利用Paraburkholderia xenovorans LB400的糖代谢多样性实现定制化P(3HB-co-3HV)共聚物生物合成

《Applied Microbiology and Biotechnology》：Versatile sugar and valerate metabolic pathways in Paraburkholderia xenovorans LB400 enable tailored poly(3-hydroxybutyrate-co-3-hydroxyvalerate) production

本研究针对生物塑料单体组成定制化难题，通过解析Paraburkholderia xenovorans LB400菌株利用d-葡萄糖、d-甘露醇、d-葡萄糖酸盐和d-木糖等不同糖源合成聚羟基脂肪酸酯(PHA)的代谢特性，发现添加戊酸盐可调控3-羟基丁酸酯(3HB)与3-羟基戊酸酯(3HV)单体比例(28-43 mol%)，基因组分析揭示PhaJ样水合酶和FadJ表构酶等关键酶在单体定制中的潜力，为开发高性能定制化生物塑料提供新策略。

　　

随着全球塑料污染问题日益严峻，开发可降解的生物基塑料成为解决环境危机的重要途径。聚羟基脂肪酸酯(Polyhydroxyalkanoates, PHA)作为微生物合成的天然聚酯，具有生物可降解性和生物相容性等优势，被誉为最具潜力的石油基塑料替代品之一。其中，聚3-羟基丁酸酯(Poly(3-hydroxybutyrate), P(3HB))是最早被发现的PHA材料，但其高结晶度、脆性大等缺点限制了应用范围。通过引入3-羟基戊酸酯(3-hydroxyvalerate, 3HV)单体形成的P(3HB-co-3HV)共聚物，可显著改善材料柔韧性和加工性能。然而，如何实现单体组成的精准调控，以及如何利用低成本可再生碳源降低生产成本，仍是当前PHA生物制造领域面临的关键挑战。

发表在《Applied Microbiology and Biotechnology》的这项研究，以具有卓越代谢多样性的模式菌株Paraburkholderia xenovorans LB400为研究对象，系统探讨了该菌株利用不同糖源合成PHA的能力。研究人员通过基因组导向的代谢途径分析，结合生物反应器放大实验，为定制化PHA生产提供了新的解决方案。

关键技术方法包括：通过气相色谱-质谱联用(GC-MS)和核磁共振(¹H-NMR, ¹³C-NMR)对PHA单体组成进行定性与定量分析；运用透射电子显微镜观察细胞内PHA颗粒形态；在2.5升生物反应器中评估高密度培养特性；基于基因组数据重构糖代谢与PHA合成途径。

P. xenovorans LB400从不同糖源合成P(3HB)

研究首次系统比较了LB400菌株以d-葡萄糖、d-甘露醇、d-葡萄糖酸盐和d-木糖为唯一碳源时的PHA合成能力。在氮源限制条件下，透射电子显微镜显示细胞内形成了3-7个PHA颗粒。其中d-甘露醇培养的细胞P(3HB)积累量最高，达到细胞干重(Dry Cell Weight, DCW)的43±3.13%，而d-葡萄糖酸盐虽能获得最高生物量(1.39±0.03 g L^-1)，但P(3HB)含量最低(21.11±6.37%)。傅里叶变换红外光谱(FTIR)和核磁共振分析确认合成产物为纯P(3HB)均聚物。

P. xenovorans LB400从不同糖源加戊酸盐合成P(3HB-co-3HV)

在糖培养24小时后添加戊酸盐，LB400能成功合成P(3HB-co-3HV)共聚物。气相色谱分析显示3HB和3HV丙酯的保留时间分别为8.48和10.33分钟，质谱特征片段证实了两种单体的存在。值得注意的是，糖的种类显著影响共聚物单体组成：d-木糖与戊酸盐组合获得最高3HV掺入量(42.70±0.1 mol%)，而d-葡萄糖组合最低(28.13±0.53 mol%)。所有添加戊酸盐的实验组均观察到生物量和PHA产量的显著提升，其中d-甘露醇与戊酸盐组合获得最高生物量(2.29 g L^-1)。

LB400菌株PHA合成的代谢途径解析

基因组分析揭示了LB400菌株代谢途径的独特性：缺乏完整的EMP糖酵解途径，依赖Entner-Doudoroff(ED)途径和磷酸戊糖途径(PP)进行糖代谢。研究发现NADPH生成量与P(3HB)积累正相关，d-葡萄糖和d-甘露醇代谢产生更多NADPH，与较高P(3HB)产量相符。特别值得注意的是，LB400编码两个具有磷酸乙酰/丁酰转移酶结构域(PTA-PTB)的PhaJ样水合酶，以及可能具有(S)-3-羟基酰基辅酶A表构酶活性的FadJ/B酶，这些酶为从脂肪酸β-氧化中间体合成PHA单体提供了多条途径。

P. xenovorans LB400作为生物催化剂的规模化发酵评估

在2.5升生物反应器中，LB400菌株展示出良好的规模化培养潜力。虽然存在10小时的延迟期，但最终达到4.2 g L^-1的生物量，P(3HB)浓度为1.92 g L^-1，生产率达到0.04 g L^-1 h^-1。反应器培养过程中溶解氧饱和度在指数生长期降至15-20%，表明菌株对低氧环境具有一定耐受性。

本研究充分证明了Paraburkholderia xenovorans LB400作为细胞工厂生产定制化PHA的巨大潜力。该菌株能够利用海藻(富含d-甘露醇)和木质纤维素(富含d-木糖)等可再生资源中的糖分，通过调整碳源组合实现对共聚物单体组成的精准调控。基因组分析揭示的代谢酶多样性为后续代谢工程改造提供了重要靶点。特别值得关注的是，LB400菌株本身对多种环境胁迫的抗性机制，为其在工业化规模培养中应对剪切力、氧化应激等挑战提供了内在优势。这项研究不仅为低成本生产定制化生物塑料开辟了新途径，也为下一代工业生物技术(NGIB)的发展提供了重要参考，有望推动生物基材料在医疗、包装等高附加值领域的应用。