微生物聚羥基脂肪酸酯的應用新進展

陳國強

(清華大學生命科學學院，北京100084)

微生物聚羥基脂肪酸酯的應用新進展

陳國強

(清華大學生命科學學院，北京100084)

生物制造產業系包括生物燃料、生物材料和生物化學品的產業，近來也稱為“白色生物技術”。由于國內外對有關不依賴于石油原料、環保以及二氧化碳減排和可再生資源的利用等產業的重視，生物制造產業得到了快速發展的機會。聚羥基脂肪酸酯(簡稱PHA)擁有優良的生物可降解性、生物相容性和光學性能，是當今生物制造的重點之一。經過數十年的努力，PHA已經成長為一個包括工業發酵、環保材料、生物燃料和醫用植入材料等的產業鏈。綜述了聚羥基脂肪酸酯的應用新進展及國內發展現狀。

聚羥基脂肪酸酯;生物制造;環保材料;PHA

1 前言

石油資源的日漸枯竭和環境的高污染是當經社會發展的兩大核心制約因素，日益受到各國政府的高度關注。因此，具有不依賴于石油原料、環保低碳和可再生性等特點的生物制造產業得到了快速發展的機會。生物制造產業包括生物燃料、生物材料和生物化學品等產業，近來也被稱為“白色生物技術”。目前開發的重點集中在下列領域:① 生物燃料:從纖維素獲得生物燃料乙醇、從生物廢棄物獲得生物燃氣(甲烷)和氫氣;②生物材料:生物聚酯如聚羥基脂肪酸酯PHA和聚乳酸PLA等;③生物化學品:如平臺化學品包括乳酸、琥珀酸、1，3-丙二醇、3-羥基丙酸等。

生物聚酯——聚羥基脂肪酸酯(Polyhydroxyalkanoates，PHA)是一種典型的“低碳材料”。它來源于吸收了二氧化碳的植物，形成后可以作為塑料使用，使用后可以轉化為燃料HAME，燃燒后放出的二氧化碳進行光合作用轉化為植物，植物又可以作為PHA發酵原料，如圖1所示。由于具有優異的生物可降解性、生物相容性和可再生性，PHA已成為當今生物制造領域研究和產業化的重點之一。迄今，研究者對于PHA的合成途徑、代謝工程、材料性能和應用等方面進行了系統的研究。國內外相繼建立了與PHA大規模生產相關的20幾家公司(表1)。PHA和相關技術正在形成了一個從發酵、材料、能源到醫學領域的工業價值鏈。

圖1 低碳材料PHA的綠色循環Fig.1 Schematic diagram of green recycle for low carbon materials PHA

表1 全球生產和研究PHA的公司Table 1 Global PHA research and production companies

在國內各級機構支持下，在幾個五年計劃和863計劃支持下，我國在PHA研究的各個領域近年來取得眾多研究成果，相關產業也得到大力發展［1］。目前，國內已形成了8個PHA生產企業，總產能超過1.5萬t，提供了國際市場上所有PHA類型，使我國在PHA產業化的種類和產量方面都處于國際領先地位。下面具體對國內外PHA的應用新進展和國內發展現狀進行分析討論。

2 PHA簡介

PHA由含有羥基的脂肪酸單體組成，單體的羧基與相鄰單體的羥基之間形成酯鍵，分子結構如圖2所示。其中，R可以是烷基、烯基、帶有苯環的烷基、甚至是帶有鹵素的烷基等等。R可以從一個C到12個C不等。另外，根據單體結構的規律性，PHA還可以分為PHA均聚物(Homopolymers)、PHA隨機共聚物(random copolymers)或PHA嵌段共聚物(block copolymers)等。這些不同的結構給PHA帶來了許多熱力學性能，可以滿足一些列不同的應用。

2.1 PHA結構和分類

PHA具有150多種單體結構［2］，其中包括含有3～16個C原子的各種飽和、非飽和、直鏈或支鏈的3-羥基、4-羥基、5-羥基、6-羥基脂肪酸，具有脂肪族或芳香族的側鏈，也可能具有甲基、鹵原子、羥基、環氧基、氰基、羰基、苯基、苯腈基、硝基苯基和酯化羰基等取代基［3］。

