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  自然界中部分微生物可合成聚羥基脂肪酸酯 (polyhydroxyalkanoate, PHA) 作為碳源及能量存儲(chǔ)物。隨著PHA良好和多樣性的理化性質(zhì)、生物相容性以及生物可降解性逐漸被科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，有望發(fā)展成為廣泛應(yīng)用的生物可降解高分子材料，在醫(yī)療植入、環(huán)�？山到獍b、高端紡織品等領(lǐng)域找到更多應(yīng)用。由于不同的結(jié)構(gòu)可以帶來(lái)不同的性能和應(yīng)用，人們一直在尋找更新結(jié)構(gòu)的PHA，渴望挖掘更好的前景。

  新型PHA材料中，短鏈（short-chain-length, SCL）3-羥基丁酸（3-hydroxybutyrate, 簡(jiǎn)稱3HB）與中鏈（medium-chain-length, MCL）3-羥基壬酸（九個(gè)碳C9）及其更長(zhǎng)的3-羥基中或者長(zhǎng)鏈（long-chain-length, LCL）脂肪酸（3-hydroxyalkanoates, 簡(jiǎn)稱3HA, 鏈長(zhǎng)C10-C18）共聚物一致是PHA微生物合成的挑戰(zhàn)。人們一直夢(mèng)想構(gòu)建一個(gè)能合成這類共聚物（SCL-co-MCL/LCL PHA共聚物）的合成平臺(tái)，來(lái)探索PHA的多元化結(jié)構(gòu)的邊界。100多年來(lái)，這夢(mèng)想一致是夢(mèng)想。

  近日，清華大學(xué)陳國(guó)強(qiáng)團(tuán)隊(duì)和華南理工大學(xué)葉健文使用合成生物學(xué)的方法，通過(guò)在嗜蟲(chóng)假單胞菌Pseudomonas entomophila中搭建3HB和3HA（C9-C18）合成基因模塊，并進(jìn)行代謝通量調(diào)控, 成功獲得了SCL-co-MCL/LCL PHA共聚物的定制化合成平臺(tái)（圖1）。

圖1. 新型短中長(zhǎng)鏈共SCL-co-MCL/LCL PHA共聚物合成平臺(tái)

  左邊模塊為3HB 合成代謝路徑，右邊為部分刪除了beta-氧化途徑的中長(zhǎng)鏈3HA合成基因模塊。低特異性的PHA合成酶PhaC_61-3把3HB與3HA(C9-C18)聚合得到多種共聚物。

  研究團(tuán)隊(duì)選取了天然能利用脂肪酸的嗜蟲(chóng)假單胞菌作為底盤細(xì)胞，構(gòu)建和表征了一系列組成型和誘導(dǎo)型啟動(dòng)子，為后續(xù)代謝途徑關(guān)鍵基因的表達(dá)調(diào)控提供了穩(wěn)定、可控的標(biāo)準(zhǔn)化元件。具體的代謝途徑改造包括：1）敲除部分β-氧化循環(huán)途徑和阻斷脂肪酸從頭合成途徑，實(shí)現(xiàn)從不同脂肪酸底物到對(duì)應(yīng)MCL/LCL PHA單體的碳原子守恒的生物轉(zhuǎn)化；2）引入外源的短鏈PHA單體3HB（3-羥基丁酸）的合成途徑（phaA-phaB）；3）引入低特異性PHA聚合酶編碼基因（phaC_61-3）；4）對(duì)不同來(lái)源的基因及其表達(dá)模塊的代謝通量進(jìn)行組合優(yōu)化。最終，當(dāng)以葡萄糖作為單一碳源時(shí)，PHA中3HB含量提高約55%（圖2）。

圖2. 基因表達(dá)模塊的代謝通量調(diào)諧優(yōu)化

  選用不同的3HB合成基因phaA和phaB并進(jìn)行不同組合, 在聚合酶PhaC作用下，在嗜蟲(chóng)假單胞菌里實(shí)現(xiàn)了不同含量的聚-3-羥基丁酸（PHB）的合成，PHB的合成影響了細(xì)胞生長(zhǎng)（表現(xiàn)為Cell Dry Weight，簡(jiǎn)稱CDW）。3HB組成在PHA比例越大，材料硬度越高，細(xì)胞干重CDW也越大。而C9-C18的3HA單體給PHA共聚物提供了強(qiáng)度和韌性。

  利用優(yōu)化后的嗜蟲(chóng)假單胞菌工程底盤，團(tuán)隊(duì)分別以葡萄糖與不同碳原子數(shù)的脂肪酸作為混合碳源，首次成功合成了一系列可以定制化的新型SCL-co-MCL/LCL PHA共聚物（其中SCL PHA單體為3HB，MCL/LCL單體為碳原子數(shù)9-18的3-羥基脂肪酸，即MCL/LCL 3HA）（圖3），并完成熱力學(xué)性能表征，而且產(chǎn)量相較以往研究提升顯著，PHA共聚物含量超過(guò)60 wt%。經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析（TEA）測(cè)算，該平臺(tái)可使得新型PHA共聚物的綜合生產(chǎn)成本大幅度降低。該平臺(tái)也被證實(shí)能實(shí)現(xiàn)含不飽和脂肪酸側(cè)鏈的PHA共聚物的高效合成，為PHA的化學(xué)修飾改性，以及無(wú)限想象空間的修飾帶來(lái)的結(jié)構(gòu)多樣性。

圖3. 嗜蟲(chóng)假單胞菌工程菌合成SCL-co-MCL/LCL PHA共聚物的合成及氣相色譜驗(yàn)證分析

  以上成果發(fā)表在Advanced Materials上 (Adv. Mater. 2021, 2102766)，論文第一作者為清華大學(xué)博士生李夢(mèng)怡，共同第一作者為清華大學(xué)博士生馬悅原，通訊作者為清華大學(xué)陳國(guó)強(qiáng)教授，共同通訊作者為華南理工大學(xué)葉健文副教授。

  論文鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.202102766