بیو پلیمر هیدروکسی آلکانوات (PHA)

بررسی بیو پلیمر هیدروکسی آلکانوات (PHA)

با وجود چالش روزافزون و قریب الوقوع سوخت های فسیلی، تحقیق و توسعه در مورد جایگزین های شیمیایی/ مواد جایگزین در کاهش وابستگی بشر به منابع فسیلی بسیار ضروری است. یکی از جایگزین های بالقوه برای این کار هیدروکسی آلکانوات (PHA) است؛ PHA یک پلیمر کربن خنثی و با ارزش است که می تواند از بسیاری از منابع کربن تجدید پذیر توسط میکروارگانیسم ها تولید شده و به یک ماده پایدار و زیست سازگار تبدیل شود. در حال حاضر، PHA در مقایسه با محصولات استخراج شده از فسیل، قابل رقابت نیست. ترویج کارهای پژوهشی در حوزه این پلیمر با هدف افزایش ثبات اقتصادی آن در آینده پیش بینی می شود. توسعه تکنیک های مختلف بیومولکولی و شیمیایی برای آنالیز PHA منجر به کشف بسیاری از سویه های میکروبی تولید کنندۀ PHA شده است که برخی از آنها در محیط های کشت استفاده می شوند. تحقیقات در این زمینه را می توان با این تکنیک های آماده برای سویه های میکروبی آغاز کرد. هدف از این مقاله تسهیل در پژوهش های PHA با ارائه خلاصه ای از کشت های میکروبی تجمع کنندۀ PHA، مسیرهای بیوسنتزی و روش های تشخیص، استخراج و تحلیل PHA است.

PHA خانواده ای از بیوپلی استرهای طبیعی است که توسط میکروارگانیسم های مختلف سنتز می شوند. اولین بار توسط Lemogine در سال 1926 کشف شد و از آن زمان تاکنون به دلیل زیست تخریب پذیری، زیست سازگاری، تنوع شیمیایی و تولید آن از منابع کربن تجدید پذیر در حوزه های تجاری و تحقیقاتی بسیار مورد توجه قرار گرفته است. یک مولکول PHA معمولآ از 35.000-600 واحد مونومر اسید چرب هیدروکسی (R) تشکیل شده است. با توجه به شکل زیر، هر واحد مونومر دارای یک گروه R زنجیره جانبی است که معمولآ یک گروه آلکیل اشباع محسوب می شود اما می تواند به شکل گروه های آلکیل غیراشباع، شاخه ای و جایگزین نیز عمل کند؛ اگرچه این اشکال کمتر رایج هستند.

شکل 1:

براساس تعداد اتم های کربن در یک مونومر PHA، PHA را می توان بعنوان یک PHA دارای زنجیره کوتاه (3 تا 5 اتم کربن)، متوسط (6 تا 14 اتم کربن) و بلند (15 اتم کربن یا بیشتر) طبقه بندی کرد. حدود 150 مونومر PHA مختلف شناسایی شده است و این تعداد با معرفی انواع جدید PHA از طریق اصلاح شیمیایی یا فیزیکی PHA طبیعی یا ایجاد ارگانیسم های اصلاح شدۀ ژنتیکی (GMOs) برای تولید PHA با گروه های کاربردی خاص افزایش می یابد. این خواص باعث ایجاد ویژگی های مختلف در PHA شد که می تواند در کاربردهای مختلف از مواد بسته بندی زیست تخریب پذیر گرفته تا محصولات پزشکی طراحی شود. همچنین PHA بعنوان یک ترکیب فعال دارویی در نظر گرفته می شود و در حال حاضر نیز بعنوان داروهای ضد سرطان، درمان HIV، آنتی بیوتیک و غیره مورد بررسی قرار گرفته است. اولیورا و چن با همکاری سایر محققان اخیرآ تولید انواع مختلف PHA، خواص و کاربرد آنها را مورد بررسی قرار داده اند. تحقیقات گسترده و مزیت اقتصادی PHA می تواند دلیلی بر گسترش سریع مقالات در این زمینه باشد. گزارش استنادی Web of Science نشان داد که در 20 سال گذشته مقالات مربوط به PHA با میانگین سالانه 1100 مورد، تقریبآ 10 برابر شده است. این امر باعث رشد دانش و توسعه راهکارهای تولید PHA میکروبی شده است. بر همین اساس، تحقیقات در این حوزه می تواند به سرعت یا از طریق سویه های میکروبی که قبلآ در محیط های کشت قرار داشته اند و یا از طریق تفکیک و شناسایی میکروب های جدید تولیدکنندۀ PHA آغاز شود. در شکل زیر روند تحقیقات روتین در این زمینه ارائه شده است.

