摘要：聚酯酰胺 (PEA)是一类很有前途的聚合物，含有酯键和酰胺键，兼具聚酯和聚酰胺的优良性能：聚酰胺的优异热性能和机械性能以及聚酯的生物相容性和生物降解性。PEA 可用于各种工业应用，例如可生物降解塑料，以及生物医学应用，包括药物输送系统和组织工程。目前，PEA
聚酯酰胺 (PEA)是一类很有前途的聚合物，含有酯键和酰胺键，兼具聚酯和聚酰胺的优良性能：聚酰胺的优异热性能和机械性能以及聚酯的生物相容性和生物降解性。PEA 可用于各种工业应用，例如可生物降解塑料，以及生物医学应用，包括药物输送系统和组织工程。目前，PEA 的合成仅限于化学方法。
近日，来自韩国科学技术院李相烨（Sang Yup Lee）院士团队在 Nature Chemical Biology 发表题为“Biosynthesis of poly(ester amide)s in engineered Escherichia coli”的文章。他们报道了一组 PEA 在大肠杆菌中的生物合成和表征。
30 多年来，该研究小组一直致力于开发能够生产用于合成聚酯和聚酰胺的单体的微生物菌株，包括二胺、氨基酸和内酰胺。他们设想使用这些菌株进行商业化生产的过程涉及两个步骤：发酵生产单体，然后化学转化为聚合物。虽然这种两步法可行，但不如一步法理想，因为单体的化学转化需要额外的模块操作，增加生产成本。
因此，受之前关于一步发酵生产聚（乳酸）和聚（乳酸-ran-乙醇酸） 的研究的启发，他们开始探索微生物是否可以直接生物合成 PEA。
为了构建用于生物合成 PEA 的菌株，团队设计了一种全新的氨基酸聚合途径，整个合成途径包括两个步骤：利用来自梭菌中的 β-丙氨酸辅酶 A 转移酶（Act）将氨基酸活化为氨基酰基辅酶 A，然后通过来自假单胞菌的聚羟基脂肪酸酯合酶 (PhaC) 将所得产物氨基酰基辅酶 A 与羟基酰基辅酶 A 共聚。PhaC 的混杂性会增加氨酰基-CoA 聚合成功的可能性。
利用该途径改造的大肠杆菌菌株可以生产含有不同氨基酸单体的各种 PEA，例如 3-氨基丙酸（3AP）、(R)-3-氨基丁酸、3-氨基异丁酸、(R)-3-氨基戊酸、4-氨基丁酸和 5-氨基戊酸。此外，该生物合成系统可用于两种或三种氨基酸单体与羟基酸单体的组合共聚。
图 | PEA 生物合成途径
在确认了 PEA 的生物合成后，团队着手进一步设计生物合成系统，以提高聚合物的生产滴度和氨基酸分数，并展示可再生 PEA 生产的潜力。对于后者，团队设计了大肠杆菌菌株，使用葡萄糖作为唯一碳源来生产概念验证 PEA。此外，这种工程大肠杆菌菌株的补料分批发酵使生产滴度增加了 39.4 倍，聚（3HB- ran-3AP）滴度达到 54.57 g/L。他们还通过对 PhaC 进行合理的蛋白质工程，使用同源建模和对接模拟，将掺入 PEA 的氨基酸分数从 3.38% 提高到 4.45%。
最后，我们以聚（3-HB-ran-3AP）为例，研究了 PEA 的物理、热和机械性能。分子量随所用的 3AP 分数和 PhaC 而变化，从而可以控制聚合物性能。增加 3AP 分数会降低熔化温度，从而提高可加工性。值得注意的是，聚（3-HB-ran-1.74% 3AP）的分子量、熔点和杨氏模量与高密度聚乙烯相当，表明其有潜力成为这种广泛使用的塑料的可再生替代品。
总而言之，本研究介绍了一种生物聚合物 PEA。微生物生产 PEA 为目前的聚合物合成化学方法提供了一种可持续的替代品。此外，该生物合成系统具有良好的底物适用性，可以以组合方式聚合多种羟基酸和氨基酸单体，从而获得具有定制特性和功能的广泛 PEA。本文描述的策略对于其他新天然聚合物的生物合成也具有重要价值。
团队的下一个目标是帮助促进生物基 PEA 生产工艺的商业化。目标是首先解决两个关键挑战。首先需要选择要生产的目标 PEA。为了指导选择，团队打算研究各种 PEA 的材料特性，以识别具有理想特性的 PEA。第二个目标是设计微生物菌株以提高生产效率，同时最大限度地减少副产物的形成。虽然研究人员已经展示了概念验证策略，例如 PhaC 工程和培养条件优化，但还需要进一步改进才能实现无副产物形成的商业上可行的生产水平。
参考链接：
1.Chae, T.U., Choi, S.Y., Ahn, DH. et al. Biosynthesis of poly(ester amide)s in engineered Escherichia coli. Nat Chem Biol (2025). https://doi.org/10.1038/s41589-025-01842-2
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来源：生辉SciPhi
