**摘要：聚羟基脂肪酸酯（Polyhydroxyalkanoates，PHA）是一种在微生物体内合成的天然高分子生物材料，在碳源过量、氮磷等其他营养物质不足的情况下可以作为微生物碳源和能源的储备物质。PHA 具有良好的生物相容性、生物可降解性和热加工性能等特性，是传统石化塑料的最佳替代品。随着 PHA 产业化的发展，四代商业化生产的 PHA 产品（PHB、PHBV、PHBHHx 和 P3HB4HB）已被应用于医药、工业、农业及化工等领域，成为生物材料领域最活跃的研究热点之一。然而，发酵底物和灭菌成本过高、生产效率和产品性能较低的问题尚未得到有效解决，很难保持对石油基塑料更大的竞争力，因此探索一种低成本合成 PHA 的方法尤为重要。本文介绍了 PHA 的特性和产业化生产和应用的热点领域，综述了 PHA 合成的研究进展。** **关键词：聚羟基脂肪酸酯 PHA合成 生物发酵 催化聚合 基因工程** > **Abstract: Polyhydroxyalkanoates (PHA) are natural polymeric biomaterials synthesized in microorganisms, which can be used as a reserve of carbon and energy for microorganisms in the case of excess carbon and deficiency of other nutrients such as nitrogen and phosphorus. PHA is the best alternative to traditional petrochemicals. With the development of PHA industrialization, four generations of commercially produced PHA products (PHB, PHBV, PHBHHx and P3HB4HB) have been applied in pharmaceutical, industrial, agricultural and chemical fields, becoming one of the most active research hotspots in the field of biomaterials. However, the problems of high fermentation substrate and sterilization costs, low production efficiency and product performance have not been effectively solved, making it difficult to maintain greater competitiveness against petroleum-based plastics, so it is particularly important to explore a low-cost method for synthesizing PHAs. This paper introduces the properties of PHA and hot areas of industrial production and application, and reviews the research progress of PHA synthesis.** > > **Key words: Polyhydroxyalkanoates, PHA synthesis, Biofermentation, Catalytic Polymerization, Genetic engineering** --- ## PHA 的特性 PHA 的性能十分接近通用塑料。人们对生物基塑料的普遍印象往往停留在综合性能不及传统石油基塑料上，这也是除价格因素外推广生物基塑料的“拦路虎”。但随着技术的进步，PHA 产品性能目前已经十分接近通用塑料，获得了欧洲一些厂商的认可，例如信用卡生产商等就对第四代 PHA 产品表现出了浓厚的兴趣。 PHA 是聚羟基脂肪酸酯类材料的总称，目前产业化品种已有四代。 第一代产品的典型代表为均聚物 PHB（聚3-羟基丁酸酯）。PHB 是一种以 3HB 为单体的短链均聚物，属于结晶型材料，强度较高，但其加工性能、韧性较差，其熔点接近热分解温度，因此热加工窗口较窄，主要用于注塑、纤维等。PHB 虽然具有较好的生物相容性，可制成易降解的且无毒的医用塑料器皿和外壳用的手术针和缝合线，但韧性较差，结晶速度慢，很难大规模应用。 为了改善加工性能，人们又研发了第二代产品 PHBV（3-羟基丁酸酯和3-羟基戊酸酯共聚物），具有与聚丙烯相似的物理性质。PHBV 是一种用淀粉为原料，运用发酵工程技术生产出的生物材料。是一种生物聚酯，由细菌生产，能被细菌降解，在土壤或堆肥化条件下完全分解为二氧化碳、水和生物质。 第三代产品 PHBHHx（3-羟基丁酸酯/3-羟基己酸酯共聚物），是由微生物合成的完全可降解高分子材料，其材料性能与3-羟基己酸（3HHx）在共聚物中的含量有关，具有比 PHB 及 PHBV 更加优良的力学性能。 第四代产品 P34HB（聚3-羟基丁酸酯/4-羟基丁酸酯共聚物），是由微生物以生物质材料为原料合成的，生物相容性好，是完全可降解高分子材料，可以在自然环境中以及生物体内被微生物完全分解。其综合性能相对前三代有很大提升，具有强度高、延展性好、热稳定性好、加工性能优等特点，且单体比例可调节，能够调控材料的力学性能，满足不同应用领域需求。 --- ## 产业化生产与应用 PHA 以可再生生物质为原料，有上百种可供选择，由微生物直接合成，可生物降解，它已经与PLA(聚乳酸)并列为完全生物降解材料的最热门研究课题。 与人们熟知的 PLA 等生物基材料相比，PHA 的显著优点是能通过结构调节使最终产品适用于不同的应用领域，而支撑这种优点的就是其单体的多样性。 国内外研究证明，生物合成 PHA 新材料的潜力几乎是无限的。