近日，我院马钦元/高秀珍团队在生物催化合成头孢呋辛关键中间体领域再次取得重要突破。相关研究成果相关研究以“Engineering galactose oxidase for biocatalytic synthesis of 2-(furan-2-yl)-2-oxoacetic acid, a critical precursor of cefuroxime”为题，发表于本领域Top期刊《Green Synthesis and Catalysis》（中科院一区top，IF：8.3）。

头孢呋辛作为第二代头孢菌素类抗生素，在治疗多种感染性疾病方面发挥着重要作用。2-(呋喃-2-基)-2-氧代乙酸（2-FOA）是合成头孢呋辛的关键中间体。目前，工业生产2-FOA主要依赖于化学合成，存在反应条件苛刻、使用有毒试剂、环境污染严重等诸多问题。为解决上述难题，该团队致力于探索绿色、可持续的生物催化合成途径。在前期工作中，团队利用ThDP依赖性酶高效合成中间体2-呋喃基羟基甲基酮（2-FHMK）（成果发表于Green Chemistry），为2-FOA的生物合成奠定了基础。然而，2-FHMK进一步氧化生成2-FOA的步骤仍是该生物催化路线中的瓶颈所在。

在本研究中，团队聚焦于该氧化瓶颈难题，以禾谷镰刀菌的半乳糖氧化酶（FgGOase）为出发点，通过易错PCR和定点饱和突变等蛋白质工程技术手段对其进行改造。经过多轮筛选与优化，最终获得的最优突变体M13对底物2-FHMK及中间醛的氧化效率较野生型酶分别提升了46倍及102倍。分子动力学模拟进一步揭示，引入的突变通过增强疏水相互作用改善了底物结合，并优化了活性位点的水合环境，从而提升了酶的催化性能。

基于突变体M13的优异性能，团队进一步将其整合到完整的生物催化途径中，成功实现了从生物质衍生平台化合物糠醛和甲醛出发，经2-FHMK到2-FOA的两步酶促级联反应。通过优化反应条件和分批补料策略，最终2-FOA的产量达到了14.6 g/L，转化率为86.7%。这一生物合成途径避免了中间产物的分离纯化，简化了工艺流程，为头孢呋辛的绿色、可持续生产提供了一种全新的解决方案，充分展现了酶工程在推动可持续化学工艺发展中的巨大潜力。

学院青年教师张同、2022级硕士研究生魏浩、青年教师张雲橘为本文共同第一作者，学院马钦元教授和高秀珍副教授为本文共同通讯作者，山东理工大学为本文第一完成单位。该研究得到了山东省自然科学基金ZR2021MC063和ZR2023QB201的资助。

文章DOI:https://doi.org/10.1016/j.gresc.2025.05.010

撰稿人：张同