Advanced Materials:打造新型短中长链共聚PHA的定制化合成平台

自然界中部分微生物能合成聚羟基脂肪酸酯 (polyhydroxyalkanoate, PHA) 作为储存碳源和能量的物质。由于其拥有良好的理化性质、生物亲和性以及生物可降解性,PHA可被用作环境友好型的生物可降解塑料、组织工程材料和医疗材料等,应用前景广阔。PHA的单体种类多样,不同种类单体以不同比例组成的PHA带来丰富的材料性质。通常来说,短链PHA(SCL PHA)的刚性强、熔融温度高但是延展性差,中长链PHA(MCL/LCL PHA)的延展性好但熔融温度低,因此多年来研究人员一直梦想构建一个能合成这类短中长链PHA共聚物(SCL-co-MCL/LCL PHA)的合成平台,来探索PHA的多元化结构的边界。然而,近50年来这一目标仍未达成。

近日,清华大学陈国强教授团队和华南理工大学叶健文副教授团队课题组基于重组假单胞菌,通过代谢通量调谐等合成生物学方法,成功构建了PHA共聚物的定制化合成平台,并首次实现多种新型SCL-co-MCL/LCL PHA的合成及产量提升。

图1.新型短中长链共聚PHA合成平台

作者研究团队选取了一株天然能利用脂肪酸的假单胞菌作为底盘细胞,并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。与此同时,构建了两条同时合成MCL/LCL PHA单体和SCL PHA单体的代谢通路,再通过低特异性PHA聚合酶(PhaC61-3)合成不同的PHA共聚物。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(phaC61-3);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,细胞中PHB(聚-3-羟基丁酸酯,SCL PHA)含量提高约55wt%。

图2. 基因表达模块的代谢通量调谐优化

利用优化后的重组假单胞菌工程底盘,研究人员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定制化的新型SCL-co-MCL/LCL PHA共聚物(其中SCL PHA单体为3HB(C4),MCL/LCL单体为碳原子数C9-C18的3-羟基脂肪酸,即MCL/LCL 3HA)并完成热力学性能表征,而且产量相较以往研究提升显著,平均细胞干重达到9 g/L,PHA含量超过60 wt%。经测算,该高产平台可以减少55%的新型PHA合成费用。材料的热力学性能也表明部分SCL-co-MCL/LCL PHA的综合性能优于SCL PHA。以外,该菌株平台被证实也能够合成带有不饱和键的PHA共聚物,丰富了材料后期的化学改性。

图3. SCL-co-MCL PHA共聚物的合成及验证分析

综上,该工作基于重组假单胞菌成功构建了SCL-co-MCL/LCL PHA的定制化合成平台,解决了PHA合成领域近50年的难题;且该平台具有定制化合成无限多种新型PHA共聚物的能力,包括PHA单体成分和单体比例的可控,由此带来PHA新材料的性能变化也是无穷无尽的,大大拓展了新型PHA共聚物的种类,为未来高附加值SCL-co-MCL/LCL PHA的应用提供了研究基础。

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。

论文信息:

Tailor-Made Polyhydroxyalkanoates by Reconstructing Pseudomonas Entomophila

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

Advanced Materials

DOI: 10.1002/ adma.202102766

原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202102766