由微生物产生的非天然生物医学聚合物

可再生的非食品生物质可能潜在地取代石化原料，以生产能源，有用的化学品或大量基于石油的最终产品，如塑料，润滑剂，油漆，肥料和维生素胶囊。近年来，将非食用生物质转化为燃料，热能，动力，化学品和材料的生物精炼厂作为减少对化石燃料依赖的可持续替代品而受到极大关注。

由韩国高等科学技术研究院(KAIST)化学与生物分子工程系的杰出教授Sang Yup Lee领导的韩国研究小组建立了一个生物精炼系统，用天然来源制造非天然聚合物，制造各种塑料以环保和可持续的方式。研究结果于2016年3月7日在线发表在Nature Biotechnology上。印刷版将于2016年4月发布。

该研究团队采用系统代谢工程方法开发了一种微生物，可以生产多种非天然的，生物医学上重要的聚合物，并成功合成聚(乳酸 - 共 - 乙醇酸)(PLGA)，这是一种两种不同聚合物单体的共聚物，乳酸和乙醇酸。PLGA是可生物降解的，生物相容的且无毒的，并且已广泛用于生物医学和治疗应用，例如手术缝合线，假体装置，药物递送和组织工程。

灵感来自聚羟基链烷酸酯(PHAs)的生物合成过程，生物衍生的聚酯通过糖或脂质的细菌发酵自然产生，研究团队通过直接从大肠杆菌中的碳水化合物进行微生物发酵设计了PLGA生物合成的代谢途径(E)大肠杆菌菌株。

该团队先前报道了一种重组大肠杆菌生产PLGA，通过使用乙醛酸分流途径从葡萄糖生成乙醇酸，其专利KR10-1575585-0000(申请日为2011年3月11日)，US08883463和JP5820363中公开。。然而，他们发现PLGA的聚合物含量和乙醇酸酯含量不能通过进一步的工程技术得到显着提高。因此，在这项研究中，该团队引入了异源途径从木糖生产乙醇酸，并成功开发了重组大肠杆菌生产PLGA和各种新型共聚物更有效。

为了通过直接从碳水化合物中进行微生物发酵来生产PLGA，该团队将外部和工程酶作为催化剂共聚合PLGA，同时为生物合成建立了一些额外的代谢途径，以产生一系列不同的非天然聚合物，一些用于第一次。这种用于PLGA和其他聚合物的生物基合成方法可以替代现有的复杂化学品生产，其涉及前体的制备和纯化，化学聚合方法和金属催化剂的消除。

Lee教授及其团队对大肠杆菌细胞进行了计算机基因组规模的代谢模拟，以预测和分析由引入外部代谢途径引起的细胞代谢通量的变化。基于这些结果，通过消除负责副产物形成的基因并增强某些基因的表达水平来操纵基因以优化代谢通量，从而实现靶聚合物的有效产生以及刺激细胞生长。

该团队利用关键合成酶PHA合酶的广泛底物特异性的结构基础，将各种共聚单体与不同长度的主链和侧链结合。这些单体通过代谢工程在细胞内产生，然后共聚以改善PLGA的材料性质。结果，生产了具有不同单体组成的各种PLGA共聚物，例如美国食品和药物管理局(FDA)批准的单体，3-羟基丁酸酯，4-羟基丁酸酯和6-羟基己酸酯。还制备了新应用的生物塑料，例如5-羟基戊酸盐和2-羟基异戊酸盐。

该团队采用系统代谢工程应用，据研究人员称，这是PGLA生物生产的第一个成功实例，以及通过代谢工程大肠杆菌的一步直接发酵生产可再生生物质的几种新型共聚物。

李教授说，

“我们提出了重要发现，非天然聚合物，如常用于药物输送或生物医学设备的PLGA，是由代谢工程肠道细菌产生的。我们的研究有意义，因为它提出了代谢工程的平台策略，可以进一步用于开发许多非天然的，有用的聚合物。“

监督解决气候变化技术发展计划的韩国科学，信息通信技术和未来规划部平台技术部负责人Ilsub Baek说，

“Lee教授领导了我们的一个研究项目，即生物炼油厂的系统代谢工程，该项目始于该部门解决气候变化技术发展计划的一部分。他和他的团队一直在取得有希望的成果并吸引全球的更大兴趣。科学界随着气候变化技术变得越来越重要，这项关于非天然，高价值聚合物生物生产的研究对科学和工业产生了巨大的影响。“

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