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利用合成生物學策略成功實現農藥草甘膦的綠色合成
責任編輯：左彬彬 來源：福建農林大學 日期：2022-04-18
草甘膦是一種廣泛使用的除草劑,全球年產量超過100萬噸。目前,草甘膦的商業化生產過程涉及到諸多有毒的化合物、試劑和廢物。近期,許多國家尤其我國,加強了對草甘膦生產的環境監管和執法,造成該農藥的價格持續上升。因此,我們迫切需要研發一種草甘膦的綠色合成途徑。近期福建農林大學生命科學學院高江濤課題組在Nature Communications在線發表了題為“Harnessing phosphonate antibiotics argolaphos biosynthesis enables a synthetic biology-based green synthesis of glyphosate”的研究論文,利用合成生物學策略成功實現農藥草甘膦的綠色合成。
前期課題組負責人利用基因組挖掘技術從鏈霉菌NRRL B-24309培養粗提物中分離出兩種膦酸類小分子抗生素,argolaphos A和B。兩種化合物均由氨基甲基膦酸鹽(AMP)與非標準氨基酸N5-羥基精氨酸形成肽鍵,而氨基甲基膦酸鹽(AMP)可以成為合成草甘膦的前體小分子。課題組利用異源表達及生化方法鑒定了生物合成AMP所需要的6個結構基因(AlpG-L),并研究了其生物合成途徑(圖1),為合成生物學工程化改造提供基礎(圖2)。
圖1 Argolaphos生物合成基因簇
圖2 利用合成生物學策略從無機磷酸鹽生產草甘膦的工作流程
之后課題組使用啟動子-絕緣子-RBS策略來提高在Streptomyces lividans的AMP產量,發酵濃度達到52 mg/L,比原始菌株提高了500倍(圖3)。
圖3 使用啟動子-絕緣子-RBS策略提高S. lividans中AMP的產量
此外,課題組開發了一種將AMP轉化為草甘膦的高效實用的化學工藝。課題組嘗試了兩種合成路線(圖4),最終發現在水中進行還原胺化能高效合成草甘膦。在室溫下使用α-pic-BH3在H2O和AcOH中完成AMP與乙醛酸的還原胺化1 h,草甘膦以高產率獲得。以更大的規模(1 g)進行相同的反應,并以相似的產率獲得草甘膦。
圖4 從AMP化學合成草甘膦的兩種路線
綜上所述,該課題組最終研制出了草甘膦生產中一種綠色驅動的替代方案。福建農林大學生命科學學院博士生初雷霞、塔里木大學的羅曉霞老師及福建農林大學碩士生朱陶婷為共同第一作者,福建農林大學生命科學學院高江濤教授為通訊作者,上海交通大學的鄧子新院士及塔里木大學的張利莉老師參與了該項工作,該研究成果得到國家自然科學基金面上項目(31870050)、科技部合成生物學重點研發計劃(2021YFA0910502)以及閩江學者項目的資助。