大学化学 >> 2022, Vol. 37 >> Issue (3): 2110003.doi: 10.3866/PKU.DXHX202110003
所属专题: 生物无机与大健康
陈子鹏1, 赵钰沁2, 王宸1, 王秀秀1, 魏炜2, 赵劲1,*(
)
收稿日期:2021-10-08
录用日期:2021-11-15
发布日期:2021-12-22
通讯作者:
赵劲
E-mail:jingzhao@nju.edu.cn
作者简介:赵劲, Email: jingzhao@nju.edu.cn基金资助:
Zipeng Chen1, Yuqin Zhao2, Chen Wang1, Xiuxiu Wang1, Wei Wei2, Jing Zhao1,*(
)
Received:2021-10-08
Accepted:2021-11-15
Published:2021-12-22
Contact:
Jing Zhao
E-mail:jingzhao@nju.edu.cn
摘要:
从分子到细胞,从个体到社会,能量的需求和转化无处不在。探索高能物质的合成与利用,具有较重要的科学意义和应用价值。目前高能物质的化学合成通常污染较大、耗能较高,且往往副产物较多,难以分离纯化。相较于传统的化学合成方法,生物合成具有绿色环保和高效利用清洁能源等特点,是符合国家“碳中和”目标的新型合成路径。高能物质的生物合成,将是未来的迅速发展方向之一。本文将从能源物质、含能材料和天然高能物质三个方面,选取四种代表性高能物质,介绍其生物合成途径及与之相关的关键金属酶。
陈子鹏, 赵钰沁, 王宸, 王秀秀, 魏炜, 赵劲. 生物合成高能化学物质[J]. 大学化学, 2022, 37(3): 2110003.
Zipeng Chen, Yuqin Zhao, Chen Wang, Xiuxiu Wang, Wei Wei, Jing Zhao. Biosynthesis of High-Energy Chemicals[J]. University Chemistry, 2022, 37(3): 2110003.
| 1 | 关于碳达峰、碳中和, 总书记这样说. [2021-09-17]. http://www.qstheory.cn/zhuanqu/2021-09/17/c_1127873054.htm |
| 2 | 政府工作报告. [2021-09-17]. http://www.gov.cn/guowuyuan/zfgzbg.htm |
| 3 | 谭天伟; 陈必强; 张会丽; 崔子恒. 化工进展, 2021, 40 (3), 1137. |
| 4 | 杨荣武. 生物化学原理, 第3版 北京: 高等教育出版社, 2018. |
| 5 |
Keasling J. D. ACS Chem. Biol. 2008, 3 (1), 64.
doi: 10.1021/cb7002434 |
| 6 | 王凯; 刘子鹤; 陈必强; 王萌; 张洋; 毕浩然; 周雅莉; 霍奕影; 谭天伟. 合成生物学, 2020, 1 (1), 60. |
| 7 | 史硕博; 孟琼宇; 乔玮博; 赵惠民. 合成生物学, 2020, 1 (1), 44. |
| 8 | 徐硕; 余碧莹. 北京理工大学学报(社会科学版), 2021, 23 (6), 1. |
| 9 | 白羽. 莱茵衣藻[FeFe]氢化酶HydA1体内区域性成熟过程的研究[博士学位论文]. 厦门: 厦门大学, 2018. |
| 10 |
Shima S. ; Pilak O. ; Vogt S. ; Schick M. ; Stagni M. S. ; Meyer-Klaucke W. ; Warkentin E. ; Thauer R. K. ; Ermler U. Science 2008, 321 (5888), 572.
doi: 10.1126/science.1158978 |
| 11 |
Hiromoto T. ; Warkentin E. ; Moll J. ; Ermler U. ; Shima S. Angew. Chem. Int. Ed. 2009, 48 (35), 6457.
doi: 10.1002/anie.200902695 |
| 12 |
Corr M. J. ; Murphy J. A. Chem. Soc. Rev. 2011, 40 (5), 2279.
doi: 10.1039/c0cs00150c |
| 13 |
Shima S. ; Chen D. ; Xu T. ; Wodrich M. D. ; Fujishiro T. ; Schultz K. M. ; Kahnt J. ; Ataka K. ; Hu X. Nat. Chem. 2015, 7 (12), 995.
