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利用甲醇产PHB的大肠杆菌代谢工程改造
利用甲醇产PHB的大肠杆菌代谢工程改造
摘要：
聚羟基丁酸酯（PHB）是一种天然的生物塑料，具有优异的生物可降解性和生物相容性。然而，传统的PHB生产方法依赖于昂贵的有机碳源和复杂的发酵工艺，限制了其大规模应用。因此，利用代谢工程手段，将大肠杆菌转化为利用甲醇生产PHB的高效菌株，具有重要的应用价值。本文综述了甲醇代谢途径和PHB合成途径中关键的酶和基因，讨论了通过基因工程改造大肠杆菌代谢途径将其重新调控的方法。并探讨了未来的研究方向，以期为甲醇产PHB的大肠杆菌代谢工程提供新思路。
关键词：甲醇，PHB，大肠杆菌，代谢工程，基因工程
1.引言
近年来，生物塑料作为一种环境友好型可降解材料受到了广泛关注。聚羟基丁酸酯（PHB）作为其中一种具有潜在的应用前景。PHB是一种由串联的3-羟基丁酸单体组成的线性聚合物，具有与传统塑料相似的物理和力学性质。与传统塑料相比，PHB具有天然可降解性和可再生性的优势。然而，传统PHB生产方法存在诸多问题，如有机碳源昂贵、发酵工艺繁琐。为了解决这一问题，研究人员开始探索使用代谢工程改造菌株，通过利用廉价有机碳源合成PHB。
2.甲醇代谢途径
甲醇是一种廉价且广泛存在的有机碳源，被广泛应用于化学工业。大肠杆菌具有从甲醇合成PHB的潜力。甲醇代谢途径主要包括甲醛脱氢酶途径、丙酮酸途径和甲醇酸途径。甲醛脱氢酶途径是大肠杆菌利用甲醇合成甲酸和氢气的途径。丙酮酸途径是由丙酮酸合成家族酸、丙酸和丁酸，最后通过PHB合酶合成PHB。甲醇酸途径是将甲醇酸转化为二氧化碳和甲酸。这些代谢途径中的关键酶和基因提供了重要的目标，通过基因工程技术改造这些酶和基因，有望实现大肠杆菌利用甲醇合成PHB的高效转化。
3.PHB合成途径
大肠杆菌合成PHB主要通过丙酮酸途径进行。丙酮酸途径主要包括乙醇酸的脱羧酶、丙酮酸合成酶和PHB合酶。通过代谢工程手段改造这些关键酶和基因，可以提高PHB的合成效率和产量。其中，乙醇酸的脱羧酶参与将乙醇酸转化为丙酮酸的反应。丙酮酸合成酶是由甲酸和丁酸合成丙酮酸的关键酶。PHB合酶是由合成和降解PHB的两个亚单位组成的酶，可以将丙酮酸合成PHB。将这些酶和基因重新调控，可以有效提高大肠杆菌生产PHB的能力。
4.基因工程改造
大肠杆菌的代谢工程改造主要通过基因工程技术实现。基因工程技术包括静态代谢通路调控和动态代谢通路调控。静态代谢通路调控通过改变关键酶和基因的表达水平来改变代谢途径的流动，从而实现大肠杆菌代谢途径的改造。动态代谢通路调控通过基因添加、基因删减和基因重组来构建新的代谢通路，从而实现大肠杆菌的新代谢功能。通过这些基因工程技术，可以将大肠杆菌转化为高效利用甲醇合成PHB的菌株。
5.未来展望
甲醇是一种丰富的资源，通过代谢工程改造大肠杆菌合成PHB具有广阔的应用前景。然而，目前对于利用甲醇产PHB的大肠杆菌代谢工程研究还处于起步阶段，仍然存在许多挑战和问题。未来的研究方向包括寻找更优越的酶和基因，提高甲醇合成PHB的产率和利用效率。此外，还需要研究新的代谢途径和调控机制，以提高大肠杆菌的代谢能力和稳定性。这些工作将为甲醇产PHB的大肠杆菌代谢工程提供新的思路和方法。
结论
利用代谢工程手段将大肠杆菌转化为利用甲醇产生PHB的高效菌株，可以解决传统PHB生产方法的种种问题，降低生产成本，并实现可持续发展。基因工程技术为大肠杆菌的代谢工程改造提供了有力的工具，通过改造甲醇代谢途径和PHB合成途径的关键酶和基因，可以改善大肠杆菌的代谢能力和产PHB的能力。未来的研究需要进一步探索新的代谢途径和调控机制，以提高大肠杆菌利用甲醇合成PHB的效率和产量。
参考文献：
1.ZhangY,ChenY,ZhangJ,etal.MetabolicengineeringofEscherichiacolifortheproductionofpolylacticacidanditsco-polymers.BiotechnologyJournal,2021,16(2):2000147.
2.LopesMDF,AbreuCMDAM,PereiraLCL,etal.MetabolicengineeringofEscherichiacoliaimingtheproductionofisobutanolasabiofuel.FrontiersinBioengineeringandBiotechnology,2021,9:252.