面對日益嚴峻的塑料污染，尋找可持續替代材料成為科研與產業界共同的目標。聚羥基脂肪酸酯（PHA）作為天然可降解聚合物，因其優異的可再生性與環境兼容性被寄予厚望。其中，P34HB 憑借可調的單體比例實現從剛性塑料到柔性彈性體的性能跨度，被認為是最具應用潛力的 PHA 共聚物之一。然而，P34HB 的高效生物合成仍受限于菌株代謝能力、原料轉化效率及發酵穩定性。

近日，北京化工大學李正軍團隊在期刊 ACS Synthetic Biology 發表研究成果，題為“Development of Photobacterium sp. LN01 as a Versatile Halophilic Platform for Tunable Biosynthesis  of Polyhydroxyalkanoates”，構建了基于嗜鹽菌Photobacterium sp. LN01 的高效 P34HB 生產平臺。該研究通過系統性的代謝工程改造，實現了 P34HB 的高產、高轉化率及組成可控，為可降解塑料的工業化制造提供了新的解決方案。

研究團隊從江西農田土壤中分離得到 Photobacterium sp. LN01，這是一株具備強耐鹽性和高代謝靈活性的嗜鹽菌。在 30–60 g/L NaCl 的條件下，該菌仍能保持穩定生長，不易受到雜菌污染，為開放式、低成本發酵提供了天然優勢。LN01能夠以甘油、蔗糖等廉價碳源高效積累聚羥基丁酸酯（PHB），其 PHB 含量可達細胞干重的 75% 以上，展示出極佳的生物塑料合成潛力。

圖 | 嗜鹽菌Photobacterium sp. LN01合成P34HB示意圖

在進一步實驗中，研究人員嘗試通過補充 γ-丁內酯（GBL）誘導 LN01 合成 P34HB。GBL 在細胞內經開環轉化為 4-羥基丁酸（4HB），隨后被活化為 4HB-CoA 并參與 PHA 聚合。研究發現，在一定濃度范圍內，GBL 能有效促進 P34HB 合成，但當濃度過高時，會對細胞生長產生抑制。最佳條件下，LN01 在補加 6 g/L GBL 后可合成 12.40 g/L 的 P34HB，產量和單體比例均顯著提升。分析顯示，P34HB 占生物量的近 60%，其中 4HB 單體比例約為 9 mol%，證明 LN01 具備一條完整的 GBL 轉化通路，但受限于 CoA 轉移效率，其 4HB 摻入率仍然有限。

為突破這一瓶頸，研究團隊通過多層次代謝工程策略重新設計 LN01 代謝網絡。他們首先引入來自 Clostridium kluyveri（克氏梭菌）的 orfZ 基因，該基因編碼一種具有廣譜底物特異性的 CoA 轉移酶，可高效催化 4HB 與 3HB 前體的活化反應。質粒表達 orfZ 后，LN01 在相同條件下的 P34HB 產量由 12.4 g/L 提升至 21.6 g/L，4HB 摻入率提升至 28%，且聚合物分子量保持穩定，說明改造顯著增強了 4HB 單體的裝配效率。為了實現遺傳穩定性，研究人員進一步將 orfZ 整合入染色體的非必需區域，在無抗生素條件下連續傳代五代后產量波動小于 5%，生產特性保持穩定。

在優化碳流分配過程中，研究團隊注意到 LN01 在代謝過程中會生成乳酸等副產物，導致碳源浪費。為此，他們系統敲除了三種乳酸脫氫酶相關基因，并以 orfZ 替代其位點，從而將更多碳流引導至 P34HB 合成通路。實驗結果表明，其中敲除 ldhA3 基因的工程菌株 LN01-A3PO 表現最佳，其 P34HB 產量達到 17.91 g/L，4HB 比例 15.68 mol%，GBL 轉化效率提升至 60–80%，遠高于野生型菌株的 10–20%。這一改造有效消除了副產物干擾，使代謝通量集中至 P34HB 合成路徑。

圖 | 敲除不同乳酸脫氫酶基因后 orfZ 介導的 P34HB 合成效果比較

在搖瓶實驗成功的基礎上，團隊進一步進行了 5 升發酵罐分批補料發酵驗證。培養基采用 MS 基礎組分并補充 30 g/L 蔗糖作為主要碳源，NaCl 濃度維持在 3%。最優工程菌株 LN01-POP 實現了 P34HB 產量 103.10 g/L，4HB 含量 13.02 mol%，GBL 轉化率高達 71.28%。整個發酵周期控制在 72 小時以內，P34HB 蔗糖得率達 0.32 g/g，總體碳利用效率超過 70%。此外，該發酵體系粘度較低、分離提取簡便，顯示出良好的工業化放大潛力。

這一系列結果表明，Photobacterium sp. LN01 不僅具備高效 PHA 合成能力，還憑借其在高鹽環境中的穩健生長特性，為開放式、非無菌生物制造提供了全新思路。北京化工大學團隊的工作展示了合成生物學在非模式微生物中的應用價值，從遺傳工具開發、關鍵酶引入、染色體整合到代謝通路重構，構建了完整的可擴展 P34HB 生產體系。

該研究不僅為 P34HB 高產菌株的構建提供了成功范例，也為未來開發其他新型生物基聚合物提供了可借鑒策略。通過對碳流、能量流與前體供給的精準調控，合成生物學正推動天然潛力菌向高性能制造工廠轉化。隨著這一平臺的進一步優化，基于嗜鹽菌的開放式發酵體系有望在未來實現真正意義上的綠色、生物化學制造，為可降解塑料產業帶來新的可持續路徑。

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