بیوپلاستیک و میکروارگانیسم ها

رشد بی رویه انسان ها منجر به افزایش ترکیبات تجزیه نشدنی در محیط زیست شده است. کشور های زیادی برنامه های اختصاصی ، برای کشف ترکیباتی که بعد از مصرف تجزیه شوند ، دنبال می کنند. مواد زیستی که به صورت طبیعی توسط میکروارگانیسم های مختلف سنتز و کاتابولیزه می شوند ، می توانند ، کاربرد های وسیعی در بیوتکنولوژی کاربردی داشته باشند. بیوپلاستیک ها ، پلی استر هایی هستند ، که توسط گونه های زیادی از میکروارگانیسم ها تولید شده و اثرات سمی روی میزبان ندارند. پلی هیدروکسی آلکانوات ها(PHAs) ، پلی مرهای باکتریایی سازگار با طبیعت هستند ، که به شکل گرانول هایی داخل سلول ذخیره می شوند. اندازه و نوع این گرانولها در سلول ها متفاوت بوده ، و به نوع میکروارگانیسم وابسته است. این پلی مر ها به شکل اجسام نورانی زیر میکروسکوپ الکترونی دیده می شوند. بدلیل شباهت و خصوصیات PHA با مواد اولیه پلاستیک ، این مواد می توانند جایگزین مناسبی برای پلاستیک های تجزیه ناپذیر باشند. یکی از روش های کاهش قیمت تولیدات PHA، استفاده از منابع کربن ارزان قیمت ، بعنوان منبع غذایی باکتری و استفاده از گیاهان نوترکیب تراریخته برای تولید PHA در گیاهان است. بطور کلی پلی مرهایی که از مونومر های حاوی 3 تا 5 اتم کربن پلیمریزه می شوند ، scl-PHA و پلیمرهایی که از 6 تا 14 کربن پلیمریزه می شوند mcl-PHA , نامیده می شود . یکی از مهم ترین ترکیبات گروه PHA[SUB]s[/SUB]، پلی هیدروکسی بوتیرات(PHB) است. این پلیمر اولین بار در سال 1925 توسط لمون در پاریس کشف شد ، و در سال 1990 کمپانی آلمانی به تولید اولین محصول تجاری به نام Biopol ، بصورت یک بطری تجزیه پذیر جهت بسته بندی شامپو اقدام نمود.

​

گونه های مختلف تولید کننده PHA:
بطور کلی گونه های تولید کننده پلی هیدروکسی آلکانوآت ها باید مزایایی از قبیل رشد سریع ، تولید بالای محصول و استفاده از منابع کم هزینه کربن داشته باشند. تقریبا 300 نوع میکروارگانیسم ، شناسایی شده اند ، که قادرند PHA را سنتز کنند. اما تعداد کمی از آنها برای تولید بکار رفته اند. در کنار روش طبیعی استخراج ، استفاده از گونه های نوترکیب نیز برای تولید PHA مورد توجه است. جنس های باسیلوس، ازتوباکتر ، سودوموناس و آلکالیجنز از مهم ترین ها بحساب می آیند. باکتری های تولید کننده PHA به دو دسته تقسیم می شوند ، که باید در روش های کشت برای تولید بیشتر PHA در نظر گرفته شوند. گروه اول باکتری هایی هستند ، که برای سنتز PHA نیاز به محدودیت داشته (کمبود ماده غذایی مثل نیتروژن) و دسته دوم که به محدودیت غذایی برای تولید PHA نیاز ندارند. Ralstonia eutrophaنمونه ای از باکتری هاست که در گروه اول جای می گیرد ، و E.coli و Alcaligeneslatus جزء گروه دوم هستند.Bacilluscereus توانایی تولید انواعی از PHA ، مثل 4 هیدروکسی بوتیرات ، 3 هیدروکسی بوتیرات و 3 هیدروکسی والرات ، از منابع کربنی مختلف مانند فروکتوز ، ساکارز و گلوکونات را دارد. باکتری Pseudomonashydrogenovora با استفاده از منابع ارزان کربنی در آب پنیر استفاده و تولید 3 هیدروکسی بوتیرات می کند.در کنار باکتری ها گیاهان تراریخته نیز می توانند ، تولید کننده PHA باشند. استفاده از گیاهان تراریخته برای تولید PHA ، به مراتب هزینه کمتری نسبت به باکتری ها و مخمر ها دارد. باکتری ها و مخمر ها نیازمند رشد در شرایط استریل و منابع خارجی انرژی هستند ، در صورتی که گیاهان تنها نیاز به آب ، خاک ، co[SUB]2[/SUB] ، اتمسفر و نور خورشید دارند. گیاهان با تثبیت co[SUB]2[/SUB] و آب ، از فرایند فتوسنتز ، برای تولید بیوپلاستیک استفاده می کنند. همچنین سلول گیاهی بر خلاف سلول باکتریایی قسمت های مختلفی دارد . استیل CoA در سلول های گیاهی در سیتوزول ، میتوکندری و پر اکسی زوم وجود دارد ، و می توان PHA را در قسمت های مختلف گیاه تولید کرد.
بیوسنتز PHA:
ژن های مسئول سنتز PHA در باکتری Ralstonia eutropha ، بصورت یک اپرانی سه ژنی phaCAB قرار دارند (شکل شماره2). بتا کتوتیولاز که توسط PhaA کد می شود ، سبب اتصال دو مولکول استیل CoA شده و استو استیل CoAتشکیل می دهد. استو استیل CoAردوکتاز که توسط phaB کد می شود ، سبب تبدیل استو استیل CoA به(R) -3- هیدروکسی بوتیریل CoA می شود. phaC که آنزیم PHA سنتتاز را کد می کند ، سبب پلیمریزه شدن -3- (R) هیدروکسی بوتیریل CoA به پلی هیدروکسی بوتیرات (PHB) می شود. با توجه به آنزیم PHA سنتتاز و سوبسترای آن محصول نیز می توانند متفاوت باشد. PhaZ و PhaP نیز در کاتابولیسم و تثبیت PHB نقش دارند.
کاربرد های PHA:
اولین کاربردهای بیوپلاستیک ها ، استفاده آنها در تولید بطری ، فیبر ،لاستیک و بسته های تجاری بود . اما امروزه کاربردهای پزشکی وسیع تری پیدا کرده اند ، مثل استفاده در بخیه زدن ، لوله های تناسلی ، استفاده بعنوان بافت های قلبی و عروقی، عصبی ، مغز استخوان ، سلول های بنیادی مزانشیم و ماهیچه ای نرم ، محکم کردن شکستگی ، رها سازی دارو ها و ریزپوشانی سلول ها.