苯乙醇和苯乙酸是具有高附加价值的L-α-芳香族氨基酸衍生物。其中,苯乙醇具有玫瑰的香气,广泛应用于食品、医药和化妆品行业;而苯乙酸则是工业合成青霉素的重要前体。目前主要通过化工合成得到苯乙醇和苯乙酸,而微生物合成与其相比,具有反应条件温和、环保及耗能低等优势,更加符合可持续发展的理念,且微生物法合成的苯乙酸和苯乙醇更加安全,在医药、食品、化妆品等领域更受市场的偏爱。因此寻求高效的微生物合成方式成为近些年的研究热点。在本研究中,我们旨在开发出有效的酶促级联催化路径,从而得到高产菌株,最终通过一锅法酶促级联催化实现高效转化苯丙氨酸生产苯乙醇和苯乙酸。为此我们设计了多模块的人工催化路径,第一个模块我们引入L-氨基酸转氨酶LAAD和转氨脱羧酶ARO10,此模块能够催化苯丙氨酸生成苯乙醛。随后我们引入苯乙醛还原酶PAR作为还原模块,将苯乙醛高效还原为苯乙醇,此外引入醛脱氢酶ALDH作为氧化模块可将苯乙醛氧化为苯乙酸。通过在大肠杆菌中引入苯乙醛模块和还原模块的组合,获得一株苯乙醇高产菌株,当以50 mM苯丙氨酸作为底物时,催化生产5.95 g/L苯乙醇,转化效率高达97%。在大肠杆菌中将苯乙醛模块和氧化模块结合,则得到了苯乙酸的高产菌株,能够转化50 mM苯丙氨酸底物生成6.76 g/L苯乙酸,转化效率接近99%。深入的研究表明,苯乙醇催化路径和苯乙酸催化路径都能够以酪氨酸作为底物,催化生成对羟基苯乙酸和酪醇,二者都有很高的市场应用价值。通过进一步的探究还发现苯乙酸催化路径能够识别非天然氨基酸底物间氟苯丙氨酸生成对应的间氟苯乙酸。总之,我们设计了不同的人工催化模块,将不同的催化模块组合并在大肠杆菌中表达,实现了一锅法酶促级联催化苯丙氨酸生成苯乙酸和苯乙醇,无需再额外引入其他辅因子,催化效率高,生产工艺简单,具有潜在的市场应用价值。此外我们发现这些催化路径能够以酪氨酸作为底物生产相应的产物,苯乙酸途径还可利用间氟苯丙氨酸为底物,未来我们将进一步扩展这些催化路径,以生产更多的高附加值产品。