شکل 2:

هدف از این مقاله، تسهیل استارت آپ های PHA با ارائه یک بررسی کلی از میکروب های تجمع یافته PHA است که در حال حاضر در محیط های کشت، مسیرهای بیوسنتز PHA، تکنیک های تشخیص PHA میکروبی، استخراج پلیمر PHA و خصوصیات پلیمری موجود هستند.

مسیرهای بیو سنتز PHA

PHA نقش مهمی در پرایمینگ میکروارگانیسم ها برای تنازع بقا برعهده دارد. همچنین با عمل بعنوان ذخایر کربن و انرژی برای باکتری های غیر هاگ زا و هاگ زا، بقای طولانی مدت باکتری ها را در صورت کمبود مواد مغذی ارتقا می دهد. علاوه بر این، باکتری های حاوی PHA از تحمل و مقاومت بیشتری در برابر تنش های گذرای محیطی مانند تابش اشعه ماوراء بنفش (UV)، گرما و شوک اسمزی برخوردار هستند. مسیرهای بیوسنتز PHA به طور پیچیده با مسیرهای متابولیک مرکزی باکتری من جمله گلیکولیز، چرخۀ کِربس، اکسیداسیون بتا، سنتز اسیدهای چرب دی نوو، کاتابولیسم اسید آمینه، چرخه کالوین و مسیر سرین مرتبط هستند. بسیاری از واسطه ها نیز بین PHA و مسیرهای متابولیک مشترک هستند که مهم ترین آنها استیل کوآ است. در برخی از میکروب های تولیدکنندۀ PHA مانند کوپریوادیوس نکتار، کروماتیوم وینسوم، زودوموناس اروجینوس در شار متابولیک از استیل کوآ به PHA به شرایط کاملآ مغذی شدیدآ وابسته هستند. در این شرایط تولید مقادیر زیادی کوآنزیم A از چرخۀ کربس، سنتز PHA را با مهار کتوتیولاز (PhaA) مسدود می کند؛ به طوری که با توجه به شکل زیر استیل کوآ برای تولید انرژی و رشد سلولی به چرخه کربس هدایت می شود.

شکل 3:

برعکس، در شرایط نامتعادل مواد مغذی (یعنی زمانی که یک ماده ضروری مانند نیتروژن و فسفر در حضور کربن اضافی محدود می شود)، سطوح کوآنزیم A غیر بازدارنده بوده و اجازه می دهد استیل کوآ به سمت مسیرهای مصنوعی PHA برای تجمع PHA هدایت شود.

این مقاله به بررسی مسیرهای بیوسنتز PHA، سویه های میکروبی تولید کنندۀ PHA می پردازد که به صورت تجاری در محیط های کشت در دسترس بوده و از طرفی، کاربرد و تکنیک های آنالیز آنها را همراه با استخراچ پلیمری بیان می کند. بدیهی است که راه های زیادی وجود دارد که براساس نوع میکروارگانیسم مورد استفاده، انتخاب منبع کربن و شرایط کشت می توان PHA را تولید کرد. این فاکتورهای ذکر شده نوع PHA را تحت تأثیر قرار می دهند که به نوبه خود کاربردهای پایین دستی آنها را تعیین می کند. با استفاده از این اطلاعات، پیشرفت تجاری PHA در آینده می تواند رویکردی "از بالا به پایین" را اتخاذ کند که در آن منبع کربن هدف و PHA مورد نظر، قبل از انتخاب میکروارگانیسم یا گروهی از میکروارگانیسم های مناسب همراه با الزامات اقتصادی تعیین می شوند. فرمولاسیون کشت های مشترک میکروبی برای تولید PHA تا حد زیادی ناشناخته مانده است اما ممکن است پتانسیل تولید PHA ارزان قیمت از ضایعات ارگانیک را داشته باشد. رشد روزافزون پژوهش ها در رابطه با PHA، بیوسنتز PHA به نیازهای کاربردی خاصی معطوف است. سویه های میکروبی موجود از محیط های کشت بعنوان یک پلتفرم عالی برای اصلاح ژنتیکی به منظور تولید PHA های تخصصی و افزایش عملکرد آنها عمل می کند. تجزیه و تحلیل مسیرهای بیوسنتز PHA نیز احتمالآ مکمل چنین تلاش های تحقیقاتی خواهد بود.