مروری بر روش‌های تولید پلیمرهای طبیعی پلی‌هیدروکسی‌آلکانوات‌ با تکیه بر بهینه‌سازی بهره‌وری

نوع مقاله : تالیفی

نویسندگان

گروه بیوتکنولوژی، دانشکدۀ علوم زیستی، دانشگاه الزهرا، تهران، ایران

چکیده

امروزه پلاستیک‌ها از‌ جمله پرکاربرد‌ترین مواد در زندگی بشر هستند. ویژگی‌های فیزیکی و شیمیایی این پلیمرها، روز به روز طیف کاربرد آن‌ها را وسیع‌تر کرده ‌است. پلاستیک‌های سنتزی، منشأ غیر تجدیدپذیر داشته، در مقابل تجزیۀ طبیعی سرسخت بوده و طی روند تخریب طولانی خود در طبیعت، مواد سمی تولید می‌کنند. جایگزین‌کردن پلاستیک‌های مشتق از نفت با پلاستیک‌های زیست‌تخریب‌پذیر دارای منابع پایدار، می‌تواند یک راه‌ حل دوست‌دار محیط زیست باشد. دستۀ مهمی از پلیمرهای زیستی، پلی‌هیدروکسی‌آلکانوات‌ها هستند که به‌طور طبیعی توسط برخی میکروارگانیسم‌ها در شرایط استرس مواد غذایی، به‌عنوان مواد ذخیره‌ای تولید می‌شوند. تلاش‌های بسیاری همچون روش‌های مهندسی ژنتیک، بهینه‌سازی شرایط تولید و استفاده از محیط کشت‌های ارزان قیمتی مانند پساب‌ها به‌‌منظور ساخت، افزایش مقدار و یا کاهش هزینه‌های تولید این پلی‌استرهای زیستی در موجودات زنده صورت ‌گرفته ‌است. این مطالعه، به مرور تولید پلی‌هیدروکسی‌آلکانوات‌ها در ارگانیسم‌های وحشی و تراریخت و به بررسی جنبه‌های اقتصادی جایگزینی پلاستیک‌های شیمیایی با این پلیمرهای طبیعی پرداخته‌ است. هزینه، یک عامل حیاتی و محدودکننده در صنعت تولید این پلیمرهای زیستی است، لذا این صنعت هنوز قادر به رقابت با صنعت تولید پلاستیک‌های شیمیایی نیست. تلاش‌های پژوهش‌گران و صنعت‌گران جهان به‌منظور کاهش هزینه‌های تولید، همچنان ادامه دارد. بدون شک در آینده‌ای نه‌چندان دور، به‌دلیل آلودگی بالای ناشی از پلاستیک‌های شیمیایی و همچنین با محدود‌شدن مصرف سوخت‌های فسیلی، هزینه تولید این پلاستیک‌های طبیعی قابل توجیه خواهد بود.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

An overview on the production methods of polyhydroxyalkanoate natural polymers relying on productivity optimization

نویسندگان [English]

  • Ezat Asgarani
  • Farzaneh Barati
Department of Biotechnology, Faculty of Biological Sciences, Alzahra University, Tehran, Iran
چکیده [English]

