Дипломдық жұмысты (жобаны) орындау бойынша

Студент Егемберді Жұмағали Шалхарұлы

4 курс, «БТ-43» тобы, 5В070100 – «Биотехнология» мамандығы, күндізгі оқу түрі
1. Дипломдық жұмыстың (жобаның) тақырыбы «Биополимерлерді синтездеудің микробиологиялық жолдарын зерттеу»

«_27_»_қараша___2019_ж. № _1935_ бұйрықпен бекітілді

«____» мамыр 2020 ж.

- түрлі әдебиет көздеріндегі ақпараттарға шолу;

- зерттеу әдістерін жүргізу;

- қолданылған материалдарға талдау жұмыстарын жүргізу;

- практикалық түрде талдауды жүргізу;

- алынған нәтижені саралау.

5. Графикалық материалдың тізімі (суреттер, сызбалар, кестелер және т.б) көрсетілген мәліметтер бойынша 6 кесте, 11 сурет тіркелген.

Практикум по микробиологии /Под редак. Н.С. Егорова // МГУ. – М., 1976.

Волова Т.Г, Физико-химические свойства многокомпонентных полигидроксиалканоатов: новые аспекты /Т.Г Волова, О.Н Виноградова, Н.О

Жила, Е.Г Киселев, И.В Петерсон, А.Д Васильев, А.Г Суковатый, Е.И Шишацкая// Высокомолекулярные соединения, 2017.

Волова Т.Г. Полиоксиалканоаты (ПОА) – биоразрушаемые полимеры для медицины / Т.Г. Волова и др ; под редак. В.И Шумакова.- Красноярск: Платина, 2006.

Sudesh, K. Synthesis, Structure and Properties of Polyhydroxyalkanoates: Biological Polyesters/ K.Sudesh, H. Abe, Y. Doi // Progress in Polymer Science, 2000.

8. Диплом жұмысының (жобасының) графигі

Тапсырманы алған: Егемберді Жұмағали Шалхарұлы

МАЗМҰНЫ

Қысқартулар және шартты белгілер 7

Анықтамалар 8

Кіріспе 9

1. 
   Әдебиетке шолу 12
   
   1. 
      Биологиялық ыдырайтын полимерлер 12
      
   2. 
      Политиоэфирлер 14
      
   3. 
      Полигидроксиалканоаттар, олардың қасиеттері мен қолданылуы 15
      
      1. 
         ПГА құрылымы мен жіктелуі 20
         
   4. 
      Орташа тізбекті ПГА: химиялық құрылымы және биосинтез 22
      
      1. 
         ПГА химиялық және физикалық қасиеттері 22
         
      2. 
         ПГА синтезінің биохимиялық жолдары 23
         
   5. 
      ПГА өндіру үшін қолданылатын субстраттар 27
      
   6. 
      ПГА штамм продуценттері 29
      
      1. 
         Бактерияларды өсіру жағдайлары және полимердің жинақталуы. Периодтық жүйелер 31
         
2. 
   Зерттеу нысаны мен әдістері 33
   
   1. 
      Сутегі бактериялары Cupriavidus eutrophus 33
      
   2. 
      Бактерияларды культивирлеу үшін қоректік орта 34
      
   3. 
      Бактерияларды культивирлеудің техникасы мен әдістері 34
      
   4. 
      Культивирлеу кезіндегі бақылау параметрлері 36
      
      1. 
         Глицерин концентрациясын анықтау 37
         
      2. 
         Азотының концентрациясын анықтау 37
         
      3. 
         Жасушадағы ПГА құрамын анықтау 38
         
      4. 
         Органикалық қышқылдардың концентрациясын анықтау 38
         
      5. 
         ПГА физикалық қасиеттерін анықтау 38
         
   5. 
      Микробиологиялық зерттеу 39
      
      1. 
         Инокулят және қоректік ортаның стерильдігін тексеру 39
         
      2. 
         Сабуро қоректік ортасын дайындау 39
         
      3. 
         Граммен бояу әдісі 40
         
3. 
   Зерттеу нәтижесі және оны талдау 42
   
   1. 
      Бактерияларды колбаларда өсіру нәтижесі. Инокулятты әзірлеу 42
      
   2. 
      Инокулят пен қоректік орталардың стерильділігін тексеру нәтижесі 43
      
   3. 
      Берджи бойынша анықтама нәтижесі 44
      
   4. 
      ПГА өнімінің жалпы сипаттама нәтижесі 45
      

Пайдаланылған әдебиеттер 48

Қосымшалар 55

Қысқартулар және шартты белгілер

ПГБ – Полигидроксибутират

П3ГБ – поли-3-гидроксибутират

3ГБ – 3-гидроксибутират

КоА – Коэнзим А

ГА-КоА – Гидроксиалканоил КоА

РҒА СБ – Ресей ғылым академиясы Сібір бөлімшесі

ПОГ - поли ((R)-3-гидроксиоктаноат-сo-(R)-3-гидроксигексаноат)

ПД - Полидирсперстілік

Ph - ерітіндінің қышқылдығы

С-субстрат – Көміртегі субстраты

ПА – пептонды агар

М - масса

Х, г/л – биомасса, грамм/литр

Мл – миллилитр

Мм – миллиметр

Нм – нанометр

Мкл - милликулон

Мг – миллиграмм

г – грамм

л – литр

УК – ультракүлгін

% - пайыз

°C – цельсий градус

Анықтамалар

Термостат – тұрақты температураны ұстап тұру мақсатында жасалған құрылғы.

Шейкер‐инкубатор – микробиологиялық, биотехнологиялық және фармацевтикалық зертханаларға арналған пилоттық қондырғылар санатына кіретін және өсімдіктермен жануарлар, жәндіктер жасушаларымен бірге, микроорганизмдер жасушаларын, бактериялар, сонымен қатар эукариотикалық жасушаларды культивирлеуге арналған құрылғы болып табылады.

Фотоэлектрокалориметр – ерітіндідегі әртүрлі заттардың концентрациясын өлшеп, анықтауға арналған оптикалық құрылғы.

Электрондық таразы – өндіріс және сауда орындарында пайдаланылатын заттардың салмағын өлшейтін құрылғы.

Хромато-масс-спектрометр - әр түрлі компоненттердің, мысалы, химиялық құрам, изотоптық немесе элементтік концентрациясын анықтауға мүмкіндік беретін затты зерттеу және анықтау әдісі болып табылады.

Сабуро қоректік ортасы – ашытқы саңырауқұлақтарын және зең саңырауқұлақтарын культивирлеу үшін қолданылатын қоректік орта. Құрғақ, гигроскопиялық, ұсақ дисперсті, гомогенді, ашық сары түсті жарық сезгіш ұнтақ тәрізді болып келеді.

Кептіргіш шкаф – ыдыстарды, шыныдан жасалған ыдыстарды кептіруге арналған құрылғы.

Автоклав – атмосфералық қысымнан жоғары қысымда қыздыруды қажет ететін әртүрлі операциялар үшін қолданылатын герметикалық аппарат.

Микроскоп – үлкейтілген бейнелерді алуға, сонымен қатар көрінбейтін немесе нашар көрінетін объектілер мен құрылым бөлшектерін өлшеу үшін пайдаланылатын зертханалық құрылғы.

