聚羟基脂肪酸酯PHA代谢工程研究30年

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...     

聚羟基脂肪酸酯的应用展望

聚羟基脂肪酸酯(Polyhydroxyalkanoates,简称PHA)是由微生物合成的天然高分子基材料,作为微生物碳源和能源的储备物质。目前,PHA的单体种类有150多种,致使PHA的品种繁多、材料学性质各不相同。PHA具有材料多变性、非线性光学性能、压电性能、气体阻隔性能、热塑性、生物可降解性、良好的生物相容性等特点,使其在塑料包装、化工、医药、农业、生物能源等诸多领域的具有很大的应用前景。文中系统介绍了目前PHA的应用和未来的发展。     

废弃活性污泥中产聚羟基脂肪酸酯菌株Bacillus sp. PB-3的发酵条件优化

通过尼罗红染色法结合荧光显微镜镜检,从废弃活性污泥中分离得到1株高产聚羟基脂肪酸酯(PHAs)的菌株Bacillus sp.PB-3,经气相色谱法鉴定该菌株胞内产物为聚β-羟基丁酸酯(PHB)。对培养基成分及发酵条件优化后,获得最佳培养方案:12 g/L的葡萄糖为C源,2 g/L的牛肉膏为N源,初始pH 7.5,培养基装液量80 mL,转速为200 r/min,37℃培养48 h,PHB质量分数可达菌体干质量的32.09%,比优化前提高30%。     

利用剩余活性污泥合成聚羟基脂肪酸酯的研究进展

利用单一微生物发酵是现阶段获得聚羟基脂肪酸酯 (PHA) 的主要方式,但过高的生产成本限制了其大规模应用。近年来利用活性污泥菌群混合培养合成PHA被广泛研究。将剩余污泥处理与PHA合成相结合,不仅可以省去纯培养所必需的灭菌环节,同时可以实现剩余污泥的资源化利用。剩余污泥的水解酸化、菌群富集驯化及PHA合成受环境因素影响,深入的生物合成机制研究有助于混合培养合成PHA的推广应用。文中主要介绍利用剩余污泥合成PHA的可行性、影响剩余污泥水解酸化的因素、污泥菌群富集驯化合成PHA及其机制等方面的研究进展。     

聚羟基脂肪酸酯合成酶的改造和代谢途径构建的研究进展

聚羟基脂肪酸酯(Polyhydroxyalkanoates,PHA)是许多细菌在非平衡生长条件下在胞内积累的以颗粒状态存在的碳源和能源储藏物质。PHA因其具有生物可降解性、生物相容性等许多良好的材料性质、可以作为化学合成塑料未来的替代品而引起广泛关注。但由短链脂肪酸或单一脂肪酸单体合成的PHA的材料性质具有局限性,需要利用多种单体合成满足实际需求的PHA材料。PHA合成酶的底物特异性和PHA合成代谢途径决定着PHA的单体组成情况,进而影响着PHA的理化特性和材料性能。因此需要对PHA合成酶进行改造,扩展其对底物的特异性。另一方面需要构建新的PHA合成代谢途径,能合成出一些不常见的且性能优良的PHA材料。综述了近些年对PHA合成酶改造的研究及PHA代谢途径构建的研究进展。     

短须嗜热单孢菌聚羟基脂肪酸酯解聚酶的表达、热稳定性改造及在PHB降解中的应用

聚羟基脂肪酸酯解聚酶(polyhydroxyalkanoate depolymerase,PHAD)可用于聚羟基脂肪酸酯(polyhydroxyalkanoate,PHA)的降解回收,为开发热稳定性好的PHAD,本研究在大肠杆菌(Escherichiacoli)BL21(DE3)中成功表达了来自短须嗜热单孢菌(Thermomonospora umbrina)的PHA解聚酶(TumPHAD),并通过二硫键理性设计获得了热稳定性提升的突变体A190C/V240C,其最适温度为60℃,比野生型提高20℃,50℃半衰期为7h,是野生型酶的21倍。将突变体A190C/V240C用于典型PHA之一的聚羟基丁酸酯(polyhydroxybutyrate,PHB)降解,在50℃条件下,PHB的2 h和12 h降解率较野生型分别提高了2.1倍和3.8倍。本研究获得的TumPHAD突变体A190C/V240C具有耐高温、热稳定性好和PHB降解能力强的特点,对PHB的降解回收具有重要意义。     

