短中长链聚羟基脂肪酸酯PHA共聚物的合成平台构建

自然界中部分微生物可合成聚羟基脂肪酸酯 (polyhydroxyalkanoate, PHA) 作为碳源及能量存储物。随着PHA良好和多样性的理化性质、生物相容性以及生物可降解性逐渐被科学家们发现，有望发展成为广泛应用的生物可降解高分子材料，在医疗植入、环保可降解包装、高端纺织品等领域找到更多应用。由于不同的结构可以带来不同的性能和应用，人们一直在寻找更新结构的PHA，渴望挖掘更好的前景

新型PHA材料中，短链（short-chain-length, SCL）3-羟基丁酸（3-hydroxybutyrate, 简称3HB）与中链（medium-chain-length, MCL）3-羟基壬酸（九个碳C9）及其更长的3-羟基中或者长链（long-chain-length, LCL）脂肪酸（3-hydroxyalkanoates, 简称3HA, 链长C6-C18）共聚物一致是PHA微生物合成的挑战。人们一直梦想构建一个能合成这类共聚物（SCL-co-MCL/LCL PHA共聚物）的合成平台，来探索PHA的多元化结构的边界。100多年来，这梦想一致是梦想。

近日，清华大学陈国强团队和华南理工大学叶健文使用合成生物学的方法，通过在嗜虫假单胞菌Pseudomonas entomophila 中搭建3HB和3HA（C9-C18）合成基因模块，并进行代谢通量调控，成功获得了SCL-co-MCL/LCL PHA共聚物的定制化合成平台（图1）。

图1. 新型短中长链共SCL-co-MCL/LCL PHA共聚物合成平台。左边模块为3HB 合成代谢路径，右边为部分删除了beta-氧化途径的中长链3HA合成基因模块。低特异性的PHA合成酶phaC_61-3把3HB与3HA(C9-C18)聚合得到多种共聚物。

研究团队选取了天然能利用脂肪酸的嗜虫假单胞菌作为底盘细胞，构建和表征了一系列组成型和诱导型启动子，为后续代谢途径关键基因的表达调控提供了稳定、可控的标准化元件。具体的代谢途径改造包括：1）敲除部分β-氧化循环途径和阻断脂肪酸从头合成途径，实现从不同脂肪酸底物到对应MCL/LCL PHA单体的碳原子守恒的生物转化；2）引入外源的短链PHA单体3HB（3-羟基丁酸）的合成途径（phaA-phaB）；3）引入低特异性PHA聚合酶编码基因（phaC_61-3）；4）对不同来源的基因及其表达模块的代谢通量进行组合优化。最终，当以葡萄糖作为单一碳源时，PHA中3HB含量提高约55%（图2）。

图2. 基因表达模块的代谢通量调谐优化。选用不同的3HB合成基因phaA和phaB并进行不同组合, 在聚合酶PhaC作用下，在嗜虫假单胞菌里实现了不同含量的聚-3-羟基丁酸（PHB）的合成，PHB的合成影响了细胞生长（表现为Cell Dry Weight，简称CDW）。3HB组成在PHA比例越大，材料硬度越高，细胞干重CDW也越大。而C9-C18的3HA单体给PHA共聚物提供了强度和韧性。

利用优化后的嗜虫假单胞菌工程底盘，团队分别以葡萄糖与不同碳原子数的脂肪酸作为混合碳源，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单体为3HB，MCL/LCL单体为碳原子数9-18的3-羟基脂肪酸，即MCL/LCL 3HA）（图3），并完成热力学性能表征，而且产量相较以往研究提升显著，PHA共聚物含量超过60 wt%。经技术经济分析（TEA）测算，该平台可使得新型PHA共聚物的综合生产成本大幅度降低。该平台也被证实能实现含不饱和脂肪酸侧链的PHA共聚物的高效合成，为PHA的化学修饰改性，以及无限想象空间的修饰带来的结构多样性。

图3. 嗜虫假单胞菌工程菌合成SCL-co-MCL/LCL PHA共聚物的合成及气相色谱验证分析

以上成果发表在Advanced Materials 上，论文第一作者为清华大学博士生李梦怡，共同第一作者为清华大学博士生马悦原，通讯作者为清华大学陈国强教授，共同通讯作者为华南理工大学叶健文副教授。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Tailor-Made Polyhydroxyalkanoates by Reconstructing Pseudomonas Entomophila

Mengyi Li, Yueyuan Ma, Xu Zhang, Lizhan Zhang, Xinyu Chen, Jian-Wen Ye, Guo-Qiang Chen

Adv. Mater., 2021, DOI: 10.1002/adma.202102766

陈国强（教授）简介

陈国强，清华大学生命科学学院、化工系教授，清华大学合成与系统生物学中心主任，本科毕业于华南理工大学应用化学系，1989 年获得奥地利格拉茨工业大学应用化学博士学位，1990 至 1994 年先后在英国诺丁汉大学和加拿大阿尔伯达大学开展博士后研究。

37年来一直从事PHA微生物合成生物学、代谢工程、工业生物生产技术以及应用研究。 

https://www.x-mol.com/university/faculty/60324 

叶健文（副教授）简介

叶健文，华南理工大学生物科学与工程学院副教授，研究方向包括代谢工程优化、基因线路设计及应用、生物过程放大、生物材料、极端微生物等。2013年本科毕业于华南理工大学化工学院，2018年获得清华大学生物学博士学位，2018 至 2020年在清华大学从事博士后研究工作。

集合工程菌设计改造、小试发酵测试优化和工业化放大的全流程研发经验及若干成功案例经历，拥有近10年的合成生物学产学研经验储备。