JP2023165504A - Homopolymer of 3-mercapto-2-methyl propionic acid, and polyhydroxyalkanoic acid copolymer composed of 3-hydroxybutanoic acid unit and 3-mercapto-2-methyl propionic acid unit - Google Patents
Homopolymer of 3-mercapto-2-methyl propionic acid, and polyhydroxyalkanoic acid copolymer composed of 3-hydroxybutanoic acid unit and 3-mercapto-2-methyl propionic acid unit Download PDFInfo
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Abstract
【課題】より優れた機械的特性を有する新規なポリチオエステルを提供すること。
【解決手段】3-ヒドロキシブタン酸単位と3-メルカプト-2-メチルプロピオン酸単位とから成るポリヒドロキシアルカン酸共重合体、3-メルカプト-2-メチルプロピオン酸の単一重合体、及び当該重合体を含む組成物。
【選択図】図6
An object of the present invention is to provide a novel polythioester having better mechanical properties.
[Solution] A polyhydroxyalkanoic acid copolymer consisting of 3-hydroxybutanoic acid units and 3-mercapto-2-methylpropionic acid units, a homopolymer of 3-mercapto-2-methylpropionic acid, and the polymer A composition comprising.
[Selection diagram] Figure 6
Description
本発明は、3-ヒドロキシブタン酸単位と3-メルカプト-2-メチルプロピオン酸単位とから成るポリヒドロキシアルカン酸共重合体、及び3-メルカプト-2-メチルプロピオン酸をモノマー単位とする単一重合体、並びに当該重合体を含む組成物に関する。 The present invention relates to polyhydroxyalkanoic acid copolymers comprising 3-hydroxybutanoic acid units and 3-mercapto-2-methylpropionic acid units, and homopolymers having 3-mercapto-2-methylpropionic acid as monomer units. , and compositions containing the polymer.
3-ヒドロキシアルカン酸のホモポリマー又は共重合体であるポリヒドロキシアルカン酸(PHA)は微生物が細胞内に蓄積するバイオポリエステルである。近年では、生分解性プラスチック素材としてのみならず、バイオマス由来のプラスチック素材として注目されている。 Polyhydroxyalkanoic acid (PHA), a homopolymer or copolymer of 3-hydroxyalkanoic acid, is a biopolyester that microorganisms accumulate intracellularly. In recent years, it has attracted attention not only as a biodegradable plastic material but also as a biomass-derived plastic material.
ポリエステルの加工工程において、ポリエステルの結晶化速度の高さは加工時間の短縮につながるため、非常に重要である。
最も一般的なPHAである、(R)-3-ヒドロキシブタン酸(3HB)を構成単位とするホモポリマー(以下、「P(3HB)」)は、高結晶性であるために硬くて脆く、実用性に乏しい。また、溶融温度(180℃)と熱分解温度(約200℃)とが近いために、溶融時にポリマーが低分子量化してしまうなど成型加工時の劣化が問題となり、工業生産には向いていない。この物性を改善する手段の一つとして、3HBと他のモノマーとの共重合体化が種々検討されてきた。
In the polyester processing process, a high crystallization rate of polyester is very important because it leads to a reduction in processing time.
The most common PHA, a homopolymer containing (R)-3-hydroxybutanoic acid (3HB) as a constituent unit (hereinafter referred to as "P(3HB)"), is hard and brittle due to its high crystallinity. Poor practicality. Furthermore, since the melting temperature (180°C) and the thermal decomposition temperature (approximately 200°C) are close to each other, deterioration during molding, such as the polymer having a low molecular weight during melting, becomes a problem, making it unsuitable for industrial production. As one means of improving these physical properties, various studies have been made on copolymerization of 3HB and other monomers.
最近、本発明者らは、3HB単位と、α位に側鎖を持つ3-ヒドロキシ-2-メチルブタン酸(3H2MB)単位とから成るポリヒドロキシアルカン酸共重合体(以下、P(3HB-co-3H2MB))を報告している(特許文献1)。当該P(3HB-co-3H2MB)は、第2成分である3H2MBを低分率で含むものであるが、高い結晶化速度を有しながら低い温度で溶融するため、優れた溶融加工性を有する。 Recently, the present inventors have developed a polyhydroxyalkanoic acid copolymer (hereinafter referred to as P(3HB-co- 3H2MB)) (Patent Document 1). The P(3HB-co-3H2MB) contains a low fraction of 3H2MB, which is the second component, and has excellent melt processability because it melts at a low temperature while having a high crystallization rate.
一方、ポリチオエステル(PTE)は、約70年前に化学合成されたものの、高い製造コスト、低収率及び毒性物質の使用の点で、工業的スケールでは製造されたことがなかった。しかし、PTEは、PHAよりも低い結晶秩序を有するという性質があり、加工の点からもPTEの有用性は高いと期待されている。 On the other hand, although polythioester (PTE) was chemically synthesized about 70 years ago, it has never been produced on an industrial scale due to high production costs, low yields, and the use of toxic substances. However, PTE has a property of having a lower crystal order than PHA, and PTE is expected to be highly useful from the viewpoint of processing.
近年、生合成によるポリチオエステルとして、例えば、3HBと3-メルカプトプロピオン酸(3MP)とのコポリマーがRalstonia eutrophaを用いて製造できることが報告されている(非特許文献1、2)。また、3HBと3-メルカプトブタン酸(3MB)とのコポリマーがRalstonia eutrophaで生合成できることも報告されている(非特許文献3)。 In recent years, it has been reported that, as a biosynthetic polythioester, for example, a copolymer of 3HB and 3-mercaptopropionic acid (3MP) can be produced using Ralstonia eutropha (Non-Patent Documents 1 and 2). It has also been reported that a copolymer of 3HB and 3-mercaptobutanoic acid (3MB) can be biosynthesized in Ralstonia eutropha (Non-Patent Document 3).
さらに、3MPのホモポリマー、3MBのホモポリマー、3-メルカプト吉草酸(3MV)のホモポリマー等のPTEのホモポリマーが、Escherichia coliの組換え株から得られたことも報告されている(非特許文献4、5)。具体的には、非特許文献1には、Escherichia coliの組換え株を用いて、ブチレートキナーゼを含む非天然経路によって各種のPTEのホモポリマーが得られている(非特許文献4のFig.1b)。PTEのホモポリマーは、対応するポリオキシエステルよりも低いガラス転移温度(Tg)及び/又は高い融解温度(Tm)を有し、さらには高い破断伸びを有し得る。これは、例えば3HBと3-メルカプトプロピオン酸(3MP)とのコポリマーが対応するポリオキシエステルコポリマーと比べて高い弾性を有するためと考えられる。 Furthermore, it has been reported that PTE homopolymers such as 3MP homopolymer, 3MB homopolymer, and 3-mercaptovaleric acid (3MV) homopolymer were obtained from recombinant strains of Escherichia coli (non-patent References 4, 5). Specifically, in Non-Patent Document 1, various PTE homopolymers are obtained by a non-natural pathway involving butyrate kinase using a recombinant strain of Escherichia coli (Fig. 1b). Homopolymers of PTE have lower glass transition temperatures (Tg) and/or higher melting temperatures (Tm) than the corresponding polyoxyesters, and may even have higher elongations to break. This is believed to be because, for example, a copolymer of 3HB and 3-mercaptopropionic acid (3MP) has higher elasticity than the corresponding polyoxyester copolymer.
しかし、上記のPTEの機械的特性は知られておらず、より優れた機械的特性を有するPTEの開発が求められている。 However, the mechanical properties of the above-mentioned PTE are not known, and there is a demand for the development of PTE having better mechanical properties.
従って、本発明は、より優れた機械的特性を有する新規なPTEを提供することを目的とする。 Therefore, the present invention aims to provide a new PTE with better mechanical properties.
本発明者らは、斯かる実状に鑑み鋭意検討した結果、炭素源と、2位にメチル基を有する3-メルカプト-2-メチルプロピオン酸(3M2MP)の存在下に、ポリヒドロキシアルカン酸重合酵素遺伝子が特定の微生物のβ酸化欠損株に導入された形質転換体を用いることにより、3M2MP単位を高分率で含むポリヒドロキシアルカン酸共重合体、また、実質的に3M2MP単位のみから成るポリヒドロキシアルカン酸共重合体(すなわち、3M2MPの単一重合体)が効率よく得られることを見出し、本発明を完成するに至った。また、これらの共重合体が従来のPHA、PTEと比較して高い弾性を有することを見出し、本発明を完成するに至った。 As a result of intensive studies in view of the above circumstances, the present inventors discovered that polyhydroxyalkanoic acid polymerase in the presence of a carbon source and 3-mercapto-2-methylpropionic acid (3M2MP) having a methyl group at the 2-position. By using a transformant in which a gene is introduced into a β-oxidation-deficient strain of a specific microorganism, polyhydroxyalkanoic acid copolymers containing a high percentage of 3M2MP units, and polyhydroxyl copolymers consisting essentially only of 3M2MP units, can be produced. It was discovered that an alkanoic acid copolymer (ie, a 3M2MP homopolymer) can be obtained efficiently, and the present invention was completed. The inventors also discovered that these copolymers have higher elasticity than conventional PHA and PTE, leading to the completion of the present invention.