废弃塑料生物法高值化合成聚羟基脂肪酸酯(PHA)研究进展

石油基合成塑料因成本低、易便携、化学稳定性好等优点,使用量逐年增加,但其在自然条件下难以被生物降解,在环境中不断累积,造成了严重的“白色污染”问题。聚羟基脂肪酸酯(PHA)是微生物合成的可降解材料,因为其种类及性能多样,所以应用前景广阔,被视作石油基塑料的优质替代品,然而生产成本是导致其应用受限最重要的问题,特别是底物成本占主要部分。利用废弃塑料重新生物合成可降解塑料PHA,既有助于解决塑料污染,又能够降低PHA生产成本,是推动建立塑料循环经济的有效举措。本文综述了目前废弃塑料降解处理的方法以及不同微生物利用塑料降解物为碳源合成PHA的研究进展。在此基础上,针对己二酸、乙二醇、1,4-丁二醇、对苯二甲酸、苯酚、苯乙烯以及脂肪烃等主要的塑料降解产物进行中心代谢分析,并通过对转化率、吉布斯自由能变化和反应步骤等分析,了解塑料单体与PHA种类的适配性,以期为不同塑料单体用于PHA合成提供理论基础和指导。     

聚羟基脂肪酸酯生态产业链:生产与应用技术指南

<正>陈国强罗容聪徐军吴琼编著978-7-122-02768-9$88.002008年10月化学工业出版社出版内容简介:聚羟基脂肪酸酯(PHA)发现于1926年,具有良好的材料学性质和生物     

微生物发酵法生产聚羟基脂肪酸酯的研究进展

聚残基脂肪酸醋(Polyhydroxyalkanoates,PHAs)是一类由择基脂肪酸单体通过酯化聚合得到的高分子化合物,因具有传统石油基塑料类似的力学特征、100％生物降解性和生物相容性而被认为是最有潜力的绿色环保材料之一.受限于其高昂的生产成本,PHAs作为绿色环保材料的应用推广困难.文中分别从细胞形态调控、代谢...     

聚羟基脂肪酸酯的研究进展

微生物合成的聚羟基脂肪酸酯(PHA)近来正向着材料的多样性和生产技术的先进性发展。材料的多样性在多种单体及其分布、分子量、聚合方式等方面越来越细化,形成了PHA组学的概念。而合成生物学技术的应用与蓝水生物技术的出现,有望大幅度降低PHA的生产成本,更有经济性和竞争性。PHA已经有一些商业化的例子;同时,PHA在医药等领域的高附加值也被不断开发出来。     

蓝细菌乙醇光合细胞工厂的发展与展望

生物乙醇是极具应用潜力和代表性的生物能源产品之一。以蓝细菌为光合平台,利用二氧化碳和太阳能直接进行乙醇合成可以同时起到降低二氧化碳排放和提供可再生能源的效果,具有重要的研究与应用价值。本文回顾了蓝细菌乙醇光合细胞工厂相关技术的发展历程和现状,从途径优化、底盘选择和代谢工程策略等层面对其最新进展和所遇到的问题进行了总结介绍,并对该技术未来发展方向进行了展望。     

大肠杆菌细胞工厂的创建技术

大肠杆菌作为一种重要的模式工业微生物,在医药、化工、农业等方面具有广泛的应用.近30年来,多种代谢工程改造的新策略和新技术,被用于设计、构建和优化大肠杆菌化学品细胞工厂,极大地提高了生物法合成化学品的生产速率和产量.文中将从大肠杆菌途径设计、合成途径创建与优化和细胞全局优化三个方面,对大肠杆菌代谢改造起重要推动作用的技...     

Spatial modulation and cofactor engineering of key pathway enzymes for fumarate production in Candida glabrata

Fumarate is a naturally occurring organic acid that is an intermediate of the tricarboxylic acid (TCA) cycle and has numerous applications in food, pharmaceutical, and chemical industries. However, microbial fumarate production from renewable feedstock is limited by the intrinsic inefficiency of its synthetic pathway caused by week metabolites transportation and cofactor imbalance. In this study, spatial modulation and cofactor engineering of key pathway enzymes in the reductive TCA pathway were performed for the development of a Candida glabrata strain capable of efficiently producing fumarate. Specifically, DNA-guided scaffold system was first constructed and optimized to modulate pyruvate carboxylase, malate dehydrogenase, and fumarase, increasing the fumarate titer from 0.18 to 11.3 g/L. Then, combinatorially tuning cofactor balance by controlling the expression strengths of adenosine diphosphate-dependent phosphoenolpyruvate carboxykinase and NAD⁺-dependent formate dehydrogenase led to a large increase in fumarate production up to 18.5 g/L. Finally, the engineered strain T.G-4G-S_(1:1:2)-P_(M)-F_(H) was able to produce 21.6 g/L fumarate in a 5-L batch bioreactor. This strategy described here, paves the way to develop efficient cell factories for the production of the other industrially useful chemicals.     

