清华大学陈国强教授团队和华南理工大学叶健文副教授合作AM：短中长链聚羟基脂肪酸酯PHA共聚物的合成平台构建

近日，清华大学陈国强团队和华南理工大学叶健文使用合成生物学的方法，通过在嗜虫假单胞菌Pseudomonas entomophila中搭建3HB和3HA（C9-C18）合成基因模块，并进行代谢通量调控, 成功获得了SCL-co-MCL/LCL PHA共聚物的定制化合成平台（图1）。

图1. 新型短中长链共SCL-co-MCL/LCL PHA共聚物合成平台

左边模块为3HB 合成代谢路径，右边为部分删除了beta-氧化途径的中长链3HA合成基因模块。低特异性的PHA合成酶PhaC_61-3把3HB与3HA(C9-C18)聚合得到多种共聚物。

研究团队选取了天然能利用脂肪酸的嗜虫假单胞菌作为底盘细胞，构建和表征了一系列组成型和诱导型启动子，为后续代谢途径关键基因的表达调控提供了稳定、可控的标准化元件。具体的代谢途径改造包括：1）敲除部分β-氧化循环途径和阻断脂肪酸从头合成途径，实现从不同脂肪酸底物到对应MCL/LCL PHA单体的碳原子守恒的生物转化；2）引入外源的短链PHA单体3HB（3-羟基丁酸）的合成途径（phaA-phaB）；3）引入低特异性PHA聚合酶编码基因（phaC_61-3）；4）对不同来源的基因及其表达模块的代谢通量进行组合优化。最终，当以葡萄糖作为单一碳源时，PHA中3HB含量提高约55%（图2）。

图2. 基因表达模块的代谢通量调谐优化

选用不同的3HB合成基因phaA和phaB并进行不同组合, 在聚合酶PhaC作用下，在嗜虫假单胞菌里实现了不同含量的聚-3-羟基丁酸（PHB）的合成，PHB的合成影响了细胞生长（表现为Cell Dry Weight，简称CDW）。3HB组成在PHA比例越大，材料硬度越高，细胞干重CDW也越大。而C9-C18的3HA单体给PHA共聚物提供了强度和韧性。

利用优化后的嗜虫假单胞菌工程底盘，团队分别以葡萄糖与不同碳原子数的脂肪酸作为混合碳源，首次成功合成了一系列可以定制化的新型SCL-co-MCL/LCL PHA共聚物（其中SCL PHA单体为3HB，MCL/LCL单体为碳原子数9-18的3-羟基脂肪酸，即MCL/LCL 3HA）（图3），并完成热力学性能表征，而且产量相较以往研究提升显著，PHA共聚物含量超过60 wt%。经技术经济分析（TEA）测算，该平台可使得新型PHA共聚物的综合生产成本大幅度降低。该平台也被证实能实现含不饱和脂肪酸侧链的PHA共聚物的高效合成，为PHA的化学修饰改性，以及无限想象空间的修饰带来的结构多样性。

图3. 嗜虫假单胞菌工程菌合成SCL-co-MCL/LCL PHA共聚物的合成及气相色谱验证分析

以上成果发表在Advanced Materials上 (Adv. Mater. 2021, 2102766)，论文第一作者为清华大学博士生李梦怡，共同第一作者为清华大学博士生马悦原，通讯作者为清华大学陈国强教授，共同通讯作者为华南理工大学叶健文副教授。

论文链接：

https://doi.org/10.1002/adma.202102766

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