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ChemCatChem：以乙醇醛和甲醛为底物，通过酶法催化合成甘油

  • 分类：行业动态
  • 发布时间：2024-10-12 12:50
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【概要描述】甘油是一种简单的多元醇，可以通过丙烯合成、油的水解、酵母发酵等方法生成，可用于合成药品、化妆品、食品、防冻剂等。

ChemCatChem：以乙醇醛和甲醛为底物，通过酶法催化合成甘油

【概要描述】甘油是一种简单的多元醇，可以通过丙烯合成、油的水解、酵母发酵等方法生成，可用于合成药品、化妆品、食品、防冻剂等。

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甘油是一种简单的多元醇，可以通过丙烯合成、油的水解、酵母发酵等方法生成，可用于合成药品、化妆品、食品、防冻剂等。与上述方法不同，本文介绍了一种以果糖-6-磷酸醛缩酶(FSA)和醛还原酶(ALR)为催化剂，利用甲醛（FALD）和乙醇醛（GALD）生成甘油的新方法，如图1所示：

图1. 生成甘油的反应式
果糖-6-磷酸醛缩酶(FSA)能够合成C-C键，尤其是来自于大肠杆菌的EcFSA，能够合成多种亚胺糖或其它多羟基的化合物。以FALD和GALD为底物，通过EcFSA催化能够得到两种产物，分别为D-苏糖或L-甘油醛。当反应的受体和供体均为GALD时，产物是D-苏糖；当反应的受体和供体分别为FALD和GALD时，产物是L-甘油醛。所以，当反应体系中FALD的量超过GALD时，利用EcFSA催化合成的产物是L-甘油醛。醛还原酶(ALR)的作用是催化L-甘油醛还原生成甘油。具体研究过程如下：

①以FALD和GALD为底物生成L-甘油醛

能够以FALD和GALD为底物生成L-甘油醛的FSA是来自于Aeromonas media的AmFSA、Gilliamella picola的GaFSA和Escherichia coli的EcFSA。不同的酶产生甘油醛的最佳反应条件不同，而且不同的酶在最佳反应条件下的动力学参数也不同。通过比较生成L-甘油醛的kcat/Km值，发现GaFSA的kcat/Km值为49.27±2.30 sec-1·M-1，具有较高催化活性。
②L-甘油醛还原酶

本文选用的ALR来自于Candida tenuis的木糖还原酶(CtXR)和来自Hypocrea jecorina的DL-甘油醛还原酶 (HjGLD)。根据这两个酶的最佳反应条件和生成甘油的动力学常数（CtXR的kcat/Km值为11659.80±611.63 sec-1·M-1；HjGLD的kcat/Km值为7519.82±409.17 sec-1·M-1），确定在还原L-甘油醛为甘油的反应过程中，CtXR的活性比HjGLD高。

本文研究发现L-甘油醛还原酶CtXR和HjGLD在以NADPH为电子供体时表现出的活性高于以NADH为电子供体，这是由于ALR（CtXR和HjGLD）辅酶结合区域中的保守氨基酸残基与NADPH的2'-磷酸基团形成了氢键，如图2所示。形成的氢键不仅使得底物与酶的结合更加稳定，酶与底物的结合速度也变得更快。
图2. CtXR和HjGLD与NADPH结合的结构对比
③以FALD和GALD为底物，利用酶GaFSA和CtXR生成甘油

利用酶GaFSA和CtXR一锅法制备甘油能够产生6.3 mM的甘油，而利用两步法却能生成8.8mM的甘油。本文推测的原因有两个：第一个原因是CtXR和GaFSA的最佳反应条件不同，具体如表1所示，特别是一锅法中的pH值会影响产物的生成量；第二个原因是底物FALD和GALD对CtXR具有毒性，如图3所示。

表1. CtXR和GaFSA的最佳反应条件

图3. FALD和GALD对GaFSA (A)和CtXR (B)活性的影响

④总结与展望
以GALD和FALD为底物，通过GaFSA和CtXR两步法能够合成8.8 mM的甘油，该生物催化反应的转化率仅有35%。如果想提高转化率同时降低副产物（D-苏糖）的量，采用以下策略：①对GaFSA工程改造来提升L-甘油醛的产量；② FALD的投加浓度要高于GALD；③利用其他酶催化FALD生成GALD，实现直接以FALD为底物生成甘油；④提高CtXR对FALD和GALD的耐受性。
 
文章来源：https://doi.org/10.1002/cctc.202400188
 
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