微生物合成聚羟基脂肪酸酯调控新机制研究

Polyhydroxyalkanoates (PHA), a family of diverse biopolyester, can be accumulated by a wide range of bacteria as carbon and energy storage compounds. It is considered as a new type of promising bioplastic because of its good thermal-mechanical properties combined with biocompatibility and biogradability. PHAs have flexible thermal and mechanical properties depending on their monomer structures and monomer ratios. Our recent studies showed that manipulation on genes involved in β-oxidation including deletion of fad regulons, resulted in partially controllable PHA structures. In this study, Pseudomonas putida will be used as a platform for investigating the mechanism of the formation of diverse PHAs. Based on known PHA synthesis pathways, by finding out genes that are related to PHA synthesis and structure regulation, and by deleting pathways that influencing PHA structures, a new regulation mechanism on how the bacterium regulates PHA synthesis using simplified PHA synthesis pathways can be established, which will allow us to achieve rational design of PHA structures.

许多细菌能合成聚羟基脂肪酸酯（PHA）作为储存碳源和能量的物质。由于其可加工性、生物相容性和生物可降解性，PHA被认为是一种绿色塑料而引起了世界各国科学界和产业界的重视。微生物合成的PHA的单体种类多样、彼此之间结构差别很大，这就使不同PHA的热力学性质有很大的不同。近来我们的研究表明，通过对假单胞菌的β-氧化循环中的一些基因的调控，可以部分实现对PHA中单体和结构进行一定的控制，获得所需的PHA。本项目拟基于上述研究成果，对已知的微生物PHA合成路径进行分析，找出互相影响和调控的机制，删除影响PHA合成的路径，从而建立基于恶臭假单胞菌的PHA的合成平台，能够设计和获得具有所需结构的PHA。并提出PHA合成和结构调控的新机制。

许多细菌能合成聚羟基脂肪酸酯 (polyhydroxyalkanoate, PHA) 作为储存碳源和能量的物质。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，在塑料包装、化工、医药、农业、生物能源等诸多领域具有广阔的应用前景。短中长链共聚PHA (SCL-co-MCL PHA)，尤其是两种单体组成的比例可控的共聚物，由于综合了短链PHA (SCL PHA) 和中长链PHA (MCL PHA) 的性能特点，具有在高附加值领域的应用潜力。但产量低、成本高是限制PHA大规模推广应用的关键因素。.针对这个问题，本项目系统解析了假单胞菌和嗜盐菌中PHA合成的分子机制，提出了通过调控β氧化和TCA循环基因提高PHA产量的策略。通过削弱β-氧化循环和敲除PHA合成酶基因phaC的假单胞菌P. entomophila LAC31上表达低特异性的PHA聚合酶基因phaC61-3，同时引入PHB合成途径相关基因phaA和phaB，并敲除脂肪酸从头合成途径关键基因phaG，使得短链单体合成与中长链单体合成两条途径并行，最终构建重组菌P. entomophila LAC32。基于这个SCL-co-MCL PHA的合成平台，通过调节添加碳源的种类和组合，我们首次合成了多种新型SCL-co-MCL PHA，其单体的碳链长度范围覆盖从3-羟基丁酸 (3HB, C4) 至3-羟基十八烷酸 (3HOD, C18)。其中，聚3-羟基丁酸-3-羟基十酸酯 [P(3HB-co-3HD)] 和聚3-羟基丁酸-3-羟基十二酸酯 [P(3HB-co-3HDD)] 这两种新型SCL-co-MCL PHAs被证实其MCL单体的比例几乎可以实现在0-100 mol%之间任意调节，表明重组P. entomophila LAC32可以作为单体比例可控的定制SCL-co-MCL PHA的生产平台。.本项目还解析了嗜盐菌Halomonas bluephagenesis TD01 phasin蛋白和细胞形态调控对PHA颗粒大小的调控机制，开发了低氧诱导启动子、自沉降、自溶解底盘细胞。本项目共发表SCI标注论文33篇，其中第一标注6篇，第二标注25篇，其他标注2篇；本项目申请专利8项，获得授权2项；获得科技奖励2项。