可再生的非食品生物質(zhì)可能潛在地取代石化原料，以生產(chǎn)能源，有用的化學(xué)品或大量基于石油的最終產(chǎn)品，如塑料，潤(rùn)滑劑，油漆，肥料和維生素膠囊。近年來(lái)，將非食用生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為燃料，熱能，動(dòng)力，化學(xué)品和材料的生物精煉廠作為減少對(duì)化石燃料依賴的可持續(xù)替代品而受到極大關(guān)注。

由韓國(guó)高等科學(xué)技術(shù)研究院(KAIST)化學(xué)與生物分子工程系的杰出教授Sang Yup Lee領(lǐng)導(dǎo)的韓國(guó)研究小組建立了一個(gè)生物精煉系統(tǒng)，用天然來(lái)源制造非天然聚合物，制造各種塑料以環(huán)保和可持續(xù)的方式。研究結(jié)果于2016年3月7日在線發(fā)表在Nature Biotechnology上。印刷版將于2016年4月發(fā)布。

該研究團(tuán)隊(duì)采用系統(tǒng)代謝工程方法開(kāi)發(fā)了一種微生物，可以生產(chǎn)多種非天然的，生物醫(yī)學(xué)上重要的聚合物，并成功合成聚(乳酸 - 共 - 乙醇酸)(PLGA)，這是一種兩種不同聚合物單體的共聚物，乳酸和乙醇酸。PLGA是可生物降解的，生物相容的且無(wú)毒的，并且已廣泛用于生物醫(yī)學(xué)和治療應(yīng)用，例如手術(shù)縫合線，假體裝置，藥物遞送和組織工程。

靈感來(lái)自聚羥基鏈烷酸酯(PHAs)的生物合成過(guò)程，生物衍生的聚酯通過(guò)糖或脂質(zhì)的細(xì)菌發(fā)酵自然產(chǎn)生，研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)直接從大腸桿菌中的碳水化合物進(jìn)行微生物發(fā)酵設(shè)計(jì)了PLGA生物合成的代謝途徑(E)大腸桿菌菌株。

該團(tuán)隊(duì)先前報(bào)道了一種重組大腸桿菌生產(chǎn)PLGA，通過(guò)使用乙醛酸分流途徑從葡萄糖生成乙醇酸，其專利KR10-1575585-0000(申請(qǐng)日為2011年3月11日)，US08883463和JP5820363中公開(kāi)。 。然而，他們發(fā)現(xiàn)PLGA的聚合物含量和乙醇酸酯含量不能通過(guò)進(jìn)一步的工程技術(shù)得到顯著提高。因此，在這項(xiàng)研究中，該團(tuán)隊(duì)引入了異源途徑從木糖生產(chǎn)乙醇酸，并成功開(kāi)發(fā)了重組大腸桿菌生產(chǎn)PLGA和各種新型共聚物更有效。

為了通過(guò)直接從碳水化合物中進(jìn)行微生物發(fā)酵來(lái)生產(chǎn)PLGA，該團(tuán)隊(duì)將外部和工程酶作為催化劑共聚合PLGA，同時(shí)為生物合成建立了一些額外的代謝途徑，以產(chǎn)生一系列不同的非天然聚合物，一些用于第一次。這種用于PLGA和其他聚合物的生物基合成方法可以替代現(xiàn)有的復(fù)雜化學(xué)品生產(chǎn)，其涉及前體的制備和純化，化學(xué)聚合方法和金屬催化劑的消除。

Lee教授及其團(tuán)隊(duì)對(duì)大腸桿菌細(xì)胞進(jìn)行了計(jì)算機(jī)基因組規(guī)模的代謝模擬，以預(yù)測(cè)和分析由引入外部代謝途徑引起的細(xì)胞代謝通量的變化?；谶@些結(jié)果，通過(guò)消除負(fù)責(zé)副產(chǎn)物形成的基因并增強(qiáng)某些基因的表達(dá)水平來(lái)操縱基因以優(yōu)化代謝通量，從而實(shí)現(xiàn)靶聚合物的有效產(chǎn)生以及刺激細(xì)胞生長(zhǎng)。

該團(tuán)隊(duì)利用關(guān)鍵合成酶PHA合酶的廣泛底物特異性的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，將各種共聚單體與不同長(zhǎng)度的主鏈和側(cè)鏈結(jié)合。這些單體通過(guò)代謝工程在細(xì)胞內(nèi)產(chǎn)生，然后共聚以改善PLGA的材料性質(zhì)。結(jié)果，生產(chǎn)了具有不同單體組成的各種PLGA共聚物，例如美國(guó)食品和藥物管理局(FDA)批準(zhǔn)的單體，3-羥基丁酸酯，4-羥基丁酸酯和6-羥基己酸酯。還制備了新應(yīng)用的生物塑料，例如5-羥基戊酸鹽和2-羥基異戊酸鹽。

該團(tuán)隊(duì)采用系統(tǒng)代謝工程應(yīng)用，據(jù)研究人員稱，這是PGLA生物生產(chǎn)的第一個(gè)成功實(shí)例，以及通過(guò)代謝工程大腸桿菌的一步直接發(fā)酵生產(chǎn)可再生生物質(zhì)的幾種新型共聚物。

李教授說(shuō)，

“我們提出了重要發(fā)現(xiàn)，非天然聚合物，如常用于藥物輸送或生物醫(yī)學(xué)設(shè)備的PLGA，是由代謝工程腸道細(xì)菌產(chǎn)生的。我們的研究有意義，因?yàn)樗岢隽舜x工程的平臺(tái)策略，可以進(jìn)一步用于開(kāi)發(fā)許多非天然的，有用的聚合物。“

監(jiān)督解決氣候變化技術(shù)發(fā)展計(jì)劃的韓國(guó)科學(xué)，信息通信技術(shù)和未來(lái)規(guī)劃部平臺(tái)技術(shù)部負(fù)責(zé)人Ilsub Baek說(shuō)，

“Lee教授領(lǐng)導(dǎo)了我們的一個(gè)研究項(xiàng)目，即生物煉油廠的系統(tǒng)代謝工程，該項(xiàng)目始于該部門解決氣候變化技術(shù)發(fā)展計(jì)劃的一部分。他和他的團(tuán)隊(duì)一直在取得有希望的成果并吸引全球的更大興趣?？茖W(xué)界隨著氣候變化技術(shù)變得越來(lái)越重要，這項(xiàng)關(guān)于非天然，高價(jià)值聚合物生物生產(chǎn)的研究對(duì)科學(xué)和工業(yè)產(chǎn)生了巨大的影響。“