在 2000 年时人们就已发现了超过 150 种的 PHA 单体。单体结构变化以及共聚物中不同单体比例的不同，给 PHA 结构变化带来了无限可能。结构的多元化，又带来了性能的多样化。 PHA 可以坚硬如硬塑料，也可以柔软如弹性体，可以制成吹膜级、压片级、吹瓶级、发泡级以及弹性体级的产品。通过调整单体配比，PHA 产品性能可以横跨纤维、塑料、橡胶、热熔胶等不同范畴，加上 PHA 兼具良好的生物相容性，其应用领域已不局限在单一的塑料制品，还可以在农药缓释剂、高性能生化滤膜、医药缓释长效药物载体以及骨钉、手术缝合线、人体整形填充材料方面大显身手。 ### 医药领域的应用 PHA 不仅与人体组织细胞相容性良好，而且降解的产物都是机体本身具有的物质，目前已经应用于靶向药物释放的载体、外科手术器材和植入性组织材料等[1]。药物运输方面，天然 PHA 是惰性的，不具备靶向能力，需要人为地物理共聚或化学修饰改变其特性[2]。这样，药物就可以包埋在载体中或吸附在其表面，并在表面耦联了特异性靶向分子的纳米颗粒，以此来控制靶向药物与细胞表面受体的识别和结合，避免了传统材料可能的致癌风险[3]。不仅如此，外科手术使用的医用缝合线也可以由 PHA 材料制作。理想的手术缝合线需要具有弹性、表面光滑、可抵抗细菌生长并与组织细胞相容，3-羟基丁酸-3羟基己酸共聚物[P(3HB-co-3HHx)]等材料完全符合人们的预期[4]。而 PHA 材料制作的三维支架则为广大的先天心脏瓣膜病患者带来了福音，同时植入性的组织工程材料也在神经导管、消化道、心血管及软骨疾病等方面发挥了开创性作用[5]。PHA 三维支架可以支持细胞在损伤部位生长，帮助其形成特定的组织，等到受损组织修复后再自行降解，几乎不会产生免疫排斥反应[6][7]。 ### 工业、农业领域的应用 PHA 在工业领域拥有巨大的应用潜力，先后有四代 PHA 产品陆续投入生产（PHB、PHBV、PHBHHx和P3HB4HB），产品主要包括包装塑料、器具材料、服装材料、喷涂材料和纤维等[8]。为了进一步提高 PHA 的机械性能和热性能，通常与纳米材料或其他生物塑料如聚乳酸（Polylactide，polylactic acid，PLA）共聚。与生物基塑料相比，传统包装塑料在地表土壤的降解周期约为1-2个世纪，而 PHA 生产出的农田地膜可以在富含微生物的土壤环境中被迅速降解，具有较高的生态和经济优势。不仅如此，PHA 在水产养殖业也发挥着重要作用：Thai 等[8]通过投放高 PHB 浓度的饲料喂养罗氏沼虾 Macrobrachium rosenbergii 发现，PHB 可以改善甲壳类水生动物的肠道菌群，抑制细菌性病原体从而提高幼虫的存活率[9]。 ### 产业现状 国内外已建、在建或拟建的 PHA 项目主要有德国慕尼黑 Biomers 公司 1000 吨/年和江苏南天集团 10 吨/年的第一代 PHB 项目，英国 ICI（Zeneca）公司 350 吨/年、宁波天安生物材料公司 2000 吨/年的第二代PHBV项目，美国 P&G 公司 5000 吨/年的第三代 PHBHHx 项目，以及美国 ADM 公司 5 万吨/年、天津国韵生物公司 1 万吨/年、深圳意可曼生物科技有限公司 5000 吨/年的第四代 P34HB 项目。日本三菱瓦斯化学公司、日本卡奈卡公司、美国 Metabolix 公司、巴西 PHB Industrial S/A 公司、英国 Biocycle 公司、德国 Biomer 公司和荷兰 Agrotechnology&Food Tnnovat ions 公司等也在研发生产相关产品。其中，去年 7 月底投产的意可曼 5000 吨/年 P34HB 项目是全球首个第四代 PHA 产品产业化项目，是 PHA 材料产业化的重大突破。 在几个五年计划和“863"计划支持下，我国生物基材料取得了长足发展。目前我国从第一代 PHA 产品到第四代 PHA 产品均可生产，是全球范围内能够生产 PHA 产品种类最多的国家之一。其中，PHA 年总产能超过 1.5 万吨，提供了国际市场上所有PHA类型，使我国 PHA 产业化种类和产量都处于国际领先地位。北京微构工场生物技术有限公司是国内代表性企业，可以生产一到四代 PHA 产品，第四代产品 P34HB 是其发展的重心，公司拥有 P34HB 核心专利，开发的新生产工艺使生产成本大幅下降，具备 P34HB 大规模量产能力，在北京拥有研发总部以及生产基地。 --- ## PHA 的合成研究 ### 生物合成 为满足生产和商业化的需求，生产PHA的菌株应具备有对廉价碳源的利用能力、生长速度快、对底物转化率高、胞内聚合物含量高、聚合物分子质量大等基本性能。目前成功应用的菌株主要是真养产碱杆菌（Alcaligenes eutrophus），对菌种的改良集中在重组 E.coli 中进行。 大多数微生物通过三步合成途径合成 PHB： 1. β-酮裂解酶催化乙酰 CoA 生成乙酰Z酰 CoA； 2. 在依赖 NADPH 的乙酰乙酰 CoA 还原酶的作用下把乙酰乙酰 CoA 还原成 D-(-)-3-羟基丁酰CoA； 3. 单体的 D-(-)-3-羟基丁酰 CoA 由 PHB 聚合酶催化聚合生成 PHB。 某些微生物中同时存在五步合成途径： 1. β-酮裂解酶催化乙酰 CoA 生成乙酰乙酰 CoA； 2. 依赖 NADPH 的乙酰乙酰CoA还原酶催化 L-(+)-3-羟基丁酰 CoA 的形成； 3. **L-(+)-3-羟基丁酰 CoA 经过两个立体专一的烯酰基 CoA 水合酶先后作用而转变成 D-(-)-3-羟基丁酰CoA；** 4. 单体的 D-(-)-3-羟基丁酰 CoA 由 PHB 聚合酶催化聚合生成 PHB。 其中，PHA 聚合酶是关键酶。 #### 细菌发酵生产 PHB 细菌发酵生产 PHB 需要尽可能提高细胞密度、保证高的胞内累积量、缩短发酵周期以提高生产强度，因此细菌发酵生产 PHB 多采用流加培养。 在自然条件下，产PHB的细菌中 PHB 含量为1 %-3%；在控制发酵条件下，PHB 含量可达细胞干重的70%-80%。细菌发酵生产成本较高，在医药业有较大的市场。 