すなわち、本発明は以下を提供する。
(1)3-ヒドロキシブタン酸単位と3-メルカプト-2-メチルプロピオン酸単位とから成るポリヒドロキシアルカン酸共重合体。
(2)3-メルカプト-2-メチルプロピオン酸単位のモル分率が、6モル% 以上である、(1)に記載のポリヒドロキシアルカン酸共重合体。
(3)3-メルカプト-2-メチルプロピオン酸単位のモル分率が、10モル%以上である、(1)に記載のポリヒドロキシアルカン酸共重合体。
(4)3-メルカプト-2-メチルプロピオン酸単位のモル分率が、実質的に100モル%である、(1)に記載のポリヒドロキシアルカン酸共重合体。
(5)3-メルカプト-2-メチルプロピオン酸の単一重合体。
(6)(1)~(4)のいずれか1つに記載のポリヒドロキシアルカン酸共重合体及び/又は(5)に記載の単一重合体を含む組成物。
(7)(6)に記載の組成物からなるフィルム又はシート。
That is, the present invention provides the following.
(1) A polyhydroxyalkanoic acid copolymer consisting of 3-hydroxybutanoic acid units and 3-mercapto-2-methylpropionic acid units.
(2) The polyhydroxyalkanoic acid copolymer according to (1), wherein the mole fraction of 3-mercapto-2-methylpropionic acid units is 6 mol% or more.
(3) The polyhydroxyalkanoic acid copolymer according to (1), wherein the molar fraction of 3-mercapto-2-methylpropionic acid units is 10 mol% or more.
(4) The polyhydroxyalkanoic acid copolymer according to (1), wherein the mole fraction of 3-mercapto-2-methylpropionic acid units is substantially 100 mol%.
(5) Homopolymer of 3-mercapto-2-methylpropionic acid.
(6) A composition comprising the polyhydroxyalkanoic acid copolymer according to any one of (1) to (4) and/or the homopolymer according to (5).
(7) A film or sheet comprising the composition described in (6).
本発明の3M2MP単位と3HB単位とを含むポリヒドロキシアルカン酸共重合体、及び3M2MPの単一重合体は、異常に大きな破断伸びを有し、フィルム等のプラスチック材料として有効に活用できる。 The polyhydroxyalkanoic acid copolymer containing 3M2MP units and 3HB units and the 3M2MP homopolymer of the present invention have an abnormally large elongation at break, and can be effectively used as plastic materials such as films.
本発明の新規なポリヒドロキシアルカン酸共重合体は、式(I)で表される、3-ヒドロキシブタン酸(3HB)単位と3-メルカプト-2-メチルプロピオン酸(3M2MP)単位とから成るポリヒドロキシアルカン酸共重合体(P(3HB-co-3M2MP)と言うことがある)である。また、本発明の新規なポリヒドロキシアルカン酸共重合体は、式(II)で表される、3M2MPの単一重合体(P(3M2MP)と言うことがある)である。本明細書では、これらをまとめて、PHA又はポリチオエステル(PTE)と言うことがある。 The novel polyhydroxyalkanoic acid copolymer of the present invention is a polyhydroxyalkanoic acid copolymer consisting of 3-hydroxybutanoic acid (3HB) units and 3-mercapto-2-methylpropionic acid (3M2MP) units, represented by formula (I). It is a hydroxyalkanoic acid copolymer (sometimes referred to as P(3HB-co-3M2MP)). Further, the novel polyhydroxyalkanoic acid copolymer of the present invention is a 3M2MP homopolymer (sometimes referred to as P(3M2MP)) represented by formula (II). In this specification, these may be collectively referred to as PHA or polythioester (PTE).
本発明の式(I)の共重合体(P(3HB-co-3M2MP)中の3M2MP単位の割合は、ポリマーの弾性の点から、少なくとも6モル%であり、好ましくは少なくとも10モル%、より好ましくは少なくとも20モル%、より好ましくは少なくとも30モル%、より好ましくは少なくとも40モル%、より好ましくは少なくとも50モル%、より好ましくは少なくとも60モル%、より好ましくは少なくとも70モル%、より好ましくは少なくとも80モル%、より好ましくは少なくとも90モル%、より好ましくは少なくとも95モル%、より好ましくは少なくとも98モル%、更に好ましくは少なくとも99モル%である。 The proportion of 3M2MP units in the copolymer (P(3HB-co-3M2MP)) of formula (I) of the present invention is at least 6 mol%, preferably at least 10 mol%, more preferably at least 10 mol%. Preferably at least 20 mol%, more preferably at least 30 mol%, more preferably at least 40 mol%, more preferably at least 50 mol%, more preferably at least 60 mol%, more preferably at least 70 mol%, more preferably At least 80 mol%, more preferably at least 90 mol%, more preferably at least 95 mol%, more preferably at least 98 mol%, even more preferably at least 99 mol%.
本発明のP(3HB-co-3M2MP)及びP(3M2MP)、特にP(3M2MP)は、異常に大きな破断伸びを示し、天然もしくは合成ゴム(典型的には、100~800%の範囲の伸び)等のほとんどの市販のエラストマーポリマー、又は共重合体及び/又は単一重合体の伸びが約1000%であるポリ(4-ヒドロキシブチレート)(P(4HB))等の周知のPHAよりも高い弾性を有する。P(3HB-co-3MP)にも有意な弾性特性があることから(非特許文献4)、PTEの弾性が優れているのはポリマー骨格中の硫黄原子によるものと考えられる。 P(3HB-co-3M2MP) and P(3M2MP) of the present invention, especially P(3M2MP), exhibit unusually high elongations at break, and are typically found in natural or synthetic rubbers (typically with elongations in the range of 100-800%). ), or copolymers and/or homopolymers, the elongation of which is approximately 1000% higher than that of well-known PHAs such as poly(4-hydroxybutyrate) (P(4HB)). It has elasticity. Since P(3HB-co-3MP) also has significant elastic properties (Non-Patent Document 4), it is thought that the excellent elasticity of PTE is due to the sulfur atoms in the polymer skeleton.
PTEにおけるイオウのポーリングの電気陰性度(2.58)は、ポリオキシエステルであるPHAの、酸素のポーリングの電気陰性度(3.44)より著しく低く、炭素原子の電気陰性度(2.55)に近いため(非特許文献3)、PTEは、PHAよりも低い結晶秩序を有し、伸縮時にポリマー構造をより容易に動員できる可能性がある(非特許文献4)。 The Pauling electronegativity of sulfur in PTE (2.58) is significantly lower than that of oxygen (3.44) in the polyoxyester PHA, and is much lower than that of the carbon atom (2.55). ) (Non-Patent Document 3), PTE has a lower crystalline order than PHA and may be able to more easily mobilize the polymer structure upon stretching and contraction (Non-Patent Document 4).
また、3M2MP単位のα炭素メチル基は、ポリマー構造のパッキングを妨げることによってその機械的特性にも影響を及ぼす可能性がある。 The alpha carbon methyl group of the 3M2MP unit may also affect its mechanical properties by interfering with the packing of the polymer structure.
本発明のP(3HB-co-3M2MP)は、特定の微生物のβ酸化欠損株を宿主に用いて製造される。
具体的には、炭素源と、3-メルカプト-2-メチルプロピオン酸(3M2MP)の存在下に、宿主中で目的の遺伝子を発現するための広宿主域ベクターに、ポリヒドロキシアルカン酸重合酵素遺伝子、及び3M2MPから3M2MP-CoAへの変換反応を促進することによって3M2MP-CoAトランスフェラーゼの供給を増加させるための、プロピオニルCoAトランスフェラーゼ(pct)遺伝子、並びに公知のモノマー供給遺伝子を挿入してプラスミドを得、当該プラスミドを宿主細胞に導入することによって得られる。
P (3HB-co-3M2MP) of the present invention is produced using a β-oxidation-deficient strain of a specific microorganism as a host.
Specifically, in the presence of a carbon source and 3-mercapto-2-methylpropionic acid (3M2MP), a polyhydroxyalkanoic acid polymerase gene is added to a broad host range vector for expressing the target gene in the host. , and a propionyl CoA transferase (pct) gene and a known monomer supply gene to increase the supply of 3M2MP-CoA transferase by promoting the conversion reaction of 3M2MP to 3M2MP-CoA, and obtain a plasmid, It can be obtained by introducing the plasmid into host cells.
