合成、生产、和生物技术应用的胞外和Polyhydroxyalkanoates古生菌

文摘

极端的环境中,通常表现为非典型温度、pH值、压力、盐度、毒性、辐射水平,居住着各种微生物特别适应这些特殊条件,称为极端微生物。其中,微生物属于古菌域是重要的生物技术的生物聚合物具有独特的属性,提供洞察他们的生物学与进化。特别注意一直致力于两个主要类型的这种特殊的微生物产生的生物聚合物,即细胞外多糖(系统),视为抵御干燥和捕食,和室内的polyhydroxyalkanoates (pha)提供一个内部储备的碳和能量。在这里,我们报告的组成、生物合成和生产系统和pha的不同的热点。

1。介绍

大量系统从极端微生物被报道在过去的几十年里,和他们的极大的变量组成,结构、生物合成和功能性质都进行了广泛的研究,但只有少数工业发达。支付系统是高度异构聚合物包含许多不同的单糖和取代基noncarbohydrate特定物种。多糖链通常由使用一个低聚糖作为一个重复单元,可以根据聚合度大小不同。胞外发现多方面的应用在食品、制药、等行业。extremophilic微生物和他们的系统建议几个生物技术优势,短的嗜热微生物发酵过程和容易形成稳定乳液系统从它们1- - - - - -4]。

系统从不同的古生菌属,孤立主要属于嗜热、嗜盐的组。高温(热爱)微生物可以在每个门的古生菌和细菌,并隔绝各种高温生态系统:海洋温泉,深和浅,和陆地温泉担任微生物来源隔离EPS生产商。嗜热古细菌属、Thermococcus和硫化叶菌生产系统,Archaeoglobus fulgidus和Thermococcus litoralis积累大量的支付系统作为生物膜(5- - - - - -8),一个财团的微生物固定化和写在每股收益,可以限制物质的扩散和抗菌药物。

古生菌,旁边几个嗜热细菌是好的生产商大量的每股收益等芽孢杆菌thermantarcticus,Geobacillus thermodenitrificans,地衣芽孢杆菌海洋浅,隔绝热喷口,或者极端高温厌氧发酵厌氧菌Thermotoga maritima和coculturesThermotoga maritima和H₂消耗产烷生物产甲烷球菌属jannaschii,发现开发重要的生物膜,或最后Geobacillus tepidamansV264,孤立的从地面温泉,能产生胞外多糖异常耐热性的,开始分解约为280°C (9]。尽管许多嗜热菌隔绝温泉,很少有研究生物膜的每股收益。林等。10胞外多糖)的主要结构特征的小说TA-1分泌水生栖热菌YT-1表明TA-1具有免疫活动。t . aquaticus和其他嗜热微生物可能受环境压力,如高温、DNA通过生物膜,不寻常的糖脂和高GC含量(10]。

建立了许多嗜盐古菌是EPS等生产商Haloferax,Haloarcula,Halococcus,Natronococcus,Halobacterium(11- - - - - -14]。然而,最常见的嗜盐的EPS生产商属于属的细菌Halomonas最重要的是h·莫拉h . eurihalina h . ventosae和h . anticariensis(15]。胞合成了Halomonas株硫酸盐含量高得异乎寻常,大量的糖羰酸决定他们的好gelifying属性。其他好的嗜盐的EPS生产商gamma-proteobacteria是属Idiomarina和Alteromonas,即Alteromonas hispanica;此外,alpha-proteobacteriaSalipiger mucosus和Palleronia marisminoris据报道EPS生产商(15,16]。

在室内的polyhydroxyalkanoates (pha)、聚酯组成的羟基脂肪酸,biosynthesized和存储为脂质包体:人们普遍认为从自然环境中分离微生物的营养来源(从土壤或泉水)表现出更高的生存能力比那些生活在高等生物的消化道(17]。事实上几个极端微生物积累这些脂质夹杂物进入固定相的增长,使用它们后作为一个内部储备的碳和能量(18,19]。

pha是由一些嗜盐古细菌物种属于属Haloferax,Haloarcula,Natrialba,Haloterrigena,Halococcus,Haloquadratum, Halorubrum,Natronobacterium,Natronococcus,和Halobacterium(12,20.- - - - - -29日]。此外,pha生产也由一些细菌,其中一些已经从废液中分离的处理设施,经常提供的混合基质(30.]。PHA生产已报告在不同的细菌,包括芽孢杆菌,自聚的发现——被广泛研究羟基丁酸(PHB)b . megaterium在1925年的压力。最著名的polyhydroxyalkanoate的PHB,也被报道Methylobacterium、葡萄球菌、微球菌,红球菌属和副球菌。菌株的Methylobacterium,副球菌,红球菌属可能产生候选人共聚物,如聚([R] 3-hydroxybutyrate-co-hydroxyvalerate) (PHBV),使用醋酸有限氮条件下,葡萄糖,甲醇、硫喷妥,丙酸、戊酸为底物(12,30.,31日]。