细菌发酵还有许多问题亟需解决，如如何定向育种，提高菌种底物转化率和生长速度、如何控制聚合物分子质量分布、如何提高提取过程的收率和产品纯度，采用非有机溶剂提取产物以降低污染、如何聚合物分子设计、修饰和共混加工技术等缩小聚合物和化工合成塑料的性能差异、如何优化流加发酵技术、如何重组 E.coli 等使其获得 PHB 发酵能力。 #### 工程化改造 通过基因工程技术，对细菌进行基因编辑，不仅可以大幅提高 PHA 的产量，还可能拥有其他多方面的优势，如提高微生物的抗逆性、增大菌体承载的 PHA 体积等。Tao 等[10]通过 CRISPRi 技术抑制了编码嗜盐菌 Halomonas species TD01 分裂时 ftsZ 基因的表达，导致细胞形态的延长。与对照组相比，细胞长度增加了 20-70 倍，大大增加了胞内 PHA 的积累空间。为了进一步节约细菌在运动上的消耗，Wang 等[11]敲除了 76 个恶臭假单胞菌 Pseudomonas putida KT2442 的关于鞭毛和菌毛合成及组装的基因，得到的重组细菌显示出诸多生理上的优势，如提高了细菌对氧化应激的耐受性、增强了PHA的积累能力等[12]。此外，为了解决部分细菌能够表达异源基因的启动子较少的问题，Shen 等[13]研究出一种基于 Pporin 构建启动子库的方法，在启动子核心区进行饱和突变，显著增加了启动子文库的多样性，适用于多种不同异源基因的转录。于是在嗜盐菌 H.bluephagenesis TDH4 中构建了含编码 4HB-CoA 转移酶的 orfZ 基因，由文库中选择的启动子驱动，经 50h 生长后，PHA 占细胞干重 80% 以上，产率为 1.59 g/L/h。 所以选择优质高产底盘菌进行基因编辑是一个提高产量的可行办法，可以弥补其在其他方面的不足。例如，大肠杆菌既不能合成也不能降解 PHA，但由于其基因序列背景清晰、培养与操作简单、体内又无可以使 PHA 降解的酶，成为实施基因改造的热门底盘菌。研究者通常将其他高产菌种的关键操纵子如 phaCAB 等转入大肠杆菌中，再调节其生理状态和代谢流，综合提高 PHA 产量。 #### 更换合成底物 为微生物发酵提供了营养的底物约占生产总成本的一半[14]，这就意味着精致的糖类和脂肪酸需要被廉价的底物所替换。碳源的选择标准应该是更加经济、可行和高效的，一些工业、农业生产的废弃物是比较理想的选择。例如：粗甘油、活性淤泥、和木质纤维素等。 ### 催化聚合生产 PHA 与传统生物发酵合成 PHA 相比，由金属配合物催化环氧化物的羰化聚合是制备聚羟基脂肪酸酯的有效策略。环氧烷烃作为廉价易得的大宗化学品，其和 C1 资源直接羰化聚合反应具有原子经济性，且反应的高选择性和对环境的友好性，可充分利用资源和保护环境，符合绿色化学发展的趋势。但是，由于传统的环氧化物的直接羰基化聚合方法仍然存在单体转化率和聚酯选择性低的问题，其过程存在不可避免的强亲核性烷氧中间体的链增长模式，多数得到低分子量<2000 g/mol 的寡聚物，这也是催化聚合领域的一个重大挑战。 在大连理工大学刘野团队的研究中[15]，开发了单金属、双金属和三金属配合物用于该催化聚合。最终，多核心/羰基钴的催化体系通过双催化策略解决了上述问题，并应用该体系拓展了 17 种聚羟基脂肪酸酯产品，选择性高达>99%，Mn 值高达38.2 kg/mol。多核心/羰基钴的催化体系对环氧化物的底物适用性高，制备了结构、功能多样和性能优异的 PHA。原位红外光谱显示反应通过双重催化策略进行：一是环氧化物快速（<1h）羰化生成内酯中间体；二是内酯开环聚合生成聚酯。通过详细的机理探索，提出多核心/羰基钴实现环氧烷烃羰化聚合的关键在于其改变了传统金属催化体系的烷氧中间体链增长过程，反应通过内酯弱亲核性的羧酸中间体进行，从而抑制不利的链转移反应，提高聚羟基脂肪酸酯的分子量，并提出环氧烷烃羰化聚合的反应机理该策略为制备高分子量的PHA提供了一个新的思路。 --- ## 总结 PHA 因其良好的生物降解性和生物相容性在药物缓释体系中发挥着越来越重要的作用。最早的 PHA 作为药物释放包裹微球的研究是 1983 年对于 PHB 的研究，之后随着 PHBV 的发展，PHA 的药物包裹研究带来了很大的进展。研究表明可通过调节PHA的单体组成、分子量、药物包裹量、包裹颗粒大小实现药物的可控速率释放。此外，很多学者还利用 PCL 等其他聚合物与 PHA 进行混合包裹药物的研究也取得了一定的成果。 在 PHA 近十年的研究热潮中，虽然在生产和应用方面的主要技术专利仍掌握在美欧日等发达国家和地区中，但我国这几年在这方面的研究取得了长足的进展，在生产方面掌握了一些具有自主知识产权的菌种和后期工艺，特别是近两年在组织组织工程研究方面有较好的研究成果，已有多项专利处于申请公开期，这些为 PHA 作为我国有自主知识产权的生物材料今后的产业化打下了良好的基础。 PHA 既是一种性能优良的环保生物塑料，又具有许多可调节的材料性能，其随着成本的进一步降低以及高附加值应用的开发，将成为一种成本可被市场接受的多应用领域生物材料。由于它是一个组成广泛的家族，其从坚硬到高弹性的性能使其可以适用于不同的应用需要。PHA 的结构多样化以及性能的可变性使其成为生物材料中重要的一员。相对于 PLA，PHA 发展的历史很短，发展的潜力更大，其应用的空间也更加广阔。 --- ## 参考文献 [1] Singh AK, Srivastava K, Chandel AK, et al. Biomedical applications of microbially engineered polyhydroxyalkanoates:an insight into recent advances, bottlenecks, and solutions[J]. Applied Microbiology and Biotechnology, 2019, 103: 2007-2032. [2] Yeo JCC, Muiruri JK, Thitsartarn W, et al. Recent advances in the development of biodegradable PHB-based toughening materials:approaches, advantages and applications[J]. Mater Sci Eng C Mater Biol Appl, 2017, 92: 1092-1116. [3] Ali I, Jamil N. Polyhydroxyalkanoates:current applications in the medical field[J]. Frontiers in Biology, 2016, 11: 19-27. [4] He Y, Hu Z, Ren M, et al. Evaluation of PHBHHx and PHBV/PLA fibers used as medical sutures[J]. Journal of Materials Science:Materials in Medicine, 2014, 25: 561-571. [5] Butt FI, Muhammad N, Hamid A. Recent progress in the utilization of biosynthesized polyhydroxyalkanoates for biomedical applications-Review[J]. International Journal of Biological Macromolecules, 2018, 120: 1294-1305. [6] Kynadi AS, Suchithra TV. Formulation and optimization of a novel media comprising rubber seed oil for PHA production[J]. Industrial Crops and Products, 2017, 105: 156-163. [7] Park SJ, Kang KH, Lee H, et al. Propionyl-CoA dependent biosynthesis of 2-hydroxybutyrate containing polyhydroxyalkanoates in metabolically engineered Escherichia coli[J]. Journal of Biotechnology, 2013, 165: 93-98. [8] Thai TQ, Wille M, Garcia-Gonzalez L, et al. Poly-β-hydroxybutyrate content and dose of the bacterial carrier for Artemia enrichment determine the performance of giant freshwater prawn larvae[J]. Applied Microbiology and Biotechnology, 2014, 98(11): 5205-5215. [9] Che XM, Situ W, Yu LS, et al. Application perspectives of polyhydroxyalkanoates[J]. Chinese Journal of Biotechnology, 2018, 34(10): 1531-1542. [10] Tao W, Lv L, Chen GQ. Engineering Halomonas species TD01 for enhanced polyhydroxyalkanoates synthesis via CRISPRi[J]. Microbial Cell Factories, 2017, 16(1): 48. [11] Wang J, Ma W, Wang Y, et al. Deletion of 76 genes relevant to flagella and pili formation to facilitate polyhydroxyalkanoate production in Pseudomonas putida[J]. Applied Microbiology and Biotechnology, 2018, 102(24): 10523-10539. [12] Lieder S, Nikel PI, de Lorenzo V, et al. Genome reduction boosts heterologous gene expression in Pseudomonas putida[J]. Microb Cell Factories, 2015, 14: 23. [13] Shen R, Yin J, Ye JW, et al. Promoter engineering for enhanced P (3HB-co-4HB) production by Halomonas bluephagenesis[J]. ACS Synthetic Biology, 2018, 7(8): 1897-1906. [14] Możejko-Ciesielska J, Kiewisz R. Bacterial polyhydroxyalkanoates:Still fabulous?[J]. Microbiological Research, 2016, 192: 271-282. [15] Jin-Chuang Yang, Jun Yang, et al. Carbonylative Polymerization of Epoxides Mediated by Tri-metallic Complexes: A Dual Catalysis Strategy for Synthesis of Biodegradable Polyhydroxyalkanoates. Angewandte, February 21, 2022, e202116208. Loading... **摘要：聚羟基脂肪酸酯（Polyhydroxyalkanoates，PHA）是一种在微生物体内合成的天然高分子生物材料，在碳源过量、氮磷等其他营养物质不足的情况下可以作为微生物碳源和能源的储备物质。