单体可控的新型短链PHA的古菌合成及材料性能分析

Archaea, as the third domain of life, is a very valuable microbial resource. Haloferax mediterranei can effectively produce a biodegradable material-PHBV [poly(3-hydroxybutyrate-co-3-hydroxyvalerate)] with low production cost.PHBV is composed of two monomers, 3HB and 3HV, and the 3HV molar ratio of PHBV from H. mediterranei is about 10 mol%. This project will focus on solving the question that the monomer variety and content of PHA from H. mediterranei is fixed. We aim to synthesize scl-PHA (short-chain-length PHA) with controllable monomers (3HB, 3HV and 4HB) by H. mediterranei to gain excellent materials via fermentation and metabolic engineering.The metabolic fluxes of monomer supplying for PHA synthesis will be quantified to achieve this aim. The material properties of all the novle scl-PHA will be characterized in detail, and scl-PHA preliminary high-value application in the tissue engineering area will be carried out.The unique and novel biosynthetic pathway of 4HB will be activited or reconstructed in H. mediterranei using multiple molecular biology-based methods. This project will not only realize the biosynthesis of novel scl-PHA with low cost by archaea, but also will enrich our knowledge about the diversity and functions of physiology and metabolism in extreme archaea.

古菌作为生命的第三种形式，是一类极其重要的微生物资源。极端嗜盐古菌-地中海富盐菌能以较低的生产成本，高效合成生物可降解材料PHBV(聚羟基丁酸羟基戊酸酯)，它由3HB和3HV两种单体组成，其中3HV含量约为10 mol%。本项目拟以地中海富盐菌为研究对象，针对该菌合成的PHA存在单体种类和比例单一这一问题展开深入系统的研究。拟采用发酵工程、代谢工程和代谢流分析的技术手段，通过量化PHA的单体供应，实现该菌智能合成单体种类[3HB，3HV和4HB（4-羟基丁酸）]和单体比例可控的、材料性能优良的新型短链PHA (scl-PHA)，并对它们在组织工程领域的高附加值应用进行初步研究。此外，综合运用多种分子生物学方法和检测手段，在该菌中激活或重建PHA重要前体4HB的新型合成途径。最终，本研究不仅将实现新型scl-PHA在古菌中的低成本合成，而且会拓宽我们对极端古菌生理代谢多样性及功能的认知。

本项目以具有高效合成生物可降解塑料PHA能力的地中海富盐菌ES1为研究对象，针对此菌合成的PHA材料性能单一的问题展开深入系统的研究。以实现地中海富盐菌合成单体组成可控的新型短链PHA（scl-PHA），揭示极端环境微生物中可能存在的复杂多样的代谢途径为目标，重点开展了以下研究内容（1）嗜盐古菌中与单体比例可控密切相关的丙酰-CoA羧化酶；（2）明确嗜盐古菌PhaR和PhaZ蛋白与scl-PHA的合成直接相关；（3）利用H. mediterranei为细胞工厂合成单体比例可控的scl-PHA，并分析其多样化的材料学性能；（4）探索scl-PHA的生物相容性和生物可降解性。本项目已在丙酰-CoA等重要小分子物质的同化途径解析及与PHA合成的密切关系、PHA合成的调控机制、PHA胞内降解酶系（PhaZh1和BdhA等）以及PHA环境降解特性等方面取得重要研究成果；并实现了该菌高效合成单体比例可控的、材料性能优良的新型scl-PHA；同时发现该类材料具有多样化的生物可降解速率和良好的生物相容性。本项目相关研究成果发表SCI论文7篇，申请国家发明专利3项，其中授权1项；项目总体目标已经完成。本项目的研究结果不仅丰富了我们对古菌多样化生理代谢的认知，也为我们进一步开发极端微生物资源、合成高附加值生物医用材料开拓了新的方向，同时将推动嗜盐微生物PHBHV在不同的生物医学工程多个领域（如疤痕愈合、软骨修复、神经修复等）中的医用价值。