۱-۳- سنتز بیوپلیمرهای هیدروکسیآلکانوات
شکل ۱-۳ مسیر بیوسنتز پلیهیدروکسیبوتیرات و کوپلیمر هیدروکسیبوتیرات و والرات را نشان میدهد. در مسیر گلوکز، ابتدا ژن phaA آنزیم بتاکیتوتیالاز را بازگشایی میکند تا استیل کوآنزیم A، تشکیل گردد. منبع کربنی اسید پروپیونیک تولید پروپیونیل کوآنزیم A، ۳-کتووالریل کوآنزیم A ، ۳- هیدروکسی کوآنزیم A و در نهایت پلیهیدروکسیبوتیرات و والرات و یا کوپلیمر میکند. در واقع دیاستاز NADPH، ۳-کتووالریلکوآنزایم A را به ۳-هیدروکسیوالریلکوآنزیم A تبدیل میکند. اما همین آنزیم استواستیلکوآنزیم A تشکیل شده با منبع کربنی گلوکز به ۳- هیدروکسیبوتیرات تبدیل میکند.

شکل ۱-۳- مسیر بیوسنتز پلیهیدروکسیبوتیرات و پلیهیدروکسیبوتیرات - والرات[۳۱]
در مواردی که مخلوطی از گلوکز و بوتیریک اسید بعنوان منبع کربنی استفاده میشود، کوپلیمر پلیهیدروکسیبوتیرات- هیدروکسیوالرات بدست میآید. در غیر اینصورت، پلیهیدروکسیبوتیرات تنها بیوپلیمر تولیدشده از منبع کربنی گلوکز میباشد.
۱-۴- منابع ارزانقیمت کربنی در تولید پلیمرهای PHA
برخلاف جذابیت اولیهای که در پلیهیدروکسیآلکانواتها دیده میشود اما تولید آنها که ۵ تا ۱۰ برابر هزینه بیشتری نسبت به پلیمرهای مشتقشده از نفت خام دارند، چندان مقرون به صرفه بنظر نمیرسد [۱۵].مهمترین عامل در قیمت تولید، نوع منبع کربن مورد استفاده است. برای کاهش این هزینه از میکروارگانیسمهای نوترکیب که قادر به استفاده از منابع کربن ارزان قیمت میباشند استفاده شده است. همچنین گزارشهایی موجود است که نشان میدهد برخی از سویههای وحشی نیز قادر به استفاده از این منابع کربن ارزانقیمت میباشند. هر چند میزان پلیمر و خلوص آن بسیار پایینتر از پلیمر تولیدی با بهره گرفتن از منابع کربن خالص است. در یکی از مطالعات برای رشد باکتری Pseudomonas cepacia ATCC 17759 و تولید پلیهیدروکسیبوتیرات بجای استفاده از گلوکز خالص، زایلوز^[۱۲] به میزان ۱۰ گرم بر لیتر استفاده شد. میزان تولید پلیهیدروکسیبوتیرات، ۶/۲ گرم بر لیتر در این مطالعه گزارش گردید. هزینه استفاده از زایلوس بعنوان منبع کربن، تقریبا معادل استفاده از ملاس چغندرقند و ۵۰ درصد هزینه تمام شده تولید هیدروکسیبوتیرات بوسیله گلوکز خالص است[۳۲]. پلیهیدروکسیبوتیرات و کوپلیمرپلیهیدروکسیبوتیرات - والرات، با بهره گرفتن از لجن فعال تولید شدهاند[۳۳]. افزودن اسید والریک بهمراه اسید پروپیونیک به محیط کشت مانند آب پنیرسبب تولید کوپلیمر توسط Pseudomonas hydrogenovora and Hydrogenophaga گردید[۳۴].ضایعات کشاورزی یکی دیگر از منابع ارزان قیمت برای تولید پلیهیدروکسیآلکانواتها است. در مطالعهای از ملاس بعنوان منبع کربن برای تولید پلیمر توسط E. coli استفاده گردید. محصول نهایی پلیهیدروکسیبوتیرات بمیزان ۹/۳۵ گرم بر لیتر بدست آمد[۳۵]. استفاده از ^[۱۳]SSF یکی از روشهایی است که به تازگی و در برخی از مطالعات برای تولید پلیهیدروکسیآلکانواتها از ضایعات کشاورزی مورد استفاده قرار گرفته است. در یکی از این تحقیقات از باکتری C. necator برای تولید پلیهیدروکسیبوتیرات استفاده گردید. منبع کربن در این مطالعه، کیک سویا و ملاس نیشکر بوده است [۳۶]. ترکیب دو نوع میکروارگانیسم که یکی بعنوان تجزیهکننده منبع کربن و آزادکننده قند لازم برای میکروارگانیسم اصلی و تولیدکننده بیوپلیمر است یکی دیگر از راهکارهای پیشنهادی برای تولید این نوع از پلیمرها بوده است. برای نمونه در یکی از تحقیقات، کاه توسط قارچ A. niger هیدرولیز گردید و هیدروکربن تولید شده توسط باکتری C. necator برای تولید پلیهیدروکسیآلکانواتها مورد استفاده قرار گرفت. پلمیری که تولید گردید پلیهیدروکسیبوتیرات و به میزان ۱/۵۱ گرم بر لیتر بدست آمد[۳۷].

