利用合成生物技术高效合成大肠杆菌新型scl-mcl PHA的基础研究

One of the keypoints in need of breakthrough at present is reconstructing organism rationally by synthetic biological technologies and strategies of biosystems engineering to solve the major issues in the fields of biomedicine, biofuels and biomaterials. The superior performance of PHA copolymer made it the challenging research and attracted a lot of attention in green copolymer biosynthesis. This study introduces the thinking of modules and systems engineering design from synthetic biology into short-chain-length-co-medium-chain-length PHA (scl-mcl PHA) copolymer biosynthesis in Escherichia coli. We implant the modules of even- numbered monomers and odd-numbered monomers into the well-characterized E. coli chassis via modular pathway engineering and space modular transformation. By high intermodular compatibility and suitability among modules and chassis, new types of non-natural PHA copolymers as bio-based materials with even-numbered and odd- numbered monomers will be obtained efficiently from the single carbon source- glucose. It can be discovered that the correlation between modular optimization in the artificial biological system and even-numbered or odd-numbered monomer biosynthesis and the critical node of high production of PHA in E. coli by analysis and test of metabolic products. It also lays foundation for scl-mcl PHA bio-manufacturing suitable for different fields.

利用合成生物技术和生物系统工程策略对生物体进行理性改造，以解决生物医药、能源及生物材料等领域的重大问题是目前亟需突破的关键之一。聚羟基脂肪酸酯(简称PHA)因具有多种优良性能而成为绿色聚合物生物合成中富有挑战性且备受关注的研究工作。本项目将合成生物学中的模块化、系统工程化设计思路引入大肠杆菌新型短链-中长链单体共聚PHA(scl-mcl PHA)的合成路径构建中。利用模块途径工程和空间模块化改造，将奇、偶数碳链单体的合成模块植入经优化构建的大肠杆菌“底盘”中，进行模块间及模块与底盘间高适配性的改造，旨在以廉价碳源葡萄糖为唯一底物，高效合成一系列奇、偶数碳链单体共聚的新型非天然生物基材料PHA。利用代谢产物分析检测，揭示人工生物系统中底盘和模块优化与PHA奇、偶数碳链单体合成之间的相关性，解析大肠杆菌高效合成PHA的关键节点，为实现适用于不同领域的scl-mclPHA的生物制造奠定基础。

一、项目背景：. 随着石油化石燃料等资源的不断消耗以及石化塑料造成的环境污染日益加剧，使得生物基材料的开发与合成备受关注。聚羟基脂肪酸酯（polyhydroxyalkanoate，简称PHA）因具有生物可降解性、生物兼容性、可再生性等优良性能，而被越来越广泛地用作环境友好型的生物基材料，以替代传统的石油基塑料。. 鉴于传统的中长链PHA（mcl-PHA）、短链-中长链单体共聚PHA（scl-mcl PHA）的单体结构和组成难以调控、生产成本较高、工业生产得率较低，而且已有的PHA种类单一、应用范围有限，因此亟待开发合成广泛适用于生物材料、精细化工、医药营养、微生物抗逆领域的新型PHA。而PHA的奇数碳链单体具有独特的优良性能，掺入不同链长奇数碳链单体的新型PHA的开发与研究能够满足上述需求，填补目前国际上该研究领域的空白，具有重要的理论价值和广阔的产业化前景。因此，本研究立足市场、面向市场，力图打造在性能和成本方面超越石化产品的新型生物基材料即不同链长的奇、偶数碳链单体共聚的非天然PHA，将针对重组大肠杆菌高效合成PHA的关键问题进行研究。.二、主要研究内容. 1.奇、偶数碳链单体共聚PHA合成模块的构建；. 2.以葡萄糖为碳源合成含奇数碳链单体PHA的大肠杆菌“底盘”的优化构建；. 3.人工设计模块的组装、优化及适配性研究；. 4.偶数碳链单体和奇数碳链单体共聚的新型PHA的高效生物合成。.三、重要结果、关键数据及其科学意义. 1.成功构建了奇、偶数碳链单体共聚mcl-PHA、scl-mcl PHA的合成模块；. 2.成功构建了能够合成含奇数碳链单体PHA的大肠杆菌LZ08、LZ09和LZ10菌株等；. 3.对人工设计模块进行组装、优化和适配性研究；. 4.高效合成新型PHA，合成约占细胞干重10.61%的mcl-PHA和7.90%的scl-mcl PHA。. 本项目的研究成果进一步拓展了PHA组的研究范围。同时，大肠杆菌“底盘”的优化改造为利用合成生物技术构建遗传稳定、高效合成高附加值产品的通用微生物细胞工厂奠定了坚实基础。因此，本研究对国民经济和社会发展具有深远影响和重大意义。

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