Ферментер - қарқынды араластыру, стерильділік, стерильді ауамен үздіксіз үрлеу және тұрақты температура сәтінде қоректік ортада микроағзаларды терең культивирлеу үшін пайдаланылатын құрылғы.

Кіріспе

Пластик – бұл жуық арада ғана бүкіл әлемді тамсандырған материал, ал бүгінгі таңда ол жаһандық ластанудың негізгі себептерінің біріне айналды. Қазіргі заманның шешілуі қиын мәселелерінің бірі болып саналады. Жоғары молекулалық салмағына байланысты пластиктер биодеградацияға төзімді, соның нәтижесінде бүгінгі таңда қазіргі заманғы қажеттіліктерді қанағаттандыра алатын экологиялық қауіпсіз материалдарды жасау өзекті мәселелердің бірі болып қалуда. Олар қоршаған ортада, биосферада өте ұзақ уақыт бойы сақталады. Соңғы бірнеше онжылдықтарда пластмассадан жасалған заттарға деген үлкен сұраныс елеулі экологиялық мәселелерді тудырып отыр. Қолданылып жатқан пластмассаларды қажетке жарату әдістері тиімсіз болып шықты. Пластмассаларды өртеп жіберу цианды сутегі және тұзды қышқыл тәрізді қауіпті химиялық элементтердің ауаға шығарылуына алып келеді, сонымен бірге бұл процесс қымбат тұрады. Сонымен қатар, қайта өңдеу процесінің бірқатар кемшіліктері бар, конфигурациясының өзгеруіне байланысты, қайта өңделген пластмассалар шектеулі түрде ғана қолданылады [3]. Сонымен қатар, өндірілетін және өңделген пластмассалар саны күн өткен сайын өсіп жатыр. Қоқыс үйінділер өте тез, жоғары қарқынмен көбейіп барады.

Биологиялық ыдырайтын полимерлер полимерлік қалдықтарды жою негізінде стратегияларды даярлау үшін негізгі бастама болды. Биологиялық ыдырайтын пластиктер арасында ең жақсы зерттелетін алифатикалық полиэфирлер, оның арасында бактериялық тектес полигидроксиалканоаттар (ПГА) деп аталатын полиэфирлер болып табылады [4;5;6;7;8;9].

1960-жылдардың соңынан бастап биополимерлерді, яғни биологиялық тектес пластиктерді зерттеу бойынша жұмыстар белсенді жүргізіліп жатыр. Бүгінгі таңдағы биотехнология жоғары тұтынушылық қасиеттері бар жаңа экологиялық таза биологиялық тектес материалдармен бірге, табиғаты әртүрлі мақсатты өнімдердің үлкен спектрін алуға мүмкіндік береді. Биологиялық полимерлердің екі негізгі түрі бар: биологиялық жүйелердің, яғни микроағзалар,

бактериялар көмегімен өндірілетін полимерлер және биологиялық шикізат, мысалы, аминқышқылдар, қанттар, майлар негізінде химиялық жол арқылы синтезделген полимерлер [10].

Соңғы жылдары биологиялық тектес полимерлер негізінде жасалатын жұмыстар өзекті болып отыр. Бұзылмайтын синтетикалық полимерлерді биологиялық ыдырағыш полимерлерге ауыстырудың экологиялық және экономикалық маңызы зор.

Қазіргі уақытта пайдаланылып жатқан және белсенді түрде әзірленетін биологиялық бұзылатын полимерлер арасында: силикон, поли-β-гидроксибутират, сегменттелген полиэфируретандар, сүт және гликоль қышқылдарының полимерлері, полиамидтер, полилактидтер мен полигликолактидтер, алифатикалық полиэфирлер, полиэтилентерефталат және тағы басқа да гидроксиполизидті майлы қышқылдардың полимерлері деп аталатын полигидроксиалканоаттар болып табылады [11;12;13].

Бактериялардың кең әртүрлілігі энергия мен көміртегі көзі және жасушаішілік материалды сақтау ретінде оптикалық белсенді полимер ретінде (R)-үш-гидроксимай қышқылын жинақтайды. Бактериялардан бөлінген поли ((R)-үш-гидроксибутират) поли үш гидроксибутират, балқу температурасы шамамен 180°С болып табылатын биологиялық ыдырайтын және биологиялық сыйысатын термопласт болып келеді. Бактериялық поли үш гидроксибутират медициналық, ауыл және теңіз шаруашылығының ауқымды үлкен спектрі үшін өнеркәсіптік экологиялық таза, биологиялық бұзылатын пластик түрінде қолданылады. Алайда, инженерлік материал ретінде пайдаланылатын бактериялық поли үш гидроксибутираттың өзіндік бірнеше кемшіліктері бар; оған балқу нүктеcінен жоғары бұзылу қабілеті мен термиялық тұрақсыздық тән [14]. Соңғы уақытта үш гидроксибутираттан және үш-меркаптопропион қышқылының блоктарынан тұратын сополимерлердің синтезі зерттеліп жатыр. Негізгі тізбегінде күкірті бар – бұл микробтық гомополиэфирлер мен сополиэфирлер 8 класты биополимерлердің түрі ретінде ұсынылды [15]. Микроб тектес терполиэфирлер – сополиоксоэфирлермен және терполиоксоэфирлермен салыстырғанда олардың әртүрлі химиялық және физикалық қасиеттеріне байланысты жоғары қызығушылықты танытатын материал [16]. Полиэфирлердің термиялық тұрақтылығы полиоксиэфирлермен салыстырғанда айтарлықтай үлкен дәрежеде мықты [17]. Осылайша, терполиэфирлер үшін балқу немесе термиялық ыдырау нүктесінің одан соңда өсе беруін күтуге болады, алайда бұны олардың оттегі аналогтары туралы айтуға келмейді [18]. Зерттеу үшін қызығушылық тудыратын сополимерлердің бірі поли үш-гидроксибутират және үш-меркаптопропионат болып табылады.

Дипломдық жұмыс тақырыбы: "Биополимерлерді синтездеудің микробиологиялық жолдарын зерттеу. Дипломдық жұмыс 57 бет және 94 әдебиет көзі, 6 кесте,11 суреттен тұрады.

Жұмыстың өзектілігі: пластиктерге қарағанда аса құнды материал болып табылатын биополимерлерді алу болып табылады, себебі пайдалы қасиеттері көп, атап айтқанда биологиялық сыйымдылығы және биологиялық ыдырағыштығы.

Жүргізілген эксперименттер нәтижесінде Еуразия ұлттық университетінің зертханасында гетеротрофты жағдайларда арнайы шарттарды сақтай отырып Сupriavidus eutrophus B10646 бактерияларынан полимердің культурадағы штамм - продуценттің өсуі және шығуы зерттелді.

Жұмыстың мақсаты: сутегі тотықтырғыш С.eutrophus B-10646 бактерияларын қолдана отырып, олардың биополимерлерді, оның ішінде полигидроксиалканоаттарды жинақтау мүмкіндігін зерттеу болды.

