生物合成聚酯酰胺：工程化大肠杆菌为可持续塑料生产开辟新天地

随着全球对可持续发展的关注不断加深，生物基塑料的研究成为当前塑料产业转型的一个重要方向。近期，一项由韩国科学技术院（KAIST）团队主导的研究，成功通过工程化大肠杆菌（Escherichia coli）生物合成了聚酯酰胺（PEAs）类聚合物，为塑料产业提供了全新的绿色生产路径。这一研究成果不仅具有重要的环保意义，还为工业领域中的高性能生物降解材料提供了新的选择。

PEAs：兼具聚酯与聚酰胺特性的高性能材料

聚酯酰胺（PEAs）是一类同时具有酯键和酰胺键的聚合物，因其结合了聚酯的生物降解性和聚酰胺的优良机械性能，在环保和高性能应用中展现出广阔的前景。相比传统的石油基塑料，PEAs不仅能有效减少环境污染，还能通过生物降解来解决塑料废弃物的困境。因此，开发一种高效、可持续的PEA生产方式成为当前化学与生物工程领域的重要任务。

工程化大肠杆菌的代谢工程突破

这项研究的亮点在于，研究团队通过代谢工程手段，在大肠杆菌中构建了一条全新的代谢途径，使其能够合成PEAs。这条代谢途径通过引入β-丙氨酸CoA转移酶（Act）和聚羟基烷酸合成酶（PhaC）来实现氨基酸单体的聚合反应。这种新型的合成路线使得大肠杆菌能够利用葡萄糖等可再生资源，生物合成多种不同氨基酸单体组成的PEAs。

调控性能，定制功能

研究人员发现，PEAs的性能可以通过调整氨基酸单体的种类和比例来调控。例如，某些氨基酸单体，如3-氨基丙酸（3AP），能够显著降低聚合物的熔点和结晶度，从而改善聚合物的加工性和延展性。此外，相比传统聚酯类材料，PEAs在拉伸断裂延长率上表现更为出色，显示出更好的机械性能，这为其在工业应用中提供了更多的可能性。

可持续的生物合成路线

这项研究的另一大创新之处在于，团队成功实现了以葡萄糖为唯一碳源的PEAs生产路径，即所谓的“零外源”生产。这意味着，除了葡萄糖和氨基酸外，不需要额外补充其他化学原料。该系统的可持续性不仅体现在原料来源上，还体现在整个生产过程中的环保性和低能耗上。这一突破为今后的工业化应用奠定了基础，尤其是在生物降解塑料领域，具有重要的经济与环境意义。

规模化生产与工业应用前景

研究团队还进行了大规模的分批发酵实验，进一步验证了工程化大肠杆菌在工业生产中的应用潜力。在6.6升生物反应器中，使用葡萄糖作为唯一碳源，成功实现了聚（3HB-随机-3AP）的规模化生产，并获得了较高的产量和单体比例。这一成果表明，生物合成PEAs的生产可以在工业化过程中达到较高的效率，并且在可控制的条件下，生产的聚合物性质可以得到优化。

未来展望

随着对生物基塑料需求的不断增加，这项研究的成果具有广泛的应用前景。通过不断优化代谢工程和蛋白质工程，未来可以合成更多种类的PEAs，并通过调整单体比例和聚合物结构，定制出不同性能的材料，满足不同行业的需求。无论是在包装材料、可降解塑料，还是在医疗领域中的药物传递和组织工程应用，PEAs都可能成为一个重要的材料选择。

这项研究不仅为塑料行业的可持续发展提供了一种全新的解决方案，也为未来的生物基高性能材料的生产奠定了基础。随着技术的不断进步，未来我们有望在不依赖石油的情况下，生产出更多环保且高性能的生物降解塑料，推动全球塑料产业的绿色转型。

参考文献：

https://doi.org/10.1038/s41589-025-01842-2