Chemoenzymatic Synthesis of a Novel Borneol-Based Polyester
- 作者
- Steffen Roth, Irina Funk, Michael Hofer, Volker Sieber
- 杂志
- ChemSusChem（2017）
- DOI
- 10.1002/cssc.201701146
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
将单萜类化合物龙脑(borneol)经生物催化引入第二个羟基，转化为双官能团单体，用于合成生物基聚酯，以拓展萜烯在工业高分子材料中的应用。
研究策略
利用来自恶臭假单胞菌ATCC17453的P450cam（CYP101）单加氧酶系统（camC/camB/camA），在重组恶臭假单胞菌KT2440中构建全细胞催化剂，以(-)-龙脑为底物进行羟基化生成5-exo-羟基龙脑；开发半连续批次反应器实现细胞循环利用和产物分离；所得二醇单体与丁二酸二甲酯通过无溶剂缩聚反应合成新型生物基聚酯。
核心内容
该研究构建了表达P450cam单加氧酶系统（camC/camB/camA）的恶臭假单胞菌KT2440全细胞催化剂，将单萜类化合物(-)-龙脑选择性羟基化为5-exo-羟基龙脑，获得光学纯度高的双官能团萜烯二醇单体。通过半连续分批生物转化工艺结合切向流过滤实现细胞循环利用，细胞可重复使用4次，各批次转化率维持在98%以上，产物最终浓度达0.54 g/L，时空产率从48 mg L⁻¹ h⁻¹逐渐降至11 mg L⁻¹ h⁻¹。所得的二醇单体与丁二酸二甲酯经无溶剂缩聚合成新型全生物基聚酯，其玻璃化转变温度约70°C，高于商业PBT的45–60°C，但重均分子量仅2000–4000 g/mol，明显低于PBT的55000 g/mol。研究首次实现龙脑的全细胞催化羟基化并成功聚合，证明萜烯类化合物可作为生物基高分子原料，所得聚酯热性能优异，有潜力替代石油基芳香族聚酯，但聚合工艺需进一步优化以提高分子量。
创新点
['首次通过全细胞催化将(-)-龙脑选择性羟基化为5-exo-羟基龙脑，产物光学纯度高', '开发了半连续分批生物转化工艺，通过切向流过滤实现细胞回收利用，可重复使用4次', '利用所得双官能团萜烯单体与丁二酸二甲酯缩聚，合成了新型全生物基聚酯，其玻璃化转变温度高于商业PBT']
研究对象（3）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Pseudomonas putida KT2440 | cam（樟脑降解）通路 | camC | P450cam (CYP101) | 催化 | 催化(-)-龙脑C5位羟基化生成5-exo-羟基龙脑 |
| Pseudomonas putida KT2440 | cam（樟脑降解）通路 | camB | putidaredoxin (PdX) | 能量供给 | 电子传递蛋白，向P450cam传递电子 |
| Pseudomonas putida KT2440 | cam（樟脑降解）通路 | camA | putidaredoxin reductase (PdR) | 能量供给 | 电子传递还原酶，利用NADH驱动电子传递链 |
关键发现
- 在半连续批次系统中，5-exo-羟基龙脑最终浓度达0.54 g/L
- 细胞重复使用4次，各批次转化率分别为99.8%、99.6%、98.0%和98.8%，产物收率在75.3%-83.3%之间，时空产率(STY)从48 mg L⁻¹ h⁻¹逐渐降至11 mg L⁻¹ h⁻¹。所得生物基聚酯的玻璃化转变温度(Tg)约为70°C，重均分子量(Mw)为2000-4000 g/mol，PDI为1.9
- 而工业PBT的Tg为45-60°C，Mw为55000 g/mol，表明该新型聚合物Tg更高但分子量较低，聚合工艺尚需优化。
研究结论
研究表明，通过全细胞催化可将(-)-龙脑高效羟基化为双官能团萜烯二醇，并进一步缩聚得到新型生物基聚酯。该聚酯具有较高的玻璃化转变温度，有望成为石油基芳香族聚酯的潜在替代品，但需通过优化聚合条件来提高分子量以满足实际应用需求。