図1に、本発明のP(3HB-co-3M2MP)の代表的な生合成経路の例を示す(左パネル)。炭素源の一例であるグルコースは、ピルビン酸、次いでアセチル-CoAに変換された後、このアセチル-CoAはβ-ケトチオラーゼ(PhaA)により2量化(PhaA)され、アセトアセチルCoAレダクターゼ(PhaB)によって還元されて、3HB-CoAに変換される。一方、3M2MPは、プロピオニルCoAトランスフェラーゼにより、3M2MP-CoAに変換される。各々の経路で供給されたモノマーはポリヒドロキシアルカン酸重合酵素(PhaC)の基質として利用され、P(3HB-co-3M2MP)が合成される。 FIG. 1 shows an example of a typical biosynthetic pathway for P(3HB-co-3M2MP) of the present invention (left panel). Glucose, an example of a carbon source, is converted to pyruvate and then to acetyl-CoA, which is then dimerized (PhaA) by β-ketothiolase (PhaA) and reduced by acetoacetyl-CoA reductase (PhaB). and converted to 3HB-CoA. On the other hand, 3M2MP is converted to 3M2MP-CoA by propionyl-CoA transferase. The monomers supplied through each route are used as substrates for polyhydroxyalkanoic acid polymerase (PhaC), and P(3HB-co-3M2MP) is synthesized.
また、図1に、本発明のP(3M2MP)の代表的な生合成経路の例を示す(右パネル)。3M2MPは、phaA及びphaBを発現しない宿主中で、プロピオニルCoAトランスフェラーゼにより、3M2MP-CoAに変換される。3M2MP-CoAはポリヒドロキシアルカン酸重合酵素(PhaC)の基質として利用され、P(3M2MP)が合成される。 Further, FIG. 1 shows an example of a typical biosynthetic pathway for P(3M2MP) of the present invention (right panel). 3M2MP is converted to 3M2MP-CoA by propionyl-CoA transferase in a host that does not express phaA and phaB. 3M2MP-CoA is used as a substrate for polyhydroxyalkanoic acid polymerase (PhaC), and P(3M2MP) is synthesized.
更に、ポリヒドロキシアルカン酸重合酵素遺伝子の上流には、フェイシン(phasin)と呼ばれるタンパク質をコードする遺伝子が導入される(例えば、特開2013-42697号参照)。フェイシンは、細菌の細胞内でPHA顆粒に共局在することが知られており、PHA顆粒の形成、安定化などに関わると考えられている。 Furthermore, a gene encoding a protein called phasin is introduced upstream of the polyhydroxyalkanoic acid polymerase gene (for example, see JP-A No. 2013-42697). Fasin is known to colocalize with PHA granules within bacterial cells, and is thought to be involved in the formation and stabilization of PHA granules.
宿主中で目的の遺伝子を発現するための広宿主域ベクターとしては、プロモーター、リボゾーム結合部位、遺伝子クローニング部位、ターミネーター等を有する公知のベクターを用いることができる。 As a wide host range vector for expressing a gene of interest in a host, known vectors having a promoter, ribosome binding site, gene cloning site, terminator, etc. can be used.
ポリヒドロキシアルカン酸重合酵素遺伝子としては、例えば、シュードモナス・エスピー(Pseudomonas sp.)61-3株、シュードモナス・スツッツェリ(Pseudomonas stutzeri)、シュードモナス・エスピーA33、アロクロマティウム・ビノサム(Allochromatium vinosum)、バシルス・メガテリウム(Bacillus megaterium)、バシルス・セレウス(Bacillus cereus)、バシルス・エスピー(Bacillus sp.)INT005、ランプロシスティス・ロゼオペルシシナ(Lamprocystis roseopersicina)、ノカルディア・コラリナ(Nocardia corallina)、ロドバクター・シャエロイデス(Rhodobactor shaeroides)、ラルストニア・ユートロファ(Ralstonnia eutropha)、ロドコッカス・エスピー(Rhodococcus sp.)NCIMB 40126、チオカプサ・フェニギー(Thiocapsa pfennigii)、アエロモナス・キャビエ(Aeromonas caviae)、及びアエロモナス・ハイドロフィラ(Aeromonas hydrophila)から選ばれる微生物に由来するものが挙げられる。 Examples of the polyhydroxyalkanoic acid polymerase gene include Pseudomonas sp. 61-3, Pseudomonas stutzeri, Pseudomonas sp. A33, and Allochromatium vinosum. ), Bacillus Bacillus megaterium, Bacillus cereus, Bacillus sp. INT005, Lamprocystis roseopersicina, Nocardia Nocardia corallina, Rhodobacter shaeroides , Ralstonia eutropha, Rhodococcus sp. NCIMB 40126, Thiocapsa pfennigii, Aeromonas caviae ), and microorganisms selected from Aeromonas hydrophila Examples include those derived from
また、ポリヒドロキシアルカン酸重合酵素遺伝子としては、上記のポリヒドロキシアルカン酸重合酵素の変異体をコードする遺伝子でもよい。このような変異体は、野生型のポリヒドロキシアルカン酸重合酵素のアミノ酸配列において、1以上のアミノ酸が欠失、置換又は付加されてなるアミノ酸配列からなり、かつポリヒドロキシアルカン酸重合活性を有するタンパク質である。かかる変異体を用いることにより、ポリヒドロキシアルカン酸重合体の生産量が増加する。例えば、本発明に用いられるPHA重合酵素変異体としては、微生物由来のPHA重合酵素(PhaC)のN末端から149番目のアスパラギンからセリンへの置換、及び/又はPhaCの171番目のアスパラギン酸からグリシンへの置換を含む変異体が挙げられる。
フェイシン(PhaP)としては、N末端から20番目までのアミノ酸領域において1以上のアミノ酸が欠失、置換又は付加されてなるアミノ酸配列を有する変異体も好ましく用いられる。例えば、フェイシンのN末端から4番目のアスパラギン酸をアスパラギンに置換してなる変異体が挙げられる(例えば、特開2013-42697号参照)。フェイシンの変異体は、同様にポリヒドロキシアルカン酸重合体の生産性を向上させる。
上記のPhaCの149番目のアミノ酸の置換、同酵素の171番目のアミノ酸の置換、及びフェイシンの4番目のアミノ酸の置換、のすべてを含む変異体も好ましい。
PHA重合酵素及びフェイシンが由来する微生物は、例えばアエロモナス属微生物であり、具体的にはアエロモナス・キャビエ(Aeromonas caviae)が挙げられる。
以下、PhaPの4番目のアスパラギン酸がアスパラギンに置換されてなる変異体を「PhaPAcD4N」、PhaCの149番目のアスパラギンがセリンに、及びPhaCの171番目のアスパラギン酸がグリシンに置換されてなる二重変異体を「PhaCAcNSDG」と表記することがある。
PhaPAcD4Nの製造法は、例えば、特開2013-42697号に開示され、PhaCAcNSDGの製造法は、例えば、Tsuge T,et al.,FEMS Microbial Lett 277(2007)217-222に詳述されている。
Furthermore, the polyhydroxyalkanoic acid polymerase gene may be a gene encoding a variant of the above polyhydroxyalkanoic acid polymerase. Such mutants are proteins that have an amino acid sequence in which one or more amino acids are deleted, substituted, or added to the amino acid sequence of wild-type polyhydroxyalkanoic acid polymerase, and that have polyhydroxyalkanoic acid polymerization activity. It is. By using such variants, the production amount of polyhydroxyalkanoic acid polymers is increased. For example, the PHA polymerase mutant used in the present invention includes substitution of asparagine at position 149 from the N-terminus of microorganism-derived PHA polymerase (PhaC) with serine, and/or substitution of aspartic acid at position 171 of PhaC with glycine. Examples include variants containing substitutions.
As phasin (PhaP), a variant having an amino acid sequence in which one or more amino acids are deleted, substituted, or added in the 20th amino acid region from the N-terminus is also preferably used. For example, there is a mutant in which the fourth aspartic acid from the N-terminus of phasin is replaced with asparagine (for example, see JP-A No. 2013-42697). Variants of phasin similarly improve productivity of polyhydroxyalkanoic acid polymers.
Variants containing all of the above-mentioned substitutions of the 149th amino acid of PhaC, the 171st amino acid substitution of the same enzyme, and the 4th amino acid substitution of phasin are also preferred.
The microorganism from which PHA polymerase and phasin are derived is, for example, a microorganism belonging to the genus Aeromonas, and specifically includes Aeromonas caviae.
Hereinafter, the mutant in which the 4th aspartic acid of PhaP is replaced with asparagine is referred to as "PhaP Ac D4N", the 149th asparagine of PhaC is replaced with serine, and the 171st aspartic acid of PhaC is replaced with glycine. The double mutant is sometimes referred to as "PhaC Ac NSDG".
A method for producing PhaP Ac D4N is disclosed, for example, in JP-A No. 2013-42697, and a method for producing PhaC Ac NSDG is disclosed, for example, in Tsuge T, et al. , FEMS Microbial Lett 277 (2007) 217-222.