Today, plastics are one of the most widely used materials in human life. The physical and chemical properties of these polymers are increasingly expanding their range of applications. However, they cannot be degraded in the environment for a long time and produce toxic substances during their prolonged degradation processes. Replacing oil-based plastics by biodegradable plastics with sustainable sources could be an environmentally friendly solution. An important group of biopolymers are polyhydroxyalkanoates, which are naturally produced by some microorganisms under nutrient stress conditions and act as carbon and energy reserve. Many studies have used different methods such as genetic engineering, optimization of production conditions and utilization of inexpensive culture media such as waste waters, to produce, increase the amount, or reduce the production costs of these biopolymers by organisms. In this paper, the production of polyhydroxyalkanoates in wild and transgenic organisms and the economic aspects of replacing chemical plastics with these natural polymers are reviewed. Cost is a critical and limiting factor in the biopolymer production industry. Therefore, their production is not yet able to compete with the chemical plastics industry. Efforts by researchers and craftsmen around the world to reduce production costs continue. Undoubtedly, in the near future, due to the high pollution caused by chemical plastics and also the decline of fossil fuels consumption, the cost of producing these natural plastics will be justified.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Biodegradable plastic
  • polyhydroxyalkanoate
  • Polyhydroxybutyrate
  • Transgenic organism
  • Industrial production of bioplastic
1. Hawas J., El-Banna T.E.-S., Belal E.B.A., and El-Aziz A., Production of Bioplastic from Some Selected Bacterial
Strains, Int. J. Curr. Microbiol. Appl. Sci., 5, 10-22, 2016.
2. Reddy C.S.K., Ghai R., and Kalia V.C., Polyhydroxy alkanoates: An Overview, Bioresour. Technol., 87, 137-146, 2003.
3. Tan G.Y., Chen C.L., Li L., Ge L., Wang L., Mutiara I., Razaad N., Li Y., Zhao L., Mo Y., and Wang J.-Y., Start a Research
on Biopolymer Polyhydroxyalkanoate (PHA): A Review, Polymers, 6, 706-754, 2014.
4. Kaur L., Khajuria R., Parihar L., and Singh G, Polyhydroxyalkanoates: Biosynthesis to Commercial
Pro duc tion-A Review, J. Microbiol. Biotechnol. Food. Sci., 6, 1098-1106, 2017.
5. Suriyamongkol P., Weselake R., Narine S., Moloney M., and Shah S., Biotechnological Approaches for the Production of
Polyhydroxyalkanoates in Microorganisms and Plants- A Review, Biotechnol. Adv., 25, 148-175, 2007.
6. Verlinden R.A., Hill D.J., Kenward M.A., Williams C.D., and Radecka I., Bacterial Synthesis of Biodegradable
Polyhydroxyalkanoates, J. Appl. Microbiol., 102, 1437-1449, 2007.
7. Chen G.Q., Plastics from Bacteria, Springer, Germany, 17-37, 2010.
8. Reinecke F. and Steinbuchel A., Ralstonia Eutropha Strain H16 As Model Organism for PHA Metabolism and for
Bio tech no logical Production of Technically Interesting Bio polymers, J. Mol. Microbiol. Biotechnol., 16, 91-108,
2009.
9. Peña C., Castillo T., García A., Millán M., and Segura D., Biotechnological Strategies to Improve Production of Microbial
Poly(3-hydroxybutyrate): A Review of Recent Research Work, Microb. Biotechnol., 7, 278-293, 2014.
10. Balaji S., Gopi K., and Muthuvelan B., A Review on Pro duc tion of Poly β hydroxybutyrates from Cyanobacteria for the
Production of Bioplastics, Algal Res., 2, 278-285, 2013.
11. Tran H.D., Huynh V.H., Pham C.H., Chung A.D., and Tran Q.D., Cloning phbCABoperon of Alcaligene seu tro phus
H16 into Escherichia coli DH5α to Manufacture Poly 3-hy droxy bu tyr ate Using Molasses As Carbon Source,
Int. J. Biol. Med. Res., 7, 5609-5613, 2016
12. Kichise T., Taguchi S., and Doi Y., Enhanced Accumulation and Changed Monomer Composition in Polyhydroxy al kano ate (PHA) Copolyester by In Vitro Evolution of Aeromonas Ca viae PHA Synthase, Appl. Environ. Microbiol., 68, 2411-
2419, 2002.
