Организация генов биосинтеза ПГА

Учебные материалы по биологии / Генетика и биохимия микробного синтеза полигидроксиалканоатов / Организация генов биосинтеза ПГА

Страница 3

На примере наиболее изученного из ПГА - полимера β-оксимасляной кислоты установлено, что пути его синтеза практически одинаковы у различных микроорганизмов (Alkaligenes, Azotobakter, Pseudomonas). В биосинтезе полигидроксиалканоатов ключевыми являются три фермента: β-кетотиолаза, ацетоацетил-КоА-редуктаза и ПГА-синтаза, которые кодируются соответственно генами phbA, phbB, phbC.

Первые два отвечают за синтез субстратов, причем кетотиолаза включает синтез полимера. ПГА - синтаза определяет количество и качество синтезированного ПГА.

В настоящее время выделено и охарактеризовано более 50 структурных генов синтаз из разных микроорганизмов. ПГА - синтаза из R.eutropha состоит из одного типа субъедениц с молекулярной массой около 64 кДа и кодируется геном phbC. В клетке ПГА - синтаза находится в двух формах: растворимой и связанной с гранулами полимера. Обе формы наиболее активно используются для построения полимерных молекул короткоцепочечных (от 3 до 5 атомов углерода) 3-гидроксиацил-КоА и это свидетельствует о строгой специфичности фермента к короткоцепочечным производным.

В рассмотрении ПГА на молекулярно - генетическом уровне, было выяснено, что в последние годы в результате достижений в области молекулярно-генетических исследований и детального исследования системы синтеза полигидроксиалканоатов появились перспективы для получения рекомбинантных штаммов как более эффективных продуцентов биополимеров. На этом пути, ориентированном на получение высокопродуктивных биосинтетиков ПГА с использованием разнообразных источников углерода, возможны два направления. Первое предполагает интродукцию субстрат-утилизирующих генов в бактериальные штаммы, синтезирующие ПГА для расширения их трофического потенциала. Второе использует гены системы синтеза ПГА для интродукции их в быстрорастущие микроорганизмы, не синтезирующие полигидроксиалканоаты, но характеризующиеся широким органотрофным потенциалом. К настоящему моменту гены синтеза ПГА клонированы из нескольких десятков бактерий, что позволило получить разнообразные в таксономическом отношении продуценты полимеров, а также организмы, обладающие способностью синтезировать совершенно новые типы ПГА.

В целом, полученные результаты в области метаболической инженерии синтеза ПГА обнадеживают и позволяют надеяться на возможность конструирования эффективных трансгенных штаммов для получения биополимеров, обладающих:

) способностью к быстрому росту в высокоплотных культурах с высокой общей продуктивностью

) синтезирующих большие количества полимеров с использованием различных углеродных субстратов, а также

) облегчить процедуру экстракции полимера из клеточной биомассы и 4) позволяющих контролировать внутриклеточную деполимеразную систему, деградирующую синтезированный полимер.

Summary

(PHAs) are a family of polyesters produced in bacteria as a carbon and energy reserve. Depending on their chemical structure, PHAs can have properties ranging from stiff and brittle plastics to elastomers and rubbers. These polymers are completely biodegradable in the environment, being metabolized by microorganisms to carbon dioxide and water.are accumulated as discrete granules to levels as high as 90% of the cell dry weight and are generally believed to play a role as sink for carbon and reducing equivalents. When nutrient supplies are imbalanced, it is advantageous for bacteria to store excess nutrients intracellularly, especially as their general fitness is not affected. By polymerizing soluble intermediates into insoluble molecules, the cell does not undergo alterations of its osmotic state and leakage of these valuable compounds out of the cell is prevented. Consequently, the nutrient stores will remain available at a relatively low maintenance cost and with a secured return on investment.PHAs are extracted from the bacterial cell, however, these molecules show material properties that are similar to some common plastics such as polypropylene. The bacterial origin of the PHAs makes these polyesters a natural material, and, indeed, many microorganisms have evolved the ability to degrade these macromolecules. Besides being biodegradable, PHAs are recyclable like the petrochemical thermoplasts. This review summarizes the chemical and physical properties of PHAs and the biochemical and genetic studies of the pathways involved in PHA metabolism. Within this framework, the scientific advances that have been made with the available pha genes for economic PHA production processes will be described.