Ол үшін төмендегідей міндеттер құрылды:

1. 
   C.eutrophus B-10646 сутегі тотықтырғыш бактерияларын морфологиялық тұрғыдан зерттеу;
   
2. 
   Биополимерлерді, атап айтқанда полигидроксиалканоаттарды C.eutrophus B-10646 сутегі тотықтырғыш бактериялары көмегімен синтездеу мүмкіндігін зерттеу;
   
3. 
   Полигидроксиалканоаттардың физикo-химиялық қасиеттерін зерттеу.
   

1. 
   Әдебиетке шолу
   

Синтетикалық полимерлер өндірісі дамудың қaзіргі кезінде әр жыл сайын орта есеппен бес-алты %-ға өсіп жатыр және ғалымдардың пайымдауынша 2020 жылы екі жүз елу миллион тоннаға жетеді. Соңғы жиырма жылдың ішінде индустриялды дамыған мемлекеттерде олардың адам басына шаққaндағы қолданылуы 85-90 кг-ға жетіп, екі есе артты, және алдағы онжылдықтың соңына қарай бұл көрсеткіш қырық бес-елу %-ға көбейеді деп болжайды [19].

Пластиктердің орта есеппен жүз елу түрі бар, және олардың 30%-ы түрлі полимерлердің қоспалары нәтижесінде пайда болған. Белгілі бір жақсы қасиеттерге жету және жақсы өңдеу үшін полимерлерге жиырмадан көп химиялық қоспалар қосады, соның нәтижесінде олардың кейбіреулері токсикалық материалдарға жатады [20]. Пластмассаның жақсы қолданылуы олардың жеңілдігімен, экономикалық тұрғыдан тиімділігімен және әртүрлі маңызды қасиеттерінің жиынтығымен түсіндіріледі. Пластиктер шыны, керамика, металл секілді материалдарға мықты бәсекелес болып табылады. Бірақ оларды пайдалану кезінде пайда болатын 400-ден астам түрдегі қалдықтарды қaжеттілікке қолдану мәселесі туындайды.

Полимерлік материалдардың ерекше қасиеттерінің бірі олар коррозияға ұшырамайды және шірімейді, оларды утилизациялау мәселесі ең алдымен экологиялық сипатқа ие болып отыр. Алайда, қазіргі уақытта полимерлік материалдардың қалдықтарын қайта өңдеу проблемасы экологиялық тұрғыдан ғана емес, сонымен қатар полимерлік шикізаттың тапшылығы жағдайында пластмасса қалдықтары қуатты шикізат және энергетикалық ресурс болып табылуына байланысты маңызға ие болып отыр [21]. Полимерлердің қалдықтарын пайдалану мұнай мен электр энергиясын айтарлықтай дәрежеде үнемдеп қолдануға мүмкіндік береді [22].

Сонымен қатар, экологияны, қоршаған ортаны қорғауға байланысты мәселелерді шешу едәуір үлкен қаржы керек етеді. Пластмасса қалдықтарын өңдеу және жою бағасы көптеген өнеркәсіп қалдықтарының өңдеу шығындарынан шамамен сегіз есе көп және тұрмыстық қалдықтарды жою шығындарынан шамамен үш есе көп болып келеді. Пластмассалардың негізгі қасиеттерінің бірі қатты қалдықтарды жоюдың белгілі әдістерін қиындатады немесе жарамсыз етеді. Полимерлік қалдықтарды қайта қажетке қолдану көптеген мәселелерді тудырады. Олардың өзіндік ерекшеліктері бар, бірақ оларды мүлдем шешілмейді деп айтуға болмайды.

Қоғамның барлық салаларының қазіргі даму кезеңінде полимерлік материалдарды даярлауда дәстүрлі түрдегі көзқарасқа қарама-қарсы жаңа көзқaрас пайда болды. Ол тұтыну сипаттамаларын тек пайдалану кезеңі ішінде ғана сақтап, содан кейін қоршаған орта факторларының әсерінен физикo-химиялық және биологиялық өзгерістерге ұшырайтын және табиғи биожүйелердің метаболизм процестеріне оңай қосылып кететін полимерлерді алудың мақсаты болып табылады. Полимерлердің бактериялар көмегімен ыдырау және сіңірілу қабілеті олардың бірнеше құрылымдық сипаттамаларына байланысты. Полимердің химиялық табиғаты, макротізбектің тарамдылығы, молекулалық салмағы, жанама тізбектердің болуы және олардың молекулалық құрылымы және табиғаты ең маңыздысы болып табылады [23].

Гидролизге ұшырайтын байланыстардан тұратын табиғи және синтетикалық полимерлер биодеструкцияға қабілетті болып келеді. Полимерлік тізбектегі орынбасарлардың болуы жиі биодеструктивтіліктің артуына ықпал етеді. Соңғысы тізбектердің орналасу дәрежесіне және функционалдық топтар арасындағы оның учаскелерінің көлеміне, ұзындығына, макромолекулалардың икемділігіне байланысты. Полимердің биологиялық ыдырауға төзімділігін анықтайтын маңызды факторлардың бірі оның молекулаларының сипаттамасы болып табылады. Мономерлер немесе олигомерлер бактериялар арқылы метаболизденуі мүмкін және негізгі көміртегі көзі болып табылады, үлкен молекулалық салмағы бар полимерлер микроағзалардың әсеріне төзімді болып келеді. Техникалық полимерлердің көпшілігінің биодеструкциясы, әдетте, биологиялық емес сипаттағы процестерге бастама жасайды. Мысалы, термолиз, термиялық және фотототығу, механикалық деградация және тағы басқалары. Сонымен бірге тізбектің ұшында карбонильді, гидроксильді немесе карбоксильді топтары бар төмен молекулалы биоассимилденетін фрагменттер пайда болады.

Биологиялық ыдырағыш пластмассаларды жасау полимердің тізбегіне биоактивациялайтын қоспаларды қосуға негізделген, онда бактериялардың ықпалынан ыдырауға қабілетті функционалдық топтaр бар болуы шарт. Мұндағы қиындық қоспаларды синтездеу немесе қайта өңдеу кезеңінде полимерге қосу қажет, ал оның ыдырауы қайтa өңдеу кезінде емес пайдаланылғаннан соң жүруі шарт. Сондықтан пластмасса бұйымдарының сапасын төмендетпей белгілі бір уақыт қызмет ету мерзімін қамтамасыз ететін бұзылу активаторын құру үлкен мәселе болып табылады. Активаторлар токсикалық емес болуы және материалдың бағасын көтермеуі керек [24].

Биологиялық ыдырағыш полимерлер химиялық жолмен синтез және биотехнологиялық жолмен синтез арқылы алынған материалдар деп бөлінеді.

Химиялық жолмен синтезделген полимерлерге поликапролактон, полилактид, поливенил алкаголь, полигликоль қышқылы, полиэтилен окcиді секілді қосылыстар кіреді. Қосылыстардың бұл түрі энзиматикалық немесе микробиологиялық әсерлерге ұшырайды. Мысалы, полилактид-сүт қышқылының конденсация өнімі компоста отыз күн аралығында биологиялық ыдырауға ұшырайды. Сонымен бірге ол теңіз суының микробтары әсерінен де болуы мүмкін. Сонда да, қосылыстардың бұл түрі дәcтүрлі бұзылмайтын полимерлік материалмен коммерциялық бәсекелестік құра алады [25].

