معماری
سنتز پلی‌هیدروکسی آلکانوات

تولید پلاستیک زیستی (پلی‌هیدروکسی آلکانوات) به‌وسیله میکروارگانیسم‌ها

تولید پلاستیک زیستی (پلی‌هیدروکسی آلکانوات) به‌وسیله میکروارگانیسم‌ها (قسمت اول)

پلاستیک‌ها زنجیره‌های بلند پلیمری هستند که توسط بشر ساخته شده‌اند. این مواد جزء ضروری و لاینفک تمام صنایع می‌باشند و می‌توانند جایگزین شیشه و کاغذ در صنایع باشند، اما همین کاربرد وسیع و مطلوب در حال حاضر به یک معضل بزرگ برای محیط‌زیست تبدیل شده است. جهان در حال حاضر به‌شدت وابسته به سوخت‌های فسیلی به‌عنوان منبع انرژی برای فرآیندهای صنعتی می‌باشد. روند امروزی نشان می‌دهد که میزان استفاده از منابع سوختی از میزان کشف آن‌ها در سال ۲۰۱۰ پیشی گرفته است. در حال حاضر مصرف جهانی پلاستیک چیزی در حدود ۱۴۰ تن در سال است، ازاین‌رو تجمع زباله‌های پلاستیکی در محیط زندگی نگرانی‌های زیادی را به دنبال داشته است. پلاستیک‌های مرسوم نه‌تنها بیش از چند دهه در طبیعت باقی می‌مانند، بلکه در روند تخریب سبب تولید مواد سمی نیز می‌شوند، اما در این میان راه‌کار مناسب برای مدیریت این بحران چیست؟ از راه‌کارهای مدیریتی می‌توان به کاهش زباله از مبدأ، سوزاندن، بازیافت و یا تخریب زیستی اشاره نمود. با این حال این راه‌کارها همواره با مشکلاتی روبرو هستند؛ به‌طور مثال سوزاندن پلاستیک خطرناک و گران است؛ در طی سوزاندن زباله‌های پلاستیکی، هیدروژن سیانید[1] از پلاستیک‌هایی که بر پایه اکریلونیتریل[2] هستند، آزاد می‌شود که برای سلامت انسان‌ها مضر است. همچنین بازیافت نیز بسیار هزینه‌بر و وقت‌گیر است. مرتب‌سازی و تفکیک طیف وسیعی از زباله‌های پلاستیکی بسیار مشکل است. علاوه بر این طیف وسیعی از مواد افزودنی از قبیل رنگدانه‌ها، پوشش‌ها و پرکننده‌ها[3] باعث محدودیت در استفاده از پلاستیک‌های بازیافتی می‌شود. در این حین چالشی پیش روی ما قرار می‌گیرد؛ اینکه آیا ما می‌توانیم منبعی از زنجیره‌های کربنی و زیست تخریب‌پذیر را با منابع سوخت‌های فسیلی جایگزین کنیم؟

در چنین سناریویی پلاستیک‌های زیست‌تخریب‌پذیر[4] بهترین راه‌حل در برابر خطرات زیستی که توسط پلاستیک‌های معمولی ایجاد می‌شود را ارائه می‌دهد. پلاستیک‌های زیستی پلی‌استرهایی هستند که توسط طیف وسیعی از میکروارگانیسم‌ها تحت شرایط محیطی و غذایی مختلف تولید می‌شود. محصول این میکروارگانیسم‌ها دارای خواص بسیار شبیه به پلاستیک‌های مرسوم مثل پلی‌پروپیلن[5] می‌باشد. میکروارگانیسم‌هایی متعلق به ۹۰ جنس از جمله هوازی، بی‌هوازی، باکتری‌های فتوسنتز کننده، آرکی‌باکتری‌ها و یوکاریوت‌های پست قادر به ذخیره و کاتابولیز این پلی‌استرها می‌باشند. این زیست‌بسپارها[6] به‌صورت مواد ذخیره‌ای در سلول‌های تحت استرس تجمع می‌یابند که می‌توانند تا بیش از ۸۰ درصد وزن خشک سلول را ایجاد کنند. از بیشترین زیست پلاستیک‌های تولیدشده توسط میکروارگانیسم‌ها می‌توان به پلی‌هیدروکسی آلکانوات[7] و مشتقات آن اشاره کرد. این زیست پلاستیک‌ها را می‌توان به‌وسیله سانتریفیوژ و یا با استفاده از حلال‌های آلی از قبیل کلروفرم[8]، تری‌فلورواتانول[9]، دی‌کلرواتان[10]، پروپیلن کربنات[11] و دی‌کلرواستیک اسید[12] استخراج نمود.

