聚羥基脂肪酸酯(Polyhydroxyalkanoates，微生物PHAs)是酵法聚羟基脂进展一類由羥基脂肪酸單體通過酯化聚合得到的高分子化合物，因具有傳統石油基塑料類似的生产力學特征、100%生物降解性和生物相容性而被認為是肪酸最有潛力的綠色環保材料之一。受限於其高昂的研究生產成本，PHAs作為綠色環保材料的微生物應用推廣困難。文中分別從細胞形態調控、酵法聚羟基脂进展代謝途徑構建、生产廉價碳源利用和開放式發酵技術開發等方麵詳細介紹了目前有效降低PHAs生產成本的肪酸方法。盡管大部分研究成果還局限於實驗室階段，研究但是微生物研究方法和方向為實現低成本PHAs的工業化生產提供了理論指導。

聚羥基脂肪酸酯(Polyhydroxyalkanoates，酵法聚羟基脂进展PHAs)是生产一類由羥基脂肪酸單體通過酯化聚合得到的高分子化合物，是肪酸微生物在特定環境下的能量儲備物質。隨著白色汙染加重和石油資源枯竭，研究具有傳統石油基塑料相似的力學特征、100%生物降解性和生物相容性的PHAs被認為是最有前景的綠色環保材料之一。目前隻有少數工廠，例如德國Biomer Inc.、美國P&G、巴西PHB Industrial和中國Tianan Biologic等實現了PHAs的中試級別生產，但產量遠遠無法滿足市場需求。主要原因是PHAs高昂的生產成本(2.2–5.0歐元/kg)大大限製了其作為綠色環保材料的應用。本文首先介紹了PHAs的類型和合成代謝途徑，隨後從細胞形態調控、代謝途徑構建、廉價碳源利用和開放式發酵技術開發等方麵詳細介紹了不同研究團隊在降低PHAs生產成本方麵的研究成果，以期為實現低成本PHAs的工業化生產提供理論指導。

1 PHAs簡介

1.1 PHAs分類

根據單體碳原子數PHAs可以分為短鏈PHAs(Short-chain-length，SCL)和中長鏈PHAs (Mediumlong-chain-length，MCL)，根據單體不同排列方式又可以分為均聚物(Homo polymer)、無規共聚物(Random copolymer)和嵌段共聚物(Block copolymer)。超過150種羥基脂肪酸可以作為PHAs合成的單體，其多元化組合賦予了PHAs性能的多樣性，例如SCL PHAs材料堅硬易碎，MCL PHAs材料韌性良好，按照不同比例混合後的共聚物表現出不同的硬度和韌性，這為開發不同特性的產品提供了無限可能。

第一代商業PHAs，聚-3羥基丁酸酯(Polyhydroxybutyrate，PHB)是3-羥基丁酸(3HB)的均聚物，也是發現最早、研究最深入的PHAs材料。因為其良好的抗氧化性、防水性和較高的硬度，PHB材料主要被開發用作包裝材料。但是它較脆的材質和接近降解溫度(220℃)的熔解溫度(175℃)不利於熱加工處理。第二代商業PHAs是由3HB和3-羥基戊酸(3HV)無規則共聚而成的聚3-羥基丁酸-3-羥基戊酸酯(Poly(3-hydroxybutyrate-co-3-hydroxyvalerate)，P(3HB-co-3HV))。

相比於PHB，P(3HB-co-3HV)在熱加工性能、韌性和延展性方麵均得到了提高。第三代商業PHAs是由3HB和中鏈3-羥基己酸(3HHx)無規則共聚合成的聚-3-羥基丁酸-3-羥基己酸(Poly(3-hydroxybutyrate-co-3-hydroxyhexanoate)，P(3HB-co-3HHx))。3HHx的混入給予了材料優異的彈性體性能和生物相容性能，因而被開發用作生物醫用材料。隨著PHAs研究的進一步發展，研究人員預測P(3HB-co-4HB)將會成為第四代商業PHAs，4HB的混入成功克服了PHB質地脆弱的缺點。目前PHAs已經用於塑料工業的包裝材料、農業的農膜材料以及醫藥領域的組織工程和藥物緩釋材料等的加工生產中。