本文是一个简短的评论的热点微生物系统和pha的来源,特别注意他们的生产和生物技术的应用潜力。

2。支付系统:特点和生理作用

胞(系统)是糖残基组成的高分子量聚合物,是由微生物分泌到周围环境中。他们占了很大分量围绕大多数微生物细胞的胞外聚合物在南极生态系统等极端环境中,盐水湖泊、地热温泉,或者深海热液喷口。极端微生物已经开发出各种适应策略,使他们能够弥补极端环境的有害影响,高温和盐浓度低或温度、pH值、高辐射。在这些策略中,EPS生物合成是最常见的一种保护性机制。在自然环境中,大多数细菌发生在微生物总量结构和功能的完整性是基于矩阵的胞外聚合物物质的存在和EPS生产似乎对于生存至关重要(32]。许多微生物(许多种类的革兰氏阳性和革兰氏阴性细菌、古细菌、真菌和一些藻类)已知产生胞外多糖。胞是一个术语第一次使用萨瑟兰(33)来描述海洋细菌产生的碳水化合物高分子量聚合物。胞外可以找到荚膜材料或分散矿泥在周围环境没有明显关联到任何一个特定的细胞(34]。已取得相当大的进展在发现和开发新的微生物系统,拥有新颖的工业意义(15]。大量的微生物系统据报道在过去的几十年里,和他们的组成、结构、生物合成和功能性质都已经被广泛地研究过了。近年来天然聚合物的需求增加制药、食品和其他工业应用导致显著的多糖由微生物产生的兴趣。事实上,大量利益引起了关于新微生物多糖的分离和鉴定,可能创新的应用程序作为胶凝,乳化剂和稳定剂(35]。

许多微生物产生的胞外增长战略,坚持固体表面,幸存的不利条件。EPS的生理作用取决于生态区位和自然环境中微生物被孤立。EPS的生产是一个过程,需要一个明显的能量消耗的总能量储备的70%,代表了一个重要的微生物碳投资。然而,利益相关系统产量明显高于成本考虑增加微生物的生长和存活在他们面前(36]。无疑地,系统具有保护性质:他们周围形成一层细胞提供一个有效的抵御高或低的温度和盐度或可能的捕食者。他们在聚合形成至关重要,在表面粘附的机理和其他生物,生物膜的形成和营养物质的吸收2,37]。特别是,海冰微生物群落的研究也发现细菌密切相关的粒子和指出,微生物系统发挥了重要作用cryoprotection [38]。

3所示。支付系统:化学研究和作品

整体生物聚合物的表征涉及评价的化学、物理、生物的属性,是一个关键因素,以理解他们的行为在不同的环境中,可以预见到他们的潜在的应用。糖残基的化学表征问题识别,重复单位(可能是由多个基于糖/糖的分子),和链组织成分(例如,酰基和磷酸基)。组成的传统方法,酸水解后通过derivatisation alditol醋酸纤维素由气相色谱分析化验,已逐渐取代高压阴离子交换色谱法与脉冲电流检测(HP-AEC-PAD),这是避免derivatisation步骤更简单。描述的单一碳水化合物利用毛细管电泳(CE),没有明显的碳水化合物改性水解后,一直也有据可查。可能多的单体的组合单元以及糖苷联系的定向性(——或者-异头物),导致非常复杂的化学结构非常难以解决,从线性homopolysaccharides高度支杂多糖。单体的连锁模式是由甲基化评估:根据最常用方法,所有自由羟基进行甲基化,其次是多糖水解,减少由NaBD甲基苷₄和乙酰化作用,它提供了O乙酰基组链接点。用气相色谱-质谱(部分甲基化醋酸alditol分析31日,41]。本研究补充了改善液态2 d NMR方法(如舒适、NOESY TOCSY和HSQC),这允许显示每个碳/氢环境中定位以及凝胶和固态核磁共振(14,42,43]。各种技术已被用于测定聚合物分子质量等高性能尺寸排阻色谱法与多角度激光光散射检测(HP-SEC-MALLS) [44),最近的一个有效方法绝对多糖分子质量评估,提供更大的分辨率比传统凝胶渗透色谱法(GPC)。

Sletmoen et al。43]报道最近的进步多糖在单分子水平的研究。在过去的几年里,单分子技术,如纤维衍射、透射电子显微镜(TEM)、原子力显微镜(AFM),提高了敏感性给予一个很好的机会来调查性质的单分子接近生理条件。尽管x射线衍射可用于结构的决心在原子尺度上建立三维结构和组织的长链聚合物,由超显微镜的成像技术TEM、AFM纳米的提供信息μ米的范围内。这些技术可用于确定,例如,聚合物链长度的分布,聚合物链的灵活性,单位长度上的质量。然而,它必须强调TEM需要精心准备程序实现对比度增强和真空样品的兼容性;因此可能存在的工件与制备过程需要适当的注意,以避免可能的误解的形象。相反,AFM的优点是提供了一个操作环境接近生理条件下,与空气中的图像被记录或沉浸在液体样品时,比如水(43]。

