工程化嵌合聚羟基脂肪酸酯合酶增强P(3HB-co-3HHx)共聚：突破生物可降解塑料性能瓶颈的创新策略

本研究针对天然PHA合酶(PhaCs)底物特异性不足和聚合物异质性导致的工业化瓶颈，通过结构导向的嵌合酶设计策略，将红球菌PhaC2Ra（高3HHx含量）与红树林土壤宏基因组来源PhaCBP?M?CPF4（大颗粒）的N端结构域进行互换，成功构建出兼具高3HHx掺入率（45 mol%）和优化颗粒形态（单颗粒/细胞）的嵌合酶，PHA产量提升200%，为定制高性能生物材料提供了新范式。

　　

随着微塑料(MNPs)在人体器官中的检出率逐年攀升，其与痴呆症的关联性研究引发广泛关注。传统塑料替代品聚羟基脂肪酸酯(PHA)虽具生物降解性，但天然PHA合酶(PhaCs)存在两大致命缺陷：对中链单体3-羟基己酸酯(3HHx)的掺入效率低下，以及生成的聚合物颗粒形态难以满足工业化需求。这直接限制了P(3-羟基丁酸酯-co-3-羟基己酸酯)(P(3HB-co-3HHx))这类机械性能接近低密度聚乙烯(LDPE)的理想材料的规模化生产。

为破解这一难题，研究人员将目光投向两种特性互补的PhaCs：源自红树林土壤宏基因组的PhaC_BP?M?CPF4能产生分子量较高但3HHx含量低（18 mol%）的聚合物，而红球菌Rhodococcus aetherivorans I24的PhaC2_Ra虽能掺入高达68 mol%的3HHx，却形成过多小颗粒。通过AlphaFold2结构预测指导，团队创新性地采用"避β策略"——仅在α-螺旋区域进行N端结构域互换，避免破坏决定酶活性的β-折叠核心结构。

研究运用了四项关键技术：1）基于PSIPRED和AlphaFold2的二级/三级结构预测指导嵌合位点设计；2）使用pBBR1MCS2载体在Cupriavidus necator PHB^?4中实现异源表达；3）尼罗红荧光筛选结合GC-MS定量分析PHA产量及单体组成；4）透射电镜(TEM)定量统计颗粒数量与尺寸分布。

结构域兼容性研究发现，PhaC_BP?M?CPF4的C端结构域展现出惊人的包容性，能与异源N端形成稳定嵌合体。其中嵌合酶PhaC_BPRA1（含PhaC_BP?M?CPF4前27个氨基酸和PhaC2_Ra催化结构域）表现尤为亮眼：在共表达phaJ4b_Cn时，3HHx掺入率飙升至45 mol%，远超亲本酶水平。更令人振奋的是，另一嵌合体PhaC_RABP2成功实现"单颗粒化"突破——平均每个细胞仅含1.079个颗粒，颗粒面积增大7.2倍至1.272 μm²，这为下游分离纯化带来革命性便利。

通过13C NMR分析揭示，所有嵌合酶合成的共聚物均为无规排列（随机度D≈1），与既往报道的嵌合酶PhaC_AR形成鲜明对比。研究还发现N端结构域在颗粒形态调控中起主导作用：仅替换17个氨基酸的PhaC2_Ra 17-561突变体即导致颗粒数量锐减，证实该区域通过与phasin蛋白互作调控颗粒组装。

这项发表于《Bioresource Technology》的研究开辟了PHA定制化生产的新路径：首先，建立的"避β嵌合"原则将嵌合酶成功率提升至50%，远超既往研究；其次，首次证实C端结构域决定底物特异性上限，而N端结构域主导颗粒形态；最后，获得的系列嵌合酶实现了产量（+200%）、3HHx掺入率（45 mol%）和颗粒形态（单颗粒化）的三重突破。这些发现不仅为生物可降解塑料的工业化生产提供关键酶工具，其揭示的结构域兼容性规律更为合成生物学领域的模块化酶设计提供了普适性框架。

值得注意的是，研究仍存在若干待解之谜：如PhaC_RABP2为何能实现近乎完美的单颗粒表型？N端精确调控颗粒组装的分子机制何在？这些问题的解答有待全长PhaC结构解析技术的突破。随着碳中和社会建设的加速，这种能精准调控材料性能的"绿色分子工厂"，或将成为解决塑料污染危机的终极方案。