圖2 PHA結構通式Fig.2 PHA general molecular structures

根據PHA的單體組成，可將其大致分成以下3類:單體組成在3～5個C原子的PHA稱為短鏈PHA(scl-PHA:short chain length PHA);單體組成在6～16個C原子的PHA稱為中長鏈PHA(mcl-PHA:medium chain length PHA);由短鏈和中長鏈單體共聚形成的短鏈中長鏈共聚 PHA(scl-mcl-PHA)［4］。

按照單體單元的連接方式不同，PHA可大致分為3類:①只含有一種單體的均聚PHA(homopolymer);②由兩種或者更多種單體單元隨機聚合而成無規共聚PHA(random copolymer);③主鏈由兩個或兩個以上的鏈段構成，且每一鏈段只含有一種單體單元的嵌段共聚PHA(block copolymer)［5］。

2.2 PHA的性能

PHA的材料學性質主要是由其單體組成和單體比例決定。依結構單元的組成不同，PHA具有從硬的晶體到軟的彈性體等一系列不同聚合物的性質。短鏈PHA大多數有比較高的結晶度，表現出硬而強的塑料特性;而中長鏈PHA由于結晶度很低，表現出軟而韌的彈性體特征。除了熱塑性之外，PHA還具有生物可降解性，生物相容性，疏水性、光學異構性、壓電性等特殊性能［6］。

與傳統石化塑料相比，PHA的最大優勢就是其環境降解性。PHA的環境降解主要在微生物分泌的胞外酶作用下進行，影響PHA環境降解速率的因素很多:從外部條件來看，主要有環境類型，微生物種群及活力、水分、溫度等方面;從材料自身性質來看，影響其降解速率的因素主要有PHA的分子結構、聚集態結構、材料宏觀形態、第二組分，如添加劑和共混的聚合物等［7］。

2.3 PHA的微生物發酵生產

PHA 由微生物大規模發酵生產，迄今為止，數種PHA，包括聚-3-羥基丁酸酯(PHB)、3-羥基丁酸和3-羥基戊酸共聚物(PHBV)、3-羥基丁酸和4-羥基丁酸共聚物(P3HB4HB)、3-羥基丁酸和3-羥基己酸共聚物(PHBHHx)及中長鏈PHA(mcl PHA)均實現大規模生產(表2)［1］。PHA的生產包括菌種復蘇、搖瓶優化、初級發酵實驗及工廠級放大發酵。PHA的有效微生物生產取決于幾個因素，包括最終細胞密度、細菌生長速率、PHA在細胞干重中的百分比、達到最高細胞密度所需要的時間、底物和產物間的轉化效率以及底物價格及提純PHA的方法。在PHA生產技術的開發不同階段，必須考慮以上的因素。

此外，針對于特定的用途，PHA還應該有合適的性能，這些性能包括合適的分子量、由單體結構和組成及PHA生產條件共同決定的機械性能和熱力學性能等?；蚬こ?，分子進化，合成生物學及PHA生產條件操控等技術，被大量地應用于生產具有特異結構和超高分子量的PHA。野生型細菌和重組細菌均用于各種PHA的大規模生產(表2)［1］。對于大規模應用來說，PHA生產成本必須足夠低，否則，PHA無法進入市場。

表2 用于PHA實驗或大規模生產的野生菌株和工業化菌種Table 2 Wild type and industrial strains used for pilot or large scale PHA production

