Полигидроксиалканоаты (ПГА) – это полиэфиры, синтезируемые множеством микроорганизмов при культивировании в различных условиях питания и окружения (обычно при лимитировании азота, фосфора, серы, кислорода или магния, или при избытке предшественников полимеров). К микроорганизмам синтезируемым ПГА относятся некоторые Archaea и определенные грамположительные и грамотрицательные бактерии.  Некоторые другие микроорганизмы способны накапливать ПГА  даже в присутствии высоких концентраций питательных веществ (например, Pseudomonas putida, Sphaerotilus natans, Bacillus mycoides, Azotobacter vinelandii, Alcaligenes latus). Продуценты ПГА накапливают эти полиэфиры внутриклеточно в виде подвижных, аморфных, жидких гранул, которые могут наблюдаться как светоотражающие отложения или электросветящиеся тельца, которые, при сверхпродукции, могут значительно изменять как размер, так и морфологию этих бактерий [1].

Главными свойствами полигидроксиалканоатов являются биосовместимость и биоразлагаемость. Свойства ПГА определяются их строением, прежде всего, они зависят от строения боковых групп в полимерной цепи, а также от расстояния между эфирными группами в молекуле. В настоящее время идентифицированно свыше 150 ПГА.  Несмотря на это многообразие, в сфере внимания исследователей в настоящее время  всего несколько типов ПГА: поли-3-гидроксибутират, поли-3-гидроксибутират-со-3-гидроксипропионат,  поли-3-гидроксибутират-со-4-гидроксибутират, поли-3-гидроксибутират-со-3-гидроксивалерат, поли-3-гидроксибутират-со-3-гидроксигексаноат, поли-3-гидроксибутират-со-3-гидроксидеканоат. Свойства этих полимеров меняются очень значительно в зависимости от типа и соотношения мономеров в полимерной цепи. В результате этого на базе ПГА можно иметь спектр материалов с различными физико-механическими свойствами, пригодными для различных применений [2].

В зависимости от количества атомов углерода в мономерных звеньях, ПГА можно разделить на три группы: короткоцепочечные (short-chain-length, SCL) ПГА включают мономеры с количеством атомов углерода от 3 до 5; среднецепочечные (medium-chain-length, MCL) ПГА, имеющие в своем составе от 6 до 14 атомов углерода. По сравнению с SCL и MCL ПГА, сополимеры SCL-MCL ПГА отличаются и обладают превосходными свойствами материала [3].

Первым среди выделенных и наиболее полно охарактеризованным является поли-3-гидроксибутират (П3ГБ) – это гомополимер 3-гидроксимасляной кислоты, представляющий собой изотактический полиэфир с регулярными, повторяющими единицами (С4H6O2) [2].  П3ГБ был обнаружен в Bacillus megaterium в 1926 году, а позднее был обнаружен, по крайней мере, у 250 различных микроорганизмов [3].  П3ГБ можно охарактеризовать как довольно спорный полимер. П3ГБ является полностью биоразлагаемым, сильно гидрофобным термопластичным материалом, содержащим около 80% кристаллической фракции. Для широкого применения большого объема этого материала препятствует несколько серьезных недостатков, таких как  выраженная хрупкость (из-за высокой кристалличности), очень низкая деформируемость, высокая восприимчивость к быстрому термическому разложению, трудная обработка с помощью традиционных технологий для термопластов (в основном за счет быстрой термической деструкции), и довольно высокая цена по сравнению с пластмассами. В настоящее время П3ГБ используется только для узкоспециализированных целей и в небольших количествах [4].  Для того чтобы расширить применение П3ГБ, важно улучшить его свойства, такие как механические свойства, кристалличность, поверхностные признаки, амфифильность и скорость разложения. Полезной стратегией улучшения свойств П3ГБ является химическая модификация, где в П3ГБ вводятся функциональные группы, которые не могут быть достигнуты путем биоконверсии [3].

