Среди различных экологически чистых полимеров полигидроксиалканоаты (PHA) выделяются своей превосходной биоразлагаемостью и биосовместимостью. Они естественным образом разлагаются в почве и морской среде и используются в таких областях, как упаковка пищевых продуктов и медицинские изделия. Однако натуральный PHA, произведенный до сих пор, столкнулся с трудностями в выполнении различных требований к физическим свойствам, таким как долговечность и термическая стабильность, и был ограничен в своем коммерческом применении из-за низких концентраций производства. В связи с этим исследователи KAIST недавно разработали технологию, которая может сыграть решающую роль в решении проблемы загрязнения окружающей среды, вызванной пластиком.
KAIST (представленный президентом Кванг-Хён Ли) объявил, что исследовательская группа под руководством заслуженного профессора Сан Ёпа Ли с кафедры химической и биомолекулярной инженерии, в состав которой входят доктор Ёнджун Ли и студент магистратуры Минджу Кан, успешно разработала штамм микроорганизмов, который эффективно производит ароматический полиэфир (ароматический полиэфир: полимер, содержащий ароматические соединения (специфические углеродные кольцевые структуры, такие как бензол) и сложноэфирные связи) с использованием системной метаболической инженерии.
В этом исследовании исследовательская группа использовала метаболическую инженерию для усиления метаболического потока биосинтетического пути для ароматического мономера фениллактата (PhLA) в E. coli. Они манипулировали метаболическим путем, чтобы увеличить фракцию полимера, накопленную в клетках, и использовали компьютерное моделирование для прогнозирования структуры PHA-синтазы и улучшения фермента на основе соотношения структура-функция.
Благодаря последующей оптимизации ферментации команда достигла самой высокой в мире концентрации (12,3±0,1 г/л) для эффективного производства поли (PhLA) и успешно произвела полиэстер с помощью ферментации с подпиткой в масштабе 30 л, продемонстрировав возможность промышленного производства. Полученные ароматические полиэфиры показали улучшенные термические свойства, улучшенные механические свойства и потенциал для использования в качестве носителей для доставки лекарств.
Исследовательская группа также продемонстрировала, что экзогенный белок фазин играет решающую роль в увеличении фракции внутриклеточного накопления полимера, что напрямую связано с экономической целесообразностью и эффективностью производства неприродного PHA. Они улучшили PHA-синтазу, используя рациональный подход к проектированию фермента, предсказывая трехмерную структуру фермента с помощью моделирования гомологии (метод прогнозирования трехмерной структуры нового белка на основе структуры подобных белков) с последующим моделированием молекулярной стыковки (моделирование, предсказывающее, насколько хорошо мономер может связываться с ферментом) и моделированием молекулярной динамики (моделирование, предсказывающее, как молекулы движутся и взаимодействуют с течением времени) для модернизации фермента до мутантного фермента с повышенной эффективностью полимеризации мономера.
Юнгджун Ли, соавтор статьи, пояснил: «Значимость этого исследования заключается в том, что мы достигли самой высокой в мире концентрации производства ароматического полиэфира на основе микроорганизмов с использованием экологически чистых материалов и методов. Ожидается, что эта технология сыграет решающую роль в решении проблемы загрязнения окружающей среды, вызванного пластиком». Профессор Сан Ёп Ли добавил: «Это исследование, в котором представлены различные стратегии высокоэффективного производства полезных полимеров с помощью системной метаболической инженерии, должно внести значительный вклад в решение проблем изменения климата, в частности недавней проблемы пластика».
