Metabolische ingenieurs van KAIST presenteren voor het eerst de biogebaseerde productie van meerdere primaire amines met een korte keten die een breed scala aan toepassingen hebben in de chemische industrie. Het onderzoeksteam onder leiding van Distinguished Professor Sang Yup Lee van het Department of Chemical and Biomolecular Engineering ontwierp de nieuwe biosynthetische routes voor primaire amines met een korte keten door retrobiosynthese en een precursorselectiestap te combineren.

Het onderzoeksteam verifieerde de nieuw ontworpen routes door de in vivo productie van 10 primaire amines met een korte keten te bevestigen door de voorlopers te leveren. Verder, het platform Escherichia coli-stammen werden metabolisch gemanipuleerd om drie proof-of-concept primaire amines met een korte keten te produceren uit glucose, het aantonen van de mogelijkheid van de biogebaseerde productie van diverse primaire amines met een korte keten uit hernieuwbare bronnen. Het onderzoeksteam zei dat deze studie de strategie uitbreidt van het systematisch ontwerpen van biosynthetische routes voor de productie van een groep verwante chemicaliën, zoals aangetoond door meerdere primaire amines met een korte keten als voorbeelden.

Momenteel, de meeste industriële chemicaliën die in ons dagelijks leven worden gebruikt, worden geproduceerd met op aardolie gebaseerde producten. Echter, er zijn verschillende ernstige problemen met de aardolie-industrie, zoals de uitputting van fossiele brandstofreserves en milieuproblemen, waaronder de opwarming van de aarde. Om deze problemen op te lossen, de duurzame productie van industriële chemicaliën en materialen wordt onderzocht met micro-organismen als celfabrieken en hernieuwbare non-food biomassa als grondstof voor alternatief voor op aardolie gebaseerde producten. De engineering van deze micro-organismen is steeds efficiënter en effectiever geworden met behulp van systeemmetabolische engineering - een praktijk om het metabolisme van een levend organisme te manipuleren in de richting van de productie van een gewenste metaboliet. In dit verband, het aantal chemicaliën dat wordt geproduceerd met biomassa als grondstof is aanzienlijk toegenomen.

Hoewel de reikwijdte van chemicaliën die met behulp van micro-organismen kunnen worden geproduceerd zich blijft uitbreiden door vooruitgang in de metabolische engineering van systemen, de biologische productie van primaire amines met een korte keten is nog niet gerapporteerd, ondanks hun industriële belang. Primaire aminen met een korte keten zijn de chemicaliën die een alkyl- of arylgroep hebben in plaats van een waterstofatoom in ammoniak met koolstofketenlengtes variërend van C1 tot C7. Primaire amines met een korte keten hebben een breed scala aan toepassingen in de chemische industrie, bijvoorbeeld, als voorloper van geneesmiddelen (bijv. antidiabetica en antihypertensiva), landbouwchemicaliën (bijv. herbiciden, fungiciden en insecticiden), oplosmiddelen, en vulkanisatieversnellers voor rubber en weekmakers. De marktomvang van primaire amines met een korte keten werd in 2014 geschat op meer dan 4 miljard US dollar.

De belangrijkste reden waarom de biogebaseerde productie van primaire amines met een korte keten nog niet mogelijk was, was vanwege hun onbekende biosyntheseroutes. Daarom, het team ontwierp synthetische biosynthetische routes voor primaire amines met een korte keten door retrobiosynthese en een voorloperselectiestap te combineren. De retrobiosynthese maakte het systematisch ontwerpen van een biosyntheseroute voor primaire amines met een korte keten mogelijk door gebruik te maken van een reeks biochemische reactieregels die chemische transformatiepatronen tussen een substraat en productmoleculen op atomair niveau beschrijven.

Deze meerdere voorlopers die waren voorspeld voor de mogelijke biosynthese van elk primair amine met een korte keten, werden achtereenvolgens versmald door de voorloperselectiestap te gebruiken voor efficiënte metabole engineering-experimenten.

"Ons onderzoek toont voor het eerst de mogelijkheid aan van de hernieuwbare productie van primaire amines met een korte keten. We zijn van plan om de productie-efficiëntie van primaire amines met een korte keten te verhogen. We geloven dat ons onderzoek een belangrijke rol zal spelen bij de ontwikkeling van duurzame en milieuvriendelijke biogebaseerde industrieën en de reorganisatie van de chemische industrie, die verplicht is voor het oplossen van de milieuproblemen die het voortbestaan ​​van de mensheid bedreigen, ’ zei professor Lee.