基于NADH再生策略的大肠杆菌高效合成聚(3-羟基丁酸-co-乳酸)共聚物及其调控机制研究

　　为解决传统塑料污染问题，研究人员通过构建磷酸盐脱氢酶(PtxD)介导的NADH再生系统，实现了大肠杆菌中聚(3-羟基丁酸-co-乳酸)[P(3HB-co-LA)]的高效合成。该策略将NADH再生与碳代谢流解耦，使乳酸组分(LAF)提升至41.3 mol%，产量达8.57 g/L，为可降解生物塑料的工业化生产提供了新思路。

　　

随着"白色污染"问题日益严峻，生物基可降解塑料成为解决环境危机的关键。聚羟基脂肪酸酯(PHAs)作为微生物合成的天然聚酯，具有优异的降解性能，其中非天然聚酯聚(3-羟基丁酸-co-乳酸)[P(3HB-co-LA)]因其可调控的力学性能备受关注。然而现有技术存在乳酸组分(LAF)调控不灵活、NADH供应不足等问题，严重制约其工业化应用。

针对这一挑战，华东理工大学研究人员在《BioDesign Research》发表创新成果，通过构建磷酸盐脱氢酶(PtxD)介导的NADH再生系统，成功实现大肠杆菌中P(3HB-co-LA)的高效合成与精准调控。研究采用CRISPR-Cas9基因组编辑技术将ptxD基因整合至基因组，结合启动子工程和代谢通路优化，系统评估了葡萄糖和木糖两种碳源下的发酵性能。

在"PtxD基NADH再生策略对LAF调控的影响"部分，研究发现木糖作为碳源时，通过0.15 mM IPTG诱导可使LAF提升至10.0 mol%，显著优于葡萄糖组的4.2 mol%。RT-qPCR分析显示，基因组整合的ptxD表达稳定性优于质粒系统，尽管转录水平低5.8-9.7倍，但NADH再生效率更高。

"工程菌株代谢改造实现葡萄糖底物的LAF动态调控"表明，通过删除丙酮酸至乙酸盐合成途径并采用组成型m2启动子驱动ldhA表达，使葡萄糖组的LAF提升至16.7 mol%，乳酸产量达4.3 g/L。

"基因组整合ptxD对P(3HB-co-LA)生物合成的调控"部分显示，基因组工程菌WJPCTP-01在摇瓶发酵中合成P(3HB-co-39.0 mol% LA)产量达2.23 g/L，分子量达142,000 Da，较文献报道提高91%。

5L生物反应器放大实验证实，该策略使LAF提升至41.3 mol%，产量达8.57 g/L，合成速率0.12 g/L/h，乙酸盐副产物仅1.58 g/L，显著优于传统ldhA过表达策略的20 g/L乳酸积累。

该研究创新性地建立了NADH再生与碳代谢流解耦的技术路线，突破了过去增强乳酸合成必须削弱电子传递链(ETC)的技术瓶颈。通过基因组整合实现的关键酶稳定表达，为生物可降解塑料的工业化生产提供了重要技术支撑。特别值得注意的是，研究揭示的木糖碳源优势效应及其分子机制，为利用木质纤维素生物质开发低成本生产工艺指明了方向。分子量分析显示，23.0 mol% LAF的共聚物分子量达324,000 Da，具有优异的机械性能，拓展了材料在医疗器械、包装等领域的应用前景。这项成果标志着我国在生物基材料合成生物学领域取得重要突破。