公知のモノマー供給遺伝子としては、例えば、Ralstonia eutropha由来のphbA、phbB、phaA、phaB(Peoples,O.P.and Sinskey,A.J.,J.Biol.Chem.264:15293-15297(1989))、Aeromonas caviae由来のphaJ(Fukui,T.and Doi,Y.,J.Bacteriol.179:4821-4830(1997))等が挙げられる。 Known monomer-supplying genes include, for example, phbA, phbB, phaA, and phaB derived from Ralstonia eutropha (Peoples, O.P. and Sinskey, A.J., J. Biol. Chem. 264:15293-15297 (1989) ), phaJ derived from Aeromonas caviae (Fukui, T. and Doi, Y., J. Bacteriol. 179:4821-4830 (1997)), and the like.
本発明で使用される宿主微生物は、糖類や油脂類を炭素源として使用した場合の増殖性が良好で、菌株の安定性が高く、菌体と培養液との分離が比較的容易なものであれば特に制限されないが、例えば、エシュリキア(Escherichia)属、カプリアヴィドゥス(Cupriavidus)属、シュードモナス(Pseudomonas)属、アエロモナス(Aeromonas)属、アルカリゲネス(Alcaligenes)属、バチルス(Bacillus)属、コリネバクテリウム(Corynebacterium)属、ブレビバクテリウム(Brevibacterium)属、セラチア(Serratia)属、又はビブリオ(Vibrio)属の微生物が好ましい。より好ましくは、エシュリキア(Escherichia)属である。 The host microorganism used in the present invention has good growth properties when using sugars and fats and oils as a carbon source, has a highly stable strain, and is relatively easy to separate from the culture medium. Examples include, but are not limited to, Escherichia genus, Cupriavidus genus, Pseudomonas genus, Aeromonas genus, Alcaligenes genus, Bacillus genus, Corynebacterium spp. Rium Microorganisms of the genus Corynebacterium, Brevibacterium, Serratia, or Vibrio are preferred. More preferred is the genus Escherichia.
本発明では、P(3HB-co-3M2MP)の合成のために、例えば、ポリヒドロキシアルカン酸重合体の生合成における反復単位のより高い制御を可能にする、E.coli LS5218のfadB遺伝子及びfadJ遺伝子ノックアウト変異株であるE.coli LSBJ株(β酸化欠損株)(J.Biosci Bioeng 2012,113,480-486)を宿主として、2つのプラスミド:pTTQ19-PCTとpBBR1phaP(D4N)JCAc(NSDG)ABReを導入することができる。
pTTQ19-PCTは、3M2MP-CoAの供給のためのMegasphaera elsdenii由来のプロピオニル-CoAトランスフェラーゼ(PCT)遺伝子を含む。pBR1phaP(D4N)JCAc(NSDG)ABReは、phaPCJオペロンの増強された発現を通してより高いPHA蓄積を可能にする点変異D4Nを有するAeromonas caviae由来のフェイシン遺伝子(phaPAc)[J.Gen Appl NIcrobial 2015,61,63-66]、3HBベース共重合体の第2の単量体ユニットの取り込みを増強するN149S及びD171G点変異を有するA.caviae由来のPHAシンターゼ遺伝子(phaCAc)[FEMS Microbial Let 2007,277,217-222]、(R)特異的エノイル-CoAヒドラターゼ遺伝子(phaJAc)、並びにPhaCAc重合のための3HB前駆物質の供給のためのR.eutropha H16由来の酵素である3-ケトチオラーゼ(PhaARe)及びアセトアセチル-CoA還元酵素(PhaBRe)の遺伝子を含む。
また、P(3M2MP)の生合成のために、例えば、E.coli LSBJ株(β酸化欠損株)を宿主として、2つのプラスミド:pTTQ19-PCTとpBBR1phaP(D4N)CAc(NSDG)を導入することができる。pBBR1phaP(D4N)CAc(NSDG)は、pBBR1phaP(D4N)JCAc(NSDG)ABReから、phaABRe遺伝子及びphaJAc遺伝子を削除したプラスミドである。
In the present invention, for the synthesis of P(3HB-co-3M2MP), for example E. E. coli LS5218 fadB gene and fadJ gene knockout mutant strain. Two plasmids: pTTQ19-PCT and pBBR1phaP(D4N)JC Ac (NSDG)AB Re can be introduced into E. coli LSBJ strain (β-oxidation deficient strain) (J. Biosci Bioeng 2012, 113, 480-486) as a host. can.
pTTQ19-PCT contains the propionyl-CoA transferase (PCT) gene from Megasphaera elsdenii for the supply of 3M2MP-CoA. pBR1phaP(D4N)JC Ac (NSDG)AB Re is a clone of the phasin gene from Aeromonas caviae (phaP Ac ) [J. Gen Appl NIcrobial 2015, 61, 63-66], A. caviae-derived PHA synthase gene (phaC Ac ) [FEMS Microbial Let 2007, 277, 217-222], (R) specific enoyl-CoA hydratase gene (phaJ Ac ), and supply of 3HB precursor for PhaC Ac polymerization. for R. It contains genes for 3-ketothiolase (PhaA Re ) and acetoacetyl-CoA reductase (PhaB Re ), which are enzymes derived from eutropha H16.
In addition, for the biosynthesis of P(3M2MP), for example, E. Two plasmids: pTTQ19-PCT and pBBR1phaP(D4N)C Ac (NSDG) can be introduced into E. coli LSBJ strain (β-oxidation deficient strain) as a host. pBBR1phaP(D4N)C Ac (NSDG) is a plasmid obtained by deleting the phaAB Re gene and phaJ Ac gene from pBBR1phaP(D4N)JC Ac (NSDG)AB Re .
上記の、PhaJAc遺伝子の点変異D4N及びPhaCAcの二重点変異NSDGの存在は、高い重合体の蓄積、及び3HB単位への第2モノマー(3M2MP)単位の高い取込みをもたらす。実際に、本発明では、点変異D4N及びPhaCAcの二重点変異NSDGの存在によって、これまで報告されているP(3HB-co-3-メルカプトアルカノエート)の生産量を有意に超える重合体が得られる(非特許文献1;Lutke-Eversloh,et al.,Biomacromolecules 2001,2,1061-1065;Lutke-Eversloh,et al.,FEMS Microbiology Letters 2003,221,191-196を参照)。 The presence of the point mutation D4N of the PhaJ Ac gene and the double point mutation NSDG of the PhaC Ac , described above, results in high polymer accumulation and high incorporation of the second monomer (3M2MP) unit into the 3HB unit. In fact, in the present invention, due to the presence of the point mutation D4N and the double point mutation NSDG of PhaC Ac , the production of P(3HB-co-3-mercaptoalkanoate) significantly exceeds that reported so far. (Non-Patent Document 1; Lutke-Eversloh, et al., Biomacromolecules 2001, 2, 1061-1065; Lutke-Eversloh, et al., FEMS Microbiology Letters 2003, 221 , 191-196).
炭素源としては、例えば、糖類、カルボン酸、油脂類等を用いることができる。糖類としては、グルコース、フルクトース、ガクトース、キシロース、アラビノース、サッカロース、マルトース、でんぷん、でんぷん加水分解物等が挙げられる。カルボン酸としては、酢酸、乳酸等が挙げられる。油脂類としては、植物油が好ましく、例えば大豆油、コーン油、綿実油、落花生油、ヤシ油、パーム油、パーム核油、又はこられの分別油、例えばパームWオレイン油(パーム油を2回無溶媒分別した低沸点画分)、パーム核油オレイン(パーム核油を1回無溶媒分別した低沸点画分)、又はこれらの油脂やその画分を化学的もしくは生化学的に処理した合成油、あるいはこれらの混合油が挙げられる。 As the carbon source, for example, saccharides, carboxylic acids, fats and oils, etc. can be used. Examples of sugars include glucose, fructose, gactose, xylose, arabinose, sucrose, maltose, starch, and starch hydrolysates. Examples of carboxylic acids include acetic acid and lactic acid. The oils and fats are preferably vegetable oils, such as soybean oil, corn oil, cottonseed oil, peanut oil, coconut oil, palm oil, palm kernel oil, or fractionated oils thereof, such as palm W oleic oil (palm oil is added twice). palm kernel oil olein (low boiling point fraction obtained by solvent-free fractionation of palm kernel oil), or synthetic oils obtained by chemically or biochemically processing these oils and fats and their fractions. or a mixture of these oils.
培養温度は、菌の生育可能な温度、好ましくは15~40℃、特に好ましくは20~40℃、更に好ましくは28~34℃である。培養時間は、特に限定されないが、例えばバッチ培養では1~7日間が好ましく、また連続培養も可能である。培養培地は、本発明の宿主が利用できるものである限り特に限定されない。炭素源に加えて、窒素源、無機塩類、その他の有機栄養源等を含有する培地を使用することができる。
窒素源としては、例えばアンモニア、塩化アンモニウム、硫酸アンモニウム、リン酸水素二アンモニウム等のアンモニウム塩、ペプトン、肉エキス、酵母エキス等が挙げられる。
無機塩類としては、例えばリン酸第一カリウム、リン酸第二カリウム、リン酸水素マグネシウム、硫酸マグネシウム、塩化ナトリウム等が挙げられる。
その他の有機栄養源としては、例えばグリシン、アラニン、セリン、スレオニン、プロリン等のアミノ酸類;ビタミンB1、ビタミンB12、ビオチン、ニコチン酸アミド、パントテン酸、ビタミンC等のビタミン類などが挙げられる。
The culture temperature is a temperature at which bacteria can grow, preferably 15 to 40°C, particularly preferably 20 to 40°C, and even more preferably 28 to 34°C. The culture time is not particularly limited, but for example, batch culture is preferably 1 to 7 days, and continuous culture is also possible. The culture medium is not particularly limited as long as it can be used by the host of the present invention. A medium containing, in addition to a carbon source, a nitrogen source, inorganic salts, other organic nutrient sources, etc. can be used.