13. Park J.S., Park H.C., Huh T.L., and Lee Y.H., Produc tion of Poly- β-hydroxybutyrate by Alcaligenes Eutrophus
Trans for mants Harbouring Cloned phbCAB Genes, Bio tech nol. Lett., 17, 735-740, 1995.
14. Seo I.S., Jung Y.M., and Lee Y.H., Production of P(3-hy droxybutyrate- 3-hydroxyvalerate) and P(3-hydroxybutyrate-
4-hydroxybutyrate) Using Transformant Alca lig enes La tus En forcing Its Own phbC Gene, J. Microbiol. Bio tech nol.,
11, 333-336, 2001.
15. Bhati R., Samantaray S., Sharma L., and Mallick N., Poly- beta- hydroxybutyrate Accumulation in Cyanobacteria Under
Photoautotrophy, Biotechnol. J., 5, 1181-1185, 2010.
16. Cinelli P., Lazzeri A., Anguillesi I., and Bugnicourt E., Oli- PHA A Novel and Efficient Method for the Production of
Polyhydroxyalkanoate Polymer-based Packaging from Olive Oil Waste Water, 3rd International Conference on Industrial
and Hazardous Waste Management, Chania, Crete, Greece, 8, 12-14 September, 2012.
17. Snell K.D., Singh V., and Brumbley S.M., Production of Novel Biopolymers in Plants: Recent Technological Advances and
Future Prospects, Curr. Opin. Biotechnol., 32, 68-75, 2015.
18. Poirier Y., Dennis D.E., Klomparens K., and Somerville C., Polyhydroxybutyrate, A Biodegradable Thermoplastic,
Produced in Transgenic Plants, Science, 256, 520-523, 1992.
19. Hahn J.J., Eschenlauer A.C., Narrol M.H., Somers D.A., and Srienc F., Growth Kinetics, Nutrient Uptake, and Expression
of the Alcaligenes Eutrophus Poly(beta-hydroxybutyrate)Synthesis Pathway in Transgenic Maize Cell Suspension Cultures, Biotechnol. Prog., 13, 347-354, 1997.
20. Nakashita H., Arai Y., Yoshioka K., Fukui T., Doi Y., Usami R., Horikoshi K., and Yamaguchi I., Production of Bio de grad able Polyester by a Transgenic Tobacco, Biosci. Biotechnol. Biochem., 63, 870-874, 1999.
21. Snell K.D. and Peoples O.P., Polyhydroxyalkanoate Polymers and their Production in Transgenic Plants, Metab. Eng., 4, 29- 40, 2002.
22. Nawrath C., Poirier Y., and Somerville C., Targeting of the Polyhydroxybutyrate Biosynthetic Pathway to the Plastids
of Arabidopsis Thaliana Results in High Levels of Polymer Accumulation, Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A., 91, 12760-
12764, 1994.
23. Bohmert K., Balbo I., Kopka J., Mittendorf V., Nawrath C., Poirier Y., Tischendorf G., Trethewey R.N., and Willmitzer L.,
Transgenic Arabidopsis Plants Can Accumulate Polyhydroxybutyrate to Up to 4% of their Fresh Weight, Planta, 211, 841-
845, 2000.
24. Nakashita H., Arai Y., Shikanai T., Doi Y., and Yamaguchi I., Introduction of Bacterial Metabolism into Higher Plants
by Polycistronic Transgene Expression, Biosci. Biotechnol. Biochem., 65, 1688-16891, 2001.
25. Arai Y., Shikanai T., Doi Y., Yoshida S., Yamaguchi I., and Nakashita H., Production of Polyhydroxybutyrate by
Poly cistronic Expression of Bacterial Genes in Tobacco Plas tid, Plant Cell Physiol., 45, 1176-1184, 2004.
26. Lossl A., Eibl C., Harloff H.J., Jung C., and Koop H.U., Poly ester Synthesis in Transplastomic Tobacco (Nicotiana
Tabacum L.): Significant Contents of Polyhydroxybutyrate are Asso ci ated with Growth Reduction, Plant Cell Rep., 21,
891-899, 2003.
27. Brown L.A. and Baker A., Peroxisome Biogenesis and the Role of Protein Import, J. Cell. Mol. Med., 7, 388-400, 2003.
28. Hahn J.J., Eschenlauer A.C., Sleytr U.B., Somers D.A., and Srienc F., Peroxisomes as Sites for Synthesis of
Poly hy droxy al kanoates in Transgenic Plants, Biotechnol. Progr., 15, 1053-1057, 1999.
29. Arai Y., Nakashita H., Suzuki Y., Kobayashi Y., Shimizu T., Yasuda M., Doi Y., and Yamaguchi I., Synthesis of a Novel Class of Polyhydroxyalkanoates in Arabidopsis Peroxisomes, and Their Use in Monitoring Short-Chain-Length Interme di ates
of β-Oxidation, Plant Cell Physiol., 43, 555-562, 2002.
30. Wang Y., Yin J., and Chen G.Q., Polyhydroxyalkanoates, Challenges and Opportunities, Curr. Opin. Biotechnol., 30,
59-65, 2014.
31. Anjum A., Zuber M., Zia K.M., Noreen A., Anjum M.N., and Tabasum S., Microbial Production of Polyhydroxy al kano ates
(PHAs) and Its Copolymers: A Review of Recent Ad vance ments, Int. J. Biol. Macromol., 89, 161-174, 2016.