بیژرینک[13] در سال ۱۸۸۸ گرانول‌های واضح پلی‌هیدروکسی آلکانوات را در سلول باکتریایی مشاهده نمود و پلی‌هیدروکسی آلکانوات اولین بار توسط لموین[14] در سال ۱۹۲۶ به‌عنوان یک ماده ناشناخته‌ به فرم هومو‌پلی‌استر 3-هیدروکسی بوتریک اسید که پلی‌هیدروکسی بوتیرات نامیده می‌شود، تشریح شد. در طی گذشت ۳۰ سال علاقه به این ماده ناشناخته کم بود. اولین گزارش از عملکرد پلی‌هیدروکسی بوتیرات در سال ۱۹۵۸ توسط ماکرا و ویکینسون[15] منتشر شد. آنان قابلیت زیست تخریب‌پذیری سریع پلی‌هیدروکسی بوتیرات تولیدشده توسط باسیلوس مگاتریوم به‌وسیله باسیلوس سرئوس[16] و باسیلوس مگاتریوم[17] را اثبات کردند. از اینجا به بعد علاقه به پلی‌هیدروکسی بوتیرات به‌طور چشمگیری افزایش یافت. با این وجود هزینه بالای تولید این مواد مانع از جایگزینی این مواد با پلاستیک‌های معمولی می‌شود؛ بنابراین به‌منظور ایجاد فرآیند اقتصادی، اهداف باید به‌طور هم‌زمان موردتوجه و بررسی قرار بگیرند؛ ایجاد سویه‌های نوترکیب، فرآیند تخمیر و غیره می‌تواند هزینه‌های تولید این ماده را به‌طور چشمگیری کاهش دهد.

طبقه‌بندی پلاستیک‌های زیست تخریب‌پذیر

پلاستیک‌های زیست تخریب‌پذیر را می‌توان به سه دسته تقسیم کرد:

پلیمرهای سنتزی: پلی‌گلیکولیک اسید[18]، پلی‌لاکتیک اسید[19]، پلی‌(اپسیلون-کاپرولاکتون[20])، پلی‌وینیل الکل[21] و پلی‌(اتیلن اکسید[22]) در این دسته قرار می‌گیرند. این مواد مستعد حمله آنزیماتیک یا میکروبی می‌باشند؛ از آنجایی که این مواد با تمام خواص پلاستیک مطابقت ندارند، جایگزین مقرون به‌صرفه و مناسبی برای پلاستیک نیستند.

پلاستیک‌های زیست تخریب‌پذیر بر پایه نشاسته: در این نوع از مواد نشاسته به‌عنوان یک پرکننده و عامل اتصال متقاطع برای تولید مخلوطی از نشاسته و پلاستیک (نشاسته و پلی‌اتیلن) استفاده می‌شود. میکروارگانیسم‌های خاک نشاسته را به‌راحتی تجزیه می‌کنند؛ درنتیجه باعث شکستن ساختمان پلیمری شده و منجر به کاهش قابل‌توجهی در مدت زمان تخریب می‌شوند، اما این پلاستیک‌ها تنها تا حدی تجزیه‌پذیر هستند؛ قطعات باقی مانده بعد از خروج نشاسته برای مدت طولانی در محیط باقی می‌مانند.

