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　　聚羟基脂肪酸酯PHA代谢工程研究30年

　　陈心宇，李梦怡，陈国强

　　清华大学生命科学学院

　　摘要：聚羟基脂肪酸酯(Polyhydroxyalkanoate，PHA)是微生物合成的可降解高分子材料，种类及性能多样，应用前景广阔，然而其大规模生产受制于它较为高昂的生产成本。30年来，代谢工程的应用日益广泛，通过代谢流调控、代谢通路改造引入新通路等方法，微生物合成PHA的效率得到了很大提高，也丰富了PHA的单体种类、结构多样性和底物多样性；同时通过改变细胞形态和PHA颗粒大小等方法实现了更加高效的下游生产处理，降低了PHA生产成本。近年来，基于极端微生物，尤其是嗜盐菌的“下一代工业生物技术”(Next generation industrial biotechnology，NGIB)发展迅速。NGIB实现了PHA生产过程的开放性和连续性，节约能源和淡水，简化了PHA的生产过程。结合代谢工程技术，盐单胞菌可以作为多种PHA的低成本生产平台，将有望提高PHA的市场竞争力和推进其商业化。

　　图1 PHA结构通式及多样性Fig.1 General molecular formula and PHA diversity.

　　图2 PHA的主要生物合成途径[6,15-17](PhaA：b-酮基硫解酶(b-ketothiolase)；PhaB：NADPH/NADH依赖型乙酰乙酰辅酶A还原酶(NADPH/NADH-dependent acetoacetyl-CoA reductase)：PhaC：PHA聚合酶(PHA synthase)；PhaG：3-羟基脂酰-ACP:CoA酰基转移酶(3-hydroxyacyl-ACP:CoA transacylase)；PhaJ：(R)-烯脂酰辅酶A水合酶[(R)-enoyl-CoA hydratase]；FabG：3-酮脂酰-ACP还原酶(3-ketoacyl-ACP reductase))Fig.2 Main PHA biosynthetic pathways[6,15-17].

　　图3敲除部分氧化以增强PHA生产[82](Acyl-CoA：脂酰辅酶A；Enoyl-CoA：烯酰辅酶A；()-3- hydroxyacyl-CoA：()-3-羟基脂酰辅酶A；3-ketoacyl- CoA：3-酮脂酰辅酶A；()-3-hydroxyacyl-CoA：()-3-羟基脂酰辅酶A)Fig.3 Deleting -oxidation related genes for enhanced PHA production[82].

　　图4引入新通路构建多种单体PHA生产途径[93-96](()-citramalate：()-柠苹酸；2-ketobutyrate：2-酮丁酸；2-hydroxybutyrate-CoA：2-羟基丁酰辅酶A；3-hydroxybutyrate-CoA：3-羟基丁酰辅酶A；Citrate：柠檬酸；Succinyl-CoA：琥珀酰辅酶A；Succinate：琥珀酸；4-hydroxybutyrate-CoA：4-羟基丁酰辅酶A；Lactate：乳酸；Lactyl-CoA：乳酰辅酶A；Xylose：木糖；Xylonolactone：木糖酸内酯；Xylonate：木糖酸；2-keto-3-deoxy-xylonate：2-酮基-3-脱氧木糖酸；Glycolaldehyde：乙醇醛；Glycolate：乙醇酸；Glycolyl-CoA：羟乙酰辅酶A)Fig.4 Introducing new pathways to produce PHA with various monomers[93-96].

　　图5过表达SulA/MinCD导致细胞丝状生长[102]Fig.5 Overexpression of SulA/MinCD leads to lamentary growth[102].

　　通讯作者

　　陈国强清华大学生命学院化工系教授。

　　《生物工程学报》第35届副主编。长期从事微生物合成生物学、微生物PHA材料合成及以极端细菌为基础的“下一代工业生物技术”的研究，获得相关授权专利35项和45项公开专利。开发的技术已经在数家公司用于大规模生产微生物塑料聚羟基脂肪酸酯 PHA。曾连续6年获得清华大学学生“良师益友”的光荣称号。在国际学术期刊上共发表微生物技术和生物材料相关论文350多篇，论文在Web of Sciences上被引用19000余次(H指数为67)。