大多数系统都是杂多糖含有三个或四个不同的单糖安排在10组或少形成了重复单位。这些聚合物通常是线性平均分子量不等来哒。他们通常是由单糖和取代基noncarbohydrate(如乙酸、丙酮酸、琥珀酸和磷酸)。一些系统是中性的大分子,但大多数都是阴离子的存在糖羰酸或ketal-linked丙酮酸或无机残留物。由微生物细胞合成系统差异很大的成分,因此在他们的化学和物理性质。组件中最常见的EPS是单糖,如戊糖(D-arabinose,一小,D-Xylose),己糖(葡萄糖、D-Galactose D-Mannose, D-Allose, L-Rhamnose, L-Fucose),氨基糖(D-Glucosamine和D-Galactosamine)或糖羰酸(D-Glucuronic酸和D-Galacturonic酸)。有机或无机取代基如硫酸、磷酸、乙酸、琥珀酸、丙酮酸也可能存在。最常见的单糖之间的联系是1,4 -——3 -或1联系的脊椎的特点是强烈的刚性和1,2 -——6 -或1在更灵活的联系。多糖的物理性质是深受单糖的方式排列在一起的组合单一聚合物链(45]。多糖的组成和结构决定其主要构象。此外,要求二次配置经常需要聚合螺旋的形式。产品化的解决方案随机线圈下令螺旋聚合物的存在与否往往很大程度上影响了酰基取代基等O乙酰基或O丁二酰酯或丙酮酸缩酮45]。

4所示。古细菌EPS生产商

胞被确定在不同组的古菌,嗜盐菌和嗜热微生物(表中为主1)。大量的系统排出的嗜盐的属的成员Haloferax,Haloarcula,Halococcus,Natronococcus,和Halobacterium(11- - - - - -14,39]。各种thermoacidophilic古生菌,包括属的成员Thermococcus和硫化叶菌,观察积累存储多糖,如糖原,并分泌甘露聚糖和硫酸化杂多糖,分别5,7]。Archaeoglobus fulgidus和Thermococcus litoralis积累了大量的系统作为生物膜(6- - - - - -8]。

安东et al。11)是第一个报道的生产EPS archaebacterium。作者描述了Haloferax mediterranei(写明ATCC 33500)作为生产者的胞外聚合物物质给了殖民地和典型的粘液角色负责外观表面层的泰然自若的液体介质。他们获得了EPS动摇的上层清液液体文化通过冷乙醇沉淀收益高达3毫克/毫升用葡萄糖作为碳源。聚合物被认定为杂多糖含有甘露糖的主要组件。葡萄糖,半乳糖,另一个身份不明的糖也发现,以及氨基糖,糖羰酸,和大量的硫酸,占酸性聚合物的性质。

这种聚合物的重复单元的结构随后由Parolis et al。14)由葡萄糖、甲基化和硫酸盐的分析,高碘酸盐氧化和1 d和2 d核磁共振光谱分析本机和periodate-oxidised /减少多糖→4)β-D-GlcpNAcA - (1→6)d男人p(1→4)-D-GlcpNAcA-3-O -- (1→。正如所料,化学结构的说明证实聚合物是一种高度带电分子如前所述[11]。

中性的胞外多糖的结构孤立Haloferax gibbonsii(写明ATCC 33959)已由Paramonov et al。13]。多糖含有d男人,D-Glc D-Gal和L-Rha比率的2:1:3:1。糖残基的替换模式推导出的甲基化分析表明学重复单元包含两个分支。糖重复单位(表的顺序1)是由NOESY和HMBC NMR实验。

Parolis et al。39]报道一个线性的结构、酸性胞外隔绝Haloferax denitrificans,一个极端嗜盐的生物生长在盐浓度从1.5到4.5米。这个archaeon有氧,高度多形性和产生橙红色的殖民地。重复单元的多糖的糖残基被确定为→4)-D-GlcpA2, 3 nac - (1→4) --D-GlcpA2, 3 nac - (1→4) --D-GlcpA2, 3 nac - (1→3)-D-Galp- (1→,D-GlcpA2, 3 nac 2 3-diacetamido-2 3-dideoxy-D-glucopyranosiduronic酸。

在筛选程序获得新的polyhydroxyalkanoate和胞外生产商,Nicolaus et al。12]孤立三专性嗜盐的微生物(命名为T5、T6和T7菌株)从一个未知的网站在突尼斯(穆纳斯)。所有的隔离了极性脂质模式的代表属的特征Haloarcula特别是T5应变被确认为一种新的压力h .粳稻由dna dna杂交分析(图1)[12]。这些菌株被种植在基本培养基含有葡萄糖为唯一碳源:在这样的条件下他们能够产生硫酸细胞外多糖,容易从细胞中分离出来自由文化肉汤的降水与冷乙醇。EPS收益率获得370 mg / L, 45 mg / L和T5 35毫克/升,分别T6和T7菌株。糖分析EPS从应变T5透露主要成分甘露糖、半乳糖、葡萄糖醛酸和相对比例2:1:3,分别。此外,糖分析菌株T6的原油系统和T7产生,主要成分甘露糖、半乳糖和葡萄糖在相同的相对比例1:0.2:0.2。

