其中，聚羟基脂肪酸酯 (Polyhydroxyalkanoates，简称 PHA) 是由微生物利用多种碳源发酵产生的高分子聚酯的总称，近年来发展迅速。由于具有良好的生物相容性、生物可降解性和热加工性能，PHA 在塑料包装、化工、医药、农业、生物能源等多个领域具有广泛应用，但生产成本偏高严重限制了 PHA 材料的大范围生产和应用。
近日，斯坦福大学的研究员们通过合成生物学建立细胞工厂，利用CO2和电力生产出了高性能材料，并首次在生物聚酯主链中引入芳环。
（来源：论文截图）
有业内人士告诉生辉 SynBio，带有环状结构的生物聚酯比链状结构更难合成，但因其结构稳定，可用来制作一些高性能的材料，芳香族聚酯比脂肪族聚酯如 PET、PBT 等具有更高的耐热性和其它综合性能，理论上拓展了生物聚酯在更多材料领域当中的应用，该研究后续的产业转化值得期待。
他也表示，也正是因为芳香族聚酯具有环状结构，相比脂肪族聚酯，其生物降解性能要差一些。
首次在生物聚酯主链中引入芳环
迄今为止，所有生物催化获得的芳香族聚羟基脂肪酸酯的芳香环都在侧链上，斯坦福团队首次实现在生物聚酯主链中引入芳环。
该团队选择化能自养 “knallgas” 细菌 Cupriavidus necator 作为底盘生物，创建微生物细胞工厂，利用各种碳和能源，通过生物催化合成一系列脂肪族和芳香族聚酯。
简单来说，这项研究在氢氧化细菌 Cupriavidus necator H16 的 ΔphaC1 突变体的基础上，引入了来自丙酸梭菌（pct540）或艰难梭菌 (hadA) 的羟基酰基辅酶 A 转移酶，与来自假单胞菌 MBEL 6-19 的突变体 PHA 合酶（phaC1437）相结合，可以将芳香羟基酸引入到聚合物中。
实验还表明，所有前体均可从一种碳源如 CO2 从头生物合成。通过基因工程改造微生物细胞工厂，利用原位电化学产生的 H2 和 O2，并吸收 CO2 进行生产，表明芳香聚酯也可以在自养条件下形成。生物电化学系统消除了对外部氢氧供应的需要，避免了爆炸性混合物，为可持续生产类似于芳香族本体聚酯（如 PET）和高性能 “液晶聚合物” 的生物材料打开了大门。
此外，研究人员还利用计算机分析了代谢途径模型 C. necator 生产多种生物聚酯的潜力，基本确定了从五种不同碳和能源重新生产二十种不同聚酯的可行性。
图丨从野生型 C. necator H16 和工程 C. necator H16 (ΔphaC1 pCM66T_PBAD-hadA-phaC1437，分别为非诱导和完全诱导) 中获得的 PHA 的分子量分布 (Mn 和 MW)（来源：论文）
研究还发现 PHA 合成酶表达水平与聚酯分子量呈负相关，原因是催化剂的高活性与高丰度结合可能导致 (局部) 底物耗竭，随后导致链伸长提前终止。这对菌株工程有广泛的影响，特别是平衡 PHA 合成酶的催化速率被认为是微调聚合物质量的关键。
合成成本更低、性能更加优异的生物聚酯
如何改善 PHA 工业化生产中的高生产成本和不稳定性已经成为生物材料领域的研究热点。随着 PHA 产业化发展的不断推进，先后已有多代 PHA 产品实现商业化（PHB、PHBV、PHBHHx 和 P3HB4HB）。
图丨 PHA 的分子结构
今年 3 月，清华大学研究团队在 Trends in Biotechnology 期刊发表的综述中指出，目前已能在工业规模制备部分种类的 PHA，但通过当前工业生物技术生产的 PHA 通常都具有生产成本高、热机械性能差、产品质量不稳定等缺陷。同时，由 PHA 衍生出的各方面应用仍然有待扩展，要实现特定的 PHA 结构和性能仍具有挑战性。
随着合成生物学和生物合成技术的迅速发展，具有改善的性能和功能的非天然生物聚酯（例如含乳酸和芳香族生物聚酯）的生物合成已成为趋势。新型制备方法、新型单体组成的存在大大影响了生物聚酯的性能、功能和应用。
图丨用于聚（3 - 羟基丁酸酯）合成（垂直）的天然生化途径和用于形成改性生物聚酯（水平）的合成生化途径的部分分解。涉及的基因分别用橙色突出显示为天然，或蓝色（CoA 转移酶，pct /hadA）和绿色（PHA 合酶，phaC）（来源：论文）
按照 PHA 单体的碳原子数，通常将其分为两类：短链 PHA（单体含 3-5 个碳原子）和中长链 PHA（单体含 6 个及以上碳原子），侧链是高度可变的饱和或不饱和支链、脂肪族或芳香族的基团，可以是同一种脂肪酸的均聚物，也可以是不同脂肪酸的共聚物。
材料学性质随着组成单体的不同、分子量的高低而改变。
表丨不同种类 PHA 与塑料的物理性能对比（来源：论文）
在 PHA 主链中引入其他的单体羟基脂肪酸进行共聚可以有效改善 PHA 材料的力学性能和加工性能。
上述研究首次在生物聚酯主链上引入芳环，将芳香族环加入生物聚酯的主干，极大地提高了性能，合成的芳香族聚酯在结构上类似于 PET 和高强度聚芳酸酯。类似聚酯已经基于天然羟基酸进行化学合成和表征，这些 “聚羟基芳基化物” 表现出液晶聚合物的特性，并且具有潜在的生物降解性。
然而，要获得主链芳香含量高、分子量高的聚合物，仍需进一步研究。
在成本方面，限制因素主要包括发酵底物和灭菌成本过高，很难对石油基塑料保持较大的竞争力。为微生物发酵提供营养底物约占生产总成本的 50%，降低成本意味着必须用更廉价的底物替换糖类和脂肪酸。
表丨不同底物生产 PHA 的经济性评价（来源：论文）
上述研究一方面在生产原料方面具有竞争优势，可以直接减少温室气体排放，同时避免与食品工业的竞争，能够通过降低原料成本提高商业竞争力；另一方面，使用生物催化的方法，有效解决了有氧气体发酵成本高昂及其涉及的严重安全问题。
有业内人士表明，未来 PHA 产品的开发可能会倾向于短链与几种不同中长链单体（HV、HHx、HD 和 HO 等）的结合，形成三聚物甚至四聚物，通过调整引入中长链单体的种类、数量和比例等，改变产品的结晶度、熔融温度和机械性能，从而实现按需定制 PHA。但值得注意的是，在根据需要构建代谢途径时，还应从整个代谢网络角度分析 PHA 合成是否会影响其他重要的代谢途径，盲目地基因编辑或改造代谢途径手段并不可取。
参考资料：
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https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2021.12.12.472320v1?rss=1
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http://html.rhhz.net/SWJSTB/html/2019-9-45.htm#