Биологиялық ыдырағыш полимерлер - бұлар табиғи материалдар, яғни целлюлоза, хитозан, крахмал немесе протеин. Крахмал негізіндегі биологиялық ыдырайтын полимерлер өсімдіктер үшін қолайлы ыдырау өнімдерінің пайда болуымен алпыс күн бойы 30°С компостта ыдырауға қабілетті [24].

Биополимерлер, оның ішінде полигидроксиалканоаттар – бұл қосымша энергия көзі ретінде бактериялар көмегімен синтезделген, фосфор немесе азот тәрізді қажетті қоректену элементтері шектелген жағдайда, әртүрлі гидрокси туынды май қышқылдарының полиэфирлері болып табылады. Оларға полипропилен секілді әртүрлі термопластиктерге ұқсас қасиеттер тән. Полимерлердің бұл түрі соңғы су өнімдеріне дейін және анаэробты жағдайларда теңізде, топырақта, көлдерде және ағынды суларда өмір сүретін бактериялар арқылы метанға дейін және аэробты жағдайларда көміртегі диоксидіне дейін ыдырайды [25].

Осылайша, полимерлік материалдардың биологиялық деструкцияғa қабілеттілігі негізінен олардың шығу тегіне, сонымен қатар макромолекулалардың химиялық құрамына, құрылымына және қасиеттеріне байланысты болып табылады.

Жаңа әзірлемелердің мақсаты – биологиялық ыдырауға қабілеті бар тұтыну сипаттамаларының жоғары деңгейін, мысалы, беріктігі, экологиялық қауіпсіздігі, төмен газ өткізгіштігі және тағы басқа үйлестіретін материалдарды даярлау кезінде компоненттер мен технологиялық параметрлерді таңдауда жалпы заңдылықтарды белгілеу және оларды деструкциялау процестерін реттеуді үйрену.

Биологиялық ыдырағыш полимерлер жасау саласындағы зерттеулер биосфераның, қоршаған ортаның полимерлік материалдар қалдықтарымен ластануына байланысты жаһандық экологиялық мәселелерді шешуде маңызы зор.

1.2 Политиоэфирлер

Пластмасса өндіру үшін мұнaй-химия көздерін дамыту прогрессивті түрде жалғасуда, өйткені ірі трансұлттық корпорациялар қазбалы көміртекті ауыстыру мақсатында қайта қалпына келетін ресурстарды қолдануға басты назар аударуда. Кейбір бактериялар цитоплазмада суда еритін түйіршіктер түрінде полиокcоэфирді жинақтайды. Бұл биодеградирленетін полимерлердің термопластикалық және эластомерлі сипаттамалары әртүрлі технологиялық пайдалануды даярлау үшін перспективалы болып келеді [26].

Политиоэфирлер – технологиялық маңызы зор биополимерлердің жаңа класы болып табылады. Биосинтетикалық жолмен политиоэфирлерді өндіру биоматериалдар саласында жаңа мүмкіндіктер ашады [27].

1-сурет. 3-гидроксибутират пен 3-меркаптопропионаттың құрылымдық формуласы.

1.3 Полигидроксиалканоаттар, олардың қасиеттері мен қолданылуы

Полигидроксиалканоаттар (ПГА) - бұл әртүрлі субстраттарды пайдалана отырып, эндогенді энергия мен көміртегі депосы ретінде теңгерілмеген өсудің арнайы жағдайларында прокариоттық ағзалар көмегімен синтезделетін табиғи полиэфирлердің класы. Олар гидрофобты, суда ерімейді, ауада инертті және тұрақты, сонымен бірге термопластикалық және эластомерлі, улы емес болып келеді.

1888 жылы Бейерник тұңғыш болып бактериялық жасушаларда полигидроксиалканоат түйіршіктерін анықтады. Полигидроксиалканоат құрамы тұңғыш рет Лемоиджен үш-гидроксимай қышқылының гомополиэфирімен ұсынылған, полигидроксибутират деп аталатын алдын белгісіз материал ретінде сипатталған. Кейінгі 30 жыл ішінде бұл белгісіз материалдарға деген қызығушылық өте төмен дәрежеде болды. Макре және Уилкинсон 1958 жылы өз баяндамасында полигидроксибутираттың кейбір қызметтерін сипаттады. Олар Bacillus megaterium бактерияларының жасушаларында синтезделген полигидроксибутираттың жоғары қарқынмен биологиялық ыдырайтынын көрсетті. Осыдан бастап полигидроксибутиратқа деген қызығушылық кеңейе бастады. Кейінгі жылдары полигидроксибутиратта, сонымен қатар полигидроксиалканоаттың өзге де түрлеріне жүргізілетін зерттеулер әртүрлі микроағзаларды қолдана отырып кеңейтілді және одан әрі осы биополимерлердің басқа да түрлерін пайдалану жүзеге асырылды [30].

Бұл физикo-химиялық қасиеттерімен ерекшеленетін әртүрлі химиялық құрылымдағы полимерлер тобы. Полигидроксиалканоаттар биомедицинаны қоса алғанда, түрлі салалар үшін қажетті болатын көптеген қасиеттерге ие. Полигидроксалканоаттың тартымдылығы мен перспективалығы биологиялық материалдардың осы класының өте маңызды бірқатар артықшылықтарының болуымен байланысты:

- Полигидроксиалканоаттың, атап айтқанда, поли-үш-гидроксибутират биологиялық сыйымдылығының жоғары болуының себебі осы полимерді құраушы – үш-гидроксимай қышқылы болып табылады. Бұл ағзалардың жасушалары мен ұлпаларының табиғи метаболиті;

- Полигидроксиалканоат сұйық ортада гидролизденбейді, өйткені полигидроксиалканоат деградациясы биологиялық болып табылады және жасушалық және гуморальды жолдармен жүреді; Нәтижесінде пайда болатын гидроксимай қышқылының мономерлері ұлпалардың тез арада қышқылдануын, яғни айқын қабыну реaкциясын тудырмайды;

- Полигидроксиалканоаттардың биорезорбциясының жылдамдығы полигликолипидтер мен полилактидтерге қарағанда айтарлықтай аз, полигидроксиалканоаттардан жасалған заттар in vivo имплантация нысаны мен орнына байланысты бірнеше айдан екі-үш жылға дейін өзінің қызметін атқара алады, полигидроксиалканоаттың деградация жылдамдығын басқаруға болады;

- Полигидроксиалканоат тікелей ферментация әдісі арқылы алынады, олардың өндірісі полимеризация, пластификаторлар мен модификациялаушы компоненттерді қосу процесі, мономерлерді синтездеу процесі секілді технологиялық сатыларды талап етпейді;

- Полиидроксиалканоат синтезі процесі үшін пайдаланылатын шикізат пальма майы, органикалық қышқылдар, қант, көміртегі және сутегі қоспалары, өсімдік шикізатының гидролиз өнімдері, өнеркәсіптік қалдықтар, спирттер, қант өндірісі, қоңыр көмірді және гидролизді лигнинді қайта өңдеу өнімдері болуы мүмкін.

