生產聚羥基脂肪酸酯的微生物細胞工廠

李正軍，魏曉星，陳國強

清華大學生命科學學院，北京 100084

聚羥基脂肪酸酯 (Polyhydroxyalkanoates，PHA)是一類廣泛存在于微生物細胞內的高分子生物聚酯，一般主要作為碳源和能量的貯藏物質[1-2]。儲存型的PHA以疏水性顆粒的形式存在，在一定條件下其含量可以超過細胞干重的 90%[3]。從化學結構上講，PHA是羥基脂肪酸 (Hydroxyalkanoic acid，HA)的聚合物，結構通式如圖 1所示，分子量一般為幾萬至幾百萬，不同的PHA及其單體具有不同的側鏈R基團。根據單體組成的不同，PHA具有從堅硬質脆的硬塑料到柔軟的彈性體等一系列不同的材料學性質。PHA可以由生物可再生資源為原料合成，進入自然界后可以被細菌等生物完全降解，其替代傳統的不可降解的塑料可以緩解嚴重的“白色污染”問題，從而引起世界各國科學界和工業界的廣泛重視[4-6]。

圖1 PHA的結構通式Fig. 1 General structure of polyhydroxyalkanoates. m=1?4, n=100?30 000, R=alkyl groups C1～C15.

1 野生菌中的PHA生產

1.1 PHA的生物合成途徑

很多細菌能夠在自然條件下積累PHA，其生物合成途徑主要有3條 (圖2)，所需的酶及其底物特異性各有不同[3]。根據合成途徑的不同和相關酶的底物特異性，PHA的單體結構也多種多樣，其中3-羥基脂肪酸單體包括了3-羥基丙酸到3-羥基十六酸的所有成員，此外還有 4-、5-、6-羥基脂肪酸以及含有不飽和鍵、帶有甲基側鏈或者其他功能基團的3-羥基脂肪酸作為PHA單體的情況[7]。

1.1.1 由乙酰輔酶A合成PHB途徑

聚 3-羥基丁酸酯 (Polyhydroxybutyrate，PHB)是結構最簡單、最早被發現的PHA成員，其生物合成途徑以羅氏真養菌Ralstonia eutropha為代表 (圖2)。糖類碳源經過糖酵解途徑生成乙酰輔酶 A，β-酮基硫解酶PhaA催化2個乙酰輔酶A縮合形成乙酰乙酰輔酶A，然后在NADPH依賴的乙酰乙酰輔酶A還原酶PhaB的作用下還原為(R)-3-羥基丁酰輔酶A，最后由PHA合酶PhaC聚合成PHB[8-9]。……