摘要

引言

目前全球大部分能源和材料仍然依賴于不可再生的石油資源。塑料作為主要的石油衍生產品，因其輕質、耐用和持久等優勢，在我們的日常生活中變得不可或缺（Dokl等人，2024年）。然而，每年產生的塑料量巨大，其中超過一半在一次使用后就被丟棄且無法回收。這些累積的塑料垃圾對廢物管理構成了重大挑戰，并對人類健康和生態系統產生了負面影響（Nawab等人，2025b年）。根據2015年的一項調查，全球產生了近63億噸的塑料垃圾，其中只有9%被回收，12%被焚燒，79%堆積在自然環境中。根據模型預測，如果塑料生產速度保持不變，到2050年自然環境中將累積約120億噸的塑料（Geyer等人，2017年；Sirohi等人，2020年）。因此，為緩解環境和健康風險，人們開始關注可生物降解的生物基塑料（如聚羥基烷酸酯PHA）的生產（Adhikari等人，2025年；Senila，2025年）。PHA是由微生物細胞在發酵過程中產生的天然聚合物，是傳統石油基塑料的有希望的替代品。PHA具有環境友好性、可生物降解性，并且具有與傳統塑料相似的物理性質（Rakkan等人，2022年；Senila等人，2023年）。 聚(3-羥基丁酸)（PHB）是近一個世紀前在巨芽孢桿菌（Bacillus megaterium）中首次被發現的PHA聚合物，也是研究最深入、特性最明確的生物聚合物之一（Jia等人，2024年）。PHB具有優異的熱塑性，能夠在30至120°C的溫度范圍內保持穩定。此外，PHB無毒，并能分解為3-羥基丁酸，這是一種存在于人體血液中的天然代謝物（Kanzariya等人，2024年）。PHB出色的生物相容性使其成為多種醫療和制藥應用的理想候選材料（Atalayin Ozkaya等人，2025年）。與其他可生物降解聚合物（如聚乳酸PLA）相比，PHB在自然條件下的生物降解性更好，同時具備耐熱性和優異的氧氣阻隔性能，特別適合用于生物醫學和包裝領域。另一方面，PLA由于其更高的拉伸強度、更高的玻璃化轉變溫度和更易于加工的特性，更適合商業應用（Senila等人，2024年；Senila等人，2025年）。最近的研究還表明，PHB不僅作為一種碳儲存聚合物，還在細菌細胞面臨代謝毒性、極端溫度、滲透壓和氧化應激等壓力條件時發揮著重要作用（Li等人，2024年）。由于這些有利特性以及對可持續材料需求的增加，PHB的全球市場快速增長，年復合增長率約為16%。2023年PHB的市場價值為9300萬美元，預計到2028年將達到1.95億美元（來源：https://www.marketsandmarkets.com/Market-Reports/pha-market-395.html）。目前，多家公司（如意大利的Bio-on、德國的Biomer、日本的KANEKA Corporation和美國的Meridian Inc.）已實現該聚合物的商業化生產（Jaramillo-Sánchez和Alcaraz-Zapata，2020年）。一些細菌種類（如Cupriavidus necator、Bacillus屬、Halomonas屬和Pseudomonas屬等）具有天然的PHB積累能力（Hendy等人，2025年；Lin和Ng，2025年；Ma等人，2024年；Ríos Sosa等人，2025年）。這一過程通過三個酶促步驟完成：首先3-酮硫醇酶（phaA）將兩個乙酰輔酶A分子縮合生成乙酰乙酰輔酶A，然后由乙酰乙酰輔酶A還原酶（phaB）將其還原為3-羥基丁酰輔酶A，最后PHA合成酶（phaC）催化3-羥基丁酰輔酶A單體聚合生成PHB并釋放輔酶A（Traversa等人，2025年）。盡管這些天然生產者具有較高的PHB積累能力，但它們通常生長緩慢，底物利用效率有限，從細胞中回收聚合物也較為困難（Celik等人，2023年；Portugal-Nunes等人，2017年；Suriyamongkol等人，2007年）。 為了解決這些問題，PHB的合成途徑已成功轉移到異源宿主中，如大腸桿菌、谷氨酸棒狀桿菌（Corynebacterium glutamicum）、釀酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）和脂肪酵母（Yarrowia lipolytica）等（Jin等人，2022年；Lin等人，2025年；Xiao等人，2025年；Ylinen等人，2022年）。其中，大腸桿菌由于其快速生長、遺傳特性明確、易于基因改造、培養要求簡單以及缺乏天然PHA降解酶等優點，成為最廣泛采用的底盤。這些優勢使得大腸桿菌能夠穩定生產PHB，其PHB含量可達到細胞干重的90%（Li等人，2016年；Nawab等人，2025b年）。最近，基因工程和合成生物學的研究進一步改進了大腸桿菌的PHB生產性能，包括優化代謝途徑酶、提高前體物質的可用性、平衡氧化還原狀態以及開發動態調控策略（Lin等人，2025年；Nawab等人，2025b年）。 天然PHA生產者已在代謝特性、聚合物積累潛力及多種工業應用方面得到了廣泛研究（Diankristanti等人，2024年；Kumar等人，2024年；Morlino等人，2023年；T?uber等人，2025年）。此外，一些研究還探討了先進的發酵策略和工藝優化方法以提升PHA產量（Tao等人，2025年；Yao等人，2025年）。然而，目前仍缺乏專注于大腸桿菌基因和代謝工程用于PHB生產的綜合性綜述。本文詳細討論了用于高效生產PHB的各種策略，包括代謝工程方法、途徑優化（如糖酵解途徑重編程、甘氨酸還原途徑和蘇氨酸旁路途徑）以及提高生產力的發酵策略。同時，本文還探討了PHB的應用，并強調了進一步強化大腸桿菌作為高效工業PHA生產者的新型工程方法。