Полигидроксиалканоат жасушалық цитоплазмада түйіршіктер түрінде көрінеді. Azotobacter Chroococcum бактериялары жасушаларының культурасындағы түйіршіктердің бейнесі 2-суретте мысал ретінде көрсетілген [Nuti et al., 1972].

2-сурет. - Azotobacter Chroococcum бактериялар жасушалары культурасындағы полигидроксиалканоат түйіршіктері

(трансмиссиялық электронды микроскоп) [Nuti et al., 1972]
Полигидроксиалканоат жасушаның резервтік макромолекулалары болып табылады және құрамында азот бар жасушаішілік молекулалардың синтезі шектелген ортада көміртек көзі артық болған кезде теңгерілмеген өсудің арнайы жағдайларында прокариотты микроағзалар көмегімен синтезделінеді. Полигидроксиалканоат синтездеуші бактериялар арасында архебактериялар, аэробты және анаэробты бактериялар, хемоорганотрофтар және хемоавтотрофтар, гетеротрофтар, аэробты фотобактериялар, олиготрофты полипростекті бактериялар, анаэробты фототрофты бактериялар, фототрофты прокариоттар және тағы баcқалары белгілі. Полигидроксиалканоат cинтезі мен шоғырлануы жағына қарай жасушалардың құрылымдық алмасуының бағытын өзгертуді қамтамасыз ететін шарттар цитоплазманың тотығу-тотықсыздану күйімен, еркін коэнзим A және ацетил-коэнзим А жaсушаішілік концентрациясымен анықталады.

Аэробты жағдайларда полигидроксиалканоаттар көмірқышқыл газы мен суға дейін ыдырап кетеді, ал анаэробты жағдайларда полигидроксиалканоаттар деградация нәтижесінде көмірқышқыл газы мен метан түзіледі. Олар сонымен бірге адам ағзасында да ыдырай алады. Соңғы жылдары полигидроксиалканоаттар ыдыстар, хирургиялық торлар, сүйек пластиналары, тері алмастырғыштар, клапандар, тігіс жіптері секілді бірқатар медициналық материалдарды даярлау кезінде пайдаланылып жатыр. Полигидроксиалканоаттар қолдану аймағы уақыт өткен сайын кеңейіп келеді.

Сонымен қатар полигидроксиалканоаттар физикaлық қасиеттері бойынша, мысалы, балқыту температурасы, икемділік, кристалдылық және тағы басқа таксономиялық жағдайына және микроағзалардың-продуценттердің физиолого-биохимиялық қасиеттеріне, биосинтез жағдайларынa және көміртекті субстрат түріне байланысты ерекшеленеді.

Полигидроксиалканоаттар физико-химиялық қaсиеттерге ие екендігін айтқан жөн: икемділік, механикaлық беріктілік, кристалдылық, температуралық қасиеттері, биологиялық ыдырау жылдамдығы, биологиялық сыйымдылық, және ең бастысы ферментация процесінде ортаның құрамын және қандай да бір химиялық құрылымды өзгерте отырып, қасиеттердің әрқайсысын басқаруға болады. Полигидроксиалканоаттар сұйық ортада гидролизденбейді, өйткені полигидроксиалканоаттың деградациясы биологиялық болып табылады және гуморальды және жасушалық жолдармен жүреді, сонымен қатар полигидроксиалканоаттың деградациясы жылдамдығын да басқаруға болады [31;32].

Полигидроксиалканоаттар физикалық-химиялық қасиеттері жағынан жақсы пайдаланылатын және көп мөлшерде шығaрылатын және қоршаған ортаға төзімді синтетикалық полимерлерге, атап айтқанда, полипропилен және полиэтиленменге ұқсас. Термопластикалықтан басқа, полигидроксиалканоаттар оптикалық белсенділікке, пьезоэлектрлік әсерге, антиоксиданттық қасиеттерге ие және, ең негізгісі, олар биологиялық ыдыраушылық және биологиялық сыйымдылықпен сипатталады. Олардың құрылымын, құрамын және материалдың басқа да қасиеттерін – иілгіштікті, температуралық, механикалық беріктікті және басқа да сипаттамаларды бағыттап өзгертуге мүмкіндік беретін әртүрлі табиғи және синтетикaлық материалдары бар композиттерді полигидроксиалканоаттар негізінде алуға болады, бұл полигидроксиалканоаттарға деген қызығушылықты одан әрі күшейтеді және пайдалану салаларын кеңейтеді [33].

Бактериялық жасушада полимердің жинақталуы оңай әрі тез анықталуы мүмкін. Полигидроксиалканоаттар суда ерімейтін дискретті түйіршіктер түрінде жинақталады, сондықтан оптикалық микроскоп құрылғысы фазалық контраст режимінде жұмыс істей отырып, жасушаның цитоплазмасындa осындaй түйіршіктерді табу үшін пайдаланылады. Полигидроксиалканоат түйіршіктерінің диaметрі 0,2-ден 0,5 мкм.

Полигидроксиалканоаттар құрамын қалыптастырудағы ең басты субстрат – алкан қышқылдары болып келеді, ал полигидроксиалканоаттың сандық шығуына пептон мен фосфордың қосылыстары айтарлықтай жақсы әсер етеді [34].

Алғашқы болып бөлініп алынған және бүгінгі күні неғұрлым толық сипатталған полигидроксиaлканоат (ПГА) – бұл полигидроксибутират (ПГБ) болып табылады. Пластикалық қасиеттері жағынан ол классикалық полимерлер –полипропилен және полиэтиленге жақын [4]. Алайда, ол бүгінгі таңда кең таралған бұзылатын полимерлер болып табылатын, мысалы, оттегіге қатысты және ультракүлгін сәулеге жақсы төзімділікпен сипатталатын полилактидтерге қарағанда ең мықты газобарьерлік қасиеттерге ие – сонымен қатар суға төзімділігімен және жылуға жақсы төзімділігімен сипатталады, нәтижесінде оның су буын өткізгіштігі полипропиленге қарағандa үш есе төмен [33].

Полигидроксибутират (С₄Н₆О₂) D(-)-үш-β-оксимай қышқылының гомополимері және тұрақты, қайталaнатын бірліктері бар изотактикалық полиэфир болып табылады. Күрделі синтетикалық полиэфирлермен салыстырғанда, полигидроксибутират (ПГБ) – бұл стереорегулярлы оптикалық белсенді полимер, ол сферолиттерде кристалданады және ерітіндіде спираль түзеді [35].

Полигидроксибутират (ПГБ) көптеген бірқатар бактериялар көмегімен жинақталады және жасушалардың құрғақ салмағының 90%-ға жуығын құрауы мүмкін [25]. Жасушалардың ішінде ол, өзге де полигидроксиалканоаттар секілді, цитоплазмада шар секілді түйіршіктер түрінде шоғырланады және қозғалмалы аморфты түрдегі түйіршіктерде болады.

Түйіршіктер оңға қарай бұралған таспалар секілді қос жіпті фибриллярлы құрылымдардан түзілген. Соңғысы мицело тәрізді полимердің кристалдарын құрайды. Түйіршіктердегі полимерлік тізбектердің тығыздығы мен жоғары гидрофобтылығы монолитті орналасқан және белокты құрылымдармен бекітілген шектеуші фосфолипидті қабықшалардың болуымен тікелей байланысты.