پلی‌هیدروکسی آلکانوات‌ها: تنها پلیمرهای ۱۰۰درصد تجزیه‌پذیرند. هیدروکسی آلکانوات‌ها پلی‌استرهای گوناگونی هستند که در هنگام فقر ماده مغذی مثل نیتروژن و فسفر و ازدیاد منابع کربن توسط میکروارگانیسم‌ها تولید می‌شوند. این ماده خواص مشابهی با انواع ترموپلاستیک‌های سنتتیک مثل پلی‌پروپیلن دارد و می‌تواند در جایگاه آن‌ها مورد استفاده قرار بگیرد. این ماده به‌طور کامل به‌وسیله میکروارگانیسم‌های خاک، دریا، آب دریاچه و فاضلاب در شرایط هوازی به آب و دی‌اکسید کربن و در شرایط بی‌هوازی به متان تجزیه می‌شود.

ساختار شیمیایی پلی‌هیدروکسی آلکانوات

پلی‌هیدروکسی آلکانوات‌ها از 3-هیدروکسی فتی اسید[23] با گروه‌های جانبی مختلف تک‌ کربنه (متیل) تا سیزده کربنه (تری‌دسیل) تشکیل شده‌اند. اسیدهای چرب اغلب با گروه هیدروکسی در موقعیت ۴، ۵ یا ۶ و گروه‌های جانبی‌اش شناخته می‌شوند. در متابولیسم باکتری، سوبسترای کربنی تبدیل به هیدروکسی آسیل- کوآنزیم آ تیواستر[24] می‌شوند. گروه کربوکسیل یک منومر به‌وسیله پیوند استری به گروه هیدروکسیل منومر مجاور متصل می‌شود. این واکنش پلیمریزاسیون به‌وسیله آنزیم پلی‌هیدروکسی آلکانوات سنتاز میزبان کاتالیز می‌شود.

شکل (1): سنتز پلی‌هیدروکسی آلکانوات در باکتری با استفاده از هیدروکسی آسیل- کوآنزیم به‌عنوان پیش‌ماده.

سنتز پلی‌هیدروکسی آلکانوات

در تمام پلی‌هیدروکسی آلکانوات‌هایی که تاکنون شناخته شده، تنوع زیادی در طول و ترکیب زنجیره‌های جانبی آن‌ها مشاهده شده است. این عمل باعث به وجود آمدن تنوع در خانواده‌های پلی‌هیدروکسی آلکانوات و همچنین تنوع در کاربردهای آن‌ها می‌شود. تعداد منومرهای متصل به هم در پلیمر پلی‌هیدروکسی آلکانوات بستگی به گروه جانبی و میکروارگانیسمی که آن را تولید می‌کند، دارد. پلی‌هیدروکسی آلکانوات‌ها از لحاظ طول زنجیره به سه دسته تقسیم می‌شوند: دسته اول پلیمرهای حداکثر ۵ کربنه که به آن‌ها پلی‌هیدروکسی آلکانوات زنجیره کوتاه گفته می‌شود. دسته دوم پلیمرهای ۶ تا ۱۴ کربنه که به آن‌ها پلی‌هیدروکسی آلکانوات زنجیره متوسط می‌گویند و در نهایت دسته سوم پلیمرهایی با بیش از ۱۴ کربن که به آن‌ها پلی‌هیدروکسی آلکانوات زنجیره بلند می‌گویند.

