KAIST metaboliska ingenjörer presenterar den biobaserade produktionen av flera kortkedjiga primära aminer som har ett brett spektrum av tillämpningar inom kemisk industri för första gången. Forskargruppen ledd av den framstående professorn Sang Yup Lee från Institutionen för kemisk och biomolekylär teknik designade de nya biosyntetiska vägarna för kortkedjiga primära aminer genom att kombinera retrobiosyntes och ett prekursorurvalssteg.

Forskargruppen verifierade de nydesignade vägarna genom att bekräfta in vivo-produktionen av 10 kortkedjiga primära aminer genom att tillhandahålla prekursorerna. Vidare, plattformen Escherichia coli-stammar är metaboliskt framställda för att producera tre proof-of-concept kortkedjiga primära aminer från glukos, visa på möjligheten av biobaserad produktion av olika kortkedjiga primära aminer från förnybara resurser. Forskargruppen sa att denna studie utökar strategin för att systematiskt utforma biosyntetiska vägar för produktion av en grupp relaterade kemikalier, vilket framgår av flera kortkedjiga primära aminer som exempel.

För närvarande, de flesta industrikemikalier som används i våra dagliga liv produceras med petroleumbaserade produkter. Dock, det finns flera allvarliga problem med petroleumindustrin som utarmningen av fossila bränslereserver och miljöproblem inklusive global uppvärmning. För att lösa dessa problem, hållbar produktion av industriella kemikalier och material undersöks med mikroorganismer som cellfabriker och förnybar biomassa som inte är livsmedel som råvara för alternativ till petroleumbaserade produkter. Konstruktionen av dessa mikroorganismer har blivit allt mer effektiv och effektiv med hjälp av systemmetabolisk ingenjörskonst - en praxis för att konstruera metabolismen av en levande organism mot produktion av en önskad metabolit. I detta avseende antalet kemikalier som produceras med biomassa som råvara har ökat avsevärt.

Även om omfattningen av kemikalier som kan produceras med hjälp av mikroorganismer fortsätter att expandera genom framsteg inom systemmetabolism, den biologiska produktionen av kortkedjiga primära aminer har ännu inte rapporterats trots deras industriella betydelse. Kortkedjiga primära aminer är de kemikalier som har en alkyl- eller arylgrupp i stället för en väteatom i ammoniak med kolkedjelängder som sträcker sig från C1 till C7. Kortkedjiga primära aminer har ett brett spektrum av tillämpningar inom kemisk industri, till exempel, som en prekursor för läkemedel (t.ex. antidiabetika och antihypertensiva läkemedel), jordbrukskemikalier (t.ex. herbicider, fungicider och insekticider), lösningsmedel, och vulkaniseringsacceleratorer för gummi och mjukgörare. Marknadsstorleken för kortkedjiga primära aminer uppskattades till mer än 4 miljarder US-dollar 2014.

Den främsta anledningen till att den biobaserade produktionen av kortkedjiga primära aminer ännu inte var möjlig berodde på deras okända biosyntetiska vägar. Därför, teamet designade syntetiska biosyntetiska vägar för kortkedjiga primära aminer genom att kombinera retrobiosyntes och ett prekursorselektionssteg. Retrobiosyntesen möjliggjorde en systematisk utformning av en biosyntesväg för kortkedjiga primära aminer genom att använda en uppsättning biokemiska reaktionsregler som beskriver kemiska omvandlingsmönster mellan ett substrat och produktmolekyler på atomnivå.

Dessa multipla prekursorer som förutspåddes för möjlig biosyntes av varje kortkedjig primär amin minskades sekventiellt genom att använda prekursorselektionssteget för effektiva metaboliska ingenjörsexperiment.

"Vår forskning visar möjligheten av förnybar produktion av kortkedjiga primära aminer för första gången. Vi planerar att öka produktionseffektiviteten för kortkedjiga primära aminer. Vi tror att vår studie kommer att spela en viktig roll i utvecklingen av hållbara och miljövänliga biobaserade industrier och omorganisationen av den kemiska industrin, som är obligatoriskt för att lösa de miljöproblem som hotar mänsklighetens överlevnad, sa professor Lee.