Polyhydroxyalkanoates: Properties and chemical modification approaches for their functionalization

Polyhydroxyalkanoates (PHAs) have become an attractive biomaterial in research in the past few years due to their extensive potential industrial applications. Being long chain hydroxyl fatty acid molecules, the PHAs are hydrophobic in nature, and have less functional groups. These features limit their applications in various areas. To enhance their usage, these polymers may need to be modified including surface and chemical modifications. Such modifications may alter their mechanical properties, surface structure, amphiphilic character and rate of degradation to fulfil the requirements for their future applications. Chemical modifications allow incorporation of functional groups to PHAs that could not be introduced through biotechnological methods. These chemically reformed PHAs, with enhanced properties, could be used for broad range of applications. This review aims to introduce different chemical modification approaches including some recent methods that had not been explored or discussed so far for PHAs as possible technologies for widening the range of product and application potentials. © 2017 American Institute of Chemical Engineers Biotechnol. Prog., 34:29–41, 2018     

微生物细胞工厂中多基因表达的控制策略

微生物代谢工程和合成生物学是当今微生物技术领域研究的热点,微生物的生长速度快、容易进行大规模培养;遗传背景清楚、遗传操作简便可靠等性质使其在与人类生活相关的多个领域中起到重要的作用。微生物细胞工厂是指人工设计的能够进行物质生产的微生物代谢体系。许多微生物细胞工厂的构建由于引入多个基因或整条代谢途径,而可能导致代谢失衡、部分代谢中间产物积累等问题,需要使用一定的调控策略加以控制。以下对涉及多个基因作用的微生物细胞工厂中所使用的调控策略,分为若干层次进行了总结和探讨,并对今后多基因控制策略的发展方向进行了预测与展望。     

Peroxisomal polyhydroxyalkanoate biosynthesis is a promising strategy for bioplastic production in high biomass crops

Polyhydroxyalkanoates (PHAs) are bacterial carbon storage polymers with diverse plastic‐like properties. PHA biosynthesis in transgenic plants is being developed as a way to reduce the cost and increase the sustainability of industrial PHA production. The homopolymer polyhydroxybutyrate (PHB) is the simplest form of these biodegradable polyesters. Plant peroxisomes contain the substrate molecules and necessary reducing power for PHB biosynthesis, but peroxisomal PHB production has not been explored in whole soil‐grown transgenic plants to date. We generated transgenic sugarcane (Saccharum sp.) with the three‐enzyme Ralstonia eutropha PHA biosynthetic pathway targeted to peroxisomes. We also introduced the pathway into Arabidopsis thaliana, as a model system for studying and manipulating peroxisomal PHB production. PHB, at levels up to 1.6%–1.8% dry weight, accumulated in sugarcane leaves and A. thaliana seedlings, respectively. In sugarcane, PHB accumulated throughout most leaf cell types in both peroxisomes and vacuoles. A small percentage of total polymer was also identified as the copolymer poly (3‐hydroxybutyrate‐co‐3‐hydroxyvalerate) in both plant species. No obvious deleterious effect was observed on plant growth because of peroxisomal PHA biosynthesis at these levels. This study highlights how using peroxisomal metabolism for PHA biosynthesis could significantly contribute to reaching commercial production levels of PHAs in crop plants.     

塑料的降解与可降解塑料——聚羟基脂肪酸酯的合成

近年来,塑料污染的问题始终困扰着人类社会。为了解决不可回收的塑料带来的环境问题,“降塑再造”的理念被提出。“降塑再造”主要包括塑料的降解和塑料的再生。而再生成为可降解的聚羟基脂肪酸酯(polyhydroxyalkanoates,PHA)则是实现塑料内循环的一种方式。PHA是一种可由多种微生物合成的生物聚酯,以其特有的生物相容性和可降解性以及热加工性能而被大家所关注。同时利用PHA的多样化的单体组成、加工技术和改性方法,可以进一步改善PHA的性能,产生类型多样、性能各异的PHA材料,也可以创造平衡耐久性和生物降解性的新产品,这些特性使PHA有望成为传统塑料的替代品之一。利用极端微生物进行生产的“下一代工业技术(next-generation industrial biotechnology,NGIB)”可以增加PHA的市场竞争力,为国家碳中和目标顺利实施提供参考。本文综述了各类塑料降解并生产PHA的可能性、PHA材料的基础材料属性、加工和改性方法及获得的新材料、新技术和独特的材料性质。