Examples of the nitrogen source include ammonia, ammonium salts such as ammonium chloride, ammonium sulfate, and diammonium hydrogen phosphate, peptone, meat extract, yeast extract, and the like.
Examples of the inorganic salts include primary potassium phosphate, secondary potassium phosphate, magnesium hydrogen phosphate, magnesium sulfate, and sodium chloride.
Examples of other organic nutritional sources include amino acids such as glycine, alanine, serine, threonine, and proline; vitamins such as vitamin B1, vitamin B12, biotin, nicotinamide, pantothenic acid, and vitamin C.
本発明のPHAの菌体からの回収は、例えば、次の方法によって行うことができる。培養終了後、遠心分離器等で培養液から菌体を分離し、その菌体を蒸留水、メタノール等により洗浄した後、乾燥させた後、この乾燥菌体から、クロロホルム等の有機溶媒を用いて共重合体を抽出する。次いで、この共重合体を含む有機溶媒溶液から、濾過等によって菌体成分を除去し、その濾液にメタノール、へキサン等の貧溶媒を加えて共重合体を沈殿させる。沈殿した共重合体から、濾過や遠心分離によって上澄み液を除去し、乾燥させ、共重合体を回収することができる。得られた共重合体の分析は、例えば、ガスクロマトグラフ法、核磁気共鳴法等により行うことができる。 The PHA of the present invention can be recovered from bacterial cells, for example, by the following method. After the culture is completed, the bacterial cells are separated from the culture solution using a centrifuge, etc., and the bacterial cells are washed with distilled water, methanol, etc., and then dried. to extract the copolymer. Next, bacterial cell components are removed from the organic solvent solution containing this copolymer by filtration or the like, and a poor solvent such as methanol or hexane is added to the filtrate to precipitate the copolymer. The supernatant liquid can be removed from the precipitated copolymer by filtration or centrifugation, and the copolymer can be recovered by drying. The obtained copolymer can be analyzed by, for example, gas chromatography, nuclear magnetic resonance, or the like.
本発明のP(3HB-co-3M2MP)及びP(3M2MP)、特にP(3M2MP)は異常に大きな破断伸びを有し、変形後ほとんど瞬間的に形状を回復する。このような特徴は、プラスチック材料としての加工時における大きな利点である。したがって、これらの共重合体を含む組成物はフィルム、シート、容器、ボトル、包装材料等の用途に使用することができる。 The P(3HB-co-3M2MP) and P(3M2MP) of the present invention, especially P(3M2MP), have an unusually large elongation at break and recover their shape almost instantaneously after deformation. Such characteristics are a great advantage when processing as a plastic material. Therefore, compositions containing these copolymers can be used for films, sheets, containers, bottles, packaging materials, and the like.
次に実施例を挙げて本発明を詳細に説明するが、本発明はこれら実施例に何ら限定されるものではない。 EXAMPLES Next, the present invention will be explained in detail with reference to Examples, but the present invention is not limited to these Examples in any way.
[材料及び調製方法]
(1)微生物
大腸菌E.coli LSBJ株(β酸化欠損株)を宿主に用いた。LSBJ株は、E.coli LS5218株(Spratt,S.et al.,J.Bacteriol.1981,146,1166)のβ酸化の一部を担うfadB遺伝子及びfadJ遺伝子が欠損した変異株である(Tappel et al.,J.Biosci.Bioeng.2012,113,480)。
[Materials and preparation method]
(1) Microorganism Escherichia coli E. E. coli LSBJ strain (β-oxidation deficient strain) was used as a host. LSBJ stock is E. This is a mutant strain of E. coli LS5218 (Spratt, S. et al., J. Bacteriol. 1981, 146, 1166) in which fadB and fadJ genes, which are responsible for part of β-oxidation, are deleted (Tappel et al., J. Biosci.Bioeng.2012, 113, 480).
(2)培地
(a)Lysogeny Broth(LB)培地
Bacto trypton 10g、酵母エキス5g、NaCl 10gを脱イオン水1Lに溶かして、121℃で20分間オートクレーブして調製した。また、寒天培地は、上記成分に寒天1.5~2%(vol/vol)となるよう加え、オートクレーブ処理して調製した。抗生物質(カナマイシン:終濃度50μg/mL、カルベニシリン:終濃度50μg/mL)は、液体培地、寒天培地ともにオートクレーブ処理後に添加した。
(b)M9改良培地
Na2HPO4・12H2O 17.1g、KH2PO4 3g、NH4Cl 0.5g、bacto-yeast extract 2.5g、NaCl 0.5g、1M MgSO4 2mL、1M CaCl2 0.1mLを脱イオン水1Lに溶かして、121℃で20分間オートクレーブして調製した。カナマイシン 50mg及びカルベニシリン 50mgはオートクレーブ後に添加した。
(2) Medium (a) Lysogeny Broth (LB) medium Prepared by dissolving 10 g of Bacto trypton, 5 g of yeast extract, and 10 g of NaCl in 1 L of deionized water and autoclaving at 121° C. for 20 minutes. Further, an agar medium was prepared by adding agar to the above components at a concentration of 1.5 to 2% (vol/vol) and autoclaving the mixture. Antibiotics (kanamycin: final concentration 50 μg/mL, carbenicillin: final concentration 50 μg/mL) were added to both the liquid medium and the agar medium after autoclaving.
(b) M9 improved medium Na2HPO4.12H2O 17.1g , KH2PO4 3g , NH4Cl 0.5g , bacto-yeast extract 2.5g, NaCl 0.5g, 1M MgSO4 2mL, 1M It was prepared by dissolving 0.1 mL of CaCl 2 in 1 L of deionized water and autoclaving at 121° C. for 20 minutes. Kanamycin 50 mg and carbenicillin 50 mg were added after autoclaving.
(3)プラスミド
(a)pBBR1phaP(D4N)CJAcABRc NSDG
pBBR1phaP(D4N)CJAcABRc NSDGは、文献(Saika et al.,J.Biosci.Bioeng.2014,117,670)にしたがって作製した。pBBR1phaP(D4N)CJAcABRc NSDGは、Aeromonas caviaeのPHAオペロンを有しており、phaPでは4位のアスパラギン酸(D)がアスパラギン(N)に、phaCでは149位のアスパラギン(N)がセリン(S)に、かつ171位のアスパラギン酸(D)がグリシン(G)に変異している(Ushimaru et al.,J.Gen.Appl.Microbiol.2015,61,63)。
(b)pBBR1phaP(D4N)CAc NSDG
pBBR1phaP(D4N)CJAcABRc NSDG(Saika et al.,J.Biosci.Bioeng.2014,117,670)のphaJ及びphaABを含まない領域をPCR法により増幅し、7kbの増幅断片を平滑末端化及びリン酸化し、自己環状化させることでpBBR1phaP(D4N)CAc NSDGを作製した。
(c)pTTQ19-PCT
pct遺伝子を含むNhe I-Mun I断片を、PCR法によってpTVpctC1STQKABReから増幅し、次いで、当該断片をpTTQ19のXba I-EcoR I部位に挿入することによって、pTTQ19-PCTを作製した(Furutate et al.,J.Polym.Res.2017,24:221)。当該pTTQ19-PCTは、Megasphaera elsdenii由来のプロピオン酸CoAトランスフェラーゼ遺伝子(pct)を有している(同文献)。
(3) Plasmid (a) pBBR1phaP(D4N)CJ Ac AB Rc NSDG
pBBR1phaP(D4N)CJ Ac AB Rc NSDG was produced according to the literature (Saika et al., J. Biosci. Bioeng. 2014, 117, 670). pBBR1phaP(D4N)CJ Ac AB Rc NSDG has the PHA operon of Aeromonas caviae, and in phaP, aspartic acid (D) at position 4 is converted to asparagine (N), and in phaC, asparagine (N) at position 149 is converted to serine. (S), and aspartic acid (D) at position 171 is mutated to glycine (G) (Ushimaru et al., J. Gen. Appl. Microbiol. 2015, 61, 63).
(b) pBBR1phaP(D4N)C Ac NSDG
The region not containing phaJ and phaAB of pBBR1phaP(D4N)CJ Ac AB Rc NSDG (Saika et al., J. Biosci. Bioeng. 2014, 117, 670) was amplified by PCR method, and the 7 kb amplified fragment was made blunt-ended. pBBR1phaP(D4N)C Ac NSDG was produced by phosphorylating and self-circularizing.