3 PHA的應用

3.1 PHA作為生物燃料的應用

張曉軍等研究者發現，PHA包括PHB和mcl PHA可分別通過酸水解催化轉化為R-3-羥基丁酸甲酯(3HBME)及中鏈羥基甲酯(3HAME)(圖3)。研究顯示3HBME和3HAME的燃燒熱分別為20 kJ/g和30 kJ/g。乙醇的燃燒熱為27 kJ/g，加入3HBME或 3HAME后，可分別將乙醇的燃燒熱提升為30 kJ/g和35 kJ/g。在正丙醇和正丁醇中加入3HBME或3HAME后，可導致燃燒 熱 的 輕 微 降 低。3HBME/柴 油，3HBME/汽 油，3HAME/汽油等混合燃料的燃燒熱低于汽油柴油等純燃料，但作為燃料來說是合理的。粗略估計，由廢水和活性淤泥等為原料的PHA制得的生物燃料的生產價格約為1 200$/t［8］。包括酒精和生物柴油在內的生物燃料，始終存在“糧食或者燃料”及“燃料或者耕地”等爭論，而源于廢水和活性淤泥的PHA生物燃料的生產，是具有廢水處理和能源生產雙重功效的過程。這也使PHA在能源方面的應用開辟了新的領域。

圖3 PHA甲酯化降解生成生物燃料3HBME和3HAMEFig.3 Biofuels 3HBME and 3HAME derived from methyl esterification of PHA

3.2 PHA作為生物可降解塑料的應用

最初，德國的Wella AG公司使用PHA制作日常用品及包裝材料。PHA也被P＆G、Biomers、Metabolix及其它的一些公司開發為包裝膜，主要用于購物袋，集裝箱和紙張涂料和一次性的用品，例如剃面刀，器皿，尿布，女性衛生產品，化妝品容器和杯子及醫療器械手術服，家居裝飾材料，地毯，包裝袋和堆肥袋等［1］。

PHB纖維具有高抗張強度，可經在玻璃化溫度附近等溫結晶制得。延長PHB纖維等溫結晶的時間可導致最大拉伸比的降低。當同溫結晶的時間延長至24 h以上時，PHA纖維的抗張強度顯著提高［9－10］。低分子量的拉伸纖維的抗張強度大于高分子量的。等溫結晶化處理后再進行拉伸的PHB具有導向性的α晶體形式和平面之字形的β晶體結構。Vogel等在熔融紡絲過程中，嘗試利用過氧化氫進行反應擠出。他們成功地提高了材料的結晶度并阻止了纖維中的二次結晶。這些加工方法克服了PHA的脆性，生產出機械性能更強的PHA纖維。通過向PHB結構中摻入不同摩爾分數的4HB，3HV或者中長鏈單體獲得的共聚PHA，其韌性和彈性獲得大幅度提高(表3)，具有更廣闊的應用前景。

表3 PHA與傳統聚合物塑料性能的比較Table 3 Comparison of PHA and conventional plastics regarding properties

3.3 PHA作為醫用植入材料的應用

研究者對 PHB，PHBV，P3HB4HB，P4HB，聚-3-羥基辛酸P3HO(poly-R-3-hydroxyoctanoate)和PHBHHx等PHA材料在縫線、修復裝置、維修補丁、繃帶、心血管補丁、骨科針、防粘連膜、支架、引導組織修復/再生設備、關節軟骨修復支架、神經導管、肌腱修復裝置、脊髓支架、人造食道及傷口敷料等方面的應用進行了開發［11］。美國波士頓的Tepha公司專門研究心包補片，動脈增強，心臟支架，血管移植物，心臟植入物和補片，縫合線，輔料劑，隔離粉和藥物等。他們的P4HB以PHA4400為名字作為醫用材料進入市場［12］。近期研究顯示，PHBHHx因其良好的壓電性而被成功地用于促進骨骼再生。研究者對于PHBHHx在神經損傷的修復和人工血管方面的應用也加以開發(圖4)［13］。此外，研究者還發現PHA的寡聚物具有營養和治療的功效［14］。

Shishatskaya等人發現，在長于1年的試驗期中，PHB和PHBV單纖維縫合沒有造成植入區的體內任何不良反應，在對于PHBHHx的研究中也發現了類似的現象［15］。PHBHHx的最重要的性質之一是作為植入生物材料是無毒、無免疫刺激特性，而且其降解產物包括單體和低聚物，甚至激活Ca離子通道并促進受損組織再生［16］。美 國 Tepha公 司 以 P4HB 為 原 料 生 產 的TephaFLEX?可吸收縫合線產品于2007年獲得美國食品與藥品管理局(FDA)的美國上市批準。更多PHA生物材料將很快進入臨床試驗。因為PHA材料的多樣性，人們可以期望PHA成為一個具有豐富用途的生物植入材料家族。