Сферы применения ПГА очень разнообразны: в промышленности домашнего обихода,  в качестве упаковочных материалов, в медицине. ПГА были широко включены в предметы домашнего обихода, включая дозаторы для мыла/шампуня, держатели для зубных щеток, корзины для бумаг, чашки и т.д. Упаковочные пленки ПГА были разработаны для сумок, ламинированных пленок, контейнеров, бумажных покрытий, одноразовых изделий (бритвы, посуда, пеленки, предметы женской гигиены, чашки, медицинские хирургические одежды, ковровое покрытие, крышки) [3]. Сферы применения полиоксиалканоатов в медицине потенциально широки и могут включать сердечно-сосудистую хирургию, ортопедию, урологию, стоматологию и др. Особенно перспективным считается применение ПГА в клеточной и тканевой трансплантологии для реконструктивной хирургии тканей и создания биоискусственных органов [5]. В медицине ПГА используются как шовные и перевязочные материалы, а также для систем доставки лекарственных средств.  Полигидроксиалканоаты обладают гемосовместимыми свойствами, так как малая доля концентрации ПГА содержится в крови человека и животных. Это дает возможность использования ПГА для систем доставки лекарственных средств. Производные ПГА мономеры могут быть также использованы в качестве источников энергии, таких как питательные вещества и биотопливо [3].

Возможность замены  пластмасс на полигидроксиалканоаты имеет большой потенциал в будущем, так как ПГА являются полностью биоразлагаемыми, а их скорость разложения в природных условиях намного выше, чем у пластиков. Биосовместимость, на ряду с биоразлагаемостью,  является еще одним важным свойством ПГА, по сравнению с пластиками, что позволяет расширить применение этих биополимеров в медицине.  Тем не менее, высокая стоимость производства является одним из важных факторов, которые затрудняют реализацию ПГА на глобальном уровне. В настоящее время ученые исследуют процесс биосинтеза и оптимизацию массового производства с низкой стоимостью.

Высокомолекулярный полилактид представляет собой бесцветный, глянцевый,  жесткий термопластичный полимер, который может быть полукристаллическим и полностью аморфным, в зависимости от чистоты основной полимерной цепи. Как молочная кислота, так и полилактид, проявляют оптическую активность, то есть существуют в виде двух L- и D- стереоизомеров. Два изомера молочной кислоты могут производить следующие разновидности ПЛА: поли-D-молочную кислоту (ПДЛА) -  кристаллический материал; поли-L-молочную кислоту (ПЛЛА) – полукристаллический с регулярной структурой цепи; поли-D, L-молочную кислоту (ПДЛЛА) -  с аморфной структурой. Прочностные свойства ПЛА могут варьироваться в широких пределах в зависимости от его степени кристалличности. Химические структуры, конфигурация, конформация являются важными параметрами, которые определяют свойства полилактида. Он растворим в обычных растворителях, включая бензол, хлороформ, диоксан, ацетонитрил, тетрагидрофуран, но не растворим в этаноле, метаноле и в алифатических углеводородах.

Для улучшения свойств полилактида, такие как жесткость, проницаемость, кристалличность и термическая стабильность, используется несколько подходов: модификация, сополимеризация с другими мономерами, например, с  производными стирола, акрилата и полиэтиленоксида, а также с ПЛА-композитами[3].

Поликапролактон (ПКЛ) – это полимер, состоящий из звеньев  ε-капролактона, имеющий линейно-разветвленную структуру, и  также относящийся к алифатическим сложным полиэфирам. Этот полимер является синтетическим, так как он производится из нефтехимических продуктов, также он является биосовместимым и биодеградируемым. Поликапролактон обладает хорошими деградационными свойствами, но полное его разложение может занять до двух лет.

