近日，化学领域国际权威期刊Green Chemistry在线发表了我校生物工程学院发酵工业分离提取技术研发中心在双功能HMF氧化酶的挖掘和蛋白质工程改造以及FDCA的高效生物制造方向取得的创新研究成果，论文题目为“Novel iterative genome mining and engineering of a bifunctional KvVDH enable selective production of furan carboxylic acids from high-concentration 5-hydroxymethylfurfural”。该研究建立了高效、高选择性的生物催化平台，为将高浓度HMF选择性转化为各增值呋喃羧酸提供了一种有前途的方法。
HMF的合成及其催化升级被认为是从化石经济向可持续经济过渡的关键。石油基向生物基聚合物的转型亟需替代用于生产PET的对苯二甲酸的可再生方案，其中FDCA作为PEF的直接替代单体尤为突出。本研究为了拓展呋喃羧酸的酶促合成途径，开发了“分子探针与功能介导的迭代基因组挖掘”策略，将功能酶发现率提升至 32.1%（传统同源筛选的3倍）。基于KnowVolution策略，结合计算设计和定向进化对双功能HMF氧化酶进行连续酶工程，获得了稳定性和催化性能协同提升的最佳变体M3，实现了将高浓度HMF高效、高选择性转化为HMFCA和FFCA。同时，基于酶工程的分子动力学和MM/PBSA 结合自由能计算探究了突变体催化性能提升的分子机制。最后，设计了一锅两步级联反应，实现了从高浓度HMF（90 mM）高效合成FDCA。这项研究探索了更广泛的酶催化剂，开发的生物催化工艺在高浓度HMF存在下展现出优异的选择性和呋喃羧酸收率，有助于推动呋喃羧酸在生物基化学品生产中的绿色应用。
生物工程学院赵黎明教授和邓琛老师为论文共同通讯作者，博士研究生崔亚楠为论文第一作者。本成果得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、上海市2024年度“科技创新行动计划” 合成生物学领域项目、华理-京博应用技术联合研究院探索课题的支持。
原文链接：https://doi.org/10.1039/D5GC06172E