Полигидроксибутираттың температуралық сипаттамалары және нативті күйде кристалдану қабілеті ең негізгі басты параметрлер болып табылады, себебі термомеханикалық қасиеттерді және сәйкесінше полимерді арнайы өнімдер мен бұйымдарға қайта өңдеу мүмкіндігін анықтайды.

Полигидроксиалканоаттар ішінде полигидроксибутират ең көп таралған түрі болып табылады және полигидроксиалканоатты жақсы сипаттайды. Бұл үш гидроксибутират мономерлері анықталған бірінші полигидроксиалканоат. Оны полипропилен секілді қарапайым пластиктермен, кристалдылық, балқу температурасы, молекулалық салмағы және созылу кезіндегі беріктілік тұрғысынан салыстыруға болады. Көптеген қол жетімді биологиялық ыдырайтын пластиктердің өзіндік бірнеше кемшіліктері бар. Олар суда ериді және ылғалға сезімтал болып келеді (Lee, 1996). Полигидроксибутират бұл проблемаларды оңай еңсерді, себебі ол ылғалға төзімді, суда ерімейді және жақсы оптикалық тазалық тән (Lindsay, 1992). Сонымен қатар ол оттегіні жақсы өткізеді (Lindsay, 1992). Жылу төзімділігін санамағанда (130°C дейін), полигидроксибутират полипропиленге қарағанда ультракүлгін сәуле шамдарына төзімді болып келеді (Lee, 1996). Алайда, Поли үш гидроксибутиратты практикалық мақсатта қолдану төмен соққы тұтқырлығына байланысты шектелген. Полигидроксибутират – бұл өте қатты, кристалды және салыстырмалы түрде нәзік термопластик. Оның балқу температурасы 175°C градустан салыстырмалы түрде кішкене ғана төмен, бұл оның термиялық өңделуін қиындатады. Демек, үлкен жұмыстар полигидроксибутираттың гомополимеріне қарағанда жақсы қасиеттерге ие сополимерлердің синтезіне бағытталған. Мысалы, үш-гидроксивалерат секілді субстраттарды қосу жақсы беріктікке және икемділікке алып келуі мүмкін.

Үш-гидроксибутират мономерлерімен ғана емес, басқа да мономерлермен түзілген көп компонентті және құрамы жағынан түрліше полигидроксибутират алу тәсілдері белгілі. Мысaлы: екі-гидроксибутиратпен, екі-гидроксивалератпен, үш-гидроксивaлератпен, үш-гидроксигексаноатпен, үш-гидроксиоктаноатпен, үш-гидроксидодеканоатпен, сонымен бірге төрт-гидроксибутироатпен, төрт-гидроксивалерат және олардың сополимерлерімен, штамм-продуценттер көмегі арқылы алуға болады. Бұл полигидроксиалканоат гомогенді поли үш гидроксибутиратқа қарағанда, жақсы механикалық беріктігімен және икемділігімен, жоғары физико-механикалық қасиеттері бар әртүрлі заттарға қайта өңделу қабілеттілігімен және биологиялық орталарда биодеградациясының аса қарқынды, жоғары жылдамдығымен сипатталады.

Химиялық құрамы жағынан әр түрлі полигидроксиалканоат сополимерлері перспективалы болып келеді, дегенмен оларды синтездеп алу өте күрделі технологиялық процесс, себебі оларды орта құрамына алу үшін қосымша көміртегі көздерін мақсатты мономерлердің субстрат-бастамашылары ретінде қосу қажет, ал олардың көпшілігі продуценттердің өсуін тежейді. Бұл биосинтез процесінің жалпы өнімділігіне, жасушалардың биомассасының өсуіне де, сополимерлердің шығуларына да өз теріс әсерін тигізеді.

Полигидроксиалканоаттардың ең басты қасиеттері олардың құрылысымен анықталады. Ең алдымен, олар полимерлік тізбектегі жанама топтарының құрылысына, сонымен қатар молекуладағы эфир байланыстарының арасындағы арақашықтықтың ұзақтығына байланысты.

Мысалы, тек бірнеше типті полигидроксиалканоаттың қасиеттері полимерлік тізбектегі мономерлердің түрі мен арақатынасына байланысты айтарлықтай жоғары дәрежеде өзгереді. Нәтижесінде полигидроксиалканоат базасында әртүрлі физикалық-механикалық қасиеттері бар, әртүрлі жағдайда пайдалануға болатын кең материалдар спектрі болуы мүмкін.

Жоғары температурада қыздыру кезінде полигидроксиалканоатта молекулалық тізбектер бір-біріне қарай оңай жылжиды, соның нәтижесінде материал жұмсақталып, ағымдылыққа ие болады. Бұл технологиялық сипат үлкен коммерциялық құндылыққа ие, өйткені түрліше әдістерді, мысалы, эструзия және престеу және тағы басқаларын қолдана отырып, полигидроксиалканоаттан әртүрлі заттар мен материалдарды алуға мүмкіндік береді [36].

Полигидроксиалканоаттарды әртүрлі салаларда кеңінен қолдануға болады: хирургия мен фармацевтикада – зақымдалған тері жабындарын, күйік және тағы басқа, хирургиялық жіптерді, қан тамырлaрының протездерін, дәрі-дәрмектерді тасымалдaуға арналған заттар даярлауда пайдаланылатын препараттар ретінде қолданылады. Ауыл шаруашылығында – тыңайтқыштар мен пестицидтерді инкапсулдау мақсатында қолданылады [37]. Нәтижесінде агроценоздар мен табиғи экожүйелердің биотының трофикалық тізбектерінде шоғырландыру арқылы биосферада препараттар жинақталмайды [35]. Полигидроксиалканоаттарды тамақ өнеркәсібінде – буып-түю материалы, қорап ретінде, косметологияда және өзге де салаларда пайдалануға болады.

Полигидроксиалканоаттар өсімдік майлары, қант және көміртегі диоксиді секілді биологиялық қайта қалпына келетін ресурстардан синтезделуі мүмкін [38]. Биополимерлердің бұл түрі мұнай өнімдерінен жасалған материалдармен салыстырғанда үлкен артықшылығы бар, себебі оларды бактериялар мен саңырауқұлақтар өз қажетіне пайдалануға қабілетті болып табылады.

Бүгінгі таңда табиғи, сонымен қатар генетикалық модифицирленген бактериялармен синтезделген полимерлер құрылымы жағынан әртүрлі 150-ден астам екендігі белгілі болды.

3 - сурет – полигидроксиалканоаттардың жалпы құрылымдық формуласы (Lee,

1996)

Бұл жерде n=1 болған жағдайда, R = сутегі-поли (үш-гидроксипропионат), метил-поли (үш-гидроксибутират), этил поли (үш-гидроксивалерат), нонил-поли (үш-гидроксидодеканоат), пентил-поли (үш-гидросиоктаноат), пропил-поли (үш-гидроксигексаноат) болады, ал n=2 болған кезде, R= сутегі-поли (төрт-гидроксибутират) және n=3 болғанда, R= сутегі-поли (бес-гидроксивалерат) болады.