doi: 10.1038/nchem.2382 |
| 14 |
Nicolet Y. ; Piras C. ; Legrand P. ; Hatchikian C. E. ; Fontecilla-Camps J. C. Structure (London) 1999, 7 (1), 13.
doi: 10.1016/S0969-2126(99)80005-7 |
| 15 |
Mulder D. W. ; Shepard E. M. ; Meuser J. E. ; Joshi N. ; King P. W. ; Posewitz M. C. ; Broderick J. B. ; Peters J. W. Structure. 2011, 19 (8), 1038.
doi: 10.1016/j.str.2011.06.008 |
| 16 |
Senger M. ; Eichmann V. ; Laun K. ; Duan J. ; Wittkamp F. ; Knör G. ; Apfel U. ; Happe T. ; Winkler M. ; Heberle J. ; et al J. Am. Chem. Soc. 2019, 141 (43), 17394.
doi: 10.1021/jacs.9b09225 |
| 17 |
Volbeda A. ; Garcin E. ; Piras C. ; de Lacey A. L. ; Fernandez V. M. ; Hatchikian E. C. ; Frey M. ; Fontecilla-Camps J. C. J. Am. Chem. Soc. 1996, 118 (51), 12989.
doi: 10.1021/ja962270g |
| 18 | Mcdowall J. S. ; Murphy B. J. ; Haumann M. ; Palmer T. ; Armstrong F. A. ; Sargent F. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2014, 111 (38), E3948. |
| 19 |
Mcdowall J. S. ; Hjersing M. C. ; Palmer T. ; Sargent F. FEBS Lett. 2015, 589 (20PartB), 3141.
doi: 10.1016/j.febslet.2015.08.043 |
| 20 |
Cestellos-Blanco S. ; Zhang H. ; Kim J. M. ; Shen Y. ; Yang P. Nat. Catal. 2020, 3 (3), 245.
doi: 10.1038/s41929-020-0428-y |
| 21 |
Fujishima A. ; Honda K. Nature 1972, 238 (5358), 37.
doi: 10.1038/238037a0 |
| 22 |
Honda Y. ; Hagiwara H. ; Ida S. ; Ishihara T. Angew. Chem. Int. Ed. 2016, 55 (28), 8045.
doi: 10.1002/anie.201600177 |
| 23 |
Xiong W. ; Zhao X. ; Zhu G. ; Shao C. ; Li Y. ; Ma W. ; Xu X. ; Tang R. Angew. Chem. Int. Ed. 2015, 54 (41), 11961.
doi: 10.1002/anie.201504634 |
| 24 |
Wei W. ; Sun P. ; Li Z. ; Song K. ; Su W. ; Wang B. ; Liu Y. ; Zhao J. Sci. Adv. 2018, 4 (2), 9253.
doi: 10.1126/sciadv.aap9253 |
| 25 |
Chen J. ; Li J. ; Li Q. ; Wang S. ; Wang L. ; Liu H. ; Fan C. Energy Environ. Sci. 2020, 13 (7), 2064.
doi: 10.1039/D0EE00993H |
| 26 |
Sokol K. P. ; Robinson W. E. ; Warnan J. ; Kornienko N. ; Nowaczyk M. M. ; Ruff A. ; Zhang J. Z. ; Reisner E. Nat. Energy 2018, 3 (11), 944.
doi: 10.1038/s41560-018-0232-y |
| 27 |
Zhang L. ; Morello G. ; Carr S. B. ; Armstrong F. A. J. Am. Chem. Soc. 2020, 142 (29), 12699.
doi: 10.1021/jacs.0c04302 |
| 28 |
Pan H. J. ; Hu X. Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 59 (12), 4942.
doi: 10.1002/anie.201914377 |
| 29 |
Wang X. Z. ; Meng S. L. ; Xiao H. ; Feng K. ; Wang Y. ; Jian J. X. ; Li X. B. ; Tung C. H. ; Wu L. Z. Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 59 (42), 18400.