(c) pTTQ19-PCT
pTTQ19-PCT was created by amplifying the Nhe I-Mun I fragment containing the pct gene from pTVpctC1STQKAB Re by PCR, and then inserting the fragment into the Xba I-EcoR I site of pTTQ19 (Furutate et al. ., J. Polym. Res. 2017, 24:221). The pTTQ19-PCT has a propionate CoA transferase gene (pct) derived from Megasphaera elsdenii (same document).
実施例1 重合体の製造
1.P(3HB-co-3M2MP)の生合成
上記大腸菌E.coli LSBJ(β酸化欠損株)株に、プラスミドpBBR1phaP(D4N)CJAc NSDGを加え、pTTQ19-PCTを導入した。
LB寒天培地上に形成された組換え大腸菌E.coli LSBJの単一コロニーを、50mL振とうフラスコ中の20mLのLysogeny Broth(LB)培地に植菌し、37℃、160ストローク/分で、一晩培養した。この培養液5mLを、500mL振とうフラスコ中の95mLのM9改良培地(17.1g/L Na2HPO4・12H2O、3g/L KH2PO4、0.5g/L NaCl、2mLの1M MgSO4・7H2O、0.1mLの1M CaCl2、2.5g/L Bacto-yeast extract、20g/Lグルコース、0.25~2.5g/L (RS)-3-メルカプト-2-メチルプロピオン酸(3M2MP)、50mg/L カナマイシン、50mg/L カルベニシリン、1mM 誘導剤IPTG)を植菌し、30℃、130ストローク/分で、72時間培養した。培養後、10分の遠心分離(5960×g)を行って菌体を回収し、水で洗浄後、凍結乾燥させた。
Example 1 Production of polymer 1. Biosynthesis of P(3HB-co-3M2MP) The above Escherichia coli E. Plasmid pBBR1phaP(D4N)CJ Ac NSDG was added to the E. coli LSBJ (β-oxidation-deficient strain) strain, and pTTQ19-PCT was introduced.
Recombinant E. coli bacteria formed on LB agar medium. A single colony of E. coli LSBJ was inoculated into 20 mL of Lysogeny Broth (LB) medium in a 50 mL shake flask and cultured overnight at 37° C. and 160 strokes/min. 5 mL of this culture was mixed with 95 mL of M9 modified medium (17.1 g/L Na2HPO4.12H2O , 3 g/L KH2PO4 , 0.5 g /L NaCl, 2 mL of 1M ) in a 500 mL shake flask. MgSO 4.7H 2 O, 0.1 mL 1M CaCl 2 , 2.5 g/L Bacto-yeast extract, 20 g/L glucose, 0.25-2.5 g/L (RS)-3-mercapto-2-methyl Propionic acid (3M2MP), 50 mg/L kanamycin, 50 mg/L carbenicillin, 1 mM inducer IPTG) were inoculated and cultured at 30° C. and 130 strokes/min for 72 hours. After culturing, cells were collected by centrifugation (5960×g) for 10 minutes, washed with water, and then freeze-dried.
2.P(3M2MP)の生合成
P(3M2MP)を製造するために、E.coli LSBJ(β酸化欠損株)株に、プラスミドpBBR1phaP(D4N)CAc NSDGを加え、pTTQ19-PCTを導入した。最初に、組換え大腸菌LSBJを5mL試験管に入った1.7mLのLB培地(50mg/L カナマイシンと50mg/L カルベニシリンを含む)に接種し、37℃で4時間、160rpmで振とう培養した。この培養液(0.2mL)を、50mlフラスコに入った20mL LB培地(50mg/L カナマイシン及び50mg/L カルベニシリンを含む)に植菌し、30℃で18時間、160rpmで振とう培養し、前培養液とした。次に、前培養液5mLを500mL振とうフラスコに入った100mLのM9改良培地(2mL/Lの1M MgSO4・7H2O、0.1mLの1M CaCl2、50mg/Lのカナマイシン及び50mg/Lのカルベニシリンを含む)に植菌し、30℃で4時間、130rpmで振とう培養を行った。その後、3.75g/Lグルコース、1.2g/Lの3-メルカプト-2-メチルプロピオン酸(pH中和済)、及び1mMのIPTGを培地に添加し、培養を76時間継続した。培養後、10分の遠心分離(5960×g)を行って菌体を回収し、水で洗浄後、凍結乾燥させた。
2. Biosynthesis of P(3M2MP) To produce P(3M2MP), E. Plasmid pBBR1phaP(D4N)C Ac NSDG was added to the E. coli LSBJ (β-oxidation deficient strain) strain, and pTTQ19-PCT was introduced. First, recombinant E. coli LSBJ was inoculated into 1.7 mL of LB medium (containing 50 mg/L kanamycin and 50 mg/L carbenicillin) in a 5 mL test tube, and cultured with shaking at 160 rpm at 37° C. for 4 hours. This culture solution (0.2 mL) was inoculated into 20 mL LB medium (containing 50 mg/L kanamycin and 50 mg/L carbenicillin) in a 50 mL flask, and cultured at 30°C for 18 hours with shaking at 160 rpm. It was used as a culture solution. Next, 5 mL of the preculture was added to 100 mL of M9 modified medium (2 mL/L of 1 M MgSO 4 7H 2 O, 0.1 mL of 1 M CaCl 2 , 50 mg/L of kanamycin, and 50 mg/L of kanamycin in a 500 mL shake flask). containing carbenicillin) and cultured with shaking at 130 rpm for 4 hours at 30°C. Thereafter, 3.75 g/L glucose, 1.2 g/L 3-mercapto-2-methylpropionic acid (pH neutralized), and 1 mM IPTG were added to the medium, and culture was continued for 76 hours. After culturing, cells were collected by centrifugation (5960×g) for 10 minutes, washed with water, and then freeze-dried.
3.P(3HB-co-3M2MP)、P(3M2MP)の回収
培養後、遠心分離により菌体を回収し、蒸留水で2回洗浄し、あらかじめ秤量したチューブで72時間凍結乾燥し、乾燥菌体重量を算出した。ポリマー含有量は、文献(Arikawa et al.,J Biosci Bioeng 2017,124,250-254)に記載されている方法を修正した超音波抽出によって決定した。すなわち、約100mgの凍結乾燥菌体を前もって秤量した50mL容のプラスチックチューブに加え、20mLの蒸留水に再懸濁した。続いて、ドデシル硫酸ナトリウム(SDS)の10%溶液13mLを、最終濃度が約4%のSDSになるように添加した。次に、その溶液を出力10で4分間連続的に超音波処理し、3回のすすぎステップ(20mL蒸留水、次いで5mLメタノール、次いで20mL蒸留水、遠心分離で回収)を行い、24時間凍結乾燥してポリマー量を測定した。
3. Collection of P(3HB-co-3M2MP), P(3M2MP) After culturing, the bacterial cells were collected by centrifugation, washed twice with distilled water, and lyophilized for 72 hours in a pre-weighed tube to determine the dry bacterial weight. was calculated. Polymer content was determined by ultrasonic extraction with a modification of the method described in the literature (Arikawa et al., J Biosci Bioeng 2017, 124, 250-254). That is, about 100 mg of freeze-dried bacterial cells were added to a 50 mL plastic tube weighed in advance and resuspended in 20 mL of distilled water. Subsequently, 13 mL of a 10% solution of sodium dodecyl sulfate (SDS) was added to give a final concentration of approximately 4% SDS. The solution was then continuously sonicated for 4 min at power 10, followed by 3 rinsing steps (20 mL distilled water, then 5 mL methanol, then 20 mL distilled water, collected by centrifugation), and lyophilized for 24 hours. The amount of polymer was measured.
4.P(3HB-co-3M2MP)、P(3M2MP)PHAの精製
ポリマーを大量に精製する場合は、PHAを蓄積させた乾燥菌体を100mLの蓋付ガラス瓶に移し、100mLのクロロホルムを加え、スターラーで72時間攪拌した。撹拌後の溶液をNo.1濾紙(アドバンテック社製)でろ過し、ナス型フラスコに移し変えた。その後、ロータリーエバポレーターで完全に濾液を揮発させ、ポリマーを析出させた。次いで、析出したポリマーを少量のメタノールで洗い取り、約20mLのクロロホルムに完全に溶解させた後、400mLのメタノールに少量ずつ滴下しながら撹拌を行い、精製した。精製した共重合体をNo.1濾紙で回収し、48時間、ドラフト中で乾燥させた。結果を表1に示す。
4. Purification of P(3HB-co-3M2MP), P(3M2MP) PHA When purifying a large amount of polymer, transfer the dried bacterial cells that have accumulated PHA to a 100 mL glass bottle with a lid, add 100 mL of chloroform, and stir with a stirrer. Stirred for 72 hours. The solution after stirring was transferred to No. 1 filter paper (manufactured by Advantech) and transferred to an eggplant-shaped flask. Thereafter, the filtrate was completely evaporated using a rotary evaporator to precipitate the polymer. Next, the precipitated polymer was washed with a small amount of methanol, completely dissolved in about 20 mL of chloroform, and then added dropwise little by little to 400 mL of methanol while stirring for purification. The purified copolymer was transferred to No. 1 filter paper and dried in a fume hood for 48 hours. The results are shown in Table 1.
