工程化Halomonas bluephagenesis利用葡萄糖生产可调乳酸比例的3-羟基丁酸酯共聚物及其表征

本研究针对传统聚乳酸(PLA)材料脆性大、降解条件苛刻及PHAs结构单一等问题，通过基因组整合突变型PHA合酶PhaC1Ps(E130D/S325T/S477G/Q481K)和丙酰辅酶A转移酶Pct540，构建了工程化Halomonas bluephagenesis CJN29菌株，在7-L发酵罐中实现93.8 g L?1细胞干重和57.3 wt% P(3HB-co-31.6 mol% LA)产量，乳酸比例可调范围0-60 mol%，为可降解材料工业应用提供新策略。

　　

白色污染已成为全球环境危机的焦点，传统石油基塑料的不可降解性迫使科学家寻找可持续替代方案。聚羟基脂肪酸酯(PHAs)作为微生物合成的天然聚酯，虽具备完全生物降解性，但现有工业化生产的P3HB、PHBV等品种存在机械性能单一、加工窗口窄等问题。与此同时，化学合成的聚乳酸(PLA)虽具有优良加工性能，却面临催化剂残留、家庭堆肥难降解等瓶颈。如何通过生物合成技术获得兼具优异力学性能和可控降解特性的新材料，成为绿色制造领域的重要挑战。

清华大学研究团队在《Bioresource Technology》发表的研究中，创新性地利用极端嗜盐菌Halomonas bluephagenesis为底盘细胞，通过多维度工程改造实现了高性能P(3HB-co-LA)共聚物的高效合成。该工作通过CRISPR/Cas9基因编辑系统敲除竞争途径基因(ppc/pta/dld)，整合四拷贝突变型PHA合酶PhaC1_Ps¹⁴³⁷和优化版Pct₅₄₀*，结合形态工程扩大细胞体积，最终在7升发酵罐中创下53.7 g L^?1的共聚物产量纪录，乳酸摩尔分数可在0-60%范围内精确调控。

关键技术方法
研究采用基因组整合技术构建多拷贝PhaC1_Ps¹⁴³⁷-Pct₅₄₀*表达模块；通过CRISPR/Cas9系统敲除磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶(ppc)、磷酸乙酰转移酶(pta)和乳酸脱氢酶(dld)基因；利用形态工程删除细胞骨架蛋白编码基因mreB增大细胞体积；采用响应面法优化发酵培养基成分；在7-L发酵罐中进行高密度培养工艺开发。

研究结果

设计构建葡萄糖基P(3HB-co-LA)合成途径
比较野生型H. bluephagenesis TD1.0与TD1.0△phaC菌株携带pSEVA321-P_porinRE-phaC₁₄₃₇-pct₅₄₀质粒的表现，证实外源途径对LA单体合成的必要性。通过代谢流分析发现，增强糖酵解通量可显著提升LA-CoA供应，为共聚物合成奠定基础。

菌株性能优化与发酵放大
工程菌CJN29在摇瓶培养中达到54.8 wt% P(3HB-co-35.9 mol% LA)含量，经培养基优化后CDW提升至10.8 g L^?1。7-L发酵罐中采用葡萄糖单碳源策略，最终获得93.8 g L^?1 CDW和57.3 wt%聚合物含量，单位体积产量较文献报道提高3.2倍。

材料性能表征
差示扫描量热仪(DSC)分析显示，随着LA含量增加，共聚物熔点从175°C(0 mol% LA)降至142°C(36.2 mol% LA)，玻璃化转变温度从4°C降至-8°C，证明LA单元有效改善了材料柔韧性。核磁共振(¹³C-NMR)证实了单体随机分布的共聚结构。

结论与意义
该研究建立了首个基于H. bluephagenesis的P(3HB-co-LA)工业化生产平台，其突破性体现在三方面：1)通过基因组整合实现稳定遗传，免除抗生素使用；2)非无菌培养特性大幅降低生产成本；3)可调LA比例赋予材料定制化性能。这种"一菌多能"策略为生物可降解材料家族增添了新成员，其环境友好特性与石油基塑料替代潜力，将助推"双碳"目标下的绿色制造转型。特别值得注意的是，低分子量P(3HB-co-LA)在基因载体等生物医学领域的应用前景，为材料功能拓展提供了新思路。