利用可再生资源生产大宗化学品是社会可持续发展的关键。乙苯被广泛用于有机合成工业，如生产对二甲苯、对硝基苯乙酮、苯乙烯等化工产品。根据最新数据，全球乙苯产量约为4000万吨/年，市场规模巨大，而传统的化学合成法及石油衍生品的转化存在着诸多局限，如需高温、高压、昂贵的金属催化剂，以及面临石油资源枯竭等问题。相比之下生物催化可在温和的条件下实现绿色高效的转化，减少能源消耗和废物产生，但其产物往往局限于天然的生物化学产品。

进几年来，光催化领域发展迅速，其中光酶催化所具有的温和、可控、环保等优点，使其在催化领域具有广阔的应用前景。在前期研究基础上，近日华中农业大学吴淑可教授团队开发了一条非天然的三步级联酶催化反应，通过偶连光酶催化，实现了一锅法高效转化生物基原料苯丙氨酸生产乙苯。

首先，基于逆合成分析，作者设计了一条从 L- 苯丙氨酸1出发合成乙苯4的多酶级联反应：L-苯丙氨酸1经由苯丙氨酸脱氨酶(AtPAL)转化为反式肉桂酸2；通过烯还原酶(CaER)进一步还原为3-苯丙酸3；再过光脱羧酶(CvFAP)进行脱羧产生乙苯4。

前期实验结果显示，从3到4为该级联反应的限速步骤，因此作者首先对催化该反应的光脱羧酶进行了结构引导的半理性工程，通过对底物隧道和催化口袋分析，再经由三轮定向进化改造，获得了三突变体 CvFAP (Y466T/P460A/G462I) ，使乙苯产率提高了6.3倍。分子对接和分子动力学(MD)模拟解析了催化活力提升的分子机制：底物通道扩大了1.6Å，同时底物3的羧基氧距离辅酶FAD的距离减少了0.52Å，缩短的距离促进了电子的转移。

获得了优质 CvFAP突变体后，作者进一步将其与另外两步酶级联反应偶联，通过优化全细胞催化剂和反应条件，最终采取了一种连续的双细胞反应模式，即在积累了一定量中间体3的基础上，再加入光酶进行催化，该策略成功实现了82%的转化率。进一步为了实现从甘油生产乙苯，作者采用了“发酵-生物转化”偶连的策略。利用先前开发的大肠杆菌 NST74-Phe菌株从甘油发酵生产苯丙氨酸；接下来组合双细胞连续反应，实现 8 h内生产了8.0 mM 的乙苯(0.85 g/L)。

本研究开发了一种非天然的三酶级联催化合成大宗化合物乙苯，证明了组合半理性酶工程改造和设计新多酶级联反应在可持续化学合成中的应用潜力，有望用于从生物基原料合成多种非天然大宗化学品。