PHA 具有良好的生物相容性、生物可降解性和热加工性能等特性，是传统石化塑料的最佳替代品。随着 PHA 产业化的发展，四代商业化生产的 PHA 产品（PHB、PHBV、PHBHHx 和 P3HB4HB）已被应用于医药、工业、农业及化工等领域，成为生物材料领域最活跃的研究热点之一。然而，发酵底物和灭菌成本过高、生产效率和产品性能较低的问题尚未得到有效解决，很难保持对石油基塑料更大的竞争力，因此探索一种低成本合成 PHA 的方法尤为重要。本文介绍了 PHA 的特性和产业化生产和应用的热点领域，综述了 PHA 合成的研究进展。** **关键词：聚羟基脂肪酸酯 PHA合成 生物发酵 催化聚合 基因工程** > **Abstract: Polyhydroxyalkanoates (PHA) are natural polymeric biomaterials synthesized in microorganisms, which can be used as a reserve of carbon and energy for microorganisms in the case of excess carbon and deficiency of other nutrients such as nitrogen and phosphorus. PHA is the best alternative to traditional petrochemicals. With the development of PHA industrialization, four generations of commercially produced PHA products (PHB, PHBV, PHBHHx and P3HB4HB) have been applied in pharmaceutical, industrial, agricultural and chemical fields, becoming one of the most active research hotspots in the field of biomaterials. However, the problems of high fermentation substrate and sterilization costs, low production efficiency and product performance have not been effectively solved, making it difficult to maintain greater competitiveness against petroleum-based plastics, so it is particularly important to explore a low-cost method for synthesizing PHAs. This paper introduces the properties of PHA and hot areas of industrial production and application, and reviews the research progress of PHA synthesis.** > > **Key words: Polyhydroxyalkanoates, PHA synthesis, Biofermentation, Catalytic Polymerization, Genetic engineering** --- ## PHA 的特性   PHA 的性能十分接近通用塑料。人们对生物基塑料的普遍印象往往停留在综合性能不及传统石油基塑料上，这也是除价格因素外推广生物基塑料的“拦路虎”。但随着技术的进步，PHA 产品性能目前已经十分接近通用塑料，获得了欧洲一些厂商的认可，例如信用卡生产商等就对第四代 PHA 产品表现出了浓厚的兴趣。   PHA 是聚羟基脂肪酸酯类材料的总称，目前产业化品种已有四代。   第一代产品的典型代表为均聚物 PHB（聚3-羟基丁酸酯）。PHB 是一种以 3HB 为单体的短链均聚物，属于结晶型材料，强度较高，但其加工性能、韧性较差，其熔点接近热分解温度，因此热加工窗口较窄，主要用于注塑、纤维等。PHB 虽然具有较好的生物相容性，可制成易降解的且无毒的医用塑料器皿和外壳用的手术针和缝合线，但韧性较差，结晶速度慢，很难大规模应用。   为了改善加工性能，人们又研发了第二代产品 PHBV（3-羟基丁酸酯和3-羟基戊酸酯共聚物），具有与聚丙烯相似的物理性质。PHBV 是一种用淀粉为原料，运用发酵工程技术生产出的生物材料。是一种生物聚酯，由细菌生产，能被细菌降解，在土壤或堆肥化条件下完全分解为二氧化碳、水和生物质。   第三代产品 PHBHHx（3-羟基丁酸酯/3-羟基己酸酯共聚物），是由微生物合成的完全可降解高分子材料，其材料性能与3-羟基己酸（3HHx）在共聚物中的含量有关，具有比 PHB 及 PHBV 更加优良的力学性能。   第四代产品 P34HB（聚3-羟基丁酸酯/4-羟基丁酸酯共聚物），是由微生物以生物质材料为原料合成的，生物相容性好，是完全可降解高分子材料，可以在自然环境中以及生物体内被微生物完全分解。其综合性能相对前三代有很大提升，具有强度高、延展性好、热稳定性好、加工性能优等特点，且单体比例可调节，能够调控材料的力学性能，满足不同应用领域需求。 --- ## 产业化生产与应用   PHA 以可再生生物质为原料，有上百种可供选择，由微生物直接合成，可生物降解，它已经与PLA(聚乳酸)并列为完全生物降解材料的最热门研究课题。   与人们熟知的 PLA 等生物基材料相比，PHA 的显著优点是能通过结构调节使最终产品适用于不同的应用领域，而支撑这种优点的就是其单体的多样性。   国内外研究证明，生物合成 PHA 新材料的潜力几乎是无限的。在 2000 年时人们就已发现了超过 150 种的 PHA 单体。