پلی‌هیدروکسی بوتیرات[25] و پلی‌هیدروکسی والرات[26] از خانواده پلی‌هیدروکسی آلکانوات زنجیره کوتاه می‌باشند. هوموپلیمر[27] پلی‌هیدروکسی بوتیرات ساخته شده توسط باکتری اغلب حاوی کمتر از ۱ درصد مولار از منومرهای 3-هیدروکسی والرات می‌باشد؛ کوپلیمر[28] پلی‌هیدروکسی بوتیرات زمانی شکل می‌گیرد که باکتری از سوبسترای مخلوط مثل گلوکز و والرات استفاده کند. برخی باکتری‌ها نیز با استفاده از این سوبستراهای گوناگون پلی‌هیدروکسی آلکانوات‌هایی مثل پلی(3-هیدروکسی بوتیرات-کو-3-هیدروکسی والرات[29]) و یا پلی(3-هیدروکسی بوتیرات-کو-4-هیدروکسی بوتیرات[30]) ایجاد می‌کنند. البته کوپلیمرهای پلی(3-هیدروکسی بوتیرات-کو-3-هیدروکسی هگزانوات[31]) نیز گزارش شده است.

 

خصوصیات فیزیکی پلی‌هیدروکسی آلکانوات

باکتری‌ها پلی‌هیدروکسی آلکانوات‌هایی با جرم مولکولی حدود ۱۰۴×۴ و بس‌پاشیدگی[32] حدود ۲ تولید می‌کنند. خصوصیات فیزیکی این پلیمرها شبیه به پلاستیک‌های مرسوم مانند پلی‌پروپیلن می‌باشد. خصوصیات هوموپلیمر پلی‌هیدروکسی بوتیرات، کوپلیمرهای پلی‌هیدروکسی بوتیرات کووالرات، پلی‌هیدروکسی بوتیرات کوبوتیرات و پلی‌هیدروکسی بوتیرات کوهگزانوات با پلی‌پروپیلن برابری می‌کند.

هوموپلیمرهای پلی‌هیدروکسی بوتیرات ماده‌ای با ساختار بلوریِ فشرده و بسیار شکننده است. این ماده هنگامی‌که به‌صورت فیبر درمی‌آید مانند یک ماده الاستیک سخت رفتار می‌کند. درعین‌حال کوپلیمرهایی مانند پلی‌هیدروکسی بوتیرات کووالرات یا پلی‌هیدروکسی آلکانوات‌های زنجیره متوسط درحالی‌که بسیاری از خصوصیات فیزیکی پلی‌هیدروکسی بوتیرات‌های دیگر را دارا هستند، از استحکام کمی برخوردارند و نیز شکننده می‌باشند. هوموپلیمر پلی‌هیدروکسی بوتیرات دارای ساختار کریستالی مارپیچ شبیه به کوپلیمرهای دیگر می‌باشد. رفتار ذوب و تبلور پلی‌هیدروکسی آلکانوات‌ها توسط گوناراتن و شانکس[33] مورد مطالعه قرار گرفت. زمانی که بیوپلیمرها مورد مطالعه قرار می‌گیرند، دمای تخریب بسیار مهم است. در این مطالعه پلی‌هیدروکسی آلکانوات دو پیک ذوب را نشان داد. اخیراً نیز مشخص شده که تخریب زیست‌بسپار پلی‌هیدروکسی بوتیرات در دمای 3/246 درجه سانتی‌گراد شروع می‌شود درحالی‌که کوپلیمر پلی‌هیدروکسی بوتیرات کو والرات در دمای 4/260 درجه سانتی‌گراد شروع به تخریب می‌کند. این تفاوت نشان می‌دهد که حضور والرات در زنجیره باعث افزایش مقاومت گرمایی پلیمر می‌شود.

