[发明专利]一种精细调控共聚物中4-羟基丁酸组成比例的基因盒及其应用

说明书

本发明涉及一种精细调控聚羟基脂肪酸酯(PHA)共聚物中4‑羟基丁酸组成比例的基因盒，含有该基因盒的细菌重组菌，以及制备聚羟基脂肪酸酯(PHA)共聚物的方法。所述基因盒包括启动子和4‑羟基丁酸辅酶A转移酶基因或具有4‑羟基丁酸辅酶A转移酶的功能的基因。

技术领域

本发明涉及生物技术领域，具体而言，涉及一种精细调控聚羟基脂肪酸酯(PHA)共聚物中4-羟基丁酸组成比例的基因盒，含有该基因盒的细菌重组菌，以及制备聚羟基脂肪酸酯(PHA)共聚物的方法。

背景技术

全球的塑料产量一直以来都在增加，近年来产量达到了每年3亿吨。如此多的塑料累积在环境中带来了白色污染问题，不仅是影响了陆地环境，更是严重影响了海洋环境。为了解决白色污染问题，生物可降解塑料替代石油基不可降解塑料被认为是减轻塑料对环境负担的出路之一。

聚羟基脂肪酸酯PHA是一类生物聚酯的统称，是唯一完全由微生物合成的生物基材料。根据组成聚酯的单体的结构不同，PHA可以表现出多种力学、拉伸、弹性等材料性能，因此可应用于不同的场景。

在众多种类的PHA之中，目前仅有聚3-羟基丁酸酯(PHB)、聚-3-羟基丁酸-3-羟基己酸酯(PHBHHx)、聚-3-羟基丁酸-3-羟基戊酸酯(PHBV)和聚-3-羟基丁酸-4-羟基丁酸酯(P3HB4HB)实现了商业化。PHB是结构最简单的PHA成员，但是因其结晶度高、断裂延伸率低，材料性能脆、韧性差，这些缺点加大了PHB处理的难度，限制了PHB的应用范围。相比而言，其他PHA材料中由于有其他单体组成的掺入，大大影响了PHA的理化性质。例如P3HB4HB中4HB单体含量的不同对其材料学性能有很大的影响，使之可以从硬的高度结晶体到软的弹性体之间变化，其热力学和机械性能也会随4HB单体含量的改变而改变。当4HB单体含量从64mol％上升到100mol％时，P3HB4HB拉伸强度由17Mpa上升至104Mpa；当4HB单体含量从0mol％上升到82mol％时，P3HB4HB的断裂伸长率从5％上升至1320％。这些优良性能使P3HB4HB被认为是最有应用前景的PHA材料之一。

P3HB4HB可通过一些野生型细菌或者经遗传改造的细菌来生产。例如重组大肠杆菌可实现4HB组成比例超过10mol％的P3HB4HB的合成(Li,Z.J.,Shi,Z.J.,Guo,Y.Y.,Wu,Q.,Chen,G.Q.,2010.Production of poly(3-hydroxybutyrate-co-4-hydroxybutyrate)from unrelated carbon sources by metabolically engineered Escherichiacoli.Metab.Eng.,12,4,352-359.)，但是发酵罐中细胞干重只达到23.5克/升，难以实现工业化生产。相比而言，一些野生型细菌在发酵过程中容易达到高密度的细胞生长和高含量的PHA，更适合大规模生产PHA。例如在PHA生产领域研究最广泛的罗氏真养菌，其在添加γ-丁内酯、4-羟基丁酸等相关前体的条件下能够合成P3HB4HB，发酵74h后细胞干重达到51克/升，P3HB4HB含量35％，4HB的比例为32mol％(Song,J.Y.,Kim,B.S.,2005.Characteristicsof Poly(3-hydroxybutyrate-co-4-hydroxybutyrate)Production by Ralstoniaeutropha NCIMB11599and ATCC 17699.Biotechnology and Bioprocess Engineering,10,6,603-606.)。由于相关前体会抑制细菌生长，虽然4HB的比例很高，但是细胞干重和P3HB4HB含量偏低，生产强度只有0.24克/升/小时。目前仍鲜有报道能够同时实现高密度发酵和P3HB4HB中合适的4HB比例(10mol％)。