单体结构变化以及共聚物中不同单体比例的不同，给 PHA 结构变化带来了无限可能。结构的多元化，又带来了性能的多样化。   PHA 可以坚硬如硬塑料，也可以柔软如弹性体，可以制成吹膜级、压片级、吹瓶级、发泡级以及弹性体级的产品。通过调整单体配比，PHA 产品性能可以横跨纤维、塑料、橡胶、热熔胶等不同范畴，加上 PHA 兼具良好的生物相容性，其应用领域已不局限在单一的塑料制品，还可以在农药缓释剂、高性能生化滤膜、医药缓释长效药物载体以及骨钉、手术缝合线、人体整形填充材料方面大显身手。 ### 医药领域的应用   PHA 不仅与人体组织细胞相容性良好，而且降解的产物都是机体本身具有的物质，目前已经应用于靶向药物释放的载体、外科手术器材和植入性组织材料等[1]。药物运输方面，天然 PHA 是惰性的，不具备靶向能力，需要人为地物理共聚或化学修饰改变其特性[2]。这样，药物就可以包埋在载体中或吸附在其表面，并在表面耦联了特异性靶向分子的纳米颗粒，以此来控制靶向药物与细胞表面受体的识别和结合，避免了传统材料可能的致癌风险[3]。不仅如此，外科手术使用的医用缝合线也可以由 PHA 材料制作。理想的手术缝合线需要具有弹性、表面光滑、可抵抗细菌生长并与组织细胞相容，3-羟基丁酸-3羟基己酸共聚物[P(3HB-co-3HHx)]等材料完全符合人们的预期[4]。而 PHA 材料制作的三维支架则为广大的先天心脏瓣膜病患者带来了福音，同时植入性的组织工程材料也在神经导管、消化道、心血管及软骨疾病等方面发挥了开创性作用[5]。PHA 三维支架可以支持细胞在损伤部位生长，帮助其形成特定的组织，等到受损组织修复后再自行降解，几乎不会产生免疫排斥反应[6][7]。 ### 工业、农业领域的应用   PHA 在工业领域拥有巨大的应用潜力，先后有四代 PHA 产品陆续投入生产（PHB、PHBV、PHBHHx和P3HB4HB），产品主要包括包装塑料、器具材料、服装材料、喷涂材料和纤维等[8]。为了进一步提高 PHA 的机械性能和热性能，通常与纳米材料或其他生物塑料如聚乳酸（Polylactide，polylactic acid，PLA）共聚。与生物基塑料相比，传统包装塑料在地表土壤的降解周期约为1-2个世纪，而 PHA 生产出的农田地膜可以在富含微生物的土壤环境中被迅速降解，具有较高的生态和经济优势。不仅如此，PHA 在水产养殖业也发挥着重要作用：Thai 等[8]通过投放高 PHB 浓度的饲料喂养罗氏沼虾 Macrobrachium rosenbergii 发现，PHB 可以改善甲壳类水生动物的肠道菌群，抑制细菌性病原体从而提高幼虫的存活率[9]。 ### 产业现状   国内外已建、在建或拟建的 PHA 项目主要有德国慕尼黑 Biomers 公司 1000 吨/年和江苏南天集团 10 吨/年的第一代 PHB 项目，英国 ICI（Zeneca）公司 350 吨/年、宁波天安生物材料公司 2000 吨/年的第二代PHBV项目，美国 P&G 公司 5000 吨/年的第三代 PHBHHx 项目，以及美国 ADM 公司 5 万吨/年、天津国韵生物公司 1 万吨/年、深圳意可曼生物科技有限公司 5000 吨/年的第四代 P34HB 项目。日本三菱瓦斯化学公司、日本卡奈卡公司、美国 Metabolix 公司、巴西 PHB Industrial S/A 公司、英国 Biocycle 公司、德国 Biomer 公司和荷兰 Agrotechnology&Food Tnnovat ions 公司等也在研发生产相关产品。其中，去年 7 月底投产的意可曼 5000 吨/年 P34HB 项目是全球首个第四代 PHA 产品产业化项目，是 PHA 材料产业化的重大突破。   在几个五年计划和“863"计划支持下，我国生物基材料取得了长足发展。目前我国从第一代 PHA 产品到第四代 PHA 产品均可生产，是全球范围内能够生产 PHA 产品种类最多的国家之一。其中，PHA 年总产能超过 1.5 万吨，提供了国际市场上所有PHA类型，使我国 PHA 产业化种类和产量都处于国际领先地位。北京微构工场生物技术有限公司是国内代表性企业，可以生产一到四代 PHA 产品，第四代产品 P34HB 是其发展的重心，公司拥有 P34HB 核心专利，开发的新生产工艺使生产成本大幅下降，具备 P34HB 大规模量产能力，在北京拥有研发总部以及生产基地。 --- ## PHA 的合成研究 ### 生物合成   为满足生产和商业化的需求，生产PHA的菌株应具备有对廉价碳源的利用能力、生长速度快、对底物转化率高、胞内聚合物含量高、聚合物分子质量大等基本性能。目前成功应用的菌株主要是真养产碱杆菌（Alcaligenes eutrophus），对菌种的改良集中在重组 E.coli 中进行。   大多数微生物通过三步合成途径合成 PHB： 1. β-酮裂解酶催化乙酰 CoA 生成乙酰Z酰 CoA； 2. 在依赖 NADPH 的乙酰乙酰 CoA 还原酶的作用下把乙酰乙酰 CoA 还原成 D-(-)-3-羟基丁酰CoA； 3. 单体的 D-(-)-3-羟基丁酰 CoA 由 PHB 聚合酶催化聚合生成 PHB。   某些微生物中同时存在五步合成途径： 1. β-酮裂解酶催化乙酰 CoA 生成乙酰乙酰 CoA； 2. 依赖 NADPH 的乙酰乙酰CoA还原酶催化 L-(+)-3-羟基丁酰 CoA 的形成； 3. **L-(+)-3-羟基丁酰 CoA 经过两个立体专一的烯酰基 CoA 水合酶先后作用而转变成 D-(-)-3-羟基丁酰CoA；** 4. 单体的 D-(-)-3-羟基丁酰 CoA 由 PHB 聚合酶催化聚合生成 PHB。   其中，PHA 聚合酶是关键酶。 #### 细菌发酵生产 PHB   细菌发酵生产 PHB 需要尽可能提高细胞密度、保证高的胞内累积量、缩短发酵周期以提高生产强度，因此细菌发酵生产 PHB 多采用流加培养。   在自然条件下，产PHB的细菌中 PHB 含量为1 %-3%；在控制发酵条件下，PHB 含量可达细胞干重的70%-80%。细菌发酵生产成本较高，在医药业有较大的市场。   