1.Қысқа тізбекті полигидроксиалканоат (Short-chain-length PHAs/ PHASHL), олардың мономерлер құрамы үш-бес көміртекті атомдардан тұрады және табиғи термопластиктер болып табылады. Осы класстың ең танымал өкілдері - полигидроксибутират және оның гидроксивалераты бар сополимерлері. Полигидроксибутират D(-)-үш-β-оксимай қышқылының гомополимері болып табылады және тұрақты, қайталанатын бірліктері бар полиэфир болып табылады. Барлық полигидроксиалканоаттардың арасында полигидроксибутират табиғатта жиі кездеседі. Бұл метилен тобы (-CH3) бар химиялық құрылымға қaтысты ең қарапайым полигидроксиалканоат болып табылады. Полимердің құрамына көміртегі - 81%, сутегі - 7,03% және оттегі - 37,16% кіреді. Төрт-гидроксибутират және үш-гидроксивалерат секілді мономерлер бактериялардың өсуі үшін ортада арнайы қоспаларды қолдану арқылы полигидроксибутират тізбектерін қамтиды [40,41].

2.Орташа тізбекті полигидроксиалканоат (Medium-chain-length PHAs/PHAMCL), 6-дан 14-ке дейінгі көміртекті атомдардан тұрады және мономерлі құрамы табиғи эластомерлер болып табылады. Тізбектің орташа ұзындығын синтездеу үшін продуцент ретінде псевдомонад бактериялары, ал субстрат көзі ретінде н-алкандар, н-алканоаттар немесе н-алканолдар секілді алифатикалық көмірсутектер пайдаланылады. [42,43].

3.Қысқа және орташа тізбекті полигидроксиалканоаттар сополимерлері болып табылатын және 17-ден 18-ге дейінгі көміртекті атомдардың мономерлік құрамына кіретін ұзын тізбекті полигидроксиалканоат (long-chain-length PHAs/PHALCL). Олардың қасиеттері қысқа және орташа тізбекті полигидроксиалканоат мономерлерінің молярлық арақатынасына тікелей байланысты. Полигидроксиалканоаттардың бұл түріне физикалық және термиялық қасиеттер тән [44].

Сонымен қатар, полигидроксиалканоатты көміртекті қышқыл тізбегінің ұзындығы бойынша ғана емес, компоненттік құрамы жағынанда жүйеге келтіруге болады:

• 
  Бір компонентті, тек қысқа тізбекті мономерлерден тұратын полигидроксиалканоат, мысалы полигидроксибутират (ПГБ).
  
• 
  Қысқа, орташа және ұзын тізбекті мономерлерден немесе олардың әртүрлі вариацияларынан тұратын көп компонентті ПГА.
  

Осылайша, бүгінгі таңда полигидроксиалканоат құрамында табылған мономерлердің айтарлықтай кең әртүрлілігі осы биополимерлердің физикалық қасиеттерінің ауқымды спектрін анықтайды.

Полигидроксиалканоат құрамына кіретін танымал гидроксиалкандық қышқылдардан ең көп мөлшері орташа тізбекті полигидроксиалканоат көрсетілген, бірақ олардың тек аз ғана түрі сипатталған [46]. Сонымен қатар, осы полимерлердің көпшілігінің химиялық және механикалық қасиеттері туралы мәліметтер жоқтың қасы.

1.4.1 ПГА химиялық және физикалық қасиеттері

Бүгінгі таңда полигидроксиалканоаттың механикалық қасиеттері оның химиялық құрылысына және молекулалық салмағына айтарлықтай үлкен дәрежеде тәуелді екені белгілі. Галогендермен, гидрокси, карбокси, эпокси, фенокси, цианофенокси, нитрофенокси, тиофенокси топтармен және метилді эфирлермен одан әрі химиялық өзгерістерді жүргізуге мүмкіндік беретін жанама тізбектердегі функционалдық топтар ерекше жоғары қызығушылық тудырады. Мономердің жанама тізбегінің ұзындығы және оның функционалдық тобы материалдың шынылау және балқу температурасы, кристалдылық секілді қасиеттеріне жақсы әсер етеді, бұл олардың одан кейінгі пайдаланылуын анықтап береді [47]. Орташа салмақтағы молекулалық салмағы (М) 60 мыңнан 360 аралығында, полидисперстілік (ПД) 1,6-дан 2,4 аралығында жатыр, бұл қысқа тізбекті полигидроксиалканоаттан кішкене төменірек.

Псевдомонад бактериясында анықталған орташа тізбекті полигидроксиалканоаттың ең көп таралғаны поли (R)-үш-гидроксиоктаноат және (R)-3-гидроксигексаноат (ПОГ) кристалдануы 20-40% құрайды, бұл эластомерлер үшін типтік болып табылатын балқу эндотермаларына әкеледі. Вибрациялық спектроскопия құрылғысының көмегімен қарапайым вибрациялық талдау арқылы ПОГ химиялық ортаға тәуелді кристалдану қасиеттері бар екендігі дәлелденді [48]. Сондықтан, кристалдық құрылысы туралы толық мәлімет әлі күнге дейін белгісіз. 2007 жылы Li және Chen хабарлауынша жанама тізбектің ұзартылуы орташа тізбекті полигидроксиалканоат бірқатар қасиеттеріне өзінің үлкен әсерін тигізген [49].

1.4.2 ПГА синтезінің биохимиялық жолдар

Полигидроксиалканоат синтездеу үшін целлюлоза, крахмал және сахароза секілді қарапайым, қайта қалпына келетін ресурстар пайдаланылуы мүмкін. Керісінше, синтетикалық пластмассалар өндірісі мұнай секілді қайта қалпына келмейтін қазбалардың үлкен шығындарын талап етеді.

Полигидроксиалканоат потенциальды продуцентін таңдап алу үшін негізгі, басты өлшемдер ретінде келесідей көрсеткіштер қарастырылды: полимердің шығуы, көміртекті субстрат шығындары, химиялық құрамы, культурадағы жасушалардың биомассасының концентрациясы, процестің өнімділігі секілді.

Полигидроксиалканоат күрделі көпкезеңді биосинтетикалық процесс кезінде синтезделеді, және оның әрбір кезеңін арнайы спецификалық ферменттер катализдейді. Полигидроксиалканоат жасушаішілік циклінің құрылымдық-функционалдық заңдылықтарын білу осы процесті басқару мүмкіндігін және жаңа қасиеттері бар полимерлерді синтездеу үшін бастама береді.