doi: 10.1002/anie.202006593 |
| 30 | Evans, R. M.; Krahn, N.; Murphy, B. J.; Lee, H.; Armstrong, F. A.; Söll, D. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2021, 118 (13), e2100921118. |
| 31 | 吴雄辉. 偶氮及氧化偶氮呋咱类高能化合物的合成与性能预测[硕士学位论文]. 南京: 南京理工大学, 2016. |
| 32 | Badgujar D. M. ; Talawar M. B. ; Asthana S. N. ; Mahulikar P. P. J. Hazard. Mater. 2008, 151 (2–3), 289. |
| 33 |
Kohli K. ; Prajapati R. ; Sharma B. Energies 2019, 12 (2), 223.
doi: 10.3390/en12020223 |
| 34 |
Valdehuesa K. N. G. ; Liu H. ; Ramos K. R. M. ; Park S. J. ; Nisola G. M. ; Lee W. ; Chung W. Process Biochem. 2014, 49 (1), 25.
doi: 10.1016/j.procbio.2013.10.002 |
| 35 |
Mainguet S. E. ; Liao J. C. Biotechnol. J. 2010, 5 (12), 1297.
doi: 10.1002/biot.201000276 |
| 36 |
Niu W. ; Molefe M. N. ; Frost J.W. J. Am. Chem. Soc. 2003, 125 (43), 12998.
doi: 10.1021/ja036391+ |
| 37 |
Yukawa T. ; Bamba T. ; Guirimand G. ; Matsuda M. ; Hasunuma T. ; Kondo A. Biotechnol. Bioeng. 2021, 118 (1), 175.
doi: 10.1002/bit.27560 |
| 38 |
Zhao M. ; Shi D. ; Lu X. ; Zong H. ; Zhuge B. Bioresour. Technol. 2019, 282, 433.
doi: 10.1016/j.biortech.2019.03.057 |
| 39 |
Hanessian S. ; Ugolini A. ; Dubé D. ; Glamyan A. Can. J. Chem. 1984, 62 (11), 2146.
doi: 10.1139/v84-367 |
| 40 |
Tandon V. K. ; Van Leusen A. M. ; Wynberg H. J. Org. Chem. 1983, 48 (16), 2767.
doi: 10.1021/jo00164a027 |
| 41 | 李玉石; 刘郁青; 杨程雨; 陆信曜. 微生物学通报, 2020, 47 (8), 2505. |
| 42 | 马鹏飞; 蒙坚; 周静. 高海军化工学报, 2015, 66 (7), 2620. |
| 43 |
张根林; 邓辉; 鲁建江; 孙守玲; 李春. 过程工程学报, 2009, 9 (6), 1174.
doi: 10.3321/j.issn:1009-606X.2009.06.025 |
| 44 |
陈柳霓; 李笑寒; 田平芳. 生物加工过程, 2017, 15 (4), 34.
doi: 10.3969/j.issn.1672-3678.2017.04.006 |
| 45 |
Yim H. ; Haselbeck R. ; Niu W. ; Pujol-Baxley C. ; Burgard A. ; Boldt J. ; Khandurina J. ; Trawick J. D. ; Osterhout R. E. ; Stephen R. ; et al Nat. Chem. Biol. 2011, 7 (7), 445.
doi: 10.1038/nchembio.580 |
| 46 |
Zhang J. ; Shreeve J. N. M. J. Phys. Chem. C 2015, 119 (23), 12887.
doi: 10.1021/acs.jpcc.5b03714 |
| 47 | 王小旭. 百克级高纯DAOAF的合成技术及工艺研究[硕士学位论文]. 绵阳: 西南科技大学, 2018. |
| 48 |
Zhang J. ; Shreeve J. N. M. J. Am. Chem. Soc. 2014, 136 (11), 4437.
doi: 10.1021/ja501176q |
| 49 | 吴雄辉. 偶氮及氧化偶氮呋咱类高能化合物的合成与性能预测[硕士学位论文]. 南京: 南京理工大学, 2016. |
| 50 |
Liu Y. ; Zhang J. ; Wang K. ; Li J. ; Zhang Q. ; Shreeve J. N. M. Angew. Chem. Int. Ed. 2016, 55 (38), 11548.
