作者：吴榉、龚玄

  全球“白色污染”日益严重，传统塑料降解产生的“微塑料”可以通过食物链进入人体并对人类产生难以预计的危害。开发PHA可降解塑料是解决“白色污染”问题的重要途径之一。聚3-羟基丁酸乳酸酯[P(3HB-co-LA)]属于PHA家族的一员，具有优异的生物降解性和生物相容性，应用前景广泛。P(3HB-co-LA)中乳酸（LA）组分的差异对聚合物的性能有较大的影响，因此如何精细调控工程菌中聚合物的乳酸组分是研究的热点之一。近日，华东理工大学生物工程学院吴辉教授研究团队通过构建工程化的大肠杆菌并结合“代谢晶体管”策略，成功实现对P(3HB-co-LA)中LA组分的精细调控。相关成果在ACS Sustainable Chemistry & Engineering上以″Fine-tuning biosynthesis of biodegradable poly(3-hydroxybutyrate-co-lactate) with different ratios of D-lactate from xylose by engineered Escherichia coli.″（https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acssuschemeng.3c03930）为题进行了报道。

图一  大肠杆菌生产P(3HB-co-LA)的可持续生物制造路线

图二  “代谢晶体管”策略调控LA组分的原理示意图

  在有氧情况下，大肠杆菌胞内的部分NADH通过电子传递链转化为能量，极少部分NADH会流向LA的合成。在前期研究中，结合“代谢晶体管”策略，通过引入lePGT-1（紫草来源的对羟基苯甲酸香叶基转移酶，由lepgt基因编码），使lePGT-1直接竞争胞内电子传递链（ETC）的重要组成部分-Q8的合成底物，可以调控Q8的合成强度，进而梯度限制ETC的活性，改变胞内氧化还原环境，最终达到精细调节有氧阶段中大肠杆菌LA合成的目的（Biotechnol. Bioeng. 2015.112, 1720-1726；Metab. Eng. 2015.28, 159-168）。P(3HB-co-LA)的韧性和透明度取决于其LA组分。野生型大肠杆菌合成的P(3HB-co-LA)中LA组分较低，不能满足生产具有不同性能的聚酯材料的需求。因此，本研究通过控制 lepgt基因的表达水平来控制ETC的活性，精细调控工程菌的LA合成，从而实现对聚合物中LA组分的调控。进一步结合细胞色素氧化酶基因缺失策略，在木糖底物下，P(3HB-co-LA)中的 LA 组分可在 10.6-41.8 mol%范围内进行调节。最后，在5 L 生物反应器中的发酵放大验证了本研究策略的稳定性和有效性。这项研究显示出该大肠杆菌工程菌株从自然界丰富可再生的资源中生产高附加值生物基可降解塑料的巨大潜力。

 我校生物工程学院博士研究生吴榉和“拔尖人才培养计划”学生龚玄为文章的共同第一作者，吴辉教授为通讯作者。本研究得到了国家自然科学基金面上项目、国家重点研发计划、上海市“科技创新行动计划”和中科院合成生物学重点实验室开放课题等项目的资助。