圖4 PHBHHx電紡絲膜和神經導管支架的SEM像:(a)PHBHHx納米纖維，(b)PHBHHx神經導管Fig.4 SEM images of PHBHHx electric spinning films and its neuron conduits:(a)PHBHHx nanofibers and(b)PHBHHx neuron conduit

3.4 PHA作為手性單體的生產和應用

如果細胞在C源限制培養條件下生長，所積累的PHA可降解為單體，可作為C源和能量來源被細菌重新利用，也可用于產生PHA單體［17］。隨著越來越多的新的PHA單體的被發現，PHA已經成為獲得手性化合物的新來源。

各種光學純的(R)-3-羥基烴酸(R-HA)可以通過解聚生物合成的PHA很方便的制得。PHB在添加二氯乙烷和甲醇的條件下，經不同催化反應條件可化學降解生產(R)-3-羥基丁酸(R-3HB)或(R)-3-羥基丁酸甲酯［18］。Roo等通過水解假單胞菌生產聚羥基鏈烷酸酯制備手性的(R)-3-羥基烴酸和(R)-3-羥基烴酸甲酯［17］。他們首先水解回收醇解后的PHA，然后蒸餾3-羥基烴酸甲酯混合物，分成幾個組分。隨后，將(R)-3-羥基烴酸甲酯皂化產生相應的羥基烴酸，RHA的最終產量高達92.8%。

Lee和同事證明，R-3HB可以在有效地通過提供適當的環境條件后，在體內產生的解聚合作用下產生。他們在針對Alcaligenes latus的研究中發現，降低pH值至3～4，能誘導細胞內的PHB解聚酶達到最高活性，并且阻止了細胞重新利用(R)-3HB［19］。Ren等將惡臭假單胞菌素細胞懸浮在不同pH值磷酸鹽緩沖液中。當pH值為11，降解和單體釋放速率最高。在這種條件下，(R)-3-羥基辛酸(R-3HO)和(R)-3-羥基己酸 (R-3HHx)在培養9 h后降解的效率超過90%，相應單體的產量也超過90%。在相同條件下，相比于飽和單體，不飽和單體的降解產率較低［20］。

PHA來源的單體RHA含有手性中心及兩個易于修改的功能團(－OH和－COOH)。因此，RHA的一個重要的應用是作為單體合成高分子材料，并作為合成精細化學品如抗生素，維生素，芳烴和信息素的起始原料［21］。

最常見的PHA單體成員，即(R)-3HB已被用作生產碳青霉烯類抗生素和大環內酯的原料。(R)-3HB一個最大的優點是，人類對它具有良好的耐受性，其在體內半衰期短。因此，(R)-3HB可直接用作口服藥物。最近，(R)-3HB已應用于治療失血性休克，大面積燒傷，心肌損傷，腦缺氧及帕金森等。(R)-3HB能降低人類因老年癡呆癥和帕金森神經元細胞模型的死亡率，能改善角膜上皮糜爛。此外，研究發現(R)-3HB能顯著改善小鼠的記憶［22］。

(R)-3HB對于體外成骨細胞的生長有積極的促進影響，并可用于體內骨質疏松癥的治療。我們的研究結果發現，(R)-3HB能增加血清堿性磷酸酶活性和鈣沉積，降低血清骨鈣素，防止骨密度降低，從而提高股骨最大載荷和骨變形抗力，以及改善骨小梁體積［23］。

到目前為止，大多數PHA單體應用的開發，基于來源充足的(R)-3HB。若其他的手性單體有了充足的來源，那么新的手性(R)-3HA的醫療應用將迅速出現。這是一個很有潛力的領域。