سنتز پلی‌هیدروکسی آلکانوات

ژن‌ها و آنزیم‌های دخیل در فرآیند

در این فرآیند سه آنزیم که توسط سه ژن کد می‌شوند، مشارکت دارند. ژن phaA آنزیم بتاکتوتیولاز[1] را کد می‌کند. این آنزیم باعث تبدیل دو مولکول استیل کوآنزیم آ[2] به فرم استواستیل کوآنزیم آ[3] می‌شود. در مرحله بعد احیاء استواستیل کوآنزیم آ به (R)-3-هیدروکسی بوتیریل کوآنزیم آ[4] به‌وسیله آنزیم استواستیل کوآنزیم آ ردوکتاز[5] صورت می‌گیرد. این آنزیم که یک آنزیم وابسته به NADPH می‌باشد به‌وسیله ژن phaB کد می‌شود. واکنش نهایی، پلیمریزاسیون مونومرهای (R)-3-هیدروکسی بوتیرات کوآنزیم آ می‌باشد که به‌وسیله آنزیم پلی‌هیدروکسی آلکانوات سنتئاز[6] کاتالیز می‌شود که این آنزیم توسط ژن phaC کد می‌شود.

پلی‌هیدروکسی آلکانوات سنتئاز در باکتری رالستونیا اتروفا[7] با طیف اندکی از سوبستراها واکنش می‌دهد؛ سوبستراهایی با طول زنجیره ۳ تا ۵ کربنه مناسب واکنش می‌باشند، ازاین‌رو پلی‌هیدروکسی آلکانوات‌های حاصله حاوی مونومر‌های زنجیره کوتاه می‌باشند. تمامی این سه آنزیم در سیتوزول سلول باکتری قرار دارند. تغییر در نوع و مقدار نسبی منابع کربن در محیط رشد باکتری می‌تواند در ایجاد پلی‌هیدروکسی آلکانوات‌هایی با مونومرهای متفاوت نقش داشته باشد، به طور مثال اضافه کردن پروپیونیک اسید[8] یا والریک اسید[9] در محیط گلوکز، تولید را به سمت ایجاد کوپلیمرهای مرکب از هیدروکسی بوتیرات و هیدروکسی والرات هدایت می‌کند. البته در این مسیر چگالش پروپیونیل کوآنزیم آ[10] به استیل کوآنزیم آ با واسطه یک کتوتیولاز مجزا انجام می‌شود (3- کتوتیولاز توسط ژن bktB کد می‌شود). احیاء 3-کتو والریل کوآنزیم آ به (R)-3-هیدروکسی والریل کوآنزیم آ و پلیمریزاسیون که متعاقباً سبب تشکیل پلی‌هیدروکسی بوتیرات کوهیدروکسی والرات می‌شود به‌واسطه آنزیم‌هایی که در سنتز پلی هیدروکسی آلکانوات نقش دارند، به نام‌های استواستیل کوآنزیم آ ردوکتاز و پلی‌هیدروکسی آلکانوات سنتئاز کاتالیز می‌شود.

 

تمام پلی‌هیدروکسی آلکانوات سنتئازهایی که تاکنون شناخته شده است را می‌توان در چهار کلاس با توجه به فاکتورهای اختصاصی سوبسترا و زیرواحدهای تشکیل‌دهنده، تقسیم‌بندی نمود. ژن‌های کدکننده آنزیم‌های کلیدی سنتز پلی‌هیدروکسی آلکانوات به‌وسیله چند میکروارگانیسم تولیدکننده زیست‌بسپار، کلون و بیان گردیده است.

اولین ژن phaA بود که با استفاده از آنتی‌بادی‌های ضد تیولاز[11] از باکتری زاگلوا رامیگرا[12] بدست آمد. بعدها مشخص شد که ژن phaB در این گونه‌ها و پاراکوکسی دنیتریفیکانس[13] و رایزوبیوم ملیلوتی[14] در اپرون‌های مشابهی وجود دارد، درحالی‌که ژن phaC در اپرون متفاوتی قرار دارد.

در رالستونیا اتروفا، گونه‌های اسینتوباکتر[15]، آلکانیژنز لاتوس[16] و سودوموناس اسیدوفیلا[17] ژن‌های pha در اپرون phaABC قرار دارد، اگرچه توالی این سه ژن در همه این گونه‌ها یکسان نیست و در برخی موارد ژنوم این گونه‌ها بیش از یک کپی از اپرون را حمل می‌کنند.