doi: 10.1002/anie.201606378 |
| 51 |
Iamsaard S. ; Aßhoff S. J. ; Matt B. ; Kudernac T. ; Cornelissen J. J. ; Fletcher S. P. ; Katsonis N. Nat. Chem. 2014, 6 (3), 229.
doi: 10.1038/nchem.1859 |
| 52 |
Francois E. G. ; Chavez D. E. ; Sandstrom M. M. Prop. Exp. Pyrotech. 2010, 35, 529.
doi: 10.1002/prep.200900045 |
| 53 |
Wu X. ; Chu Y. ; Zheng C. ; Wang T. ; Lei W. ; Wang F. ; Xia M. Chem. Heterocycl. Compd. 2015, 51 (8), 760.
doi: 10.1007/s10593-015-1772-8 |
| 54 |
Han S. ; Cheng Y. ; Liu S. ; Tao C. ; Wang A. ; Wei W. ; Yu H. ; Wei Y. Angew. Chem. Int. Ed. 2021, 60 (12), 6382.
doi: 10.1002/anie.202013940 |
| 55 |
Gulyaev D. A. ; Klenov M. S. ; Churakov A. M. ; Strelenko Y. A. ; Fedyanin I. V. ; Lempert D. B. ; Kosareva E. K. ; Kon'Kova T. S. ; Matyushin Y. N. ; Tartakovsky V. A. RSC Adv. 2021, 11 (39), 24013.
doi: 10.1039/D1RA03919A |
| 56 |
Chong X. ; Liu C. ; Huang Y. ; Huang C. ; Zhang B. Natl. Sci. Rev. 2020, 7 (2), 285.
doi: 10.1093/nsr/nwz146 |
| 57 |
Sadatnabi A. ; Mohamadighader N. ; Nematollahi D. Org. Lett. 2021, 23 (16), 6488.
doi: 10.1021/acs.orglett.1c02304 |
| 58 |
Katsuyama Y. ; Matsuda K. Curr. Opin. Chem. Biol. 2020, 59, 62.
doi: 10.1016/j.cbpa.2020.05.002 |
| 59 |
Guo Y. ; Li H. ; Zhou Z. ; Mao X. ; Tang Y. ; Chen X. ; Jiang X. ; Liu Y. ; Jiang H. ; Li Y. Org. Lett. 2015, 17 (24), 6114.
doi: 10.1021/acs.orglett.5b03137 |
| 60 |
Zocher G. ; Winkler R. ; Hertweck C. ; Schulz G. E. J. Mol. Biol. 2007, 373 (1), 65.
doi: 10.1016/j.jmb.2007.06.014 |
| 61 |
Lu H. ; Chanco E. ; Zhao H. Tetrahedron 2012, 68 (37), 7651.
doi: 10.1016/j.tet.2012.06.036 |
| 62 |
Guo Y. Y. ; Li Z. H. ; Xia T. Y. ; Du Y. L. ; Mao X. M. ; Li Y. Q. Nat. Commun. 2019, 10 (1), 1.
doi: 10.1038/s41467-018-07882-8 |
| 63 | 汪小兰. 有机化学, 第5版 北京: 高等教育出版社, 2017. |
| 64 |
Brown M. R.W. ; Kornberg A. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2004, 101 (46), 16085.
doi: 10.1073/pnas.0406909101 |
| 65 | Kulaev, I. S.; Vagabov, V. M.; Kulakovskaya, T. V. The Biochemistry of Inorganic Polyphosphates; John Wiley & Sons: New Jersey, USA, 2004. |
| 66 |
Moradali M. F. ; Rehm B. Nat. Rev. Microbiol. 2020, 18 (4), 195.
doi: 10.1038/s41579-019-0313-3 |
| 67 |
Ahn K. ; Kornberg A. J. Biol. Chem. 1990, 265 (20), 11734.