3.5 利用PHA合成機制提高微生物的適應性

有許多關于PHA生理功能的報道，主要是圍繞如Ca源缺乏、干燥、紫外線輻射、高滲透壓和存在有機溶劑等生存不利的條件下提高存活能力。

另據報道，有能力積累PHB的細菌更適應突然增加的底物濃度。最近，Zhao等人比較了PHBHHx產生菌嗜水氣單胞菌A.hydrophila 4AK4及其相應PHBHHx合成酶PhaC突變菌株(稱為A.hydrophila CQ4)的生存能力［24］。清華大學的研究結果發現，野生型的4AK4可提供更好的抵抗環境壓力，包括冷熱處理，過氧化氫，紫外線輻射，乙醇處理，高滲透壓等。實時聚合酶鏈反應研究表明，PHBHHx的合成可提高γροS編碼的Sigma因子表達水平。因此，有可能利用PHA來改進一些工業微生物的耐受性。

此外，PHA合成消耗大量的乙酰輔酶A和NADH，可用于調節某些微生物的代謝，促進產物形成。例如，獸疫鏈球菌Streptococcus zooepidemicus是一個生產化妝品透明質酸的重要菌株。當R.eutropha的PHB合成基因phbCAB轉入獸疫鏈球菌中時，重組菌只產生40 g/L的乳酸和7.5 g/L的透明質酸，而野生型產生了65 g/L的乳酸和5.5 g/L的透明質酸［25］。本研究成功證明，與PHA合成有關的能源和C源代謝，可應用于調節其他代謝產物的途徑。

Han等人分析和比較了大腸桿菌在PHB合成和非PHB合成條件下的抗性蛋白質生成情況［26］，為PHA的合成與增強抗逆性有關的分子提供了證據。當分析重組菌株的蛋白質二維電泳圖時發現，3個熱休克蛋白Gro-EL，GroES和DanK在有PHB的積累時顯著上調。積累的PHB也誘導了其他與抗性蛋白有關的基因的加強表達。這很好地說明了引入PHA的合成加強了大腸桿菌抗逆性，有助于提高菌株的耐受性。

以上研究結果清楚地說明，PHA的合成能提高非PHA生產菌株的抗壓能力，相關的合成機制可借用來改善在不斷變化的包括溫度、pH值、底物類型和濃度等環境壓力下工作的非PHA生產菌的生產能力。

3.6 PHA顆粒表面蛋白的應用

圖5 胞內PHA顆粒結構示意圖Fig.5 Structural schematic diagram of a PHA intracellular granule

幾種蛋白質被發現位于胞內PHA顆粒的表面(圖5)［27］。在這些蛋白質中，PHA合成酶可以通過其N-末端與β-半乳糖苷酶融合，實現與β-半乳糖苷酶共價固定在PHA微球上。同樣，無論是PHA解聚酶的底物結合域，還是其他PHA合成調節酶PhaF或PhaP(PHA顆粒相關蛋白)的N-末端結構域，都可以被用來把融合蛋白錨定在PHA微球上。已證實 PHA合成調節蛋白PhaR有兩個不同的結果域，分別與 DNA和PHB結合［28］，PhaR可以吸附于各種疏水性聚合物，如PHB，PLA，聚乙烯PE和聚苯乙烯等。這種吸附主要是非特異性疏水作用。Banki等開發出了一種以菜豆凝血素和目標蛋白之間自我裂解的內含融合為基礎的新型重組蛋白純化系統，融合蛋白對細胞自身產生的PHB微粒有親和力［29］。通過收集吸附有重組蛋白的PHB顆粒，內含自我剪切酶導致重組蛋白的釋放。這個PHB蛋白純化系統應用便捷和廉價。

王芝輝等利用一種pH誘導的自剪切內含子和PHA納米顆粒開發出了一種新型蛋白質純化方法(圖6)。產生靶蛋白的基因和內含子與PhaP是融合的，這些基因在胞內共同過表達。重組大腸桿菌產生的含有目的蛋白及內含子和PhaP的融合蛋白，通過細菌溶解過程與所有其他大腸桿菌的蛋白質一起釋放。然后在體外吸附到表面疏水的聚合物納米粒上。吸附有融合蛋白的微米或納米粒子，經離心濃縮，然后純化的目的蛋白被自我剪切的內含子釋放，通過一個簡單的離心過程與微米或納米粒子分離。該系統已成功地用于生產和純化增強型綠色熒光蛋白(EGFP)、麥芽糖酶結合蛋白(MBP)和β-半乳糖苷。此方法使低成本生產和純化高附加值的蛋白成為可能［30］。

