乙酰丙酮是一种重要的有机合成中间体，广泛应用于贵金属萃取、树脂改性等方面，还可以作为燃料添加剂、染料中间体等。传统方法主要是以石化来源的丙酮和乙烯酮为原料，需要利用贵金属催化剂，在强酸高温条件下获得乙酰丙酮，存在条件苛刻、收率较低、易产生污染等问题，这些问题严重阻碍了乙酰丙酮的进一步应用。为了解决以上问题，本团队研究人员建立了生物合成的方法来获得乙酰丙酮。

图1 本研究提出的乙酰丙酮生物合成途径（实线代表合成途径，虚线代表降解途径）

约翰逊不动杆菌体内存在一种乙酰丙酮裂解酶（Dke1），该菌利用Dke1可以将乙酰丙酮降解为乙酸和甲基乙二醛。受此启发，研究人员设计了以葡萄糖为原料的乙酰丙酮生物合成途径（图1）。通过在大肠杆菌体内引入关键酶、改变外部环境等措施，成功扭转了降解过程，实现了乙酰丙酮的从头生物合成，诱导24h后产量为32mg/L。为了进一步提高产量，通过与已知或推测具有乙酰丙酮裂解酶功能的蛋白进行比较，研究人员深入分析了Dke1的氨基酸序列和三维结构，确定了可能会影响Dke1催化活性的氨基酸位点，对这些潜在位点进行定点突变后获得了一系列突变体，双突变株K15Q/A60D的催化活性比野生型提高了3.8倍。在双突变株催化下，乙酰丙酮在摇瓶水平的产量为116mg/L，5L发酵罐水平的产量达到556mg/L。利用结构模拟和分子对接，发现双突变酶催化活性中心的通路体积有显著增加，进一步揭示了突变引起酶活性提升的可能机制。除了乙酰丙酮，Dke1被证明可作用于2,4-辛二酮、2-乙酰基环己酮、3,5-二庚酮等多种β-二羰基化合物，本研究的结果也为这一类物质的生物合成提供了可能。

图2 突变前后Dke1的结构变化示意图（a为野生型，b为突变型）

相关工作已于近日发表于Biotechnology for Biofuels期刊，并申请了多个发明专利。本研究成果是目前公开的乙酰丙酮生物合成的首次报道。

论文链接：Yifei Zhou, Yamei Ding, Wenjie Gao, Jichao Wang, Xiutao Liu, Mo Xian, Xinjun Feng*, Guang Zhao*. Biosynthesis of acetylacetone inspired by its biodegradation. Biotechnology for Biofuels, 2020, 13:88. DOI: 10.1186/s13068-020-01725-9.