Gluconobacter oxydans DSM 50049：高效生产 2,5 - 呋喃二甲酸（FDCA）的生物催化剂

《Microbial Cell Factories》：Gluconobacter oxydans DSM 50049 – an efficient biocatalyst for oxidation of 5-formyl-2-furancarboxylic acid (FFCA) to 2,5-furandicarboxylic acid (FDCA)

为解决 2,5 - 呋喃二甲酸（FDCA）生产难题，研究人员用 Gluconobacter oxydans DSM 50049 氧化 FFCA，效果良好，意义重大。

　　《Microbial Cell Factories》上发表的一项研究为可持续化学领域带来了新突破。在环保意识日益增强的当下，塑料污染和气候变化成为全球关注的焦点。传统化石基塑料难以降解，对环境造成极大压力，开发可回收或可重复使用的生物基塑料迫在眉睫。2,5 - 呋喃二甲酸（FDCA）作为生物基可回收聚合物的关键构建模块，以及众多潜在生物基化学品的平台，其重要性不言而喻。目前，FDCA 主要通过 5 - 羟甲基糠醛（5-HMF）氧化制备，但化学催化法依赖昂贵的贵金属催化剂，且反应条件苛刻，能耗大。生物催化法虽有潜力，但现有氧化酶存在局限性，如 HMF 氧化酶和芳基醇氧化酶催化效率低，易受 5 - 甲酰基 - 2 - 呋喃甲酸（FFCA）中间产物抑制。

在此背景下，瑞典隆德大学（Lund University）的研究人员开展了相关研究。他们以专性需氧细菌氧化葡萄糖酸杆菌（Gluconobacter oxydans）为研究对象，旨在探索其氧化 FFCA 生成 FDCA 的能力，并鉴定相关催化酶，为 FDCA 的绿色高效生产提供新途径。

研究人员采用多种技术方法开展研究。通过基因组筛选，依据保守氨基酸残基筛选氧化还原酶基因；利用重组表达技术，将选定基因克隆到合适载体并在大肠杆菌中表达；通过体外活性检测，筛选具有 FFCA 氧化活性的酶。同时，优化反应条件，进行分批补料生物转化实验，并对产物 FDCA 进行回收和纯化。

研究结果如下：

• 菌株筛选与反应条件优化：研究人员对三种氧化葡萄糖酸杆菌菌株进行筛选，发现 Gluconobacter oxydans DSM 50049 对 FFCA 的氧化效率最高。进一步优化反应条件，在 pH 5、30°C，使用对数生长期中期收获的 200 mg wwt/mL 细胞时，10 g/L（71 mM）的 FFCA 可 100% 转化为 FDCA。
• 分批补料生物转化：为克服 FFCA 的抑制作用，研究人员进行分批补料生物转化实验。在 1 L 规模反应中，以分批补料方式加入共 15 g/L（107 mM）的 FFCA，控制 pH 为 5，溶解氧为 70%，8.5 h 内 FDCA 产率达到 90%。
• FDCA 的回收与纯化：研究建立了简单的回收工艺，通过调节 pH、离心、过滤和萃取等步骤，FDCA 总回收率达到 82%，纯度超过 99%。
• FFCA 氧化酶的鉴定：从氧化葡萄糖酸杆菌基因组中筛选出 14 个编码氧化还原酶的基因进行研究，最终确定膜结合醛脱氢酶（MALDH）和松柏醛脱氢酶（CALDH）为催化 FFCA 氧化的酶。

研究结论与讨论部分指出，Gluconobacter oxydans DSM 50049 及其相关酶在 FDCA 生产中展现出巨大潜力。虽然生物催化活性受 FFCA、FDCA 和低 pH 抑制，但通过控制 pH 和充足曝气的分批补料生物转化，可实现高效生产。后续可通过提高细菌对呋喃衍生物的耐受性、引入辅因子再生系统和原位产物去除等策略进一步优化生产过程。此外，鉴定出的酶为构建酶级联反应提供了可能，有望实现从 5-HMF 一锅法生产 FDCA。

该研究成果为 FDCA 的绿色生物制造提供了重要理论依据和技术支持，为生物基塑料产业发展奠定了基础，推动了可持续化学领域的进步。