聚羟基脂肪酸酯合成与应用□陈国强 聚羟基脂肪酸酯（PHA）是由很多细菌合成的细胞内聚酯，在生
聚羟基脂肪酸酯（PHA）是由很多细菌合成的细胞内聚酯，在生物体内主要是作为细胞内碳源和能源的贮藏性物质而存在。迄今为止，已发现约80种不同的脂肪酸作为PHA的单体存在于约300种细菌中。目前认为，PHA在细菌中的积累是自然界普遍存在的现象，已发现90多个属的细菌被可以合成150种以上不同结构的PHA。 PHA的应用是材料科学与生物科学相结合的一个新领域。PHA具
PHA的应用是材料科学与生物科学相结合的一个新领域。PHA具有生物可降解性、生物相容性、压电性等许多优良性能，可应用于生物降解材料、组织工程材料、缓释材料以及电学材料等众多领域，引起了科研领域和工业界的广泛兴趣。 一、应用
一、应用 1.生物可降解塑料
1.生物可降解塑料 PHA具有良好的使用与加工性能，可进行拉丝、模压、热注塑加
PHA具有良好的使用与加工性能，可进行拉丝、模压、热注塑加工成型，并具有可完全生物降解的特性，可完全降解为水和CO2。PHA首先是作为一种由微生物合成的性能类似于聚丙烯的可降解“塑料”而引起人们关注的，所以它的应用范围包括与塑料有关的领域，如可抛弃型的塑料用具、包装膜、手袋、容器等。 2.组织工程材料
2.组织工程材料 原则上，PHA的各种物理化学和生物性能能够满足多种人体组织
原则上，PHA的各种物理化学和生物性能能够满足多种人体组织器官的需求，如心血管系统、角膜胰腺、胃肠系统、肾脏、泌尿生殖系统、肌肉骨骼、神经系统、口腔、皮肤等。聚羟基丁酸（PHB）是最早被应用于骨折固定材料的PHA单体，但由于单纯PHB具有易碎、热稳定性不高、降解时间长、可塑性和机械性能较差等缺点，限制了它的广泛应用。将3-羟基戊酸(3-HV)引入PHB主链，形成的PHBV共聚物虽然结晶度和硬度下降，但强度和韧性增强，且PHBV的熔点随着3-HV单体浓度的增加而下降，而其分解温度却没有同步下降。 清华大学的研究人员发现，3-羟基丁酸（3-HB）和3-羟基己酸
清华大学的研究人员发现，3-羟基丁酸（3-HB）和3-羟基己酸共聚物（PHBHHx）具有优于PHB和传统聚乳酸的细胞相容性。另外，在膜的改性研究中还发现，脂肪酶是一种比较理想的表面改性和提高细胞相容性的试剂，用酶处理后的PHB和PHBHHx在生物相容性方面都有显著提高。目前已经进行商品化生产的PHA产品如PHB、PHBV和PHBHHx已被证明具有生物相容性。 3.手性化合物
3.手性化合物 由于单一手性的药物具有安全性高和使用剂量小等优点，人们对
由于单一手性的药物具有安全性高和使用剂量小等优点，人们对手性单体的研究越来越关注。PHA作为微生物合成的胞内生物聚合物，其组成单体都具有手性。3-HB是最常见的PHA单体，在第3个碳原子上有一个手性中心，存在两种光学异构体(R)-(-)- 和(S)-(+)-构型。常规合成3-HB的方法是化学合成，其缺点是很难将两种不同的手性构型分离开来。近几年来，研究出了聚合物PHB在体内由降解酶直接降解或者体外酸解为3-HB的方法。科研人员利用化学或者酶的方法将微生物合成的PHB降解为单体，由于PHB的光学均一性，降解得到的单体都具有光学活性，为羟基脂肪酸（HA）的获取开辟了很好的途径。清华大学已采用微生物工程方法直接、连续地合成出手性HA单体，如将R.eutropha的phbAB基因导入大肠杆菌（E.coli）中，获得HB；利用P.putida的PhaG基因，将脂肪酸从头合成途径直接与PHA生物合成相耦联，再利用重组E.coli合成出（R）-3-HB和（R）-3-HD。 由这些手性单体合成具有生物活性的复杂衍生物，可应用于制
由这些手性单体合成具有生物活性的复杂衍生物，可应用于制药、化妆品等行业，如合成抗生素、维生素和信息素等化合物。 4.其他
4.其他 PHA作为一种自然界存在的高分子材料，在很多领域都有着潜在
PHA作为一种自然界存在的高分子材料，在很多领域都有着潜在的应用价值。由于在许多高等生物体内都发现了PHB，因而可以利用它的生物相容性作为医药材料（如包裹药物），进行药物的定量、定向释放等；另外，由于mclPHA合成菌可以把官能团掺入到PHA分子中，所以可利用这些PHA合成菌通过设计培养基的底物来进行分子设计，以合成一些无法用人工方法合成的具有生物活性的高分子材料，预计可在非线性光学材料领域得以应用。由于PHB还具有压电性，也有可能在光电子材料领域得以应用。 二、生产