در تعدادی از گونه‌ها از قبیل کروماتیوم وینسوم[18]، تایوسیتس ویولاس[19] آ، تایوکاپسا فنیجی[20] و ساینکوسیتیس گونه PCC 6803[21] پلی‌هیدروکسی آلکانوات سنتئاز به طور عمده سنتز پلی‌هیدروکسی آلکانوات‌های زنجیره کوتاه را کاتالیز می‌کند. در این میان ژن‌های دیگری نیز هستند که با کد کردن برخی آنزیم‌ها به طور غیرمستقیم در سنتز پلی‌هیدروکسی آلکانوات نقش دارند. ژن پلی‌هیدروکسی آلکانوات سنتئاز در ائروموناس کاویا[22] در مجاورت ژن phaJ قرار می‌گیرد. phaJ آنزیم انول کوآنزیم آ هیدراتاز[23] را کد می‌کند، این آنزیم با هیدراتاسیون 2-انول کوآنزیم آ، مونومر (R)-3-هیدروکسی آسیل کوآنزیم آ را برای سنتز پلی‌هیدروکسی آلکانوات از طریق بتااکسیداسیون اسید چرب تأمین می‌کند.

برخلاف رالستونیا اتروفا، باکتری‌های بورخولدریا کاریوفیلی[24]، سودوموناس اولئوورانس[25] و سودوموناس آئروژینوزا[26] قادر به ساخت پلی‌هیدروکسی آلکانوات‌هایی با زنجیره متوسط هستند. اپرون phaC1ZC2D در این ارگانیسم‌ها حاوی دو ژن phaC می‌باشد که به‌وسیله ژن phaZ از هم جدا شده‌اند. ژن phaC1 و phaC2 دو پلیمراز از خانواده آلفا/بتا هیدرولاز[27] را کد می‌کنند. ژن phaZ یک پلی‌هیدروکسی آلکانوات دپلیمراز را کد می‌کند. نقش phaD هنوز ناشناخته است و به نظر می‌رسد پروتئین حاصله از این ژن در تشکیل پلی‌هیدروکسی آلکانوات موردنیاز می‌باشد.

پلی‌هیدروکسی آلکانوات در باکتری سودوموناس اولئوورانس می‌تواند پلیمریزاسیون طیف وسیعی از مونومرها را کاتالیز کند که نتیجه آن تولید پلیمرهایی با وزن مولکولی بسیار بالا و خواص الاستیکی بهتر می‌باشد. چند میکروارگانیسم دیگر خوشه ژنی phaFI که در فرودست اپرون phaC1ZC2D قرار دارد را حمل می‌کنند. phaI در فرم‌دهی و تثبیت گرانول‌ها دخیل است، درحالی‌که phaF هم نقش تنظیمی دارد و هم در تثبیت گرانول‌ها نقش دارد. در غیاب پیش‌ماده پلی‌هیدروکسی آلکانوات، phaC1ZC2D و phaI بیان نمی‌شوند. زمانی که مونومر‌های زنجیره متوسط تولید می‌شوند، پروتئین PhaF از DNA خارج می‌شود و پلی‌هیدروکسی آلکانوات اولیه ساخته می‌شود. تحت این شرایط پروتئین‌های PhaF و PhaI با زنجیره پلیمری در حال توسعه هیدروفوبیک برهمکنش می‌دهند و در فرم‌دهی گرانول مشارکت می‌کنند. آخرین ژن phaP می‌باشد که پروتئینی با وزن مولکولی بسیار پایین به نام فازین[28] را کد می‌کند؛ این پروتئین با اتصال گرانول‌ها به یکدیگر سبب افزایش تولید پلی‌هیدروکسی بوتیرات می‌شود.