圖6 一種基于pH誘導的自剪切內含子和PHA納米顆粒和顆粒結合蛋白的新型蛋白質純化方法:(a)結構示意圖，(b)蛋白純化流程Fig.6 A protein purification method based on pH induced intein and PHA granule binding proteins:(a)structure illustration and(b)flowsheet of protein purification

4 國內PHA產業發展現狀

我國在PHA領域的研究在世界范圍內是最活躍的，特別是清華大學和中科院?；A研究的活躍開展，進一步促進了我國PHA產業的發展，這就解釋了我國目前具有世界最多的PHA產業化企業的原因。

我國在研究、開發和應用可持續發展的環境友好生物材料已經奠定了堅實的基礎，包括長春應用化學研究所、清華大學、天津大學和山東大學等單位，在聚羥基脂肪酸酯PHA領域的研發工作以及國內業已形成1.5萬t PHA的生產能力，這為PHA產業鏈的形成做好了技術和物質儲備(圖7)。特別是最近天津國韻生物材料公司與荷蘭DSM公司等合作投資2 000萬美元建立一個1萬t的PHA的工廠，目前產能僅次于美國Metabolix和ADM合作在建的5萬t工廠。

除了在產業化方面取得成功之外，在國家自然科學基金的支持下，我國還克隆了20個以上與生物聚酯PHA合成有關的基因，合成了15種非傳統的PHA材料，開發了PHA加工成形的工藝技術。同時，在植物體系也成功地表達了一種聚酯。在“九五”期間，我國在天津、浙江、江蘇和廣東分別進行了PHA材料的中試和工業化生產，取得了寶貴的產業化經驗。目前在山東、江蘇、浙江和天津正在進行產業化生產基地的擴大建設，總產能將超過10萬t。

在專利方面，至2009年底國內外有關PHA的專利共881個，其中我國擁有64個，清華大學占其中21個。

圖7 PHA產業鏈Fig.7 PHA industrial value chain

5 結語

聚羥基脂肪酸酯PHA具有與傳統石化塑料如聚乙烯、聚丙烯等類似的材料學性質，同時PHA可由碳水化合物、脂肪酸等可再生資源合成，并且在環境中可以完全降解進入自然界生態循環，因此被認為是一種環境友好的“綠色塑料”，具有替代傳統不可降解塑料的前景。PHA多種的單體結構，產生材料性能的多樣性:從堅硬質脆的硬塑料到柔軟的彈性體，因而比其他生物可降解材料具有更廣闊的應用領域。PHA材料由于具有良好的組織相容性，可用于醫用植入材料和藥物緩釋材料。PHA單體的立體特異性以及羥基、羧基等活性位點，使其可以作為精細化工合成品的起始原料;一些HA單體還具有特殊的生物學活性和醫療應用前景。PHA合成機制的引進可以提高微生物的適應性，增加抗逆性。近年來又不斷開發出PHA作為生物燃料、蛋白純化系統，藥物特異輸送系統等多種應用。PHA領域已經形成了一條包含農業、發酵、塑料、包裝、生物燃料、精細化工、醫藥和營養的產業價值鏈。PHA生產成本的降低、生產和應用的規?；约伴_發出更多更成熟的高附加值應用需要微生物學家，遺傳學家，植物學家，化學家，高分子科學家，化學工程師，生物技術，醫學科學家，政府機構和工業界等跨領域的通力合作。

References

［1］Chen Guoqiang(陳國強).A Microbial Polyhydroxyalkanoates(PHA)Based Bio-and Materials Industry［J］.Chemical Society Reviews，2009，38:2 434－2 446.

［2］Sudesh K，Abe H，Doi Y.Synthesis，Structure and Properties of Polyhydroxyalkanoates:Biological Polyesters［J］.Progress in Polymer Science，2000，25:1 503 －1 555.

［3］Steinbüchel A，Valentin H E.Diversity of Bacterial Polyhydroxyalkanoic Acids［J］.FEMS Microbiology Letters，1995，128:219 －228.

