用于制造直接生物燃料的工程生物催化剂

印度科学研究所(IISc)无机和物理化学系(IPC)的研究人员开发出一种酶平台，可以有效地将自然界丰富且廉价的脂肪酸转化为有价值的碳氢化合物，即1-烯烃，这是一种很有前景的生物燃料。

鉴于化石燃料的有限性和污染性，科学家们越来越多地探索涉及碳氢化合物的可持续燃料途径。它们作为“直接”生物燃料显示出巨大的潜力，可以与现有燃料和基础设施混合使用。

这些碳氢化合物有可能利用微生物“工厂”大规模合成。因此，有助于大规模生产这些碳氢化合物的酶备受追捧。碳氢化合物还广泛用于聚合物、洗涤剂和润滑剂行业。

在之前的研究中，IISc团队纯化并鉴定了一种名为UndB的酶，这种酶与活细胞(尤其是某些细菌)的细胞膜结合。它可以以目前最快的速度将脂肪酸转化为1-烯烃。但团队发现这个过程效率不高——这种酶在几个循环后就会失活。当他们进一步研究时，他们意识到H2O2(反应过程的副产品)抑制了UndB。

在《科学进展》上发表的最新研究中，研究小组通过在反应混合物中添加另一种名为过氧化氢酶的酶来解决这一难题。

“过氧化氢酶会降解产生的H2O2，”这项研究的第一作者、IPC的博士生TabishIqbal解释道。他表示，添加过氧化氢酶可使酶的活性提高19倍，从14次周转增加到265次周转(周转表示酶在失活前完成的活性循环次数)。

这项发现让研究小组兴奋不已，他们决定通过质粒载体将融合的遗传密码引入大肠杆菌，从而制造出一种将UndB与过氧化氢酶结合在一起的人工融合蛋白。在适当的条件下，这些大肠杆菌将充当“全细胞生物催化剂”，转化脂肪酸并大量产生烯烃。

然而，也存在一些挑战。作为一种膜蛋白，UndB的研究极具挑战性。超过一定浓度，它就会对细菌细胞产生毒性。像UndB这样的膜蛋白也不溶于水，因此很难维持合适的研究条件。

为了提高嵌合蛋白的效率，研究小组测试了各种“氧化还原伴侣”蛋白的作用，这些蛋白有助于在脂肪酸转化为烯烃的过程中将电子传送到UndB。

他们发现，铁氧还蛋白和铁氧还蛋白还原酶以及烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADPH)能够最有效地提供电子。将这些蛋白质整合到转基因大肠杆菌中并加入脂肪酸后，转化效率上升至95%。

这种生物催化剂的一个关键优势是，UndB非常特殊，不会产生任何不需要的副产品——纯1-烯烃是唯一的产品，IPC助理教授兼通讯作者DebasisDas说。“1-烯烃可以直接用作生物燃料，”他补充道。

研究小组发现，他们的生物催化剂可以将多种含有不同类型碳链的脂肪酸转化为1-烯烃。他们还表明，这种生物催化剂可以生产苯乙烯，这是化学和聚合物工业中的重要商品。

该团队已为他们的工程蛋白和全细胞生物催化剂申请了专利。他们还在寻找行业合作伙伴来扩大该平台的规模并实现量产。

Das说：“我们的平台可以有效用于生成大量对生物技术和聚合物工业有价值的1-烯烃。”