工程化Halomonas sp. YLGW01通过优化木糖代谢增强生物质合成聚羟基丁酸酯的研究

本研究针对木质纤维素生物质中木糖利用率低的瓶颈问题，通过向PHB高产菌株Halomonas sp. YLGW01引入木糖异构酶(xylA)和木酮糖激酶(xylB)基因，成功构建高效木糖代谢通路。优化培养条件后，工程菌株在混合糖培养基中PHB产量达3.11 g/L（含量61.7%），为生物可降解塑料的廉价生产提供了新策略。

　　

随着全球塑料污染问题日益严峻，寻找石油基塑料的可持续替代品成为当务之急。聚羟基丁酸酯(Polyhydroxybutyrate, PHB)作为一种由微生物合成的生物可降解聚合物，具有与聚丙烯(Polypropylene, PP)相似的物理特性，却能在自然环境中被微生物完全降解。然而，当前PHB生产成本高达每磅2.25-2.75美元，严重制约其商业化应用。木质纤维素作为地球上最丰富的可再生资源，其水解产物主要包含葡萄糖和木糖，是理想的低成本碳源。但多数PHB生产菌株存在"碳源偏好效应"，难以同时利用混合糖，特别是对木糖的利用率普遍较低。

韩国国立研究团队以从韩国海域分离的Halomonas sp. YLGW01为研究对象，该菌株虽能利用多种碳源（如果糖、蔗糖、葡萄糖）高产PHB（含量最高达94%），却无法有效代谢木糖。研究人员通过引入木糖代谢关键酶基因——木糖异构酶(xylA)和木酮糖激酶(xylB)，成功改造菌株代谢通路。优化培养基组分（包括木糖浓度、氮源和酵母提取物配比）后，工程菌株在纯木糖培养基中PHB产量提升至0.73 g/L。更值得注意的是，使用实际木质纤维素水解液（含木糖和葡萄糖）时，PHB产量跃升至3.11 g/L，含量达61.7%，显著提高了生物质资源利用率。该成果发表于《Biochemical Engineering Journal》，为生物基塑料的工业化生产提供了创新解决方案。

关键技术方法包括：1）从Halomonas sp. YLGW01野生型菌株出发，通过质粒构建引入xylA和xylB基因；2）采用响应面法优化培养基成分；3）利用气相色谱(GC)定量分析PHB产量；4）评估工程菌株在不同碳源（纯木糖、混合糖及实际木质纤维素水解液）中的生长曲线和产物积累特性。

Metabolic engineering for polyhydroxybutyrate production from xylose
研究证实，引入xylAB基因簇使工程菌株的木糖消耗速率提升2.3倍。通过¹³C标记实验显示，木糖碳源被有效整合入PHB分子骨架，证明代谢通路改造成功。

Conclusions
该研究首次实现Halomonas sp. YLGW01的木糖代谢工程改造，突破性地将木质纤维素水解液转化为高附加值生物塑料。相较于传统葡萄糖培养基，使用廉价生物质原料可使生产成本降低38%，同时避免与人争粮。工程菌株在10 L发酵罐中展现出良好的规模化生产潜力，DCW（菌体干重）达到15.6 g/L。

讨论
该成果的创新性体现在三方面：1）拓展嗜盐菌的底物谱至C5糖，增强工业适用性；2）建立"生物质-PHB"一体化生产模式，符合循环经济理念；3）为其他高值化合物（如PHA、exopolysaccharides）的生物合成提供通用改造策略。未来通过强化辅因子再生系统和优化发酵工艺，有望进一步将PHB产量提升至商业化门槛（>50 g/L）。这项研究为缓解白色污染和实现"双碳"目标提供了重要的技术支撑。