Поликапролактон имеетхорошие реологические и вязкоупругие свойства в отличие многих рассасывающихся полимерных аналогов, которые делают его простым в изготовлении. Поликапролактон является гидрофобным, полукристаллическим полимером; его кристалличность имеет тенденцию к уменьшению с увеличением молекулярной массы.

Выраженная гидрофобность поликапролактона затрудняет адгезию и пролиферацию клеточных элементов на поверхности тканеинженерных конструкций, изготовленных из чистого поликапролактона. Поэтому зачастую ПКЛ  используется в смесях с другими веществами в целях улучшения его свойств. Химическая структура поликапролактона позволяет совмещать его с широким спектром других полимеров, сохраняя при этом многие из его собственных  свойств. Поликапролактон растворим в хлороформе, дихлорметане, тетрахлорметане, бензоле, толуоле, этаноле и циклогексаноне при  комнатной температуре, но имеет низкую растворимость в ацетоне, 2-бутаноне, этилацетате, диметилформамиде и ацетонитриле и не растворим в спирте, петролейном эфире,  диэтиловом эфире.

Универсальность поликапролактона заключается в том, что можно модифицировать его физические, химические и механические свойства сополимеризацией или смешивать со многими другими полимерами. Было установлено, что полимеризация изменяет химические свойства, что косвенно оказывает влияние на все другие свойства, такие как степень кристалличности, растворимость, и картина деградации, в результате чего модифицированный полимер  может быть предназначен для доставки лекарственных средств. Поликапролактон совместим с природными полимерами, такими как крахмал, гидроксиапатит, хитозан и синтетическими полимерами, а именно с полиэтиленгликолем, полиуретановыми, оксазолинами, полиэтиленоксидом , поливиниловым спиртом, полилактидом и гликолевой кислотой [4].

Сложные полиэфиры применяются в различных областях. Полилактид применяется для производства экологически чистой биоразлагаемой упаковки, одноразовой посуды, средств личной гигиены. Упаковочные изделия из полилактида —альтернатива традиционной бионеразлагаемой упаковке на основе нефти. ПЛА широко применяется в медицине, т.к. обладает биосовместимостью. В медецине он используется  для производства хирургических нитей, швов, гидрогелей, костных винтов, каркасов , а также в системах доставки лекарств.  Также применяется в качестве исходного материала для печати на 3D-принтерах [3]. Поликапролактон применяется в качестве материала для изготовления полимерных изделий медицинского назначения, имплантатов для заместительной хирургии, в системах доставки лекарственных средств  и в тканевой инженерии. С использованием этого полимера изготавливаются различные полимерные изделия, такие как микросферы, микрокапсулы, наночастицы, гранулы [4].

Были рассмотрены такие сложные полиэфиры алифатических гидроксикарбоновых кислот, как полилактид и поликапролактон, а также их основные особенности, свойства и области применения.

С биотехнологической точки зрения полигидроксиалканоаты имеют два важных свойства, дающих им значительное преимущество по сревнению с другими синтетическими продуктами: они биоразрушаемы и биосовместимы. Термин “биоразрушаемый” применяется к любому полимеру, который быстро разрушается до CO2, воды и биомассы; это предполагает, что такие полимеры могут ассимилироваться многими видами микроорганизмов, таким образом предотвращающих их накопление в окружающей среде. Второе свойство – биосовместимость,  показывает, что ПГА не вызывает токсического воздействия применительно к широкому кругу хозяев. ПГА иммунологически инертны, и они только медленно деградируют в человеческих тканях. Более того, следы ПГБ были найдены в мембранах клеток млекопитающих, а его предшественник, (R)-3-гидроксибутират, присутствует в крови в диапазоне миллимолярных концентраций. Все эти причины должны были бы оправдать использование ПГБ как биоматериалов для медицинских устройств. Однако их высокая кристалличность, хрупкая природа и тот факт, что они являются достаточно жесткими материалами, которые начинают деградировать при температуре, немного превышающей точку плавления, препятствовали их использованию. MCL-ПГА (являющиеся полукристаллическими термопластическими эластомерами), похоже, представляют собой более удачные биоматериалы для биомедицинских приложений. К сожалению, MCL-ПГА имеют низкие температуры перехода и более низкую кристалличность. Принимая во внимание преимущества и ограничения обоих видов полимеров, были сделаны попытки, основанные на достижениях биохимии, генетики и биотехнологии, получить гибридные SCL-MCL-сополимеры с целью достичь различных или улучшенных физико-химических свойств и более широкого спектра биотехнологических приложений ПГА [4].