细菌发酵还有许多问题亟需解决，如如何定向育种，提高菌种底物转化率和生长速度、如何控制聚合物分子质量分布、如何提高提取过程的收率和产品纯度，采用非有机溶剂提取产物以降低污染、如何聚合物分子设计、修饰和共混加工技术等缩小聚合物和化工合成塑料的性能差异、如何优化流加发酵技术、如何重组 E.coli 等使其获得 PHB 发酵能力。 #### 工程化改造   通过基因工程技术，对细菌进行基因编辑，不仅可以大幅提高 PHA 的产量，还可能拥有其他多方面的优势，如提高微生物的抗逆性、增大菌体承载的 PHA 体积等。Tao 等[10]通过 CRISPRi 技术抑制了编码嗜盐菌 Halomonas species TD01 分裂时 ftsZ 基因的表达，导致细胞形态的延长。与对照组相比，细胞长度增加了 20-70 倍，大大增加了胞内 PHA 的积累空间。为了进一步节约细菌在运动上的消耗，Wang 等[11]敲除了 76 个恶臭假单胞菌 Pseudomonas putida KT2442 的关于鞭毛和菌毛合成及组装的基因，得到的重组细菌显示出诸多生理上的优势，如提高了细菌对氧化应激的耐受性、增强了PHA的积累能力等[12]。此外，为了解决部分细菌能够表达异源基因的启动子较少的问题，Shen 等[13]研究出一种基于 Pporin 构建启动子库的方法，在启动子核心区进行饱和突变，显著增加了启动子文库的多样性，适用于多种不同异源基因的转录。于是在嗜盐菌 H.bluephagenesis TDH4 中构建了含编码 4HB-CoA 转移酶的 orfZ 基因，由文库中选择的启动子驱动，经 50h 生长后，PHA 占细胞干重 80% 以上，产率为 1.59 g/L/h。   所以选择优质高产底盘菌进行基因编辑是一个提高产量的可行办法，可以弥补其在其他方面的不足。例如，大肠杆菌既不能合成也不能降解 PHA，但由于其基因序列背景清晰、培养与操作简单、体内又无可以使 PHA 降解的酶，成为实施基因改造的热门底盘菌。研究者通常将其他高产菌种的关键操纵子如 phaCAB 等转入大肠杆菌中，再调节其生理状态和代谢流，综合提高 PHA 产量。 #### 更换合成底物   为微生物发酵提供了营养的底物约占生产总成本的一半[14]，这就意味着精致的糖类和脂肪酸需要被廉价的底物所替换。碳源的选择标准应该是更加经济、可行和高效的，一些工业、农业生产的废弃物是比较理想的选择。例如：粗甘油、活性淤泥、和木质纤维素等。 ### 催化聚合生产 PHA   与传统生物发酵合成 PHA 相比，由金属配合物催化环氧化物的羰化聚合是制备聚羟基脂肪酸酯的有效策略。环氧烷烃作为廉价易得的大宗化学品，其和 C1 资源直接羰化聚合反应具有原子经济性，且反应的高选择性和对环境的友好性，可充分利用资源和保护环境，符合绿色化学发展的趋势。但是，由于传统的环氧化物的直接羰基化聚合方法仍然存在单体转化率和聚酯选择性低的问题，其过程存在不可避免的强亲核性烷氧中间体的链增长模式，多数得到低分子量<2000 g/mol 的寡聚物，这也是催化聚合领域的一个重大挑战。   在大连理工大学刘野团队的研究中[15]，开发了单金属、双金属和三金属配合物用于该催化聚合。最终，多核心/羰基钴的催化体系通过双催化策略解决了上述问题，并应用该体系拓展了 17 种聚羟基脂肪酸酯产品，选择性高达>99%，Mn 值高达38.2 kg/mol。多核心/羰基钴的催化体系对环氧化物的底物适用性高，制备了结构、功能多样和性能优异的 PHA。原位红外光谱显示反应通过双重催化策略进行：一是环氧化物快速（<1h）羰化生成内酯中间体；二是内酯开环聚合生成聚酯。通过详细的机理探索，提出多核心/羰基钴实现环氧烷烃羰化聚合的关键在于其改变了传统金属催化体系的烷氧中间体链增长过程，反应通过内酯弱亲核性的羧酸中间体进行，从而抑制不利的链转移反应，提高聚羟基脂肪酸酯的分子量，并提出环氧烷烃羰化聚合的反应机理该策略为制备高分子量的PHA提供了一个新的思路。 --- ## 总结   PHA 因其良好的生物降解性和生物相容性在药物缓释体系中发挥着越来越重要的作用。最早的 PHA 作为药物释放包裹微球的研究是 1983 年对于 PHB 的研究，之后随着 PHBV 的发展，PHA 的药物包裹研究带来了很大的进展。研究表明可通过调节PHA的单体组成、分子量、药物包裹量、包裹颗粒大小实现药物的可控速率释放。此外，很多学者还利用 PCL 等其他聚合物与 PHA 进行混合包裹药物的研究也取得了一定的成果。   在 PHA 近十年的研究热潮中，虽然在生产和应用方面的主要技术专利仍掌握在美欧日等发达国家和地区中，但我国这几年在这方面的研究取得了长足的进展，在生产方面掌握了一些具有自主知识产权的菌种和后期工艺，特别是近两年在组织组织工程研究方面有较好的研究成果，已有多项专利处于申请公开期，这些为 PHA 作为我国有自主知识产权的生物材料今后的产业化打下了良好的基础。   PHA 既是一种性能优良的环保生物塑料，又具有许多可调节的材料性能，其随着成本的进一步降低以及高附加值应用的开发，将成为一种成本可被市场接受的多应用领域生物材料。由于它是一个组成广泛的家族，其从坚硬到高弹性的性能使其可以适用于不同的应用需要。PHA 的结构多样化以及性能的可变性使其成为生物材料中重要的一员。相对于 PLA，PHA 发展的历史很短，发展的潜力更大，其应用的空间也更加广阔。 --- ## 参考文献 [1] Singh AK, Srivastava K, Chandel AK, et al. Biomedical applications of microbially engineered polyhydroxyalkanoates:an insight into recent advances, bottlenecks, and solutions[J]. Applied Microbiology and Biotechnology, 2019, 103: 2007-2032. [2] Yeo JCC, Muiruri JK, Thitsartarn W, et al. Recent advances in the development of biodegradable PHB-based toughening materials:approaches, advantages and applications[J]. Mater Sci Eng C Mater Biol Appl, 2017, 92: 1092-1116. [3] Ali I, Jamil N. Polyhydroxyalkanoates:current applications in the medical field[J]. Frontiers in Biology, 2016, 11: 19-27. [4] He Y, Hu Z, Ren M, et al. Evaluation of PHBHHx and PHBV/PLA fibers used as medical sutures[J]. Journal of Materials Science:Materials in Medicine, 2014, 25: 561-571. [5] Butt FI, Muhammad N, Hamid A. Recent progress in the utilization of biosynthesized polyhydroxyalkanoates for biomedical applications-Review[J]. International Journal of Biological Macromolecules, 2018, 120: 1294-1305. [6] Kynadi AS, Suchithra TV. Formulation and optimization of a novel media comprising rubber seed oil for PHA production[J]. Industrial Crops and Products, 2017, 105: 156-163. [7] Park SJ, Kang KH, Lee H, et al. Propionyl-CoA dependent biosynthesis of 2-hydroxybutyrate containing polyhydroxyalkanoates in metabolically engineered Escherichia coli[J]. Journal of Biotechnology, 2013, 165: 93-98. [8] Thai TQ, Wille M, Garcia-Gonzalez L, et al. Poly-β-hydroxybutyrate content and dose of the bacterial carrier for Artemia enrichment determine the performance of giant freshwater prawn larvae[J]. Applied Microbiology and Biotechnology, 2014, 98(11): 5205-5215. [9] Che XM, Situ W, Yu LS, et al. Application perspectives of polyhydroxyalkanoates[J]. Chinese Journal of Biotechnology, 2018, 34(10): 1531-1542. [10] Tao W, Lv L, Chen GQ. Engineering Halomonas species TD01 for enhanced polyhydroxyalkanoates synthesis via CRISPRi[J]. Microbial Cell Factories, 2017, 16(1): 48. [11] Wang J, Ma W, Wang Y, et al. Deletion of 76 genes relevant to flagella and pili formation to facilitate polyhydroxyalkanoate production in Pseudomonas putida[J]. Applied Microbiology and Biotechnology, 2018, 102(24): 10523-10539. [12] Lieder S, Nikel PI, de Lorenzo V, et al. Genome reduction boosts heterologous gene expression in Pseudomonas putida[J]. Microb Cell Factories, 2015, 14: 23. [13] Shen R, Yin J, Ye JW, et al. Promoter engineering for enhanced P (3HB-co-4HB) production by Halomonas bluephagenesis[J]. ACS Synthetic Biology, 2018, 7(8): 1897-1906. [14] Możejko-Ciesielska J, Kiewisz R. Bacterial polyhydroxyalkanoates:Still fabulous?[J]. Microbiological Research, 2016, 192: 271-282. [15] Jin-Chuang Yang, Jun Yang, et al. Carbonylative Polymerization of Epoxides Mediated by Tri-metallic Complexes: A Dual Catalysis Strategy for Synthesis of Biodegradable Polyhydroxyalkanoates. Angewandte, February 21, 2022, e202116208. 最后修改：2023 年 05 月 28 日 © 允许规范转载 打赏 赞赏作者 支付宝微信 赞 如果觉得我的文章很精彩，请留下您的大拇指！