极端thermoacidophile硫化叶菌solfataricus应变MT4、应变MT3观察生产硫酸、葡萄糖、甘露糖、葡萄糖胺,在最优条件下和胞外多糖galactose-containing在增长。期间双方达成的最大产量增长和获得的收益的固定相为8.4 mg / L和7.0 mg / L MT4 MT3菌株,分别为(5]。

硫化叶菌solfataricus以及与此密切相关的hyperthermophilic crenarchaeota硫化叶菌acidocaldarius和美国tokodaii最近研究了Koerdt et al。46对生物膜的形成。生物膜共焦激光扫描显微镜的分析表明,这三种菌株形态非常不同的社区从简单的始终结构美国solfataricus像高密度一样的结构美国acidocaldarius在静态系统。此外,凝集素染色表明,所有三个菌株产生胞外多糖含有葡萄糖、半乳糖、甘露糖、N-acetylglucosamine一旦生物膜的形成是启动(46]。

胞外多糖的另一个例子是古细菌生物膜是由组成Archaeoglobus fulgidus,最好的特点Archaeoglobus物种。答:fulgidus是一种厌氧海洋超嗜热菌获得能量通过异化的硫酸盐还原使用H₂、乳酸、丙酮酸作为电子供体。的能力答:fulgidus相隔甚远的区域在成功表明它已经进化机制幸存的温度变化,营养,和潜在的有毒化合物的浓度(6]。这些发现古生菌形成生物膜,以应对环境压力。生物膜是一个异类,形态变结构含有蛋白质、多糖和金属。生物膜的生产可以诱导nonphysiological极端的pH值和温度,由高浓度的金属,通过添加抗生素,外源性物质,或氧气。Lapaglia和Hartzell6]表明,细胞内生物膜的耐受性增加否则有毒环境条件。此外,生物膜内的金属隔离刺激增长答:fulgidus细胞metal-depleted介质表明细胞可能产生生物膜作为集中的机制和附加表面,作为一个保护屏障,作为储备营养。因为类似的生物膜形成Archaeoglobus profundus,产甲烷球菌属jannaschii,甲烷细菌属thermoautotrophicum,生物膜的形成可能是一个常见的应激反应机制在古菌(8]。

产生的胞外多糖可溶性Thermococcus litoralis显然参与形成生物膜,研究了溜冰者和凯利7]。胞外多糖的分析acid-hydrolyzed了甘露糖作为唯一monosaccharidic组成。最近,溜冰者和凯利40]研究碳和氮源对经济增长的效应动力学和胞外archaeon生产Thermococcus litoralis和细菌Thermotoga maritima发现,不仅t . litoralis无法利用NH吗₄Cl作为氮源,但其增长甚至抑制在特定水平。此外,胞外生产生物是重要和稀释率的增加而增加。特别是,t . litoralis每股收益总额的两倍多t . maritima在最佳生长条件下(~ 0.32 g EPS / L和0.4 ~ 0.1 g EPS / L稀释率h⁻¹为t . litoralis和t . maritima、职责)。此外,在1 g / L NH的存在₄Cl, EPS /车损险t . litoralis被发现与增加稀释速率显著增加(~ 10 EPS /车损险稀释速度0.7 h⁻¹在1 g / L NH的存在₄Cl与~ 2 EPS /车损险的稀释速率但缺乏NH₄Cl) [40]。

5。EPS产品和生物技术的应用程序

虽然成分和每股收益产生的微生物的数量是由基因决定的特征,他们是高度受媒体组件和栽培条件的影响。支付系统的合成通常是多余的碳源的存在,伴随的限制,另一个营养物质(如氮、氧)[15]。发酵是一个非常多才多艺的增值产品,如微生物生物聚合物的生产工艺技术。尤其是微生物多糖生产深受发酵条件。事实上的结构、组成、粘度系统取决于几个因素,如培养基的组成、碳和氮源和前体分子,矿物盐、微量元素、类型的应变,和发酵条件如pH值、温度、氧浓度和搅拌15]。微生物作为工业或技术生产商的细胞外多糖主要致病菌。种、黄,明串珠菌属,假单胞菌,和产碱杆菌属生产黄原胶、右旋糖酐、结冷胶和农业,分别是最著名和最工业使用。实际上,乳酸菌产生的支付系统(实验室),已经接受为肝(通常被认为是安全的)代表最适合食品行业的聚合物。它们广泛用于乳制品行业以来原位生产系统提高了纹理的发酵乳制品,也带来了健康福利由于其免疫刺激性,antitumoral或降低胆固醇的活动(47]。

