Исследователи KAIST создали эффективную биокаталитическую систему для производства терефталевой кислоты (ТФК) из п-ксилола (pX). Это позволит сделать этот важный в промышленном отношении сыпучий химикат более безопасным для окружающей среды.
Исследовательская группа разработала метаболически модифицированную Escherichia coli (E. coli) для биологического превращения pX в TPA, химическое вещество, необходимое для производства полиэтилентерефталата (ПЭТ). Эта система биокатализа представляет собой более экологичную и эффективную альтернативу традиционным химическим методам производства ТФК. Это исследование, проведенное заслуженным профессором Сан Юп Ли, было опубликовано в журнале Nature Communications 31 мая.
Исследовательская группа использовала подход метаболической инженерии и синтетической биологии для разработки рекомбинантного микроорганизма, который может окислять pX в TPA с помощью микробной ферментации. ТФК является глобально важным химическим сырьем для производства ПЭТФ. Его можно применять для производства пластиковых бутылок, текстильных волокон, пленок и многих других изделий. В настоящее время ТФК получают путем окисления рХ по хорошо известному в промышленности химическому процессу (с типичным выходом ТФК более 95 мол.%), который имеет, однако, такие недостатки, как интенсивные энергозатраты при высоких температурах и давлении, использование тяжелых металлов. катализаторы и неизбежное образование побочного продукта 4-карбоксибензальдегида.
Исследовательская группа разработала и сконструировала синтетический метаболический путь, включив верхний путь деградации ксилола Pseudomonas putida F1 и нижний путь п-толуолсульфоната Comamonas testosteroni T-2, который успешно продуцировал TPA из pX в небольших количествах. чешуйчатые культуры с образованием п-толуата (рТА) в качестве основного побочного продукта. Команда дополнительно оптимизировала уровни экспрессии генов пути с помощью набора инструментов синтетической биологии, что дало окончательный сконструированный штамм E. coli, показывающий повышенное производство TPA и полное устранение побочных продуктов..
Используя этот наиболее эффективный штамм, команда разработала элегантную двухфазную (водную/органическую) систему ферментации для производства TPA в больших масштабах, где pX поставлялся в органической фазе. С помощью ряда шагов оптимизации команда в конечном итоге добилась производства 13,3 г TPA из 8,8 г pX, что представляет собой экстраординарный выход 97 мол.%.
Команда разработала приложение микробной биотехнологии, которое, как сообщается, является первым успешным примером производства TPA на биологической основе из pX путем микробной ферментации сконструированной кишечной палочки. Эта технология TPA на биологической основе имеет несколько преимуществ, таких как температура и давление реакции окружающей среды, отсутствие использования тяжелых металлов или других токсичных химических веществ, удаление побочных продуктов и 100% совместимость с окружающей средой.
Профессор Ли сказал: «Мы представили многообещающую биотехнологию для производства больших количеств товарной химической ТФК, которая используется для производства ПЭТ, с помощью метаболически сконструированных кишечных бактерий. Наше исследование имеет смысл, поскольку оно демонстрирует осуществимость биотехнологической производство сыпучих химикатов, и если его удастся воспроизвести в масштабе, это станет прорывом в биоконверсии углеводородов».