Биологическое производство терефталевой кислоты из п-ксилола с помощью модифицированной E. coli

Исследователи из KAIST создали эффективную биокаталитическую систему для производства терефталевой кислоты (TPA) из п-ксилола (pX). Это позволит получать этот важный промышленный химикат более экологичным способом.

Команда разработала метаболически модифицированную Escherichia coli (E. coli) для биологического превращения pX в TPA — химическое вещество, необходимое для производства полиэтилентерефталата (PET). Эта система биокатализа представляет собой более экологичную и эффективную альтернативу традиционным химическим методам производства TPA. Исследование под руководством профессора Санг Юп Ли было опубликовано в Nature Communications 31 мая.

Учёные использовали подходы метаболической инженерии и синтетической биологии для создания рекомбинантного микроорганизма, способного окислять pX в TPA с помощью микробной ферментации. TPA — это важный глобальный химический продукт для производства PET, который используется в изготовлении пластиковых бутылок, волокон для одежды, плёнок и многих других продуктов. В настоящее время TPA производят путём окисления pX в хорошо известном промышленном химическом процессе (с типичным выходом TPA более 95 мол.%), который, однако, имеет недостатки: высокие энергозатраты при повышенных температуре и давлении, использование катализаторов из тяжёлых металлов и неизбежное образование побочного продукта — 4-карбоксибензальдегида.

Команда спроектировала и создала синтетический метаболический путь, объединив верхний путь деградации ксилола Pseudomonas putida F1 и нижний путь п-толуолсульфоната Comamonas testosteroni T-2. Это позволило успешно производить TPA из pX в малых культурах, с образованием п-толуата (pTA) в качестве основного побочного продукта. Далее учёные оптимизировали уровни экспрессии генов пути с помощью инструментария синтетической биологии, что привело к созданию окончательного штамма модифицированной E. coli с увеличенным производством TPA и полным устранением побочного продукта.

Используя этот наиболее эффективный штамм, команда разработала элегантную двухфазную (водную/органическую) систему ферментации для производства TPA в большем масштабе, где pX подавался в органической фазе. После ряда шагов оптимизации команда в итоге добилась производства 13,3 г TPA из 8,8 г pX, что соответствует исключительному выходу в 97 мол.%.

Разработанное микробное биотехнологическое применение, как сообщается, является первым успешным примером биологического производства TPA из pX путём микробной ферментации модифицированной E. coli. Эта биотехнология производства TPA имеет несколько преимуществ: проведение реакции при комнатной температуре и давлении, отсутствие использования тяжёлых металлов или других токсичных химикатов, устранение образования побочных продуктов и 100% экологическая совместимость.

Профессор Ли заявил: «Мы представили перспективную биотехнологию для производства больших количеств товарного химиката TPA, используемого для производства PET, с помощью метаболически модифицированной кишечной бактерии. Наше исследование значимо тем, что демонстрирует осуществимость биотехнологического производства крупнотоннажных химикатов, и если оно окажется воспроизводимым при масштабировании, это станет прорывом в биоконверсии углеводородов».