右旋糖酐(由实验室等明串珠菌属mesenteroides嗜中温牙科病原体变形链球菌)、黄原胶(EPS从植物病原体黄定pv。定产生的细菌)、结冷胶(不致病的细菌假单胞菌伊乐藻属植物),农业(嗜中温病原体产生的碱性宽容粪产碱杆菌属)是商业微生物多糖的一些例子,进入市场。因为商业EPS-producing菌株的致病性,近年来已经取得了显著的进展在小说的勘探和开发,功能系统从extremophilic生产商菌株(15]。

目前,尽管大量extremophilic EPS的生产者和生物多样性,这些无毒,可生物降解聚合物只代表一小部分市场当前的聚合物。这几个市场胞外来自极端微生物只属于细菌域:实际上没有EPS古生菌产生的商业应用程序。高生产成本和穷人理化性质(如果从工厂和工业系统相比,如瓜尔胶、纤维素、果胶和淀粉、海藻酸和从海藻和卡拉胶),使微生物系统不适合利润的目的(48,49]。发酵媒体可以代表近30%的微生物发酵的成本通常是由昂贵的营养物质如酵母提取物,蛋白胨,盐。为了最大化的成本效益过程中,近期作品转向使用多组分原料系统、和合成媒体取而代之的是更便宜的替代品:糖蜜被成功用于发酵生产、农业等商业多糖(50),黄原胶(51),右旋糖酐(52],结冷胶(53,使用了麦芽谷物、苹果果渣、葡萄果渣和柑橘皮为黄原胶生产固态发酵(54),使用橄榄油厂废水在黄原胶生产55是一些例子。

除了使用更便宜的基质,减少生产成本可能涉及产品收益率通过优化发酵条件的改善或开发收益率较高的菌株(例如,通过诱变或基因操作),并通过优化下游处理。此外,兴趣发展的微生物系统可能与使用在高附加值的细分市场,如化妆品、制药和生物医学,传统聚合物不符合所需的纯洁程度或缺乏一些具体功能属性。在这些高价值的应用领域,质量和纯度的产品完全超过生产成本和产品产量问题,识别这些有趣的生物聚合物的合适的候选人为生物技术的应用程序(56]。

6。pha:特征和成分

微生物能够形成各种细胞内和球形夹杂物。这些夹杂物可以被磷脂膜分为无机杂质,如例如,发展前景(氧化铁的核心),例如,和有机包裹体如biopolyester (pha: polyhydroxyalkanoates)颗粒(聚酯芯)27]。Polyhydroxyalkanoates聚酯羟基脂肪酸组成的,这代表了一个复杂的存储类聚酯。聚-羟基丁酸(PHB)是最著名的polyhydroxyalkanoate。pha和水不溶性胞质纳米尺度的夹杂物沉积。这些球形壳芯颗粒是由聚酯核心包围磷脂和蛋白质;后结晶溶剂萃取和展览,而高分子量(从来Da)、热塑性弹性体的性能和一些其他有趣的物理和材料属性。pha合成了几种微生物作为碳的储量和能源的过量的碳的来源,通常当一个必不可少的养分限制细胞的增长。现在认识到,这些脂质积累了夹杂物多的细菌进入固定相的增长之后使用作为一个内部储备(19]。当碳和能源需要,PHA通常depolymerised D (−) -hydroxybutyric酸然后乙酰乙酸盐和acetoacetyl-CoA代谢。不同单体的多样性可以纳入pha,结合生物聚合系统,生成高分子重量材料,导致了一个巨大的范围的新的潜在可用聚合物。除了上面描述的典型性质,pha的一个重要特征是其生物降解性。

pha在范围广泛的不同的革兰氏阳性和革兰氏阴性细菌,以及在一些haloarchaeal物种(表2)属于属Haloferax,Haloarcula,Natrialba,Haloterrigena,Halococcus,Haloquadratum, Halorubrum,Natronobacterium,Natronococcus和Halobacterium。这些后者能够合成short-chain-length polyhydroxyalkanoates (SCL-PHAs), PHB和共聚物聚--hydroxybutyrate-co-3-hydroxyvalerate (PHBV)碳和能源储存(12,20.- - - - - -29日]。值得注意的是,PHA的存在的细胞也被用作chemotaxonomic标记来帮助识别的新分离(12]。嗜盐古生菌中,Haloferax mediterranei是研究菌株之一,由于其能力积累大量PHBV的共聚物,因此它被评为最有前途的候选人之一,工业生产的原核生物PHBV (63年,64年]。PHA积累的h . mediterranei最初报道称PHB [26,57但最近它被重新评估,为PHBV (64年,65年]。也Haloarcula hispanica(之前沉积Halobacterium hispanicumPHB)最初表示生产商(57),但后来的研究报道PHBV的生产(58]。

PHA的存在颗粒在首次报道haloarchaea柯克和金兹堡66年]。压力被称为”Halobacteriumsp.从死海”,但后来它被确认为Haloarcula marismortui(67年]。PHB化学,pha主要由和PHBV的共聚物。

发现了超过100种不同的单体单位作为pha的成分在各种微生物根据培养基的碳源补充(68年]。pha的单体经常发现是3-hydroxyalkanoates(3) 3 - 14碳原子和/或4和5的三到五个碳原子,这可能是饱和或不饱和和直或支链含有脂肪族或芳香族侧组(68年]。

