上海交大许平、陶飞开发新型工程菌株可在60℃高温下高效合成乳酸

近年来，全球化工塑料产量大幅增长，塑料造成的污染已经成为当今人类社会面临的最大环境挑战之一，统计数据显示 2019 年全球塑料产量达3.68 亿吨，大量不可降解塑料废弃物直接排放到环境中，对陆地、海洋生态以及人类健康造成威胁。相较于传统化工塑料，生物可降解塑料是一种更具前景的替代产品，比如聚乳酸。

作为一种新型的生物可降解聚合物材料，聚乳酸因优异的生物降解性、生物相容性和机械性能在众多生物可降解塑料中脱颖而出，是公认的环境友好材料，可广泛用于包装、农业、纺织以及医药等各个领域。

聚乳酸（PLA）是以乳酸为主要原料聚合得到的聚酯类聚合物，可分为左旋聚乳酸（PLLA）和右旋聚乳酸（PDLA），光学纯L-乳酸和D-乳酸是生产 PLLA 和 PDLA 的关键单体。然而现阶段，光学纯乳酸单体较高的合成成本阻碍了聚乳酸的规模化生产和应用。

近期，上海交通大学许平、陶飞团队通过代谢工程策略获得两种新型菌株在 60℃ 高温下 L-乳酸和 D-乳酸产量分别达 151.1 g/L 和 153.1g/L，为低成本、可持续的绿色高效合成乳酸提供了一种新策略。目前，这项研究成果已经以“Metabolic engineering of Geobacillus thermoglucosidasius for polymer-grade lactic acid production at high temperature”为题发表在Bioresource Technology上。

（来源：Bioresource Technology）

通常情况下，聚乳酸使用可再生的植物资源（如玉米）所提供的淀粉原料进行合成，淀粉原料经糖化得到葡萄糖，然后由葡萄糖及特定菌株经发酵合成高纯度乳酸，最后再通过化学合成方法合成一定分子量的聚乳酸。

然而，随着发酵规模的增加，冷却成本的增长也愈发明显。作为一种低成本、高效率、可持续的大宗化学品生产方式，高温生物制造（HTB）越来越受到业界关注，其可以有效降低大规模发酵的冷却成本。例如，对于一个 30000 kL 规模的乙醇生产工厂，发酵温度升高 5℃ 每年可节省超过 39 万美元的成本。

除此之外，HTB 也可以降低被不能在高温下生存的嗜中温微生物污染的风险，提高反应效率和生产过程的稳健性，还可以降低工业生物过程中酶的成本，提供具有良好性能的发酵培养基，有利于挥发性产物的生产、收集和提取等，这些优势让 HTB 更有利于节能、高效并降低生产成本。

（来源：Bioresource Technology）

热葡糖苷地芽孢杆菌是一种具有工业应用潜力的嗜热、环保细菌底盘，其适宜的生长温度在 40-70℃ 之间，其中最适生长温度为 60℃ 左右，此时其生长水平与大肠杆菌相当。同时，该菌还具有广泛的底物利用和分解代谢能力，能够代谢多种 C5 和 C6 糖单体和低聚物等，可以降低工业生产成本。另外，研究人员先前已经开发出多种适合该菌的基因操作方法以促进其代谢工程的发展。因此，将热葡糖苷地芽孢杆菌作为 HTB 生产大宗化学品的细菌底盘更具实践前景。

▲图｜基因操作及工程菌株概述（来源：Bioresource Technology）

在这项研究中，上海交通大学许平、陶飞团队以热葡糖苷地芽孢杆菌作为初始菌株，通过途径构建、副产物消除、生产增强等一系列代谢重编程策略，获得光学纯度的 L-乳酸生产菌株 GTD17 和 D-乳酸生产菌株 GTD7。

随后，他们 5L 发酵生物反应器中通过自适应进化进一步提高了菌株的乳酸合成能力，其中工程菌株 GTD17 进行了55 代适应性进化，工程菌株 GTD7 进行了144 代适应性进化。

具体而言，工程菌株 GTD17 的 55 代适应性进化持续 110 天，进化过程只有一个阶段，初始葡萄糖浓度为 100 g/L，发酵周期为 48 h，定期采集样品并测定细胞密度和葡萄糖、L-乳酸、D-乳酸等产物浓度。结果表明，随着该菌株的适应性进化，其 L-乳酸的合成能力和生长状态均得到改善。

工程菌株 GTD7 的 144 代适应性进化持续 251 天，根据培养条件的不同进化过程分为三个阶段，第一阶段从第 1 代到第 45 代，该阶段初始葡萄糖浓度为 80 g/L，发酵周期为 24 h；第二阶段从第 46 代到第 74 代，初始葡萄糖浓度为 80 g/L，发酵周期为 48 h；第三阶段从第 75 代到第 144 代，初始葡萄糖浓度为 100 g/L，发酵周期为 48 h，分别用第 44、63、80、82、126 和 139 代的菌株进行乳酸发酵验证。结果表明，经过适应性进化，该菌株表现出更好的 D-乳酸合成能力。

最终，在 60℃ 的高温下，菌株 GTD17-55 产生了151.1 g/L的 L-乳酸，产率达 98.7%，光学纯度为 99.0%；菌株 GTD7-144 产生了153.1 g/L的 D-乳酸，产率为 93.0%，光学纯度达 99.6%。

总的来说，这项研究开发得到的工程菌株能够绿色、高效、低成本、可持续地生产聚合物级乳酸，从而加速聚乳酸替代传统化工塑料的进程，更为关键的是，由于该菌株能够在高温下进行高效生物合成，相较于传统的工业菌株在成本控制和生产能力等方面更具优势。

▲图｜上海交通大学生命科学技术学院许平、陶飞（来源：上海交通大学）

这篇论文共同通讯作者许平是上海交通大学特聘教授，现任上海交通大学微生物代谢国家重点实验室副主任，他的研究方向涵盖工业与环境微生物技术、微生物代谢工程和合成生物学、生物催化和环境化学生物学，以及基于组学的细菌代谢工程、环境污染物微生物降解代谢、天然食品添加剂发酵等多个领域；论文共同通讯作者陶飞是上海交通大学生命科学技术学院研究员，他主要从事微生物合成生物学和代谢工程的研究，围绕生物基材料单体化合物和精细化学品的高效生产开发创新微生物合成平台，实现高效环保的可持续生产。

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