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可被分解的生物塑膠

自20世紀前半起所開發出的許多塑膠材質,是現代生活不可或缺的材料。以石化資源為原料的塑膠,將來可能面臨資源枯竭或價格高漲等問題,而且自然界所無法分解的塑膠,更會增加環境的負擔
 
 
 
自20世紀前半起所開發出的許多塑膠材質,是現代生活不可或缺的材料。以石化資源為原料的塑膠,將來可能面臨資源枯竭或價格高漲等問題,而且自然界所無法分解的塑膠,更會增加環境的負擔。
 
因此以生物資源為原料,可被生物降解並能再生利用的「生物塑膠」,其需求增加。但是與以石化資源為原料所生產的塑膠相比,其生產成本較高,因而妨礙它的普及程度。例如以最具代表性的生物塑膠「聚羥基烷酸」而言,雖已能進行工業規模的生產,但因為是以糖或油脂作為原料,不僅有生產成本的問題,也面臨能源供給,資源枯竭或糖類價格變動等許多問題。
 
因此日本科學技術振興機構的研究團隊對進行光合作用產生氧氣的原核生物「藍綠藻」在氮或磷缺乏狀態下,合成聚羥基丁酸酯感到高度興趣。藍綠藻能吸收二氧化碳進入菌體內,藉由光合成反應,直接利用光源做為能量來源,可能是生產聚羥基丁酯的理想方式。但是使用藍綠藻與目前生產生物塑膠的微生物相比,其產量少了10倍以上。至目前研究為止,雖已解析出藍綠藻合成多聚羥基丁酯的路徑,但是對於如何調控聚羥基丁酯合成基因的轉錄機制,來增加產量仍有許多未知的部分,因此希望解開其調控機制。
 
該研究團隊關注於最廣為研究的藍綠藻之SigE蛋白質,已知與肝醣分解基因的控制有關,為碳代謝整體過程的控制因子。經由過去研究人員進行大規模的轉錄解析,顯示SigE蛋白質可能與聚羥基丁酸酯基因的轉錄控制有關,過量表現的SigE 可提高乙醯輔脢A和有機酸,例如檸檬酸鹽的代謝水平,因此以SigE 因子為標的進行代謝工程,製作出一藍綠藻品系,可以產生過量的SigE蛋白質,並分析其對聚羥基丁酸酯合成的影響。
 
研究結果發現,在SigE蛋白質過度表現的狀態下,不但肝醣分解酵素增加,聚羥基丁酸酯合成酵素的轉錄量與蛋白質量也都增加。
 
實際上藍綠藻在缺乏氮氣狀態下,因SigE蛋白質過度表現,聚羥基丁酸酯合成量增加約2.5倍。也發現因SigE蛋白質增加,聚羥基丁酸酯合成路徑以外的碳化合物,葡萄糖-6-磷酸或醋酸等也增加。
 
今後如能減少次要路徑的代謝產物,有希望獲得更高的聚羥基丁酸酯產量。本研究成果解析出聚羥基丁酸酯生物合成基因的轉錄控制機制,對如何高效率生產聚羥基丁酸酯有所助益。先前的代謝工程學著重於代謝酵素層次的改變,此研究成功改變策略,提出調控轉錄的控制因子,今後如能進一步提高聚羥基丁酸酯產量,將提供透過光與二氧化碳來進行生產生物塑膠的技術,期待未來應用於建立環保社會。(本文由國科會補助「新媒體科普傳播實作計畫」執行團隊撰稿/2013年11月)
 
責任編輯:馬千惠|德州大學分子遺傳及微生物研究所
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