Engineering Cupriavidus necator for medium-chain-length polyhydroxyalkanoate production under two-stage fed-batch fermentation

长期以来，寻找能够自然降解的塑料一直是科学家们的目标，旨在取代那些堵塞填埋场和海洋的持久性材料。在最有希望的候选材料中，有一类被称为聚羟基脂肪酸酯（PHAs）的生物降解塑料。这些并非实验室制造的合成化学品，而是某些细菌在食物过剩时产生的天然储存物质。可以将这些细菌想象成微型工厂，它们在细胞内以塑料颗粒的形式囤积能量。由此产生的塑料的特性很大程度上取决于构成其链条的构建单元，即单体。较短的构建单元会产生一种坚硬且易碎的材料，容易断裂；而较长的构建单元则会引入灵活性和伸展性，使塑料更像橡胶。几十年来，研究人员一直致力于让最高效的细菌生产出这些更长、更具柔性的构建单元，但这一过程一直面临挑战，从而限制了这些环保材料的应用范围。

泰国国家科学技术发展署的一组研究人员在解决这一问题上取得了重大进展。他们研究了一种名为Cupriavidus necator的著名细菌，这种细菌以能够将各种废弃物转化为塑料而闻名。然而，这种原生细菌自然只能产生短而脆的构建单元。为了改变这一点，科学家们通过添加来自另一种不同类型细菌——Pseudomonas putida的特定基因对该细菌进行了工程化改造，后者以其能够组装较长、较柔性构建单元的能力而闻名。这种基因改造创造了一个新的菌株，研究人员将其命名为mcl-C19。当这个新菌株被喂食由糖蜜和废弃食用油组成的混合物时，它开始生产一种包含短而刚性的构建单元和较长且柔性的构建单元的混合型塑料。这种组合产生了一种具有更广泛特性的材料，使其在应用范围上可能比原始细菌生产的脆性版本更为广泛。

研究人员并未止步于仅仅创造出这种新菌株，他们还开发了一种特定的喂养策略以实现产量最大化。细菌需要均衡的饮食来生长细胞，但只有在缺乏某些营养素但仍有充足碳源的情况下，它们才会开始囤积塑料。为了利用这一点，团队采用了两阶段法。在第一阶段，他们提供营养丰富的混合物以帮助细菌快速增殖并建立庞大的种群。一旦种群数量升高，他们就切换到第二阶段，即在不添加额外氮素的情况下，加入脉冲式的富碳食物——具体为糖蜜和废弃棕榈油。这创造了一个不平衡的环境，迫使细菌将能量转向制造塑料而非生长新细胞。通过在大型罐体内精确控制这一过程，工程化细菌积累了大量的塑料，浓度达到每升13克，这几乎占到了细胞总重量的一半。

这项成就之所以特别值得关注，是因为所生产塑料的多样性。工程化细菌不仅制造了一种类型的长链，还创造了一种包含六种不同类型构建单元的复杂混合物，其范围从四个碳原子的短链到十个碳原子的长链。这些不同构建单元的具体比例会根据细菌如何被喂养而发生变化。当研究人员使用所有东西一次性加入的简单分批处理过程时，塑料具有一种成分；而当他们使用两阶段脉冲喂养法时，不同构建单元的比例就会发生偏移。这表明科学家可以通过调整喂养计划和使用的废弃食物类型，来微调塑料的物理特性——使其变得更硬或更具弹性。研究证实，使用糖蜜和废弃棕榈油的混合物是产生所需长链构建单元最有效的方法，新菌株产生的这些柔性成分是未经改良的原生菌株的四倍。

这项工作还证明，这一过程可以从小型烧瓶规模扩大到大型工业生物反应器规模，而不会损失效率。在两升罐体中的结果与在较小容器中的结果几乎一致，表明该方法足够稳健，足以进行大规模生产。虽然塑料产量很高，但研究人员指出，塑料占细胞重量的百分比仍有提升空间。他们承认，可能还需要进一步的基因微调，以推动细菌将更多的资源转化为塑料而非其他细胞成分。然而，目前的结果表明，通过结合简单的基因改变和聪明的喂养策略，将常见的废弃材料转化为具有可定制特性的多功能生物降解塑料是完全可能的。这种方法为向生物经济转型提供了一条切实可行的路径，使塑料生产依赖于可再生资源，并能产生可以安全回归环境的材料。