聚酯酰胺 (PEA)是一類很有前途的聚合物，含有酯鍵和酰胺鍵，兼具聚酯和聚酰胺的優(yōu)良性能：聚酰胺的優(yōu)異熱性能和機(jī)械性能以及聚酯的生物相容性和生物降解性。PEA 可用于各種工業(yè)應(yīng)用，例如可生物降解塑料，以及生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用，包括藥物輸送系統(tǒng)和組織工程。目前，PEA 的合成僅限于化學(xué)方法。

近日，來自韓國科學(xué)技術(shù)院李相燁（Sang Yup Lee）院士團(tuán)隊在 Nature Chemical Biology 發(fā)表題為“Biosynthesis of poly(ester amide)s in engineered Escherichia coli”的文章。他們報道了一組 PEA 在大腸桿菌中的生物合成和表征。

30 多年來，該研究小組一直致力于開發(fā)能夠生產(chǎn)用于合成聚酯和聚酰胺的單體的微生物菌株，包括二胺、氨基酸和內(nèi)酰胺。他們設(shè)想使用這些菌株進(jìn)行商業(yè)化生產(chǎn)的過程涉及兩個步驟：發(fā)酵生產(chǎn)單體，然后化學(xué)轉(zhuǎn)化為聚合物。雖然這種兩步法可行，但不如一步法理想，因為單體的化學(xué)轉(zhuǎn)化需要額外的模塊操作，增加生產(chǎn)成本。

因此，受之前關(guān)于一步發(fā)酵生產(chǎn)聚（乳酸）和聚（乳酸-ran-乙醇酸） 的研究的啟發(fā)，他們開始探索微生物是否可以直接生物合成 PEA。

為了構(gòu)建用于生物合成 PEA 的菌株，團(tuán)隊設(shè)計了一種全新的氨基酸聚合途徑，整個合成途徑包括兩個步驟：利用來自梭菌中的β-丙氨酸輔酶 A 轉(zhuǎn)移酶（Act）將氨基酸活化為氨基酰基輔酶 A，然后通過來自假單胞菌的聚羥基脂肪酸酯合酶 (PhaC)將所得產(chǎn)物氨基酰基輔酶 A 與羥基酰基輔酶 A 共聚。PhaC 的混雜性會增加氨酰基-CoA 聚合成功的可能性。

利用該途徑改造的大腸桿菌菌株可以生產(chǎn)含有不同氨基酸單體的各種 PEA，例如3-氨基丙酸（3AP）、(R)-3-氨基丁酸、3-氨基異丁酸、(R)-3-氨基戊酸、4-氨基丁酸和 5-氨基戊酸。此外，該生物合成系統(tǒng)可用于兩種或三種氨基酸單體與羥基酸單體的組合共聚。

圖 | PEA 生物合成途徑

在確認(rèn)了 PEA 的生物合成后，團(tuán)隊著手進(jìn)一步設(shè)計生物合成系統(tǒng)，以提高聚合物的生產(chǎn)滴度和氨基酸分?jǐn)?shù)，并展示可再生 PEA 生產(chǎn)的潛力。對于后者，團(tuán)隊設(shè)計了大腸桿菌菌株，使用葡萄糖作為唯一碳源來生產(chǎn)概念驗證 PEA。此外，這種工程大腸桿菌菌株的補(bǔ)料分批發(fā)酵使生產(chǎn)滴度增加了 39.4 倍，聚（3HB- ran-3AP）滴度達(dá)到 54.57 g/L。他們還通過對 PhaC 進(jìn)行合理的蛋白質(zhì)工程，使用同源建模和對接模擬，將摻入 PEA 的氨基酸分?jǐn)?shù)從 3.38% 提高到 4.45%。

最后，我們以聚（3-HB-ran-3AP）為例，研究了 PEA 的物理、熱和機(jī)械性能。分子量隨所用的 3AP 分?jǐn)?shù)和 PhaC 而變化，從而可以控制聚合物性能。增加 3AP 分?jǐn)?shù)會降低熔化溫度，從而提高可加工性。值得注意的是，聚（3-HB-ran-1.74% 3AP）的分子量、熔點和楊氏模量與高密度聚乙烯相當(dāng)，表明其有潛力成為這種廣泛使用的塑料的可再生替代品。

總而言之，本研究介紹了一種生物聚合物 PEA。微生物生產(chǎn) PEA 為目前的聚合物合成化學(xué)方法提供了一種可持續(xù)的替代品。此外，該生物合成系統(tǒng)具有良好的底物適用性，可以以組合方式聚合多種羥基酸和氨基酸單體，從而獲得具有定制特性和功能的廣泛 PEA。本文描述的策略對于其他新天然聚合物的生物合成也具有重要價值。

團(tuán)隊的下一個目標(biāo)是幫助促進(jìn)生物基 PEA 生產(chǎn)工藝的商業(yè)化。目標(biāo)是首先解決兩個關(guān)鍵挑戰(zhàn)。首先需要選擇要生產(chǎn)的目標(biāo) PEA。為了指導(dǎo)選擇，團(tuán)隊打算研究各種 PEA 的材料特性，以識別具有理想特性的 PEA。第二個目標(biāo)是設(shè)計微生物菌株以提高生產(chǎn)效率，同時最大限度地減少副產(chǎn)物的形成。雖然研究人員已經(jīng)展示了概念驗證策略，例如 PhaC 工程和培養(yǎng)條件優(yōu)化，但還需要進(jìn)一步改進(jìn)才能實現(xiàn)無副產(chǎn)物形成的商業(yè)上可行的生產(chǎn)水平。

1.Chae, T.U., Choi, S.Y., Ahn, DH. et al. Biosynthesis of poly(ester amide)s in engineered Escherichia coli. Nat Chem Biol (2025). https://doi.org/10.1038/s41589-025-01842-2

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