実施例2 P(3HB-co-3M2MP)、P(3M2MP)の構造及び物性の分析
(1)1H-NMR及び13C-NMR
核磁気共鳴分光装置(Biospin AVANCE III 400A,Bruker、又はAVANCE III HD,Bruker)を使用して測定を行った。1次元(1D)1H-NMR、2次元(2D)1H-1H COSY(相関分光法)、及び1H-13C HSQC(異核種単一量子コヒーレンス)NMRについては、精製及びろ過したポリマーの10~20mgを1mlのCDCl3に溶解し、0.45μmポリビニリデンフルオリド(PVDF)フィルター膜でろ過し、13C-NMRについては、40mgを1mlのCDCl3に溶解し、0.45μmのPVDFフィルター膜でろ過し、測定サンプルとした。サンプル番号7のP(3M2MP)の1H-NMR及び13C-NMRスペクトルを図2に示す。図3には、サンプル番号1~6のP(3HB-co-3M2MP)、及びサンプル番号7のP(3M2MP)の1H-NMRスペクトルの比較を示す。
Example 2 Analysis of structure and physical properties of P(3HB-co-3M2MP) and P(3M2MP) (1) 1 H-NMR and 13 C-NMR
Measurements were performed using a nuclear magnetic resonance spectrometer (Biospin AVANCE III 400A, Bruker or AVANCE III HD, Bruker). For one-dimensional (1D) 1 H-NMR, two-dimensional (2D) 1 H- 1 H COSY (correlation spectroscopy), and 1 H- 13 C HSQC (heteronuclide single quantum coherence) NMR, purified and filtered 10-20 mg of polymer was dissolved in 1 ml CDCl and filtered through a 0.45 μm polyvinylidene fluoride (PVDF) filter membrane; for 13C -NMR, 40 mg was dissolved in 1 ml CDCl and filtered through a 0.45 μm It was filtered through a PVDF filter membrane and used as a measurement sample. The 1 H-NMR and 13 C-NMR spectra of sample number 7 P (3M2MP) are shown in FIG. FIG. 3 shows a comparison of 1 H-NMR spectra of sample numbers 1 to 6 of P (3HB-co-3M2MP) and sample number 7 of P (3M2MP).
P(3M2MP)の1H-NMRスペクトルから、4つのピークA(3.14ppm)、B(3.01ppm)、C(2.86ppm)及びD(1.25ppm)を特定した。ピーク積分値は、ピークA~Cについては0.99~1、ピークDについては3.16であった。13C-NMRスペクトルから、ピークE、F、G、及びHはそれぞれ201.3、48.4、31.6、及び17.6ppmであった。
P(3HB-co-3M2MP)の3M2MP単位の含有量を、1H-NMRスペクトルにおけるメチン(>CH-)ピークの積分により決定した。3HBのメチン(3HB-CH)は5.25ppmに表れ、その他、3HBのメチレン(3HB-CH2)は2.5ppm付近、3HBのメチル(3HB-CH3)は1.27ppmに表れた。
また、2つのモノマー単位を有する共重合体として、4つの可能な共重合体の組合せ(3HB-3M2MP、3HB-3HB、3M2MP-3M2MP、及び3M2MP-3HB)が考えられるが、この共重合体の配列分布を、パラメーターD(Macromolecules 1989,22,1676-1682)を計算することにより予測した。
From the 1 H-NMR spectrum of P(3M2MP), four peaks A (3.14 ppm), B (3.01 ppm), C (2.86 ppm) and D (1.25 ppm) were identified. The peak integral values were 0.99 to 1 for peaks A to C and 3.16 for peak D. From the 13 C-NMR spectrum, peaks E, F, G, and H were 201.3, 48.4, 31.6, and 17.6 ppm, respectively.
The content of 3M2MP units of P(3HB-co-3M2MP) was determined by integration of the methine (>CH-) peak in the 1 H-NMR spectrum. Methine (3HB-CH) of 3HB appeared at 5.25 ppm, methylene (3HB-CH 2 ) of 3HB appeared at around 2.5 ppm, and methyl (3HB-CH 3 ) of 3HB appeared at 1.27 ppm.
Furthermore, as a copolymer having two monomer units, there are four possible combinations of copolymers (3HB-3M2MP, 3HB-3HB, 3M2MP-3M2MP, and 3M2MP-3HB); Sequence distribution was predicted by calculating the parameter D (Macromolecules 1989, 22, 1676-1682).
(式中、3HBはO、3M2MPはSであり、例えばFosは13C-NMRスペクトルにおける3HB-3M2MP配列のカルボニル基のモル分率である)
例えばDが1の場合、共重合体は有意にランダムであるが、Dが1より著しく大きい場合、共重合体はブロック状である。Dが1より著しく小さい場合、共重合体は交互共重合体である。4つの可能な共重合体の組合せに対するピークの帰属は、1H-13C-HMBC(異核多結合相関)NMRにより行った。結果を表2に示す。
(In the formula, 3HB is O, 3M2MP is S, and, for example, Fos is the molar fraction of carbonyl groups in the 3HB-3M2MP sequence in the 13 C-NMR spectrum.)
For example, if D is 1, the copolymer is significantly random, but if D is significantly greater than 1, the copolymer is blocky. When D is significantly less than 1, the copolymer is an alternating copolymer. Attribution of peaks for the four possible copolymer combinations was performed by 1 H- 13 C-HMBC (heteronuclear multiple bond correlation) NMR. The results are shown in Table 2.
表2は、すべてのサンプルのD値が1よりも大幅に大きいことを示す。この結果は、すべてのサンプルがブロック状配列度分布を持ち得ることを示す。3M2MP単位のモル分率が低いと、ブロック配列の程度は高い傾向にあった。 Table 2 shows that the D values for all samples are significantly greater than 1. This result shows that all samples can have a block-like order degree distribution. When the mole fraction of 3M2MP units was low, the degree of block arrangement tended to be high.
最後に、減衰全反射(ATR)、モデルATR PRO400-S(Jasco,Japan)を有するFT/IR-4600分析計(Jasco,Japan)によるフーリエ変換赤外(FTIR)分光法を用いて、ポリマー分子中のチオエステル化学基の発生を確認した(図示せず)。 Finally, the polymer molecules were analyzed using Attenuated Total Reflection (ATR), Fourier Transform Infrared (FTIR) spectroscopy with a FT/IR-4600 spectrometer (Jasco, Japan) with model ATR PRO400-S (Jasco, Japan). The occurrence of thioester chemical groups in the sample was confirmed (not shown).
(2)GPC(ゲル浸透クロマトグラフィー)
菌体から精製したポリマーの数平均分子量(Mn)及び分子量分布(Mw/Mn)(Mw:重量平均分子量)をGPC測定によって求めた。標準物質としてポリスチレンを使用しているため、本発明で求めた分子量はポリスチレン換算相対分子量である。用いた5種類のポリスチレンの分子量は、3,790、30,300、219,000、756,000及び4,230,000である。
GPCサンプルは、精製したポリマーを約1mg/mLとなるようにクロロホルムに溶解し、孔径0.45μmのMillex-FH PVDFフィルター(ミリポア社製)を取り付けたシリンジでろ過して調製した。
GPC測定には島津製作所社製のNexera 40 182 GPC system(ディテクター:Shodex RI-504 refractive index detector)を使用し、カラムにはShodex社製のK-806M及びK-802を用いた。移動層にはクロロホルムを用い、総液流量は0.3mL/分、カラム温度は40℃に設定した。ポリスチレンスタンダードから検量線を引き、これとサンプルデータとを照合することによりポリスチレン換算分子量及び分子量分布を算出した。
(2) GPC (gel permeation chromatography)
The number average molecular weight (Mn) and molecular weight distribution (Mw/Mn) (Mw: weight average molecular weight) of the polymer purified from the bacterial cells were determined by GPC measurement. Since polystyrene is used as a standard substance, the molecular weight determined in the present invention is a relative molecular weight in terms of polystyrene. The molecular weights of the five types of polystyrene used are 3,790, 30,300, 219,000, 756,000 and 4,230,000.
A GPC sample was prepared by dissolving the purified polymer in chloroform to a concentration of about 1 mg/mL, and filtering the solution using a syringe equipped with a Millex-FH PVDF filter (manufactured by Millipore) with a pore size of 0.45 μm.
For the GPC measurement, Nexera 40 182 GPC system (detector: Shodex RI-504 refractive index detector) manufactured by Shimadzu Corporation was used, and K-806M and K-802 manufactured by Shodex were used as columns. Chloroform was used as the moving phase, the total liquid flow rate was set at 0.3 mL/min, and the column temperature was set at 40°C. A calibration curve was drawn from a polystyrene standard, and the molecular weight and molecular weight distribution in terms of polystyrene were calculated by comparing this with sample data.