［4］Reddy C S K，Ghai R，Rashmi，etal.Polyhydroxyalkanoates:an Overview［J］.Bioresource Technology，2003，87:137 －146.

［5］Abe H，Doi Y，Kumagai Y.Synthesis and Characterization of Poly［(R，S)-3-Hydroxybutyrate-β-6-Hydroxyhexanoate］as a Compatibilizer for a Biodegradable Blend of Poly［(R)-3-Hydroxybutyrate］and Poly(6-Hydroxyhexanoate)［J］.Macromolecules，1994，27:6 012－6 017.

［6］Steinbüchel A，Lutke-Eversloh T.Metabolic Engineering and Pathway Construction for Biotechnological Production of Relevant Polyhydroxyalkanoates in Microorganisms［J］.Biochemical Engineering Journal，2003，16:81 －96.

［7］Gao Haijun(高海軍)，Chen Jian(陳 堅)，Du Guochen(堵國成)，etal.聚β－羥基丁酸(PHB)降解的研究和展望［J］.Journal of Wuxi High Industry University(無錫輕工大學學報)，1996，15:174－178.

［8］Zhang X J，Luo R C，Wang Z，etal.Application of(R)-3-Hydroxyalkanoate Methyl Esters Derived from Microbial Polyhydroxyalkanoates as Novel Biofuels［J］. Biomacromolecules，2009，10:707－711.

［9］Mikova G，Chodak I.Properties and Modification of Poly(3-Hydroxybutanoate)［J］.Chemicke Listy，2006，100:1 075 －1 083.

［10］Tanaka T，Yabe T，Teramachi S，etal.Mechanical Properties and Enzymatic Degradation of Poly［(R)-3-Hydroxybutyrate］Fibers Stretched after Isothermal Crystallization Near T-g［J］.Polymer Degradation and Stability，2007，92:1 016 －1 024.

［11］Chen G Q，Wu Q.The Application of Polyhydroxyalkanoates as Tissue Engineering Materials［J］.Biomaterials，2005，26:6 565－6 578.

［12］Martin D P，Williams S F.Medical Applications of Poly-4-Hydroxybutyrate:a Strong Flexible Absorbable Biomaterial［J］.Biochemical Engineering Journal，2003，16:97 －105.

［13］Bian Y Z，Wang Y，Aibaidoula，etal.Evaluation of Poly(3-Hydroxybutyrate-co-3-Hydroxyhexanoate)Conduits for Peripheral Nerve Regeneration［J］.Biomaterials，2009，30:217 － 225.

［14］Martin D P，Peoples O P，Williams S F，etal.Nutritional and Therapeutic Uses of 3-Hydroxyalkanoate Oligomers.US 359086［P］，1999.

［15］Qu X H，Wu Q，Zhang K Y，etal.In Vivo Studies of Poly(3-Hydroxybutyrate-co-3-Hydroxyhexanoate)Based Polymers:Biodegradation and Tissue Reactions［J］.Biomaterials，2006，27:3 540-3 548.

［16］Cheng S，Chen G Q，Leski M，etal.The Effect of D，L-Beta-Hydroxybutyric Acid on Cell Death and Proliferation in L929 Cells［J］.Biomaterials，2006，27:3 758 － 3 765.

［17］De Roo G，Kellerhals M B，Ren Q，etal.Production of Chiral R-3-Hydroxyalkanoic Acids and R-3-Hydroxyalkanoic Acid Methylesters via Hydrolytic Degradation of Polyhydroxyalkanoate Synthesized by Pseudomonads［J］.Biotechnology and Bioengineering，2002，77:717－722.

［18］Seebach D，Beck A K，Breitschuh R，etal.Direct Degradation of the Biopolymer Poly［(R)-3-Hydroxybutyric Acid］to(R)-3-Hydroxybutanoic Acid and Its Methyl Ester［J］.Organic Syntheses，1993，71:39.

［19］Lee S Y，Lee Y，Wang F L.Chiral Compounds from Bacterial Polyesters:Sugars to Plastics to Fine Chemicals［J］.Biotechnology and Bioengineering，1999，65:363－368.