方法論

本綜述基于對大腸桿菌基因工程用于PHB生產的同行評審文獻的全面調查。通過Google Scholar、Web of Science、Scopus和PubMed等數據庫，使用關鍵詞或組合關鍵詞進行搜索，找到了相關文獻，包括“大腸桿菌中的PHB生產”、“PHB”或“大腸桿菌”、“大腸桿菌中的聚(3-羥基丁酸)生物合成”、“大腸桿菌的代謝工程”、“大腸桿菌中PHB途徑的優化”以及“輔因子工程”等。

工程化大腸桿菌與天然PHA生產微生物的比較

如前所述，PHA（尤其是短鏈聚羥基烷酸酯，如PHB）是由多種微生物自然合成和儲存的（Nygaard等人，2021a）。其中，一些天然宿主（如C. necator、Halomonas屬、Pseudomonas屬、Priestia megaterium（以前稱為Bacillus megaterium）、Alcaligenes latus和Azotobacter屬）因能夠積累多種PHA（包括PHB）而受到廣泛關注（Bai等人，2025年；Hendy等人，2025年；Li等人）。

糖酵解途徑的重編程

微生物中的葡萄糖代謝通過多種糖酵解途徑進行，包括Embden-Meyerhof-Parnas途徑（EMP途徑）、Entner-Doudoroff途徑（EDP途徑）和戊糖磷酸途徑（PPP途徑）。這些代謝途徑產生丙酮酸、ATP和還原力（NADH/NADPH），對生長和PHB生物合成至關重要（Kim等人，2022年）。丙酮酸進一步轉化為乙酰輔酶A，這是PHB的關鍵前體。

競爭性途徑的刪除

刪除競爭性途徑是提高目標化合物產量的有效策略，已在不同微生物中得到應用。例如，為了提高大腸桿菌中的PHB合成代謝流，通過刪除ndh或appB基因消除了其他消耗碳的途徑（圖2A），從而將代謝流轉向PHB合成。在工程化菌株中，ndh基因的刪除顯著提升了PHB產量。

提高PHB生產的發酵策略 已設計了多種發酵工藝用于PHB的積累，包括批式反應器、補料批式反應器、連續補料批式系統（圖3）和恒化反應器（Pe?a等人，2014a；Pe?a等人，2014b）。批式發酵因操作成本低和靈活性高而受到青睞，但其缺點是PHB產量和生產效率通常較低（Wang和Yu，2001年）。兩階段或三階段系統則能更好地平衡這些缺點。

細菌菌株的選擇對PHB特性的影響

微生物宿主的選擇對合成PHB的性質（如分子量、熱穩定性和機械性能）具有重要影響。天然PHA生產菌株（如C. necator和Azotobacter chroococcum）通常產生的PHB分子量較低，范圍為0.2×10^6至2×10^6（Myshkina等人，2008年；Tsuge，2016年）。然而，低分子量的PHB制成的產品更脆且彈性較差。

PHB的應用

PHB是一種具有多種應用的寶貴生物聚合物，廣泛應用于農業、醫學、包裝和生物修復等領域（Das和Maiti，2021年）。PHB具有生物相容性，其單體3-羥基丁酸（3-HB）天然存在于人體血液和真核細胞膜中。PHB的機械性能與聚丙烯相似，包括拉伸強度、拉伸模量和熔點。與聚丙烯不同，PHB具有生物相容性。

結論與未來展望

近年來，由于PHB的生物相容性和環保特性，其生產受到了廣泛關注。本綜述指出，大腸桿菌是一種高度多功能且穩健的PHB生產平臺。攜帶異源PHA合成途徑的工程化大腸桿菌菌株在PHB產量上可與天然生產者相當，甚至在高細胞密度和大規模發酵條件下超過天然生產者。 Said Nawab：概念構思、研究、驗證、初稿撰寫；審稿與編輯。 Hareef Ahmed Keerio：研究、數據可視化。 Xiangfei Li：研究、數據可視化。 Yu Chen：研究。 Chuanchao Wu：驗證。 Huimin Zhang：研究、數據可視化。 Rumeng Han：研究、數據可視化。 Huili Wang：研究、數據可視化。 Yan Liu：監督、概念構思、審稿與編輯。 作者聲明沒有已知的財務利益沖突或個人關系可能影響本文的研究結果。 本研究得到了中國國家自然科學基金（項目編號：32372295、32300059）和安徽省高校杰出青年研究項目（項目編號：2023AH020013）的支持。