近年来，科学家们致力于开发将木质素转化为PHA的微生物转化技术，并显示出了广阔的应用前景。特别是利用恶臭假单胞菌的特殊代谢途径，木质素衍生的芳香化合物，如对香豆酸（p-CA）和阿魏酸（FA），能够被有效转化为PHA的关键构建单元。然而，这一转化过程并非易事，其效率受到多种因素的制约，包括分馏技术、菌株种类的选择以及底物的性质等。
当结合补料分批发酵技术时，这株工程化菌株所生成的PHA含量大幅提升，最高值达到2.46g/L，与传统的分批模式相比，这一数值增长了惊人的143.6%。同时，其PHA单体比例的调整也取得了显著成果，最高单体比例达到了91.4%，显示了极高的纯度。
在这项深入研究中，天津大学的研究团队首先探讨了木质素衍生的芳香族化合物以及不同碳源（葡萄糖、醋酸、甘油和脂肪酸）混合喂养对假单胞菌KT2440产生PHA的效能。他们发现，这些碳源的组合不仅影响PHA的总体产量，还能调控其单体成分的比例。特别地，脂肪酸在提升PHA产量方面展现出了显著效果，并且随着碳链长度的增长，其促进作用也相应增强。
进一步的研究发现，随着发酵时间的延长，恶臭假单胞菌KT2440中的PHA含量呈现下降趋势。通过深入分析，研究团队发现PhaZ基因（编码PHA解聚酶）在PHA降解过程中扮演了关键角色。为了验证这一发现，他们删除了KT2440的PhaZ基因，得到了新的菌株KTYY01。在仅使用p-CA作为碳源的情况下，KTYY01的PHA含量和浓度分别增加了37.5%和35.7%。在与辛酸共同喂养时，KTYY01的PHA产量相比KT2440有了63.6-84.2%的提升。与FA共同喂养时也观察到了类似的提升效果，特别是当与辛酸共同喂养时，PHA的含量和浓度分别比KT2440增加了23.2%和43.5%。此外，PhaZ基因的缺失并未改变PHA的单体组成，并且还有助于在碳源有限条件下的长期培养。
此外，研究团队采取了遗传工程手段以提高 PHA 的合成效率和调节其单体组成。PhaG、PhaJ4和PhaC这三个基因分别在（R）-3-羟酰基-ACP转化为（S）-3-羟酰基脂肪酸、反式 Δ2-烯酰辅酶A转化为底物（R）-羟酰辅酶 A 以及将（R）-羟酰辅酶A聚合成PHA聚合物的过程中起关键作用，通过过表达这三个基因，他们成功引导了更多的碳通量进入PHA的生物合成。在此基础上，通过敲除无关基因 aldB来过表达PhaC基因构建了假单胞菌KTYY04菌株，该菌株在p-CA和辛酸共同喂养下，除了PHA含量和浓度显著增加外，还将PHA中3HO的含量从50%提高到 76%，实现了对PHA单体组分的实质性控制，而FA与辛酸的共同喂养条件下，3HO的成分比例更是高达80%。
在后续研究中，科研人员认识到PHA的合成与脂肪酸β氧化途径中的中间体紧密相关。基于这一发现，他们通过敲除FadBA基因成功构建了KTYY06菌株。这一改造中断了脂肪酸的β氧化过程，并导致了3-羟酰辅酶A前体的积累。他们利用这一特点，结合奇链脂肪酸和偶数链脂肪酸作为前体，来调节PHA的单体组成。研究结果显示，虽然KTYY06菌株在消耗短链脂肪酸的能力上有所降低，但通过与庚酸或辛酸等中链脂肪酸共同喂养p-CA或FA，该菌株展现了出色的细胞生长能力，并显著促进了PHA的积累与单体组成的优化。
鉴于芳香族底物浓度增加时可能对PHA生产产生限制，研究团队进一步设计了不同的发酵策略，旨在优化在芳烃和有限脂肪酸共同喂养下的细胞生长和PHA积累。
虽然这些模式在一定程度上提高了PHA的均匀性，但在促进PHA积累方面并未超越F-BM1和F-BM2模式。经过分析，研究团队认为高氮浓度可能并不利于PHA的积累，同时，芳香族底物浓度的提升对细胞生长产生了负面影响。
研究团队最后深入探究了恶臭假单胞菌KTYY06菌株在真实木质素流和碱性预处理液（APL）环境中生产PHA的潜力和效果。实验数据表明，KTYY06菌株具备在含木质素水解物的复杂培养基中生存和生长的能力。然而，在仅依赖木质素衍生物为碳源时，PHA的积累效率并不理想。
综上所述，通过基因编辑、前体选择和发酵条件优化等多维度的策略，本研究为高效生产高均质性的PHA开辟了新的途径。这种创新的生产策略具有重要的实际应用价值，为未来高级应用领域提供了具有特定性能的定制化PHA材料。
来源：天津大学
原文始发于微信公众号（艾邦高分子）：2.46g/L！天津大学团队，实现木质素高效转化高均质性PHA
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