在几个正在开发可生物降解的聚合物,pha吸引了太多的关注,因为其属性的相似性的传统中提取的石化产品,塑料及其在各种环境中完整的生物降解性。电影类型pha显示气体屏障属性与保利(氯乙烯)和聚(乙烯对苯二甲酸乙二醇酯);因此,pha可以与非降解性聚合物用于包装行业和竞争,在同一时间,代表了理想的候选人来满足需求的增加环境兼容的材料来源于可再生资源(69年,70年]。pha正在调查不同的化学结构对其潜在的应用在药物控制释放、缝合线、骨板,伤口敷料,辅助医疗一次性用品和治疗设备71年- - - - - -74年]。此外,生物降解性、热塑性塑料特性和生物相容性使这些材料适合于多个应用程序在包装行业、医学、制药、农业和食品行业或为原料合成光学纯的化学物质和油漆(的生产75年]。

描述了几种方法,用于收集细菌的生物聚合物和定义其内容。他们需要耗时和困难的过程,大量使用有机溶剂,几个净化步骤,次氯酸钠和氯仿的分散策略,酶消解时(76年,77年]。无利可图描述的方法由于困难和缓慢的过程,导致低bioproducts恢复产量和高环境的影响。最近,Strazzullo et al。78年)提出了一种简化和快速溶剂萃取法中没有使用。在这个简单的方法钠十二烷基硫酸直接添加到分散的微生物生物量的文化在蒸馏水颤抖,热处理,和清洗步骤。随后,质谱分析(MS)¹H -¹³C NMR分析被用于化学描述生物高聚物。

7所示。聚酯合酶:PHA生物合成的关键酶

聚酯合成酶是聚酯生物合成的关键酶,催化的转换(R)3-hydroxyacyl-coa硫酯聚酯的相伴释放辅酶a [79年]。

微生物转化糖和脂肪酸PHA通过三种不同的代谢途径,包括为中间乙酰辅酶a或酰coa和结束与单体聚合PHA合成酶(80年]。一般的PHB合成从乙酰辅酶a,通过代乙酰乙酰基- CoA和3-hydroxybutyryl-CoA收益。最初两个乙酰辅酶a分子发生凝结形成acetoacetyl-CoA,所催化的反应-ketothiolase (PhaA)。减少acetoacetyl-CoA由一个NADPH-dependent acetoacetyl-CoA脱氢酶(伤健)。最后,(R) 3-hydroxybutyryl-coa单体聚合成P (3 hb) P (3 hb)聚合酶(PhaC) [79年,81年]。所涉及的基因和酶的合成pha进化特有的特性不同的微生物群体。能力的微生物合成PHA的特殊形式主要是由于PHA合成酶的底物特异性。在过去的几十年里,大量的研究一直致力于研究PHA合成酶在域的细菌,这些酶可以分成四种类型根据其底物特异性和亚基组成(79年]。PHA合成酶属于类我利用辅酶a硫酯3,4,,5由三到五个碳原子,而二类聚合酶直接对辅酶a硫酯的特异性的3 6至14个碳原子,和4和5。两类合成酶I和II进行编码phaC基因。典型的细菌类型III合酶是由两个子单元命名阶段和PhaC相似的分子量(约40 kDa)具有底物特异性类似于类,我虽然PhaCE单元也可以聚合3和6到8个碳原子。第四类合成酶类似于第三类PHA合成酶,但阶段被PhaR(分子量约。20 kDa):它们是由基因编码(phaC和phaR),利用3公顷单体有3至5个碳原子(79年]。虽然PHA在细菌的代谢途径的特点,参与haloarchaea PHA生物合成的基因没有被直到最近,当第一个archaeal-typephaEC基因编码一个公认的第三类PHA合成酶是识别和特征Haloarcula marismortui,Haloarcula hispanica,和Haloferax mediterranei(21,58,82年]。古细菌PHA合成酶在这些物种是由两个亚基,阶段和PhaC同源的第三类PHA合成酶细菌,展示一个更长的c端扩展在PhaC亚基(c.a。1430个基点)和守恒的残留物的存在(例如,Cys-Asp-His催化三)。相比之下,阶段(c.a。550个基点)亚基比细菌小得多的同行和缺乏颗粒的疏水性和两亲性氨基酸协会第三而不是出现在相应的细菌类酶(21,58]。陆et al。58)首次克隆基因集群()编码的PHA合成酶Haloferax mediterranei,这表明这两个阶段_Hme和PhaC_Hme蛋白质是强烈绑定到共聚物PHBV颗粒。值得注意的是在细菌中,PHA synthase-encoding基因()Haloferax mediterranei集群和cotranscribed,这两个和蛋白质亚基是不可或缺的PHBV综合来自多个不相关的碳源。此外,作者报道的淘汰赛基因在Haloferax mediterranei导致完全丧失PHBV合成,只有整个的互补可以恢复到这个突变基因的能力PHBV积累。