 

بتااکسیداسیون[29] اسید چرب

کاتابولیسم اسیدهای چرب یکی از رایج‌ترین مسیرها برای تأمین مونومرهای هیدروکسی آلکانوات در سنتز پلی‌هیدروکسی آلکانوات می‌باشد. حدواسط‌های ساخته شده با تجزیه آلکانوئیک اسید یا اسیدهای چرب به‌وسیله بتااکسیداسیون می‌توانند سوبسترای هیدروکسی آلکانوئیل را برای ساخت پلی‌هیدروکسی آلکانوات‌های زنجیره متوسط ایجاد کنند. این مسیر در چندین باکتری از قبیل سودوموناس اولئوورانس و سودوموناس فراجی[30] که قادر به تولید پلی‌هیدروکسی آلکانوات زنجیره متوسط از اسید آلکانوئیک یا اسید چرب هستند، مشاهده شده است. ترکیب مونومری پلی‌هیدروکسی آلکانوات‌های تولید شده به طور مستقیم با سوبسترای استفاده شده برای رشد باکتری در ارتباط است و معمولاً دارای مونومرهایی با دو اتم کربن کمتر نسبت به اتم‌های کربن سوبسترا هستند. هرچند تیپ وحشی اشریشیاکلی نمی‌تواند پلی‌هیدروکسی آلکانوات را ذخیره کند، اما اشریشیاکلی دست‌ورزی شده با استفاده از مسیر متابولیکی اسیدهای چرب می‌تواند پیش‌ماده‌های هیدروکسی آلکانوات کوآنزیم آ را برای ذخیره‌سازی پلی‌هیدروکسی آلکانوات تأمین نماید.

حدواسط‌های حاصله از مسیر بتااکسیداسیون اسید چرب شامل انول کوآنزیم آ، 3-کتوآسیل کوآنزیم آ و
(S)-3-هیدروکسی آسیل کوآنزیم آ می‌باشند که این حد واسط‌ها می‌توانند به‌عنوان پیش‌سازهای (R)-3-هیدروکسی آسیل کوآنزیم آ که مستقیماً در سنتز پلی‌هیدروکسی آلکانوات‌های زنجیره متوسط شرکت دارند، مورداستفاده قرار بگیرند. با این حساب سنتز پلی‌هیدروکسی آلکانوات‌های زنجیره متوسط در سلول اشریشیاکلی‌هایی امکان‌پذیر است که در مسیر بتااکسیداسیون تغییر پیدا کرده‌اند، در این وضعیت ژن پلی‌هیدروکسی آلکانوات سنتئاز باکتری سودوموناس در اشریشیاکلی ناقص قرار می‌گیرد و با بیان مشترک دیگر ژن‌ها باعث افزایش تبدیل حدواسط‌های بتااکسیداسیون به (R)-3-هیدروکسی آسیل کوآنزیم آ می‌شود، با توجه به اینکه R-3-هیدروکسی آسیل کوآنزیم آ پیش‌ساز ضروری سنتز پلی‌هیدروکسی آلکانوات‌های زنجیره متوسط می‌باشد.

مثال این ژن‌ها که بیان مشترک دارند با پلی‌هیدروکسی آلکانوات سنتئاز برای افزایش تولید عبارتند از paaF,paaG,ydbU در اشریشیاکلی، phaJ در سودوموناس آئروژینوزا، سودوموناس پوتیدا و ائروموناس کاویا، maoC و yfcX در اشریشیاکلی، fabG(در سودوموناس آئروژینوزا و اشریشیاکلی و rhlG در سودوموناس آئروژینوزا.

