面对日益严峻的塑料污染，寻找可持续替代材料成为科研与产业界共同的目标。聚羟基脂肪酸酯（PHA）作为天然可降解聚合物，因其优异的可再生性与环境兼容性被寄予厚望。其中，P34HB 凭借可调的单体比例实现从刚性塑料到柔性弹性体的性能跨度，被认为是最具应用潜力的 PHA 共聚物之一。然而，P34HB 的高效生物合成仍受限于菌株代谢能力、原料转化效率及发酵稳定性。
近日，北京化工大学李正军团队在期刊 ACS Synthetic Biology 发表研究成果，题为“Development of Photobacterium sp. LN01 as a Versatile Halophilic Platform for Tunable Biosynthesis of Polyhydroxyalkanoates”，构建了基于嗜盐菌Photobacterium sp. LN01 的高效 P34HB 生产平台。该研究通过系统性的代谢工程改造，实现了 P34HB 的高产、高转化率及组成可控，为可降解塑料的工业化制造提供了新的解决方案。
研究团队从江西农田土壤中分离得到 Photobacterium sp. LN01，这是一株具备强耐盐性和高代谢灵活性的嗜盐菌。在 30–60 g/L NaCl 的条件下，该菌仍能保持稳定生长，不易受到杂菌污染，为开放式、低成本发酵提供了天然优势。LN01能够以甘油、蔗糖等廉价碳源高效积累聚羟基丁酸酯（PHB），其 PHB 含量可达细胞干重的 75% 以上，展示出极佳的生物塑料合成潜力。
图 | 嗜盐菌Photobacterium sp. LN01合成P34HB示意图
在进一步实验中，研究人员尝试通过补充 γ-丁内酯（GBL）诱导 LN01 合成 P34HB。GBL 在细胞内经开环转化为 4-羟基丁酸（4HB），随后被活化为 4HB-CoA 并参与 PHA 聚合。研究发现，在一定浓度范围内，GBL 能有效促进 P34HB 合成，但当浓度过高时，会对细胞生长产生抑制。最佳条件下，LN01 在补加 6 g/L GBL 后可合成 12.40 g/L 的 P34HB，产量和单体比例均显著提升。分析显示，P34HB 占生物量的近 60%，其中 4HB 单体比例约为 9 mol%，证明 LN01 具备一条完整的 GBL 转化通路，但受限于 CoA 转移效率，其 4HB 掺入率仍然有限。
为突破这一瓶颈，研究团队通过多层次代谢工程策略重新设计 LN01 代谢网络。他们首先引入来自 Clostridium kluyveri（克氏梭菌）的 orfZ 基因，该基因编码一种具有广谱底物特异性的 CoA 转移酶，可高效催化 4HB 与 3HB 前体的活化反应。质粒表达 orfZ 后，LN01 在相同条件下的 P34HB 产量由 12.4 g/L 提升至 21.6 g/L，4HB 掺入率提升至 28%，且聚合物分子量保持稳定，说明改造显著增强了 4HB 单体的装配效率。为了实现遗传稳定性，研究人员进一步将 orfZ 整合入染色体的非必需区域，在无抗生素条件下连续传代五代后产量波动小于 5%，生产特性保持稳定。
在优化碳流分配过程中，研究团队注意到 LN01 在代谢过程中会生成乳酸等副产物，导致碳源浪费。为此，他们系统敲除了三种乳酸脱氢酶相关基因，并以 orfZ 替代其位点，从而将更多碳流引导至 P34HB 合成通路。实验结果表明，其中敲除 ldhA3 基因的工程菌株 LN01-A3PO 表现最佳，其 P34HB 产量达到 17.91 g/L，4HB 比例 15.68 mol%，GBL 转化效率提升至 60–80%，远高于野生型菌株的 10–20%。这一改造有效消除了副产物干扰，使代谢通量集中至 P34HB 合成路径。
图 | 敲除不同乳酸脱氢酶基因后 orfZ 介导的 P34HB 合成效果比较
在摇瓶实验成功的基础上，团队进一步进行了 5 升发酵罐分批补料发酵验证。培养基采用 MS 基础组分并补充 30 g/L 蔗糖作为主要碳源，NaCl 浓度维持在 3%。最优工程菌株 LN01-POP 实现了 P34HB 产量 103.10 g/L，4HB 含量 13.02 mol%，GBL 转化率高达 71.28%。整个发酵周期控制在 72 小时以内，P34HB 蔗糖得率达 0.32 g/g，总体碳利用效率超过 70%。此外，该发酵体系粘度较低、分离提取简便，显示出良好的工业化放大潜力。
这一系列结果表明，Photobacterium sp. LN01 不仅具备高效 PHA 合成能力，还凭借其在高盐环境中的稳健生长特性，为开放式、非无菌生物制造提供了全新思路。北京化工大学团队的工作展示了合成生物学在非模式微生物中的应用价值，从遗传工具开发、关键酶引入、染色体整合到代谢通路重构，构建了完整的可扩展 P34HB 生产体系。
该研究不仅为 P34HB 高产菌株的构建提供了成功范例，也为未来开发其他新型生物基聚合物提供了可借鉴策略。通过对碳流、能量流与前体供给的精准调控，合成生物学正推动天然潜力菌向高性能制造工厂转化。随着这一平台的进一步优化，基于嗜盐菌的开放式发酵体系有望在未来实现真正意义上的绿色、生物化学制造，为可降解塑料产业带来新的可持续路径。
参考链接：
1. Wang MR, Tao S, Lin N, Song X, Li ZJ. Development of Photobacterium sp. LN01 as a Versatile Halophilic Platform for Tunable Biosynthesis of Polyhydroxyalkanoates. ACS Synth Biol. Published online October 9, 2025. doi:10.1021/acssynbio.5c00562
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