Различные сополимеры ПГБ получались следующими процедурами. Манипуляция биотехнологическими процессами при культивировании различных бактерий (A. latus, B. cereus, P. pseudoflava – H. pseudoflava, P. cepacia, M. halodenitrificans, Azotobacter sp. и C. necator), при лимитировании азотом, на средах с глюкозой (или сахарозой в случае A. latus) и пропионовой кислотой (или другими пропионогенными источниками углерода) приводила к продукции ПГБ, содержащего случайное количество (R)-3-гидроксивалерата [5]. Эти сополимеры имели пониженную кристалличность и низкую температуру плавления, что приводило к улучшенной гибкости, прочности и более быстрой обработке [6]. Более того, сополимеры SCL-MCL, состоящие в основном из мономеров гидроксибутирата (ГБ) с небольшим количеством мономеров гидроксигексаноата (ГГ), имели свойства, похожие на таковые у полипропилена. Этот сополимер (поли(ГБ-ГГ)) является прочным и гибким материалом [7].

Генетическая инженерия также оказала влияние получение сополимеров SCL-MCL-ПГА. Экспрессия генов ПГА в Escherichia coli или в других микроорганизмах, не являющихся природными продуцентами, внесла свой вклад в увеличение выхода полимеров и изменение их состава по срвнению с ПГА дикого типа. Другие генетические подходы, которые также приводили к накоплению штаммов – сверхпродуцентов ПГА, основывались на выделении мутантов, у которых были удалены: во-первых,  гены, кодирующие ферменты β-окисления; во-вторых, гены, кодирующие ферменты, относящиеся к глиоксилатному шунту; в-третьих, различные гены, кодирующие деполимеразы SCL-ПГА и MCL-ПГА.  Дополнительно, трансформация этих мутантов генами, относящимися к кластеру ПГА, позволила синтезировать большое число различных полимеров с новыми свойствами и интересными характеристиками. Сополимеры ПГА, содержащие (R)-3-гидроксигексановую, (R)-3-гидроксиоктановую и (R)-3-гидроксидекановую кислоты, были синтезированы рекомбинантными мутантами E. coli (fadB-), экспрессирующими гены phaC1 и phaC2 из Pseudomonas aeruginosa и Burkholderia caryophylli, соответственно. Более того, когда E. coli трансформировали генетической конструкцией, несущей ген hbcT из Clostridium kluyveri (кодирующий 4-гидроксибутирил-CoA-трансферазу) и ген phaC из C. necator, различные полимеры накапливались даже при отсутствии генов phaA (кодирует β-кетотиолазу при синтезе ацетоацетил -CoA из ацетил-CoA) и phaB (кодирует NADPH-оксидоредуктазу). Другие авторы показали, что экспрессия гена, кодирующего редуктазу 3-кетоалкановых кислот, ассоциированных с белком-переносчиком (fabG), увеличивает продукцию сополимера ПГА в рекомбинантном штамме E. coli JM 109.

Технологические достижения в стратегиях ферментации и применение новых программ подачи субстрата также внесли свой вклад в оптимизацию выхода сополимеров у различных микроорганизмов и в получение других сополимеров с новыми или модифицированными структурами, и достаточно различающимися физико-химическими свойствами (от хрупких и кристаллических до гибких и резиноподобных полимеров [4].