 

 

بیان مشترک دیگر ژن‌های مسیر بتااکسیداسیون می‌تواند به طور قابل‌توجهی تولید پلی‌هیدروکسی آلکانوات را در اشریشیاکلی نوترکیب افزایش ‌دهد، برای مثال آنزیم آسیل کوآنزیم آ دهیدروژناز در اشریشیاکلی به‌وسیله ژن‌های yafH و fadE کد می‌شود. این آنزیم هیدراتاسیون آسیل کوآنزیم آ را به انول کوآنزیم آ، کاتالیز می‌کند. بیان مشترک yafH به همراه phaC و phaJ باعث افزایش مخزن انول کوآنزیم آ می‌شود. با افزایش مخزن پیش‌ماده‌ها، اشریشیاکلی نوترکیب ۴ برابر بیش‌تر پلی‌هیدروکسی آلکانوات زنجیره کوتاه و متوسط و کوپلیمر پلی (3-هیدروکسی بوتیرات-کو-3-هیدروکسی هگزانوات) را نسبت به سلول‌هایی که تنها ژن‌های phaC و phaJ در آن‌ها بیان شده بود، ذخیره می‌کنند. همین‌طور بیان ژن yafH در اشریشیاکلی سبب افزایش مقدار هیدروکسی هگزانوات در کوپلیمر پلی(3-هیدروکسی بوتیرات-کو-3-هیدروکسی هگزانوات) تولید شده توسط ائروموناس هیدروفیلا[31] می‌شود.

در برخی باکتری‌ها پلی‌هیدروکسی آلکانوات به‌واسطه بیوسنتز de novo اسید چرب انجام می‌گیرد (شکل 3). برخلاف سودوموناس اولئوورانس و سودوموناس فراجی (که حدواسط‌های بتا اکسیداسیون را استفاده می‌کنند)، باکتری‌های سودوموناس آئروژینوزا و سودوموناس پوتیدا هنگامی که بر روی سوبستراهای غیرمرتبط مثل گلوکز رشد می‌کنند، سبب تولید پلی‌هیدروکسی آلکانوات‌های زنجیره متوسط می‌شوند. این به سبب استفاده سودوموناس اولئوورانس و سودوموناس فراجی از اسید چرب به‌عنوان منبع کربن در مسیر بتااکسیداسیون می‌باشد که طی آن 3-هیدروکسی آسیل کوآنزیم آ (سوبسترای پلی‌هیدروکسی آلکانوات سنتئاز) تولید می‌شود.

از طرف دیگر بیوسنتز اسید چرب در سودوموناس آئروژینوزا و سودوموناس پوتیدا راه اصلی سنتز 3-هیدروکسی آسیل کوآنزیم آ می‌باشد. این باکتری‌ها در طی رشد بر روی منبع کربن سبب سوخت‌وساز موادی مانند کربوهیدرات، استات و اتانول به استیل کوآنزیم آ می‌شوند. ژن phaG آنزیمی مرتبط با سنتز پلی‌هیدروکسی آلکانوات و بیوسنتز de novo اسید چرب را کد می‌کند. محصول این ژن، (R)-3-هیدروکسی آسیل-ACP (حد واسط بیوسنتز اسید چرب) را به مشتقات کوآنزیم آ تبدیل می‌کند، بنابراین بیان phaG در اشریشیاکلی، قابلیت جدیدی را برای ساخت پیش‌ماده‌های اسید چرب زنجیره متوسط ایجاد می‌کند و بیان آن در باکتری‌های سودوموناس اولئوورانس و سودوموناس فراجی باعث تولید پلی‌هیدروکسی آلکانوات‌های زنجیره متوسط از منابع کربنی غیرمرتبط با 3-هیدروکسی دکانوئیک اسید[32] از قبیل گلوکز و فروکتوز می‌شود. تنها زمانی phaG به همراه phaC قادر به ساخت پلی‌هیدروکسی آلکانوات زنجیره متوسط در اشریشیاکلی است که بیوسنتز de novo اسید چرب آن‌ها به‌وسیله تریکلوسان[33] محدود شده باشد.

 

برگرفته از ماهنامه اخبار آزمایشگاهی

وهاب پیرانفر(کارشناس ارشد)، محمد عرفانی (کارشناس ارشد)، دکتر رضا میرنژاد (دانشیار دانشگاه)

پاسخ دهید