Polyhydroxyalkanoáty

Mnoho mikroorganismů využívá různé typy PHA jako zásobní polymer. Ve chvíli, kdy má bakterie dostatečný zdroj uhlíku, ale chybí jí některé esenciální živiny nutné pro růst a následné dělení, ukládá uhlík ve formě granulí PHA obalených specifickými lipidy a proteiny.[7] PHA v těchto bakteriích může tvořit až 80 % jejich suché hmotnosti.

Různé mikroorganismy využívají pro biosyntézu různých typů PHA různé zdroje uhlíku. Tím vzniká velká variabilita jak v používaných vstupních surovinách, tak ve výsledném materiálu. Dokonce stejný bakteriální kmen může tvořit různé varianty PHA v závislosti na typu suroviny, kterou zpracovává. Může se jednat o polysacharidy ze zemědělské výroby, oleje, ale také methan a další látky. Pokud jsou zdrojem uhlíku tuky a oleje, je syntéza PHA spřažena s β-oxidací mastných kyselin. Při využití glukózy je to glykolýza a dehydrogenace pyruvátu. Pochopení metabolické dráhy syntézy PHA v různých organismech umožňuje výrobu specifických polyhydroxyalkanoátů pomocí výběru vstupního zdroje uhlíku nebo úpravy genetické informace.[7]

Biosyntéza PHA probíhá v bakteriích díky PHA syntázám, což jsou enzymy katalyzující spojování monomerů – hydroxykyselin (poloha hydroxy skupiny je obvykle v poloze 3) aktivovaných koenzymem A. Celkově rozlišujeme čtyři třídy PHA syntáz, které se liší svou substrátovou specifitou, molekulovou hmotností i složením jednotek. Relativně nízká substrátová specifita PHA syntáz umožňuje zabudování více než stovky různých monomerů, což vede ke vzniku celé škály polyhydroxyalkanoátů.[4] Mikroorganismy syntetizující PHA nesou také PHA depolymerázy, tedy enzymy, které dokáží PHA také rozkládat a využívat je jako zdroj energie a uhlíku.[7] Díky velkému rozšíření PHA depolymeráz v genech mikroorganismů jsou polyhydroxyalkanoáty rozložitelné v mnoha prostředích.

Při výrobě PHA se využívá průmyslových fermentorů, kde jsou simulované životní podmínky pro bakterie syntetizující PHA. Zdrojem uhlíku jsou různé, zpravidla odpadní, materiály. Ve fermentoru jsou eliminací esenciální živiny (fosforu, dusíku, kyslíku[8] nebo stopových prvků) bakterie donuceny k ukládaní uhlíku ve formě PHA. PHA je poté z bakterií izolován a dále zpracováván s ohledem na různé aplikace.

Polymery PHA se chovají jako termoplasty a mohou být zpracovávány konvenčními nástroji. V závislosti na chemickém složení se liší jejich elasticita a tvárnost. PHA jsou UV stabilní a hydrofilní, tedy odolné vůči vodě. Míra krystalinity se liší v závislosti na chemickém složení. Nejčastěji používaný polyhydroxybutyrát (P3HB) vykazuje vysokou krystalinitu, a je tedy hůře zpracovatelný. S rostoucím podílem valerátu v kopolymeru (PHBV) ale dochází ke zlepšení flexibility a elasticity materiálu.

PHA jsou rozpustné v halogenovaných rozpouštědlech jako jsou chloroform, dichlormethan nebo dichlorethan.

Hlavní předností polyhydroxyalkanoátů je jejich biodegradabilita a biokompatibilita. Biodegradabilita PHB byla prokázána v půdě, vodě, v oceánech, za aerobních i anaerobních podmínek.[16][17][18] P3HB je obecně brán jako zcela netoxický, ať už polymer, tak produkty jeho degradace. Monomerní jednotka – 3-hydroxybutyrát je přirozeným metabolitem živých organismů i lidského těla. P3HB se neakumuluje v životním prostředí a je degradovatelný i uvnitř organismů, včetně člověka.[19][20][21][22][23]

Vlastnosti různých PHA, rychlost degradace a míra toxicity samozřejmě také záleží na konkrétním chemickém složení.

Díky svým vlastnostem nachází PHA široké uplatnění v mnoha oborech. Produkce PHA dobře zapadá do principů cirkulární a zelené ekonomiky. Produkce biodegradabilních polymerů bez použití fosilních zdrojů je potenciální konkurencí pro tradiční plasty. Největším segmentem využití PHA jsou tedy v současné době jednorázové výrobky jako jsou sáčky a obaly. Právě produkty z PHA by mohly v budoucnosti nahradit jednorázové plastové výrobky. Náklady na výrobu PHA jsou ale stále příliš vysoké v porovnání se syntetickými plasty. To pohání vývoj nových výrobních technologií, které zlevní výrobu PHA, ale také hledání nových aplikací v oborech, kde lze využít specifických vlastností PHA, kterými se od klasických plastů liší. Jsou to zejména biodegradabilita a biokompatibilita.

• Zemědělství: PHA jsou vhodné pro výrobu mulčovacích fólií, které jsou biodegradabilní, a tak nedochází k zanášení půdy plasty a mikroplasty. PHA jsou obecně dobrým nosičem pro aktivní látky v mnoha oblastech využití. PHA v nových formulacích pesticidů by pomohlo zvýšit efektivitu a bezpečnost používaných agrochemikálií. Své využití může najít také jako ochranný film semen.
• Medicína: Biodegradabilita a biokompatibilita jsou vlastnosti využitelné v biomedicíně. PHB je studován jako nosič aktivních látek léčiv[24], je ale také vhodnou matricí pro rostoucí tkáně v oboru tkáňového inženýrství[25] .To přináší možnost využití PHB při hojení ran a v různých implantátech. PHB zabraňuje tvorbě biofilmů patogenních bakterií, a je tak vhodnou povrchovou úpravou kloubních implantátů. PHB se již používá v medicíně pro rozložitelné stehy.[26]
• Kosmetika: PHA v kosmetice zejména nahrazují mikroplasty, které jsou velkým úskalím kosmetických přípravků. PHA mohou sloužit jako abrazivní částice nebo zahušťovat formulaci. Lze využít také dalších vlastností zjištěných v biomedicínském výzkumu jako je třeba schopnost nést aktivní látky.
• Akvakultura: PHA se používají také v akvakulturách, kde upravují obsah patogenních mikroorganismů, a snižují tak spotřebu antibiotik.[27]
• Textilní průmysl: PHA jsou vhodné také pro tvorbu vláken a textilu. Očekává se rozvoj textilních materiálů z biodegradabilních materiálů.