利用工业废料乙二醇生物合成不同乙醇酸摩尔分数的聚(乙醇酸-ran-3-羟基丁酸酯)及其性能研究

为解决石油基塑料的环境污染问题，研究人员通过构建重组E. coli代谢通路，首次实现以工业废料乙二醇(EG)为原料合成高乙醇酸(GL)摩尔分数(最高49.5 mol%)的随机共聚物P(GL-ran-3HB)。该研究突破了传统生物合成GL上限(17 mol%)，揭示了共聚物结晶度随GL含量升高而降低的规律，为开发可调控降解性能的生物医用材料提供了新策略。

　　

随着全球每年数百万吨石油基塑料的消耗，资源枯竭和白色污染问题日益严峻。聚羟基脂肪酸酯(PHA)作为微生物合成的天然聚酯，因其在土壤和海洋环境中的完全降解能力被视为理想替代品。然而最常见的聚(3-羟基丁酸酯)[P(3HB)]存在高结晶性导致的脆性问题，传统通过引入3HV、4HB等天然单体改进性能的方法已遭遇瓶颈。近年来，将乙醇酸(GL)这类非天然单体引入PHA链的创新思路，因其能显著提升材料柔韧性和透明性而备受关注，但此前生物合成GL摩尔分数最高仅达17%，严重限制了材料性能调控空间。

日本研究人员在《Polymer Degradation and Stability》发表的研究中，开创性地利用工业废料乙二醇(EG)作为原料，通过三步关键技术创新：首先在重组E. coli中构建包含工程化PHA合酶(PhaC1_Ps(ST/QK))的六酶系统；其次将GL合成与聚合过程分离优化；最后通过调节EG初始浓度实现GL摩尔分数精准调控。研究采用差示扫描量热法(DSC)、凝胶渗透色谱(GPC)和广角X射线衍射(WAXD)等表征手段，系统分析了材料性能变化规律。

GL和P(GL-co-3HB)的一步法合成
初始尝试在含木糖和EG的LB培养基中同步进行GL合成与聚合，发现GL摩尔分数最高仅0.24 mol%。质谱分析表明EG转化效率低下是主要限制因素。

分步培养策略突破
通过分离GL合成阶段(采用BL21(DE3)高效转化EG)与聚合阶段(使用JW1375(ΔldhA)避免副反应)，成功将GL摩尔分数提升至4.5-49.5 mol%范围。核磁共振(¹³C NMR)证实共聚物为随机序列结构。

材料性能规律解析
DSC显示GL单元引入使熔点(T_m)从176°C(纯P(3HB))降至最低129°C，玻璃化转变温度(T_g)从1.5°C升至最高14.3°C。WAXD证实当GL摩尔分数>46%时材料几乎无定形，解释其透明度提升现象。GPC测得分子量随GL含量增加从6.7×10⁵降至1.1×10⁵，但所有样品多分散指数(PDI)保持1.6-2.1的较窄分布。

这项研究首次实现从废弃EG到高性能P(GL-ran-3HB)的全程生物转化，突破性地将GL摩尔分数提升至近50%。特别值得注意的是，当GL含量超过17%这一临界值时，材料结晶度急剧下降，这为开发可注射型医用材料提供了理论依据。虽然GL单元引入导致分子量降低的问题仍需解决，但该工作为"塑料-单体-再生塑料"的循环经济模式提供了典范，其建立的EG梯度浓度调控策略，可推广至其他废弃物衍生单体的精准共聚系统。研究团队特别强调，采用Keio collection提供的基因敲除菌株JW1375(ΔldhA)有效避免了乳酸副产物积累，这一经验对复杂代谢网络的优化具有普适指导价值。