最近的一个评论(70年)列出了PHA生产由嗜盐古生菌和细菌和强调,通过多个对齐phaC亚基的氨基酸序列,如何的主要结构haloarchaea PHA合成酶的研究(Haloferax mediterranei,Halogeometricum borinquense,Haloquadratum walsbyi,Halorhabdus utahensis,Haloarcula marismortui,Haloarcula hispanica, Halorhodospira halophila)共享很高的身份。系统发育树报道Quillaguaman et al。70年]基于phaC嗜盐的合成酶和nonhalophilic属于微生物细菌和古菌域透露,一些古菌和细菌之间共享最接近的遗传关系PHA聚合酶增殖海相成因的类似的栖息地。系谱树基于PhaC和阶段/ R单元从一些具有代表性的细菌和haloarchaea进一步表明PHA合酶从haloarchaea属于第三类家族的小说群(58),最后表明PHA生物合成基因haloarchaea可能已经从细菌获得了通过水平基因转移81年]。总之,并不是所有的12Halobacteriaceae物种(Haloarcula marismortui写明ATCC 43049,Halobacterium salinarumNRC-1 ATCC700922,Halobacterium salinarumR1,Haloferax volcaniiDS2、Halogeometricum borinquenseDSM 11551,Halomicrobium mukohataeiDSM 12286,Haloquadratum walsbyiDSM 16790,Halorhabdus utahensisDSM 12940,Halorubrum lacusprofundi写明ATCC 49239,Haloterrigena turkmenicaDSM 5511,Natrialba magadii写明ATCC 43099,Natronomonas pharaonisDSM 2160)的全基因组序列,同时包含可用phaC和阶段基因(25]。特别是,物种Halogeometricum borinquense,Halomicrobium mukohataei,Halorhabdus utahensis,Haloquadratum walsbyi和Haloterrigena turkmenica只包含了phaC基因(25除了已经提到Haloarcula hispanica, Haloarcula marismortui和Haloferax mediterranei这礼物phaEC基因。此外,Hbt。salinarumNRC-1 ATCC700922包含的同系物phaA和伤健基因,但不是的phaC(81年]。

描述PHA合成酶的嗜盐古生菌开始的PHB合酶菌株56 [83年];这一毒株最近分类Halopiger aswanensis(62年]。这种酶等酶由家族成员Halobacteriaceae显示了一个高耐热性(60°C)和被发现主要是颗粒相关联。Hezayen et al。83年)报道,PHA合酶共价相连的PHB的核心颗粒的硫酯键。一般来说,从极端嗜盐古细菌类酶需要高盐浓度的生物活性和稳定性。高盐浓度要求的高蛋白质表面电荷补偿这些酶(84年]。因此,可溶性的PHB合成酶不表现出酶活性没有盐和拥有一个非常狭窄的底物特异性。值得注意的是h . aswanensis合成PHB只即使在其他hydroxyalkanoate单体的存在,例如,3-HV, 4-HB,培养基(83年]。

8。PHA生产

采用PHA的主要缺点之一广泛应用是其生产成本高。因此,花费了大量精力来降低其生产成本,提高菌株,发酵效率和恢复过程(86年]。目前,pha是工业生产的公司在美国商业名字Metabolix Mirel使用重组大肠杆菌应变(87年,88年]。

一般haloarchaea代表PHA生产的理想人选。Haloferax mediterranei是用于生产PHA咸水环境条件下很少有生物可以生存。这些生物体生长盐度的极端条件下是有用的,以避免污染问题减少不育需求和生产成本26,57]。此外,它相对容易恢复从haloarchaea PHA颗粒,相比于其他PHA积累微生物,它们很容易溶解在蒸馏水和释放PHA颗粒可以恢复的低速离心(57]。签约和Rodriguez-Valera26]报道文化PHA生产条件的影响Haloferax mediterranei。他们发现PHA积累开始在对数生长期,增加生物量和达到一个峰值在固定相的开始。PHA合成延迟对生物质能发展,达到最大的合成指数的最后阶段。此外,作者发现磷酸盐限制是必不可少的PHA大量积累,葡萄糖和淀粉是最好的碳源生产的ca。6克每升PHA在批文化中,总生物量干重的60%。随后,唐等人所做的研究。65年)建立了生产的PHA的化学结构h . mediterranei随着共聚物含有10.7%的3-HV和PHBV表明馈料式发酵利用葡萄糖作为碳源最大48.6 wt PHA的内容。%和体积PHA生产0.36 g⁻¹L⁻¹h⁻¹。