۱-۵- سنتز پلیهیدروکسیآلکانواتها در گیاهان
سنتز پلیهیدروکسیآلکانوات در گیاهان برای اولین بار در سال ۱۹۹۲ و با تجمع پلیهیدروکسیبوتیرات در سیتوپلاسم Arabidopsis thaliana مشاهده گردید [۳۸].از این زمان به بعد، طیف وسیعی از پلیهیدروکسیآلکانواتها در گونه های مختلف گیاهی سنتز گردید. هر چند این پدیده در ابتدا برای تولید پلیمر مورد استفاده واقع شد اما امروزه از آن برای پیبردن به جنبه های اصلی متابولیسم در گیاهان بکار رفته است[۳۹].همانگونه که ثابت شده است تولید پلیهیدروکسیبوتیرات در باکتریها از طریق استیل- کوآنزیم A، صورت میگیرد. از آنجایی که استیل کوآنزیم A، در گیاهان و طبق تئوری باید در سیتوسل، پلاستید، میتوکندری وجود داشته باشد، بنابراین تولید پلیهیدروکسیبوتیرات در هر یک از این واحدهای سلولی امکان پذیر است. بنظر میرسد که سیتوپلاسم محل اصلی سنتز پلیهیدروکسیبوتیرات باشد. گرانولهای پلیهیدروکسیآلکانوات که در سلولهای گیاهی تجمع مییابند، بوسیله میکروسکوپ الکترونی قابل مشاهده میباشند. بوسیله این روش حضور گرانولهای چربی در گیاهانی که تغییرات ژنتیکی یافتهاند قابل مشاهده است [۳۸]. طیف گسترده و کاملی از ژنهای قابل انتقال از میکروارگانیسمها به گیاهان وجود دارد[۳۲].هر چند، یک مشکل اصلی در تولید پلیهیدروکسیآلکانوات در گیاهان اثر منفی و مضر ژن phb در رشد گیاهان است، اما امروزه با دستکاریه
ایی که بر روی سه آنزیم دخیل در تولید پلیهیدروکسیبوتیرات در گیاه Nicotiana tabacum انجام پذیرفت میزان تولید پلیهیدروکسیبوتیرات در برگهای این گیاه تا ۱۴۰ میلیگرم بر گرم، بدون اینکه تاثیر منفی بر رشد گیاه داشته باشد، صورت گرفته است[۴۰]. در مطالعاتی دیگر ژنهای باکتری R. eutropha به دو گیاه Gossypium hirsutum و Zea mays با موفقیت انتقال یافتهاند[۴۱]. همچنین گونه های مختلفی از غلات برای انتقال ژنهای پلیهیدروکسیآلکانوات مورد استفاده قرار گرفتهاند، در این میان، تشکیل مقادیر قابل توجه (بیش از ۱ درصد) پلیهیدروکسیآلکانوات در دانه های روغنی Brassica napus مشاهده گردیده است [۴۲]. در زمینه تولید پلیهیدروکسیآلکانواتها در گیاهان به کمک انتقال ژن علاوه بر تاثیر منفی برخی ژنها بر روی میزان رشد گیاه، معایبی دیگر همچون پایین بودن میزان محصول و سختی استخراج پلیمر از این گیاهان وجود دارد. استخراج پلیمر را نمیتوان به روش های ساده و مکانیکی همانگونه که در مورد استخراج روغن از دانه های روغنی بکار میرود به انجام رسانید[۴۱].
