露后细胞膜完整性未受损 |
| Saccharomyces cerevisiae FasB His6 | 不对称酮还原（4-氯乙酰乙酸乙酯→(S)-4-氯-3-羟基丁酸乙酯） | gdh（来自Bacillus subtilis的葡萄糖脱氢酶） | 葡萄糖脱氢酶 | 能量供给 | 用于NADPH再生，维持辅因子平衡 |
| Saccharomyces cerevisiae FasB His6 | 不对称酮还原（4-氯乙酰乙酸乙酯→(S)-4-氯-3-羟基丁酸乙酯） | fas（脂肪酸合酶） | 脂肪酸合酶 | 催化 | 可能催化β-酮酯还原（依据Engelking等） |
| Lactobacillus kefir DSM 20587 | 不对称酮还原（4-氯苯乙酮→(R)-1-(4-氯苯基)乙醇） | — | 羰基还原酶（未明确） | 催化 | 实现底物不对称还原，产率>90%，ee>99.5% |
| Lactobacillus kefir DSM 20587 | 不对称酮还原（tert-butyl 6-氯-3,5-二氧代己酸酯→tert-butyl (3R,5S)-6-氯-二羟基己酸酯） | — | 羰基还原酶（未明确） | 催化 | BMIM[TF2N]双相体系化学产率81.3% |
关键发现
- 使用离子液体双相体系进行不对称还原，化学产率从<50%提高至80-90%
- (R)-1-(4-氯苯基)乙醇合成初始反应速率分别为：BMIM[PF6]体系75 μM s^-1 L^-1、BMIM[TF2N]62 μM s^-1 L^-1、OMA[TF2N]55 μM s^-1 L^-1，而纯水相为43 μM s^-1 L^-1
- S. cerevisiae FasB His6还原4-氯乙酰乙酸乙酯时，BMIM[PF6]体系化学产率28.7%，BMIM[TF2N]为12.4%，正丁酸乙酯为16.8%
- 在50 gDCW/L及NADP+条件下，BMIM[PF6]体系对映体过量从61.7%提高至83.9%，化学产率从44.4%提高至80.2%
- L. kefir还原tert-butyl 6-氯-3,5-二氧代己酸酯时，BMIM[TF2N]体系化学产率81.3%，纯水相仅47.5%
- 4-氯苯乙酮在BMIM[TF2N]中log D为2.71，1-(4-氯苯基)乙醇为2.03
- 离子液体BMIM[PF6]动态粘度397 mPa s，BMIM[TF2N]为27 mPa s，但搅拌下传质良好。
研究结论
水不互溶的离子液体对微生物细胞无损伤，可作为全细胞生物催化的底物储库和原位萃取剂，替代有机溶剂，提高过程效率与选择性。分配系数是决定成败的关键，选择合适离子液体并保证足够高的log D（>2.0）可有效降低底物/产物毒性并提高产率。