(3)示差走査熱量(DSC)
DSCサンプルは、精製したポリマーを約10mg秤り取り、5mL容のサンプルバイアルに入れ、約1~2mLのクロロホルムに完全に溶解した。これをドラフト中で約3週間乾燥させることによりキャストフィルムを作製した。このキャストフィルムから約3mgを秤量し、専用アルミニウムパンに入れたものをDSC測定サンプルとした。
測定には、パーキンエルマー社製のDSC 8500を使用した。測定は20mL/分の窒素雰囲気下で行った。対照には試料の入っていないアルミニウムパンを用いた。測定の条件として、初めに-50℃~200℃まで20℃/分の昇温速度で加熱し、200℃で1分間保持した後、-500℃/分で-50℃まで急冷した。次に、-50℃で1分間保持した後、20℃/分の昇温速度で200℃に加熱した。
なお、キャストフィルムは3週間以上室温下に置き、結晶形成を進行させたものを使用した。測定した試料の融点Tmは最初に昇温した時のサーモグラムより決定した。ガラス転移温度Tgは2回目に昇温した際の熱容量変化の中点とした。
結果を表3、図4に示す。
Tcc:冷結晶化点。冷結晶化点(Cold Crystallization)は、昇温時にガラス転移温度以上の過冷却液体状態から結晶が生成する現象である。
(3) Differential scanning calorimetry (DSC)
For the DSC sample, approximately 10 mg of the purified polymer was weighed out, placed in a 5 mL sample vial, and completely dissolved in approximately 1 to 2 mL of chloroform. A cast film was produced by drying this in a draft for about 3 weeks. Approximately 3 mg of this cast film was weighed and placed in a special aluminum pan, which was used as a sample for DSC measurement.
For the measurement, DSC 8500 manufactured by PerkinElmer was used. The measurement was performed under a nitrogen atmosphere at 20 mL/min. An aluminum pan containing no sample was used as a control. The measurement conditions were as follows: First, the sample was heated from -50°C to 200°C at a temperature increase rate of 20°C/min, held at 200°C for 1 minute, and then rapidly cooled to -50°C at -500°C/min. Next, after holding at -50°C for 1 minute, it was heated to 200°C at a temperature increase rate of 20°C/min.
The cast film used was one that had been kept at room temperature for three weeks or more to allow crystal formation to proceed. The melting point Tm of the measured sample was determined from the thermogram when the temperature was first raised. The glass transition temperature Tg was taken as the midpoint of the change in heat capacity during the second temperature rise.
The results are shown in Table 3 and Figure 4.
Tcc : Cold crystallization point. Cold crystallization is a phenomenon in which crystals are formed from a supercooled liquid state above the glass transition temperature when the temperature is increased.
表3から、サンプル7は、明瞭な非晶質挙動を示し、負のTgを示し、融点及び低温結晶化ピークは検出されなかった。また、サンプル1~3では、3M2MP単位のモル分率が増えるにつれてTg及びΔHmは減少し、サンプル4では不定形性をもたらした。 From Table 3, sample 7 exhibited clear amorphous behavior, negative Tg, and no melting point and low temperature crystallization peaks were detected. Also, in samples 1 to 3, Tg and ΔH m decreased as the molar fraction of 3M2MP units increased, and sample 4 resulted in amorphousness.
実施例3 P(3HB-co-3M2MP)、P(3M2MP)の機械的特性
実施例1で製造したサンプル番号1~6の共重合体のキャストフィルム、及びサンプル番号7の重合体のキャストフィルムを作製し、降伏強度、引張強度、破断伸び、及びヤング率を決定した。
<装置>
引張試験機:AGS-H/EZTest(島津製作所)
分析ソフト:TRAPEZIUM 2(島津製作所)
<サンプル調製>
(a)キャストフィルムの作製
精製したポリマーを適量のクロロホルムの溶解し、フラットシャーレに展開した。ここで用いたポリマー重量は、シャーレの面積を考慮して、厚さが150μmになるように計算した。展開後、穴をあけたアルミホイルでシャーレにふたをして、クロロホルムが完全に気化するまで、平滑な場所に室温で静置した。乾燥後、シャーレからフィルムを丁寧に剥がし、1週間、室温で静置した。シャーレから剥がれにくいポリマーは、シャーレとポリマーとの間に超純水を滴下することにより、剥離した。
(b)引張試験片の作製
作製したキャストフィルムを縦20mm、横3mmに切断したものをサンプルとした。切断には剃刀を使用し、ポリマーの真上から押さえつけるように切断した。
<測定条件>
つかみ間距離10mm、引張速度10mm/分とし、室温で測定した。
<データ解析>
引張試験において、ポリマーの塑性が開始する応力を降伏強度、ポリマーが破断した時の応力を引張強度、伸び率を破断伸びとした。ヤング率は、応力-歪み曲線における開始点の傾きとした。
結果を表4、図5~図7に示す。図5は各キャストフィルムの写真を、図6は応力-歪み曲線を、図7は、マニュアルによるサンプル7の伸び(b)、及び変形後の瞬間回復(c)を示す。
Example 3 Mechanical properties of P(3HB-co-3M2MP) and P(3M2MP) Cast films of the copolymers of sample numbers 1 to 6 produced in Example 1 and cast films of the polymer of sample number 7 were The yield strength, tensile strength, elongation at break, and Young's modulus were determined.
<Device>
Tensile tester: AGS-H/EZTest (Shimadzu Corporation)
Analysis software: TRAPEZIUM 2 (Shimadzu Corporation)
<Sample preparation>
(a) Preparation of cast film The purified polymer was dissolved in an appropriate amount of chloroform and spread on a flat petri dish. The weight of the polymer used here was calculated in consideration of the area of the Petri dish so that the thickness would be 150 μm. After development, the petri dish was covered with aluminum foil with holes and left on a flat surface at room temperature until the chloroform was completely vaporized. After drying, the film was carefully peeled off from the petri dish and left at room temperature for one week. Polymers that were difficult to peel off from the petri dish were removed by dropping ultrapure water between the petri dish and the polymer.
(b) Preparation of tensile test piece The produced cast film was cut into 20 mm long and 3 mm wide pieces to be used as samples. A razor was used for cutting, and the polymer was cut by pressing down from directly above it.
<Measurement conditions>
The distance between the grips was 10 mm, the tensile speed was 10 mm/min, and the measurement was performed at room temperature.
<Data analysis>
In the tensile test, the stress at which plasticity of the polymer begins was defined as yield strength, the stress at which the polymer broke was defined as tensile strength, and the elongation rate was defined as elongation at break. Young's modulus was defined as the slope of the starting point in the stress-strain curve.
The results are shown in Table 4 and FIGS. 5 to 7. FIG. 5 shows photographs of each cast film, FIG. 6 shows stress-strain curves, and FIG. 7 shows manual elongation (b) and instantaneous recovery after deformation (c) of sample 7.
図5より、3M2MP単位のモル分率が増えると、キャストフィルムは透明度が高くなり、より柔軟になることが分かる。また、表4より、3M2MP単位のモル分率が増えるにしたがい、降伏強度、引張強度及びヤング率は減少し、一方、破断伸びは増加した。特に、サンプル4では1500%以上の破断伸びを示した。サンプル4とほぼ同じモル分率の3M2MP単位からなるサンプル5は、サンプル4よりも低い破断伸びを示したが、これは、サンプル4と比べて低い分子量及び微細構造の相違に因るものと考えられる。
サンプル7については、2605%という異常な破断伸び示し、また、変形したフィルムはほとんどが瞬間的に形状を回復した。これは、P(3M2MP)が格別な弾性を有することを意味しており、このことは加工上特に有利である。
From FIG. 5, it can be seen that as the mole fraction of 3M2MP units increases, the cast film becomes more transparent and more flexible. Moreover, from Table 4, as the molar fraction of 3M2MP units increased, yield strength, tensile strength, and Young's modulus decreased, while elongation at break increased. In particular, sample 4 showed an elongation at break of 1500% or more. Sample 5, which was composed of 3M2MP units with approximately the same molar fraction as sample 4, showed a lower elongation at break than sample 4, which was attributed to the lower molecular weight and difference in microstructure compared to sample 4. It will be done.
Sample 7 exhibited an abnormal elongation at break of 2605%, and most of the deformed film instantly recovered its shape. This means that P(3M2MP) has exceptional elasticity, which is particularly advantageous in processing.
本発明の3M2MP単位と3HB単位とを含むポリヒドロキシアルカン酸共重合体、及び3M2MPの単一重合体は、フィルム等のプラスチック材料として有効に活用できる。 The polyhydroxyalkanoic acid copolymer containing 3M2MP units and 3HB units and the 3M2MP homopolymer of the present invention can be effectively used as plastic materials such as films.
Claims (7)
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