近日，斯坦福大学的研究员们通过合成生物学建立细胞工厂，利用CO₂和电力生产出了高性能材料，并首次在生物聚酯主链中引入芳环。

据了解，带有环状结构的生物聚酯比链状结构更难合成，但因其结构稳定，可用来制作一些高性能的材料，芳香族聚酯比脂肪族聚酯如 PET、PBT 等具有更高的耐热性和其它综合性能，理论上拓展了生物聚酯在更多材料领域当中的应用，该研究后续的产业转化值得期待。

迄今为止，所有生物催化获得的芳香族聚羟基脂肪酸酯的芳香环都在侧链上，斯坦福团队首次实现在生物聚酯主链中引入芳环。

该团队选择化能自养 “knallgas” 细菌 Cupriavidus necator 作为底盘生物，创建微生物细胞工厂，利用各种碳和能源，通过生物催化合成一系列脂肪族和芳香族聚酯。

实验表明，所有前体均可从一种碳源如CO₂从头生物合成。通过基因工程改造微生物细胞工厂，利用原位电化学产生的H₂和O₂，并吸收CO₂进行生产，表明芳香聚酯也可以在自养条件下形成。

聚羟基脂肪酸酯，简称 PHA，是由微生物利用多种碳源发酵产生的高分子聚酯的总称，近年来发展迅速。由于具有良好的生物相容性、生物可降解性和热加工性能，PHA 在塑料包装、化工、医药、农业、生物能源等多个领域具有广泛应用，但生产成本偏高严重限制了 PHA 材料的大范围生产和应用。如何改善 PHA 工业化生产中的高生产成本和不稳定性已经成为生物材料领域的研究热点。

研究发现PHA合成酶表达水平与聚酯分子量呈负相关，这对菌株工程有广泛的影响，特别是平衡 PHA 合成酶的催化速率被认为是微调聚合物质量的关键。在 PHA 主链中引入其他的单体羟基脂肪酸进行共聚可以有效改善 PHA 材料的力学性能和加工性能。

上述研究首次在生物聚酯主链上引入芳环，将芳香族环加入生物聚酯的主干，极大地提高了性能，合成的芳香族聚酯在结构上类似于PET和高强度聚芳酸酯。类似聚酯已经基于天然羟基酸进行化学合成和表征，这些 “聚羟基芳基化物” 表现出液晶聚合物的特性，并且具有潜在的生物降解性。然而，要获得主链芳香含量高、分子量高的聚合物，仍需进一步研究。

上述研究一方面在生产原料方面具有竞争优势，可以直接减少温室气体排放，同时避免与食品工业的竞争，能够通过降低原料成本提高商业竞争力；另一方面，使用生物催化的方法，有效解决了有氧气体发酵成本高昂及其涉及的严重安全问题。

论文链接：https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2021.12.12.472320v1