自然界中部分微生物可合成聚羥基脂肪酸酯 (polyhydroxyalkanoate, PHA) 作為碳源及能量存儲物。隨著PHA良好和多樣性的理化性質(zhì)、生物相容性以及生物可降解性逐漸被科學家們發(fā)現(xiàn)，有望發(fā)展成為廣泛應用的生物可降解高分子材料，在醫(yī)療植入、環(huán)保可降解包裝、高端紡織品等領域找到更多應用。由于不同的結(jié)構可以帶來不同的性能和應用，人們一直在尋找更新結(jié)構的PHA，渴望挖掘更好的前景。
新型PHA材料中，短鏈（short-chain-length, SCL）3-羥基丁酸（3-hydroxybutyrate, 簡稱3HB）與中鏈（medium-chain-length, MCL）3-羥基壬酸（九個碳C9）及其更長的3-羥基中或者長鏈（long-chain-length, LCL）脂肪酸（3-hydroxyalkanoates, 簡稱3HA, 鏈長C10-C18）共聚物一致是PHA微生物合成的挑戰(zhàn)。人們一直夢想構建一個能合成這類共聚物（SCL-co-MCL/LCL PHA共聚物）的合成平臺，來探索PHA的多元化結(jié)構的邊界。100多年來，這夢想一致是夢想。
近日，清華大學陳國強團隊和華南理工大學葉健文使用合成生物學的方法，通過在嗜蟲假單胞菌Pseudomonas entomophila中搭建3HB和3HA（C9-C18）合成基因模塊，并進行代謝通量調(diào)控, 成功獲得了SCL-co-MCL/LCL PHA共聚物的定制化合成平臺（圖1）。
圖1. 新型短中長鏈共SCL-co-MCL/LCL PHA共聚物合成平臺
左邊模塊為3HB 合成代謝路徑，右邊為部分刪除了beta-氧化途徑的中長鏈3HA合成基因模塊。低特異性的PHA合成酶PhaC61-3把3HB與3HA(C9-C18)聚合得到多種共聚物。
研究團隊選取了天然能利用脂肪酸的嗜蟲假單胞菌作為底盤細胞，構建和表征了一系列組成型和誘導型啟動子，為后續(xù)代謝途徑關鍵基因的表達調(diào)控提供了穩(wěn)定、可控的標準化元件。具體的代謝途徑改造包括：1）敲除部分β-氧化循環(huán)途徑和阻斷脂肪酸從頭合成途徑，實現(xiàn)從不同脂肪酸底物到對應MCL/LCL PHA單體的碳原子守恒的生物轉(zhuǎn)化；2）引入外源的短鏈PHA單體3HB（3-羥基丁酸）的合成途徑（phaA-phaB）；3）引入低特異性PHA聚合酶編碼基因（phaC61-3）；4）對不同來源的基因及其表達模塊的代謝通量進行組合優(yōu)化。最終，當以葡萄糖作為單一碳源時，PHA中3HB含量提高約55%（圖2）。
圖2. 基因表達模塊的代謝通量調(diào)諧優(yōu)化
選用不同的3HB合成基因phaA和phaB并進行不同組合, 在聚合酶PhaC作用下，在嗜蟲假單胞菌里實現(xiàn)了不同含量的聚-3-羥基丁酸（PHB）的合成，PHB的合成影響了細胞生長（表現(xiàn)為Cell Dry Weight，簡稱CDW）。3HB組成在PHA比例越大，材料硬度越高，細胞干重CDW也越大。而C9-C18的3HA單體給PHA共聚物提供了強度和韌性。
利用優(yōu)化后的嗜蟲假單胞菌工程底盤，團隊分別以葡萄糖與不同碳原子數(shù)的脂肪酸作為混合碳源，首次成功合成了一系列可以定制化的新型SCL-co-MCL/LCL PHA共聚物（其中SCL PHA單體為3HB，MCL/LCL單體為碳原子數(shù)9-18的3-羥基脂肪酸，即MCL/LCL 3HA）（圖3），并完成熱力學性能表征，而且產(chǎn)量相較以往研究提升顯著，PHA共聚物含量超過60 wt%。經(jīng)技術經(jīng)濟分析（TEA）測算，該平臺可使得新型PHA共聚物的綜合生產(chǎn)成本大幅度降低。該平臺也被證實能實現(xiàn)含不飽和脂肪酸側(cè)鏈的PHA共聚物的高效合成，為PHA的化學修飾改性，以及無限想象空間的修飾帶來的結(jié)構多樣性。
圖3. 嗜蟲假單胞菌工程菌合成SCL-co-MCL/LCL PHA共聚物的合成及氣相色譜驗證分析
以上成果發(fā)表在Advanced Materials上 (Adv. Mater. 2021, 2102766)，論文第一作者為清華大學博士生李夢怡，共同第一作者為清華大學博士生馬悅原，通訊作者為清華大學陳國強教授，共同通訊作者為華南理工大學葉健文副教授。
論文鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.202102766
