Фундаментальные основы производства и применения биодеградируемых полигидроксиалканоатов

Abstract

Microbial polyhydroxyalkanoates (PHAs) have long been studied due to their potential for replacement of petroleum-based plastic. The study addresses the effect of different conditions of carbon nutrition on synthesis of polyhydroxyalkanoates by the bacterium Ralstonia eutropha. First and foremost, PHAs are carbon storage compounds for many organisms. There are still many aspects of the physiology of PHA accumulation and degradation that are still not understood. Measurements of key P3HBrelated enzyme activities throughout cell growth reveal correlations of acetoacetyl-CoA reductase and synthase enzyme activity maxima with P3HB biosynthesis. The investigation addressed kinetic parameters of growth and accumulation of polyhydroxyalkanoates and gas exchange parameters of the culture of the CO-resistant strain of the hydrogen bacteria Ralstonia eutropha B 5786 cultivated on synthesis gas - a product of gasification of brown coals. The results were compared with those obtained by growing the bacteria on electrolytic hydrogen and it was concluded that synthesis gas can be successfully used to produce PHAs. In experiments with wild-type strain it has been first found that under mixotrophic growth conditions - CO2 + co-substrate (alcanoic acids) - bacteria can synthesize multi-component PHAs, consisting of short- and medium-chain-length monomers with carbon chains containing 4 to 8 atoms. It has been shown that PHA composition is determined by the type of the co-substrate. Fatty acids with odd number of carbons induce bacteria to synthesize multi-component PHAs with 3-hydroxybutyrate, 3-hydroxyvalerate, and 3-hydroxyhexanoate as major monomers and 3-hydroxyheptanoate and 3-hydroxyoctanoate as minor, occasionally occurring, ones. Fatty acids with even number of carbons induce synthesis of not only their respective monomers (3-hydroxyhexanoate and 3-hydroxyoctanoate) but also 3-hydroxyvalerate, making possible synthesis of four-component PHAs, containing 3-hydroxybutyrate and 3-hydroxyhexanoate as major components. A family of short- and medium-chain-length four- and five-component PHAs has been synthesized and their physicochemical and biomedical-properties examined.

Полигидроксиалканоаты (ПГА) - перспективные материалы, которые могут заменить пластмассы на углеводородной основе, и они исследуются уже в течение длительного времени. Данная работа рассматривает воздействие различных условий углеродного питания на синтез полигидроксиалканоатов бактериями Ralstonia eutropha. Прежде всего ПГА являются запасными веществами для многих организмов. Многие аспекты физиологии накопления и разрушения ПГА остаются пока не изученными. Измерение активности ключевых ферментов 3ПГБ на протяжении роста клетки показывает связь максимумов активности ацетоацетил-КоА редуктазы и синтазы с биосинтезом 3ПГБ. Были исследованы кинетические параметры роста и накопления полигидроксиалканоатов и параметры газообмена культуры штамма водородных бактерий Ralstonia eutropha B 5786, устойчивого к СО, при культивировании на синтез-газе - продукте газификации бурых углей. Проведено сравнение полученных результатов с данными, полученными при выращивании бактерий на электролитическом водороде, и показано, что синтез-газ может успешно применяться для получения ПГА. В экспериментах с природным штаммом бактерий впервые было показано, что при миксотрофных условиях роста - CO2 + дополнительный субстрат (алкановые кислоты) - бактерии способны синтезировать многокомпонентные ПГА, состоящие из коротко- и среднецепочечных мономеров с длиной цепи от 4 до 8 атомов углерода. Показано, что состав ПГА зависит от типа дополнительного субстрата. Жирные кислоты с нечётным количеством атомов углерода стимулируют бактерии синтезировать многокомпонентные ПГА, состоящие из таких основных компонентов, как 3-гидроксибутират, 3-гидроксивалерат и 3-гидроксигексаноат, и второстепенных, эпизодических компонентов: 3-гидроксигептаноата и 3-гидроксиоктаноата. Жирные кислоты с чётным количеством атомов углерода стимулируют синтез как соответствующих им мономеров (3-гидроксигексаноата и 3-гидроксиоктаноата), так и 3-гидроксивалерата, что позволяет получать четырёхкомпонентные ПГА, содержащие 3-гидроксибутират и 3-гидроксигексаноат в качестве основных компонентов. Было синтезировано семейство коротко- и среднецепочечных четырёх- и пятикомпонентных ПГА и проведено исследование их физико-химических и медико-биологических свойств.