从概念的碳源是至关重要的成本降低PHA生产的生产成本(86年,89年,90年],最近许多作者在文献中经常讨论一个更便宜的方法得到一个经济竞争PHA生产(表来自可再生资源3)。使用废物基质extremophilic生物质生产是一个有吸引力的选择产生代谢物进行商业开发。一项研究由黄等。60]表明,不同的低成本原料可以作为碳源以降低PHA的生产成本h . mediterranei。使用的材料是挤压米糠和挤压机的挤压玉米淀粉有阿尔法机使用本机之前农业废物处理。作者采用pH-stat pH值控制策略来维持在6.9 - -7.1 5升状jar生物反应器,使用挤压米糠挤压玉米淀粉的组合(1:8 w / w),获得140 gL的细胞浓度⁻¹77.8 gL, PHA的浓度⁻¹55.6 wt, PHA内容。%,生产力增加到0.71克⁻¹L⁻¹h⁻¹(60]。科勒et al。63年指出关注乳清,奶酪和酪蛋白的主要副产品生产,提出作为PHA的生物技术生产的原料h . mediterranei。作者,突显这廉价的原材料,如何丰富的乳糖,构成了乳制品行业的剩余产品,建议解决浪费问题结合仿生技术的发展过程(63年,64年,91年]。此外,他们发现使用水解乳清,h . mediterranei产生了共聚物PHBV 3-HV含有6.0%,PHA内容为72.8 wt。%但是低体积PHA生产记录(0.09 g⁻¹L⁻¹h⁻¹)。此外,PHA terpolyester, P (3 hb -有限公司3高压- -21.8%有限公司-5.1% 4 hb)增加3高压部分以及4-hydroxybutyrate (4 hb)构建块,被喂养水解乳清糖积累+戊酸酯和γ丁内酯钠64年]。在后者情况下,PHA生产力和PHA产量是0.14克⁻¹L⁻¹h⁻¹和87.5 wt。分别为%,即使从1047 kDa分子量降低,使用唯一的水解乳清,987 kDa [64年]。综合这些研究,h . mediterranei演示了一个好的能力合成高分子材料,可以为不同的应用程序(70年]。

Taran和Amirkhani59调查的PHB生产的优化Haloarculasp。IRU1,嗜盐古生菌隔绝在伊朗Urmia咸水湖泊。在一批文化体系进行了各种实验在不同的葡萄糖,磷、氮浓度和不同温度下。通过这些实验,确定了最佳生产工艺条件使用田口方法中,一个很好的选择为微生物合成生物技术流程的优化(92年]。他们发现,PHB产量最高Haloarculasp。IRU1(细胞干重的63.0%)是实现2 g / L的存在葡萄糖,0.2 g / L NH₄Cl和0.004 g / L KH₂阿宝₄在42°C。最近,Taran [85年描述的能力Haloarculasp。IRU1生产保利(3-hydroxybutyrate)利用石化废水。一些石化工厂的废水,除碳氢化合物,富含氯代物,可以通过许多微生物包括细菌和真菌降解[85年]。作者证明的有效性和可行性Haloarculasp。IRU1石化废水的生物降解:使用这些废物作为唯一碳源在增长2% (v / v)媒体,这archaeon产生细胞干重的46%的PHB暗示ecocompatible和廉价生产的聚(3-hydroxybutyrate) [85年]。

最近,Di Donato et al。61年]研究了工业蔬菜废物的再利用为极端微生物生物量增长媒体发酵从而提供更便宜的方式来使用零成本原料生产生物技术extremozymes或生物聚合物。使用的微生物之一,haloarchaeonHaloterrigena hispanica应变FP1,胞内积累PHB之前确认为保利(3-hydroxybutyrate)当生长在复杂的标准中28]。作者发现FP1细胞种植在胡萝卜废物作为唯一碳能够产生等量的PHB车损险(0.13%)对产生增长时进行复杂的标准媒体(CDW)的0.14%因此建议替代和低环境影响为蔬菜废弃物管理方法。

由于发酵必须建立所需的媒体材料抗腐蚀的嗜盐菌的生长,一种新型耐腐蚀生物反应器由polyetherether酮、玻璃科技(硼硅玻璃),硝酸硅陶瓷、亚硝酸和硅陶瓷用于两种极端嗜盐古生菌分离株的培养产生聚-γ氨基戊二酸和聚-β分别-hydroxybutyric酸(22]。上批发酵n丁酸作为碳源产生了细胞密度(干重)的2.3 g L⁻¹的积累下,保利-β-hydroxybutyric酸组成的干重的53%。

Nicolaus et al。12]报道专性嗜盐古生菌的研究从一个未知的网站在突尼斯(穆纳斯)。三个菌株(T5, T6 andT7),虽然在殖民地和细胞形态不同,均聚酯合成相似,确定光谱方法(¹H和¹³polyhydroxybutyrate理化性质)。而三个突尼斯隔离biosynthesized相同的聚酯,他们被发现产生胞外(见章节7)具有不同的化学结构。隔离能够合成PHB只有他们生长在基本培养基含有葡萄糖:事实上时没有检测到的PHB菌株生长在标准复杂介质。特别是聚酯的浓度T5应变应变时细胞干重的0.5%增长基本培养基中葡萄糖;而且聚合物的产量达到最大的糖蜜(细胞干重的1.0%)。

承认

这项工作是支持的部分CISIA项目。

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