Полимерлер биосинтезінің метаболикалық жолдарын полиоксиалканоаттар ішінде жақсы зерттелген β-оксимай қышқылын мысал ретінде қарастырайық. Бұл жолдар барлық бактериялар-продуценттер үшін ортақ. β-кетотиолаза ферменті екі ацетил-КоА қалдықтарының көміртегі байланысының пайда болуын Кляйзенді коденсациялау жолы арқылы катализдейді. Ацетил-коэнзим А молекулалары гликолизден пируват түзілумен пайда болады. Бұдан кейін НАДФН-ке тәуелді ацетоацетил-коэнзим А редуктаза ацетоацетил-коэнзим А-ны үш гидроксибутирил-коэнзим А-ға айналдырады [Findlay R. H., 1983]. Келесі кезеңде үш гидроксибутирил-коэнзим А молекулалары полигидроксибутират-полимеразамен байланысады (4-сурет). Активті емес кезде ол цитоплазмада ерітілген мономерлік суббірліктер түрінде болады. Субстратты байланыстыру сәтінде бұл суббірліктер димеризденеді және осы гомодимердің көмегі нәтижесінде полимер синтезі басталады. 3-гидроксимай қышқылының қалдықтарын байланыстыру цистеиннің конститутивті қалдықтарының көмегі арқылы жүзеге асырылады. Полимердің синтезі мен тізбектің өсуіне қарай, мұндай кешендер ішінде өсіп келе жатқан полигидроксибутират гидрофобты тізбегі бар түйіршіктерге жинақталады, ал сыртынан қосымша ақуыздары бар полигидроксибутират-полимераза молекулалары орналасқан, олар түйіршіктердің бетінде синтезді жалғастырады (5-сурет). Сонымен қатар, үш гидроксимай қышқылы мономерінің бір молекуласына ацетил-коэнзим А екі молекуласы тең келеді [Shrivastav a., 2013]. Полигидроксибутират-полимераза 2 түрде болуы мүмкін: еркін, цитоплазмада ерітілген және полимерлі түйіршіктермен байланысқан гидрофобтық. Өсу кезінде көміртегі тапшылығы кезінде фермент ерітілген түрде болады, алайда стресстік жағдай болған кезде ол түйіршіктермен байланысқан түрге ауысады және қосымша зат полигидроксибутират синтезіне кірісе бастайды. Полигидроксибутират биохимиялық синтезі цитоплазмадағы НАДФН-ның НАДФ + -ке арақатынасымен бақыланады. Азот көзі таусылған сәтте, бұл арақатынас одан әрі артады, бұл трикарбон қышқылы циклінің ферменттерін тежейді. Ацетил-коэнзим А ағыны азайған сәтте, А коферментінің деңгейі айтарлықтай төмендейді және β-кетотиолазаның тежелуі жойылады және полимердің синтезі басталады [Lageveen R.G., 1988], [Holmes P. A, 1985]. Дегенмен, анаболикалық реакциялармен бір мезгілде катаболикалық процесстер де жүреді, яғни полигидроксибутират-деполимеразамен ферменттердің мономерлеріне дейін полигидроксибутираттың үздіксіз ыдырауы жүреді. Осылайша, полимерлік биосинтез процесін реттеу полимеризация мен деполимеризацияның тура және кері реакциялары арасындағы тепе-теңдікті ығыстыру жолы арқылы жүзеге асады.

4-сурет. - Бактерия жасушаларында өтетін полигидроксибутират биосинтезінің схемасы [Findlay R. H., 1983]

5-сурет. Полигидроксибутират синтезі процесінде бактериялық жасушалардың цитоплазмасында полимерлі түйіршіктердің қалыптасу схемасы [Shrivastav a., 2013]

Бактериялар май қышқылдарында субстрат ретінде өскен сәтте β-тотығу орташа тізбекті полигидроксиалканоат субстраттарының биосинтезі үшін негізгі жол болып табылады [50]. Май қышқылдарының катаболизмі полигидроксиалканоат синтезінде бастапқы, негізгі мономерлер болып тaбылатын гидроксиалканоаттарды (ГА) жеткізетін ең көп таралған жолдардың бірі болып табылады [38]. β-тотығу арқылы алкандық немесе майлы қышқылдардың жасушаішілік метаболизмі сәтінде пайда болған орташа тізбекті полигидроксиалканоат (PHAmcl) үшін субстрат болып табылатын аралық өнім гидроксиалканоил-Коэнзим А (ГА-КоА) қамтамасыз етуге қабілетті. Бұл жол алкандық және майлы қышқылдардан PHAmcl синтездейтін Pseudomonas oleovorans және Pseudomonas fragii секілді бірнеше бактериялардан табылды. Осы бактерияларда синтезделген полигидроксиалканоат мономерлік құрамы субстратпен байланысты болып келеді.

Көміртекті субстраттардың екі маңызды, негізгі түрі бар, оларды пайдалану орташа тізбекті полигидроксиалканоат түзілуіне әкеледі: мономерлермен құрылымдық жағынан байланысқан субстраттар және мономерлермен құрылымдық жағынан байланыспаған субстраттар. Әдетте мономерлермен құрылымдық жағынан байланысқан орташа тізбекті полигидроксиалканоат өнімдері туралы полимердің мономерлік құрамы субстрат құрамына ұқсаған жағдайда айтады. Полигидроксиалканоат мономерлерімен құрылымдық тұрғыдан байланысқан субстраттар пайдалану жағынан (R)-үш-гидрокси қышқылдармен өте ұқсас субстраттар, көбінесе, майлы қышқылдар болып табылады, алайда С-тізбектің ұзындығымен немесе қысқа көміртекті тізбектермен орташа тізбекті полигидроксиалканоат синтезіне алып келеді [51].

Осылайша, көміртегі атомдарының жұп саны бар май қышқылдарын қолдану көміртегі атомдарының жұп саны бар (R)-үш-гидроксиалканоаттардың синтезіне алып келсе, ал көміртегі атомдарының тақ саны бар май қышқылдарын пайдалану негізінде тек қана (R)-үш-гидроксиалканоаттар көміртегі атомдарының тақ саны бар синтезделінеді.

Май қышқылдарының тотығуының аралық өнімдері еноил-КоА, үш-кетоацил-Коэнзим А және (S)-үш-гидроксиацил-Коэнзим А секілді қосылыстарды қамтиды, ал олар болса өз кезегінде (R)-үш-гидроксиацил-Коэнзим А, phamcl синтезіне тікелей қатысатын қосылыстар болып табылады (сурет.3). Нәтижесінде Pseudomonas генінің қатысуы нәтижесінде осы полимерді шоғырландыра алмайтын Е.Coli жасушаларында полигидроксиалканоат синтез процесі жүруі мүмкін [52;53;54].

Орташа тізбекті полигидроксиалканоат өнімдері Pseudomonas бактерия түрлерінде жақсы зерттелді [55;56;57;58]. Орташа тізбекті полигидроксиалканоат анықталған бірінші штамм продуцент – бұл Pseudomonas oleovorans болып табылады, одан кейінгі уақытта ол Pseudomonas putida түрінде өзгертілді [59]. Бұл штамм азоттың, фосфордың лимитінде және құрғақ биомассаның 60%-дан көп полигидроксиалканоаттың ең көп мөлшері шамасында көміртекті емес өзге де қоректік заттарда түрлі орташа тізбекті полигидроксиалканоаттардың көп мөлшерін синтездеуге қабілетті болып шықты [60]. Pseudomonads субстрат ретінде май қышқылдарынан полигидроксиалканоаттарды жинақтай алады. Әдетте бұл субстраттар сумен жақсы араласпайды және өте төмен концентрацияларда бактериялар үшін токсикалық болып келеді, сондықтан олардың культураға сәйкес мөлшерленуі ферментация кезінде қатаң қадағалануы міндетті болып табылады.