二、生产 1.利用野生型菌株
1.利用野生型菌株 很多野生菌在被发现能够合成PHA后，即被用来进行大规模生
很多野生菌在被发现能够合成PHA后，即被用来进行大规模生产。清华大学实验室在长期的菌种筛选及发酵研究中，发现了许多优良的PHA生产菌，其中如Pseudomonas stutzeri1317甚至可以合成一些不常见的PHA。他们还首次开发成功了利用Aeromonas hydrophila生产PHBHHx的工业化技术。 不过，作为生产用PHA菌种应该具备可以利用便宜的碳源、生长
不过，作为生产用PHA菌种应该具备可以利用便宜的碳源、生长迅速及易于操作提取PHA等特点。因此，许多野生菌种很难适用于工业化生产。为了达到商业化的目标，人们利用改良菌种、优化发酵和提取工艺等一系列手段来降低PHA的生产成本。 2.利用改造的生物工程菌株
2.利用改造的生物工程菌株 ①与PHA代谢相关的酶
①与PHA代谢相关的酶 PHA在生物体内的合成、保持和降解是在许多酶蛋白的作用下，
PHA在生物体内的合成、保持和降解是在许多酶蛋白的作用下，由多条代谢途径参与的复杂过程。与PHA代谢相关的酶大致包括与PHA生物合成有关的酶、与PHA颗粒结合的辅助结构蛋白、PHA降解酶以及一些与PHA合成相耦联的途径中的酶。在这些蛋白中，PHA合成酶是PHA合成的关键酶，它决定着PHA的类型。第一个被克隆的PHA合成酶来自R. eutropha。到目前为止，至少40个不同的PHA合成酶基因被从约40种不同的菌种中用不同的技术克隆出来。 清华大学实验室建立了一种新的简单的PCR克隆技术，从一些筛
清华大学实验室建立了一种新的简单的PCR克隆技术，从一些筛选出来的假单胞菌中克隆出许多新的二型PHA合成酶基因。此方案利用了PHA合成基因区域的保守区域，可以被用于大多数假单胞菌。值得注意的是，PHA合成酶与GenBank中其他的蛋白质家族没有明显的同源性，不过根据它们的一级结构和底物特异性，PHA合成酶组成了一类高度同源的蛋白酶。 ②利用重组（E. col）生产PHA
②利用重组（E. col）生产PHA 自从R.eutropha的phbCAB操纵子在重组E.coli中成功地表达
自从R.eutropha的phbCAB操纵子在重组E.coli中成功地表达合成PHB以来，PHBV、PHBHHx、mclPHA等都已经在野生或突变E.coli菌种中通过异源表达技术得以合成。 E.coli作为一种模式生物系统，不但可以研究PHA合成的不同
E.coli作为一种模式生物系统，不但可以研究PHA合成的不同基因和代谢途径，还可以提供一种合适的生理环境，以此利用不同的代谢途径从便宜的碳源中生产不同组成的PHA。利用E. coli生产PHA的另一个好处是由于它本身不能合成PHA，所以没有胞内PHA降解酶，这样就有可能生产出高分子量PHA。 另外，在PHA合成途径的研究中还发现，PHA合成的单体提供途
另外，在PHA合成途径的研究中还发现，PHA合成的单体提供途径是多样化的，因而，对PHA合成进行代谢工程的研究也有更多的选择。 3.用代谢工程方法
3.用代谢工程方法 从简单而便宜的碳源中生产出具有更多不同单体组成的PHA，对
从简单而便宜的碳源中生产出具有更多不同单体组成的PHA，对PHA的广泛应用非常重要，从这种意义上讲，CO2是最理想的碳源。有的研究把酵母、蓝藻、植物和昆虫细胞作为PHA潜在的生产者获得了成功。出于经济考虑，植物和蓝藻是最有可能的候选者。在不久的将来，PHA就可能不是被生产出来，而是从转基因植物中获取了。 三、发展方向
三、发展方向 随着人们对PHA合成生化过程了解的不断深入，越来越多的PHA
随着人们对PHA合成生化过程了解的不断深入，越来越多的PHA合成酶基因被从各种不同的菌种中克隆出来，使得通过代谢工程策略调控PHA的生产成为可能。通过代谢工程策略，可以对PHA的生产菌株及非生产菌株在以下几个方面进行调控：加强PHA的合成能力；扩大可利用的底物的范围；生产新型的PHA。要想达到上述目的，必须对代谢途径进行深入地分析和合理地设计。将来，PHA生产菌的代谢途径将可以应用数学模型进行数量描述及物流分析。这种基于模型的方法可以帮助我们建立和选择PHA生产的最佳代谢途径的策略，PHA生产菌株细胞工程的发展将大大加快下游PHA纯化的效率。在不久的将来，人们将可以按照自己的意愿大量生产满足各种需要的、具有环境相容性的PHA。