近日，ACS Catalysis在线发表了湖北大学生命科学学院李爱涛教授团队最新研究成果，论文题目为“Biocatalytic Conversion of Caprolactam to 1,6-Hexanediamine: A Novel Route for Nylon Monomer Production”。李爱涛教授团队设计了己内酰胺为底物生物合成1,6-己二胺的新型尼龙单体生产方法。团队成员张中伟博士和硕士研究生陈菊林为本文的共同第一作者，李爱涛教授和王莹博士为通讯作者。该工作入选美国化学学会“ACS Editors' Choice”。

作为尼龙66生产的关键单体，1,6-己二胺（HMD）传统上是通过化学方法合成的，这些方法依赖于剧毒的氢氰酸和复杂的多步反应。李爱涛教授团队报道了一种利用己内酰胺（CPL）体内生物合成HMD的系统，该系统结合了酶挖掘、酶改造和微生物菌群等技术，生物合成途径包含六种不同功能的酶。首先筛选出了可以高效水解CPL生成6-氨基己酸（ACA）的酰胺水解酶4270/4271；为了解决限速酶羧酸还原酶（CAR）对底物ACA活性低的问题，团队进行了多轮酶改造，最终获得的四突变体（L342E/L284T/S986A/D987N）活性相比野生型提高了5.3倍。分子动力学模拟表明，腺苷酰化（A）结构域极性增强可稳定底物腺苷酰化过程，而还原酶（R）结构域的极性重分布与空间位阻减小，有利于形成最优的氢化物转移几何结构。通过对酶级联反应进行系统优化，成功构建了一个由三种细胞模块组成的生物合成系统（MCPL-ACA3_MACA-AH24_MAH-HMD1），以100 mM CPL为底物，最终产物HMD浓度达到43.5 mM，产率为43.5%，是目前已报道的体内生物合成HMD的最高水平。

团队首先构建了三个基本功能细胞模块，以CPL或ACA为底物，进行了一锅法催化合成HMD的实验。在以ACA为原料的HMD生物合成中，产物浓度达到9.7 mM，在以CPL为原料的生物合成中，产物浓度达到4.7 mM。尽管成功实现了以ACA或CPL为底物的HMD生物合成，但产物浓度较低，因此，通过多细胞模块的整合与调控，或许能进一步提高生物催化系统的催化效率。

为进一步提高催化效率，团队设计了共表达羧酸还原酶（MaCAR）和转氨酶（TA）的单细胞模块，使得MaCAR 将ACA还原为6-氨基己醛后，可直接由转氨酶催化转氨反应生成HMD。尽管如此，MaCAR对ACA的催化活性仍然较弱，这一问题仍是限制HMD生物合成效率的关键因素。因此，研究人员对MaCAR进行了系统的改造，最终获得的四突变体（L342E/L284T/S986A/D987N）活性相比野生型提高了5.3倍。分子动力学模拟表明，腺苷酰化（A）结构域极性增强可稳定底物腺苷酰化过程，而还原酶（R）结构域的极性重分布与空间位阻减小，有利于形成最优的氢化物转移几何结构。MaCAR及其突变体催化ACA转化为HMD的机制研究为CAR的理性改造提供了分子水平的依据。

过对酶级联反应进行系统优化，成功构建了一个由三种细胞模块组成的生物合成系统（MCPL-ACA3_MACA-AH24_MAH-HMD1），以100 mM CPL为底物，最终产物HMD浓度达到43.5 mM，产率为43.5%，是目前已报道的体内生物合成HMD的最高水平，为尼龙66单体的生产提供了全新途径。