۱-۶- اندازه گیری کمی بیوپلیمرها
روش های متعددی برای سنجش میزان پلیهیدروکسیآلکانواتها پیشنهاد شده است. بیشتر این روشها براساس تولید پلیهیدروکسیبوتیریت توسط باکتری R. eutropha، استانداردسازی شدهاند. تا پایان دهه ۱۹۵۰ میلادی، گراویمتری^[۱۴] متداولترین روش برای سنجش میزان پلیمر تولیدی بود. در این روش ابتدا سلولهای محتوی پلیهیدروکسیبوتیریت بصورت یخ خشک درآمده و در ادامه مراحل کار از کلروفرم و دیاتیلاتر یا استون استفاده میگردید. در سال ۱۹۵۸ ویلکینسون و ویلیامز، نشان دادند که با کنترل زمان و دما، تمامی اجزای سلولی بجز گرانولهای پلیهیدروکسیبوتیریت در محلول هیپوکلریت سدیم قابل حل میباشند. گسترش این روش سبب شد که پلیهیدروکسیبوتیرات در حضور اسید سولفوریک به کروتونیک اسید تبدیل شده و با بهره گرفتن از اسپکتروفتومتر و در طول موج ۲۳۵ نانومتر میزان پلیمر تولیدی تعیین گردد. روش های ذکر شده، بسیار وقت گیر و کم دقت بوده و در مقادیر کم پلیهیدروکسیبوتیرات از دقت چندانی برخوردار نبودند[۵]. استفاده از روش مبتنی بر اندازه گیری مقدار پلیهیدروکسیآلکانوات تولیدی توسط دستگاه گازکروماتوگراف، به حل مشکلات فوق انجامید. به این دلیل که این روش بسیار سریع (زمانی در حدود ۴ ساعت نیاز داشت)، قابل تکرار و به مقدار کمی نمونه نیاز داشت[۴۳] .روش های دیگری نظیر استفاده از دستگاه HPLC نیز مورد استفاده قرار گرفتهاند اما با کمک این دستگاه تنها میتوان پلیهیدروکسیبوتیرات را اندازه گیری نمود[۴۴]. روش دیگر استفاده از کروماتوگرافی یونی است که براساس تبدیل مونومرها به آلکانویک اسید استواراست[۴۵]. بغیر از روش های فوق، روش های تشخیصی دیگری نظیر cytometry Flow و Fluorescence spectroscopy نیز برای تعیین کمی پلیهیدروکسیآلکانواتها پیشنهاد شدهاند[۴۶].
۱-۷- خواص فیزیکی و موارد استفاده پلیمرهای زیستی
تنوع گسترده مونومرها در پلیهیدروکسیآلکانواتها طیف وسیعی از پلیمرها با خواص فیزیکی متفاوت ایجاد کرده است. پلیهیدروکسیبوتیرات بخاطر برخی خواص فیزیکی نظیر پایین بودن نقطه ذوب، ترد و شکننده بودن کارایی بسیار محدودی دارد. تولید کوپلیمر یکی از راه حلهای بهبود بخشیدن به خواص پلیمر است. در جدول ۱-۳ خواص فیزیکی پلیهیدروکسیآلکانواتها با پلیمرهای مشتقشده از نفت خام مقایسه شده است. نقطه ذوب کوپلیمر هیدروکسی بوتیرات - والرات با افزایش تعداد مولهای والرات کاهش یافته و از ۱۸۰ درجه سانتیگراد در زمانی که ترکیب دارای ۴۰ درصد والرات باشد به ۷۵ درجه سانتیگراد کاهش مییابد.
جدول۱-۳- مقایسه برخی از خواص فیزیکی پلیمرهای تولیدی[۱۸]