［20］Ren Q，Grubelnik A，Hoerler M，etal.Bacterial Poly(Hydroxyalkanoates)as a Source of Chiral Hydroxyalkanoic Acids［J］.Biomacromolecules，2005，6:2 290 － 2 298.

［21］Ruth K，Grubelnik A，Hartmann R，etal.Efficient Production of(R)-3-Hydroxycarboxylic Acids by Biotechnological Conversion of Polyhydroxyalkanoates and Their Purification［J］.Biomacromolecules，2007，8:279－286.

［22］Zou X H，Li H M，Wang S，etal.The Effect of 3-Hydroxybutyrate Methyl Ester on Learning and Memory in Mice［J］.Biomaterials，2009，30:1 532－1 541.

［23］Zhao Y，Zou B，Shi Z，etal.The Effect of 3-Hydroxybutyrate on the in Vitro Differentiation of Murine Osteoblast MC3T3-E1 and in Vivo Bone Formation in Ovariectomized［J］.Biomaterials，2007，28:3 063－3 073.

［24］Zhao W，Chen G Q.Production and Characterization of Terpolyester Poly(3-Hydroxybutyrate-co-3-Hydroxyvalerate-co-3-Hydroxyhexanoate)by Recombinant Aeromonashydrophila 4AK4 Harboring Genes PhaAB［J］.Process Biochemistry，2007，42:1 342 －1 347.

［25］Zhang J Y，Hao N，Chen G Q.Effect of Expressing Polyhydroxybutyrate Synthesis Genes(phbCAB)in Streptococcus Zooepidemicus on Production of Lactic Acid and Hyaluronic Acid［J］.Applied Microbiology and Biotechnology，2006，71:222 －227.

［26］Liu Q，Ouyang S P，Kim J.The Impact of PHB Accumulation on L-Glutamate Production by Recombinant Corynebacterium Glutamicum［J］.Journal of Biotechnology，2007，132:273 －279.

［27］Rehm B H.Biogenesis of Microbial Polyhydroxyalkanoate Granules:a Platform Technology for the Production of Tailor-Made Bioparticles［J］.Current Issues in Molecular Biology，2007，9:41－62.

［28］Yamashita K，Yamada M，Numata K，etal.Nonspecific Hydrophobic Interactions of a Repressor Protein，PhaR，with Poly［(R)-3-Hydroxybutyrate］Film Studied with a Quartz Crystal Microbalance［J］.Biomacromolecules，2006，7:2 449 － 2 454.

［29］Banki M R，Gerngross T U，Wood D W.Novel and Economical Purification of Recombinant Proteins:Intein-Mediated Protein Purification Using in Vivo Polyhydroxybutyrate(PHB)Matrix Association［J］.Protein Science，2005，14:1 387 －1 395.

［30］Wang Z H，Wu H N，Chen J，etal.A Novel Self-Cleaving Phasin Tag for Purification of Recombinant Proteins Based on Hydrophobic Polyhydroxyalkanoate Nanoparticles［J］.Lab on a Chip，2008，8:1 957－1 962.

Recent Progress in Application of Microbial Polyhydroxyalkanoates

CHEN Guoqiang
(Department of Biological Science and Biotechnology，Tsinghua University，Beijing 100084，China)

Biomanufacturing industry includes biofuels，biomaterials and biochemicals，and it is also called“white biotechnology”.Due to recent policy to promote industries independent of petroleum，CO2reduction and environmentally friendliness，biomanufacturing develops very fast.Being a family of biopolyesters with biodegradability，biocompatibility and chirality;microbial polyhydroxyalkanoates(PHA)has become one of the focuses of biomanufacturing today.Over the past several decades，PHA has been developed into an industrial value chain ranging from industrial fermentation，bioplastics，and biofuels to medical implant materials.In this review，we describe the most recent PHA developments including new applications both in China and aboard.

polyhydroxyalkanoates;biomanufacturing industry;Bioplastics;PHA

R318.08

A

1674－3962(2012)02－0007－09

2011－12－09

陳國強，男，1963年生，教授、博士生導師