摘要：聚-3-羟基丁酸（PHB）是一种性能优良、可自然降解的生物塑料，广泛应用于包装材料、农业薄膜和医疗器械等领域。相较于传统石化塑料，PHB 具备良好的环保性和可持续性，是未来绿色材料的重要发展方向。然而，目前 PHB 的工业生产仍以葡萄糖等粮食原料为主，存在生产
聚-3-羟基丁酸（PHB）是一种性能优良、可自然降解的生物塑料，广泛应用于包装材料、农业薄膜和医疗器械等领域。相较于传统石化塑料，PHB 具备良好的环保性和可持续性，是未来绿色材料的重要发展方向。然而，目前 PHB 的工业生产仍以葡萄糖等粮食原料为主，存在生产成本较高、碳效率低等问题。
为解决这一难题，近日，北京化工大学李正军团队在 ACS Sustainable Chemistry & Engineering 期刊上发表了一篇题为“Engineering Halomonas bluephagenesis for Efficient Production of Poly-3-hydroxybutyrate Bioplastics Using CO₂-Derived Ethanol”的研究，研究人员通过代谢工程改造嗜盐菌株 Halomonas bluephagenesis，构建了一条基于 CO₂-乙醇-PHB 的合成路径，实现了高效、低碳、非无菌条件下的 PHB 绿色制造，产量达 64.89 g/L。
图|研究人员构建 CO₂-乙醇-PHB 生物合成路径
Halomonas bluephagenesis 是一种在盐碱环境中生长迅速的嗜盐菌，经过改造，其可以合成多种产品，例如 PHA、氨基酸、四氢嘧啶等。目前，葡萄糖是培养 H. bluephagenesis 的主要碳源，同时也开发了工程化的 H. bluephagenesis 菌株以利用替代底物，包括木糖、淀粉和乙酸盐等。
研究人员首先利用产气荚膜梭菌（Clostridium ragsdalei）将 CO₂ 与 H₂ 发酵转化为乙醇，并通过 PDMS/PVDF 复合膜浓缩低浓度乙醇液，获得稳定碳源输入。随后，他们以耐盐嗜碱菌 H. bluephagenesis 为工程底盘，构建乙醇代谢模块，实现从乙醇到 PHB 的高效转化。
研究团队发现，野生型 H. bluephagenesis 虽然具有天然乙醇代谢能力，但转化效率低下且伴随有乙酸盐的积累，扰乱正常代谢过程。
通过转录组分析，团队鉴定出乙醇代谢关键基因——醛脱氢酶 AldD 和醇脱氢酶 ADH1，发现该菌株倾向于通过耗能的“乙醇-乙醛-乙酸-乙酰辅酶 A”途径代谢乙醇，而非更高效的直接“乙醛-乙酰辅酶 A”途径。
因此，为了优化代谢流，研究人员采用 CRISPR/Cas9 基因编辑技术敲除 glcD 基因（编码乙醛酸氧化酶）后，得到的菌株表现出显著提高的乙醇利用能力，在 36 小时内消耗掉所有乙醇，而没有乙酸积累，摇瓶培养 48h 后，PHB 产量提升至 3.47 g/L。
图｜利用代谢工程优化乙醇代谢通路
除乙醇代谢通路优化外，研究人员还对宿主菌的能量代谢进行了系统调控。他们发现，乙醇代谢易引发 H₂O₂ 等活性氧积累，损伤蛋白功能，限制菌体生长。而 glcD 基因的敲除，有效降低了 H₂O₂ 水平，提高了菌体活性及 NADH 供给，从而提升了 PHB 合成能力。此外，为防止碳流进入副产通路，研究人员还敲除了影响乙酰辅酶 A 流向的 gcl 和 oxctAB 等关键基因，进一步提高了 PHB 碳收率。
图｜非无菌条件下实现 CO₂ 来源乙醇高效转化为 PHB
最终经过一系列改造后，的 5 L 非无菌生物反应器验证中，研究人员采用持续补料发酵策略，将乙醇浓度稳定维持在 5 g/L 以下，保障细胞稳定生长。通过补充氮源延长菌体对数生长期，最终 PHB 产量达到 64.89 g/L，创下目前报道中的最高记录。
总之，该研究通过对 CO₂-乙醇-PHB 三段式路径的系统设计与精准调控，不仅进一步推动了 PHB 产业化生产，还构建了一条真正意义上绿色、闭环、高效的生物塑料合成路线。相信未来这种将温室气体转化为高值材料的"负碳"工艺将为合成生物学在碳中和领域的应用提供新思路。
值得注意的是，该团队此前成功以价格低廉且来源广泛的木薯粉水解液作为碳源，实现了高效生产 PHB。以发光杆菌 Photobacterium sp.TLY01 作为底盘细胞，在生物反应器中进行发酵实验时，分批发酵在初始葡萄糖浓度为 80 g/L 的条件下，产生了 25.96 g/L 的 PHB。而补料分批发酵后则进一步提升了 PHB 产量，当初始葡萄糖浓度调整为 40 g/L 时，最终 PHB 产量达到了 64.71 g/L。
参考文献：
1.https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acssuschemeng.5c01426
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来源：生辉SciPhi