123-54-6 / 乙酰丙酮的生物合成

乙酰丙酮是一種重要的有機合成中間體，廣泛應用于貴金屬萃取、樹脂改性等方面，還可以作為燃料添加劑、染料中間體等。傳統方法主要是以石化來源的丙酮和乙烯酮為原料，需要利用貴金屬催化劑，在強酸高溫條件下獲得乙酰丙酮，存在條件苛刻、收率較低、易產生污染等問題，這些問題嚴重阻礙了乙酰丙酮的進一步應用。為了解決以上問題，中國科學院青島生物能源與過程研究所生物基材料組群研究人員實現了通過生物合成的方法來獲得乙酰丙酮。

約翰遜不動桿菌體內存在一種乙酰丙酮裂解酶（Dke1），該菌利用Dke1可以將乙酰丙酮降解為乙酸和甲基乙二醛。受此啟發，研究人員設計了以葡萄糖為原料的乙酰丙酮生物合成途徑（圖1）。通過在大腸桿菌體內引入關鍵酶、改變外部環境等措施，成功扭轉了降解過程，實現了乙酰丙酮的從頭生物合成，誘導24h后產量為32mg/L。為了進一步提高產量，通過與已知或推測具有乙酰丙酮裂解酶功能的蛋白進行比較，研究人員深入分析了Dke1的氨基酸序列和三維結構，確定了可能會影響Dke1催化活性的氨基酸位點，對這些潛在位點進行定點突變后獲得了一系列突變體，雙突變株K15Q/A60D的催化活性比野生型提高了3.8倍。在雙突變株催化下，乙酰丙酮在搖瓶水平的產量為116mg/L，5L發酵罐水平的產量達到556mg/L。利用結構模擬和分子對接，發現雙突變酶催化活性中心的通路體積有顯著增加，進一步揭示了突變引起酶活性提升的可能機制。除了乙酰丙酮，Dke1被證明可作用于2,4-辛二酮、2-乙酰基環己酮、3,5-二庚酮等多種β-二羰基化合物，該研究的結果也為這一類物質的生物合成提供了可能。

圖1該研究提出的乙酰丙酮生物合成途徑（實線代表合成途徑，虛線代表降解途徑）

圖2突變前后Dke1的結構變化示意圖（a為野生型，b為突變型）

相關工作已于近日發表于Biotechnology for Biofuels 期刊，并申請了多個發明專利。該研究成果是目前公開的乙酰丙酮生物合成的首次報道。