1.2 PHAs合成代謝途徑

超過90個屬的500種細菌具有PHAs合成能力，其中PHAs合成代謝途徑主要有3條(圖1，紅色部分)。途徑Ⅰ：從糖酵解途徑(EMP)生成的兩分子乙酰Co A (Acetyl-Co A)依次經β-酮基硫解酶(Pha A)和乙酰乙酰Co A還原酶(Pha B)，最後在PHA合酶(Pha C)催化下合成PHB。途徑Ⅱ：同樣以乙酰Co A為起點的脂肪酸從頭合成途徑(de novo synthesis)的中間產物參與PHAs的合成。該途徑的關鍵酶3-羥基酯酰ACP-Co A轉移酶(Pha G)將R-3-羥基酯酰ACP (R-3-hydroxyacylACP)轉化為R-3-羥基酯酰Co A (R-3-hydroxyacylCo A)，從而被Pha C催化合成PHAs。途徑Ⅲ：脂肪酸被活化成酯酰Co A後進入β-氧化(β-oxidation)途徑，中間產物S-3-羥基酯酰Co A(S-3-hydroxyacyl-Co A)在差向異構酶作用下轉換成可以被Pha C催化利用的R-3-羥基酯酰Co A。盡管部分微生物利用脂肪酸合成PHB，但是其主要利用β-氧化途徑生成的乙酰Co A通過途徑Ⅰ合成。

除這3條主要途徑外，微生物體內還存在其他PHAs合成途徑，以及通過基因工程構建的新的PHAs合成途徑(圖1，藍色部分)。例如從草酰乙酸(Oxaloacetate)出發，通過基因工程手段為P(3HB-co-3HV)的合成提供3-羥基戊酰Co A (3-hydroxyvaleryl-Co A，3HV)；從琥珀酰Co A (Succinyl-Co A)出發為P(3HB-co-4HB)合成提供4-羥基丁酰Co A (4-hydroxybutyryl-Co A，4HB)等。

2 微生物發酵法生產低成本PHAs

PHAs的生產成本集中在發酵物料的消耗和滅菌過程的能源消耗上，其中前者占成本的50%，後者占30%。基於此，各個研究團隊希望通過降低發酵物料成本和滅菌過程能源消耗成本來降低PHAs的生產成本。例如提高菌株產率、利用廉價物料以及開發開放式發酵技術等。

2.1 細胞形態調控及代謝途徑構建

作為胞內代謝產物，當鹽單胞菌Halomonas campaniensis LS21內PHAs充滿細胞體積時也僅達到生物量的60%，這表明PHAs積累量嚴重受限於細胞體積。研究人員發現通過抑製細胞分裂蛋白Fts Z，由杆狀轉變為絲狀形態的重組大腸杆菌E.coli Trans1T1的PHB占比增加了125%。隨後，Wu等發現基因min CD和細胞骨架蛋白Mer B也具有抑製細胞分裂和調控細胞形態的作用，重組大腸杆菌E.coli JM109內的PHB積累量達到生物量的80%。基因min CD和fts Z在PHAs生產菌株中同樣具有影響細胞分裂和形態的作用。過表達min CD的重組鹽單胞菌Halomonas TD08在靜置培養下長成數百微米的絲狀菌體，PHB含量從68.69%提升至82.04%，即使在振蕩培養下菌絲長度依然是出發菌株的1.4倍。

為了解決Fts Z和Mer B非正常表達後細胞數量減少的問題，Jiang等構建了溫度敏感表達質粒，菌體在30℃時正常生長到預定生物量後升高至37℃，Fts Z和Mer B表達受限，菌體細胞膜剛性遭到破壞、細胞分裂受到抑製，從細杆狀轉向粗絲狀的菌體可以實現更多PHAs的積累。這一舉措既實現了發酵前期生物量積累、發酵後期菌體存儲空間增大的目的，又消除了基因工程手段對發酵前期細胞生長的負麵影響。

除了形態調控，基因工程還適用於構建中間物的合成代謝途徑。大部分菌株需利用多種碳源合成共聚物PHAs，例如在培養基中同時提供葡萄糖和丙酸才能獲得共聚物P(3HB-co-3HV)。為了解決這個問題，Tan等強化蘇氨酸合成途徑的同時敲除2-甲基檸檬酸合酶，胞內丙酰Co A濃度上升，重組鹽單胞菌TD01實現了單一碳源下P(3HB-co-3HV)的生物合成。同樣的，在單一碳源下，Li等通過敲除琥珀酸半醛脫氫酶基因和過表達orf Z，胞內碳通量流向4HB-Co A的合成，為共聚物P(3HB-co-4HB)的合成提供前體。構建中間物的合成代謝途徑，一方麵避免了使用其他脂肪酸導致的原料成本增加和可能帶來的毒性作用，另一方麵為利用微生物直接合成多種類PHAs提供了指導方向。

聲明：本文所用圖片、文字來源《生物工程學報》2021年2月，版權歸原作者所有。如涉及作品內容、版權等問題，請與本網聯係

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