2-羟基-2-甲基丁酸(2-hydroxy-2-methylbutyric acid,HMB)是哺乳动物体内L-亮氨酸的重要代谢产物。研究表明，补充2-羟基-2-甲基丁酸及其钙盐能够促进蛋白质的合成，显著增加肌肉量，在运动训练、体重管理、疲劳后恢复以及预防肌少症等多个领域得到广泛应用。目前2-羟基-2-甲基丁酸已被作为添加剂广泛应用于动物饲料、人类运动营养和膳食食品，展现出巨大的商业应用潜力。
合成进展[1]
传统的2-羟基-2-甲基丁酸生产主要依赖于化学合成法，包括卤化法和酯化法。然而，这些方法涉及剧烈的多步反应，并伴随有毒有机物的生成，限制了其可持续性和安全性。相比之下，生物合成法通过酶法催化或代谢工程合成2-羟基-2-甲基丁酸,具有效率高、成本低、环境友好等优势，展现出广阔的应用前景。1997年，研究人员以雷斯氏半乳糖酵母(Galactomyces reessii)为细胞工厂,将3-甲基丁酸(3-methylbutyric acid,MBA)转化为2-羟基-2-甲基丁酸，产量为38g/L，摩尔转化率约为50%。
2002年，费海明等在前人工作的基础上优化了G.reessii的培养条件;在最佳条件下，102h时2-羟基-2-甲基丁酸的产量达到29g/L，平均产率为0.098g/(L·h)，MBA摩尔转化率为57.3%，为目前报道的最高转换率和生产速率。然而，该发酵路线存在MBA气味难闻、操作复杂以及存在竞争性途径等问题，与传统的化学合成法有相似的缺陷，限制了其工业化应用。且目前MBA是通过异丁烯与合成气的加氢甲酰化反应再进行氧化来生产的,是不可再生的。
近年来，研究表明2-羟基-2-甲基丁酸可以L-亮氨酸为底物，经2步酶催化反应合成：首先，L-氨基酸脱氨酶(L-amino acid deaminase,L-AAD)催化L-亮氨酸生成α-酮异己酸(a-ketoisocaproic acid,a-KIC);随后，4-羟基苯丙酮酸双加氧酶(4-hydroxyphenylpyruvate dioxygenase,4-HPPD)催化α-KIC转化为2-羟基-2-甲基丁酸。来源于变形杆菌的L-AAD是一种膜结合酶，能够通过偶联膜电子转移催化L-亮氨酸生成α-KIC，同时避免过氧化氢的毒性积累。
Crouch等首次发现小鼠肝脏的4-HPPD具有α-酮异己酸双加氧酶(a-ketoisocaproate dioxygenase,α-KICD)的功能，可将α-KIC转化为2-羟基-2-甲基丁酸。后续研究通过测序和N-末端胰蛋白酶消化证实4-HPPD与x-KICD为同一类酶,进一步明确了4-HPPD在HMB合成中的关键作用。2021年Gao等通过在大肠杆菌中表达L-AAD和4-HPPD，构建了以L-亮氨酸为底物的生物催化体系，在最佳反应条件下，最大转化率和产率分别为80%和0.257g/(L·h)，最终2-羟基-2-甲基丁酸产量达到1.4g/L。
参考文献
[1]叶佳微,徐洪,廖雅芯,等.构建重组大肠杆菌全细胞催化合成β-羟基-β-甲基丁酸[J].生物工程学报,2025,41(09):3487-3503.DOI:10.13345/j.cjb.250243.