doi: 10.1016/S0021-9258(19)38459-5 |
| 68 | Zhang H. ; Ishige K. ; Kornberg A. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2003, 99 (26), 16678. |
| 69 |
Ault-Riché D. ; Fraley C. D. ; Tzeng C. M. ; Kornberg A. J. Bacteriol. 1998, 180 (7), 1841.
doi: 10.1128/JB.180.7.1841-1847.1998 |
| 70 |
Rao N. N. ; Liu S. ; Kornberg A. J. Bacteriol. 1998, 180 (8), 2186.
doi: 10.1128/JB.180.8.2186-2193.1998 |
| 71 |
Zhu Y. ; Huang W. ; Lee S. S. K. ; Xu W. EMBO Rep. 2005, 6 (7), 681.
doi: 10.1038/sj.embor.7400448 |
| 72 |
Akbari A. ; Wang Z. ; He P. ; Wang D. ; Lee J. ; Han I. L. ; Li G. ; Gu A. Z. Microb. Biotechnol. 2021, 14 (1), 82.
doi: 10.1111/1751-7915.13730 |
| 73 |
Wang X. ; Wang X. ; Hui K. ; Wei W. ; Zhang W. ; Miao A. ; Xiao L. ; Yang L. Environ. Sci. Technol. 2018, 52 (1), 214.
doi: 10.1021/acs.est.7b04532 |
| 74 |
Christ J. J. ; Blank L. M. FEMS Yeast. Res. 2019, 19 (3), foz011.
doi: 10.1093/femsyr/foz011 |
| 75 |
Christ J. J. ; Smith S. A. ; Willbold S. ; Morrissey J. H. ; Blank L. M. Biotechnol. Bioeng. 2020, 117 (7), 2089.
doi: 10.1002/bit.27337 |
| 76 |
Kulakovskaya T.V. ; Andreeva N. A. ; Ledova L. A. ; Ryazanova L. P. ; Trilisenko L.V. ; Eldarov M. A. Biochem. Moscow 2021, 86, S96.
doi: 10.1134/S0006297921140078 |
| 77 |
Rao N. N. ; Gomez-Garcia M. R. ; Kornberg A. Annu. Rev. Biochem. 2009, 78, 605.
doi: 10.1146/annurev.biochem.77.083007.093039 |
| 78 |
Hothorn M. ; Neumann H. ; Lenherr E. D. ; Wehner M. ; Rybin V. ; Hassa P. O. ; Uttenweiler A. ; Reinhardt M. ; Schmidt A. ; Seiler J. ; et al Science 2009, 324 (5926), 513.
doi: 10.1126/science.1168120 |
| 79 |
Wang X. ; Shi C. ; Mo J. ; Xu Y. ; Wei W. ; Zhao J. Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 59 (7), 2679.
doi: 10.1002/anie.201913833 |
| 80 |
Wu A. T. H. ; Aoki T. ; Sakoda M. ; Ohta S. ; Ichimura S. ; Ito T. ; Ushida T. ; Furukawa K. S. Biomacromolecules 2015, 16 (1), 166.
doi: 10.1021/bm501356c |
| 81 |
Chen D. ; Zhou X. ; Chang L. ; Wang Y. ; Li W. ; Qin J. Biomacromolecules 2021, 22 (5), 2272.
doi: 10.1021/acs.biomac.1c00349 |
| [1] | 赵彤彤, 王嫣, 秦时月, 徐亮, 栗振华. 新实验开发:废弃PET塑料的电催化升级再造[J]. 大学化学, 2024, 39(3): 308 -315 . |
| [2] | 张毅, 郭今心. 胆固醇进“城”记[J]. 大学化学, 2022, 37(9): 2207035 - . |
| [3] | 高磊,于欣水,雷晓光. 天然产物生物合成:探索大自然合成次生代谢产物的奥秘[J]. 大学化学, 2019, 34(12): 45 -53 . |
| [4] | 陆建梅,姜雪峰. 小身材,大能量——氢气[J]. 大学化学, 2019, 34(12): 29 -34 . |
| [5] | 苏优拉, 张逸, 李嘉宾, 陆军农. 卟啉的生物合成途径与化学合成方法的比较[J]. 大学化学, 2012, 27(6): 1 -11 . |
|
||