Menu
e-shop
Francouzský mikrobiolog Maurice Lemoigne objevil polyhydroxyalkanoáty (PHA) v roce 1926, když izoloval a charakterizoval poly(3-hydroxybutyrát) (PHB) z intracelulárních granulí bakterie Bacillus megaterium. Tento objev předcházelo pozorování granulí v bakteriích již v roce 1888 Martinusem Beijerinckem, ale Lemoigne poprvé určil jejich chemické složení jako polyesteru hydroxykyselin. Vědci v 50. letech 20. století, konkrétně Wilkinson a jeho tým v roce 1958, znovuobjevili PHB jako uhlíkovou rezervu v bakteriích, což rozšířilo zájem o jejich roli v mikrobiálním metabolismu. V 60. letech se výzkum zaměřil na další typy PHA, jako poly(3-hydroxyvalerát) (P3HV) a poly(3-hydroxyhexanoát) (P3HHx), a na jejich mechanické vlastnosti podobné syntetickým plastům. První průmyslová výroba PHBV (kopolymeru PHB a P3HV) začala v 80. letech pod značkou Biopol firmou Monsanto, kterou později převzala Metabolix.
PHA vykazují mechanické vlastnosti podobné ropným plastům, jako polypropylen nebo polyetylen: teplotu tavení od 40 do 180 °C v závislosti na délce řetězce, dobrou pevnost v tahu a elasticitu u delších monomerů (mcl-PHA). Na rozdíl od fosilních polymerů se PHA plně biologicky rozkládají enzymy mikroorganismů v půdě, moři, kompostu nebo anaerobních podmínkách na CO2, vodu a biomasu během měsíců, aniž by zanechávaly mikroplasty. Biodegradace probíhá depolymerázami, které štěpí esterové vazby; například PHB se rozkládá rychleji než syntetické plasty, které persistují stovky let. Tato vlastnost činí PHA ideálními pro jednorázové obaly, zemědělské fólie nebo zdravotnické aplikace, kde biokompatibilita zabraňuje toxickým zbytkům. Ropné plasty, deriváty ropy jako polyetylen (PE) nebo polystyren (PS), naopak odolávají rozkladu a hromadí se v ekosystémech.
Dnes PHA tvoří rodinu více než 150 monomerů, které kombinují do kopolymerů od křehkého PHB po pružné P3HB-co-P3HHx.
Bakterie syntetizují polyhydroxyalkanoáty (PHA) v intracelulárních granulích jako zásobu uhlíku a energie za specifických podmínek. Klíčovým enzymem při tom je PHA syntáza (PhaC), která polymerizuje hydroxyalkanoát-CoA thioestry na polyesterová vlákna; ty se shlukují hydrofobními interakcemi do viditelných granulí v cytoplazmě. Bakterie aktivují syntézu při nadbytku uhlíkových substrátů, jako glukóza nebo odpady (např. lignocelulóza, mastné kyseliny), a nedostatku dusíku, fosforu, kyslíku nebo stopových prvků – tento stres směřuje metabolismus k akumulaci PHA místo růstu. Pro tvorbu nejběžnějšího typu PHB slouží tři enzymy: β-ketothioláza (PhaA) kondenzuje acetyl-CoA na acetoacetyl-CoA, NADPH-závislá reduktáza (PhaB) ho redukuje na 3-hydroxybutyryl-CoA a PHA syntáza (PhaC) polymerizuje na PHB s uvolněním CoA. Jiné monomery (např. 4-hydroxybutyrát) vyžadují specifické prekurzory a syntázy třídy I–IV, které určují složení polymeru.
České vědecké týmy inovují tento proces pro efektivnější produkci. Například v Ústavu přístrojové techniky AV ČR (ISI Brno) vědci aplikují řízenou evoluci bakterií, zlepšují odolnost kmenů vůči osmotickému nebo nutrientovému stresu a testují odpady jako substráty pro PHA z lignocelulózních materiálů v bioremediaci. Na Vysokém učení technickém v Brně (VUT Brno) zase zkoumají extremofilní bakterie, například termofilní Chelatococcus thermostellatus nebo halofily, které produkují PHA za extrémních podmínek (vysoké teploty, slanost) bez sterilních kultur, což snižuje náklady. Rovněž analyzují roli PHA granulí při osmotickém stresu. Tyto přístupy umožňují využít průmyslové odpady namísto drahé glukózy a zvyšují výnosy až na desítky procent biomasy.
Masová produkce polyhydroxyalkanoátů (PHA) naráží na překážky, které vědci řeší už desetiletí, ale stále brání komercializaci. Největší podíl na vysokých nákladech tvoří extrakce polymeru z bakteriálních buněk, která zabírá 40 až 50 % celkových výdajů. Vědci musí použít rozpouštědla jako chloroform nebo propan-2-ol, aby oddělili PHA od zbytku biomasy, což vyžaduje náročné čištění a zvyšuje ekologickou zátěž. Sterilní podmínky v fermentorech zvyšují energetické náklady, protože bakterie snadno kontaminují kulturu za dlouhých kultivací; tradiční kmeny potřebují teplotu 30 až 37 °C a čisté prostředí, což zdražuje proces oproti rophbim plastům za 1–2 USD/kg, zatímco PHA stojí 4–6 USD/kg.
Také tepelná nestabilita PHA komplikuje zpracování. Polymery se rozkládají při teplotách těsně pod bodem tavení (např. PHB u 175 °C se štěpí nad 260 °C), což vede k poklesu molekulární hmotnosti a tvorbě gelů při extruzi nebo vstřikování. Vědci musí přidávat stabilizátory nebo míchat s kopolymery, aby zabránili degradaci, ale to zvyšuje cenu. Substráty jako glukóza tvoří dalších 40 až 50 % nákladů, protože průmyslová výroba spotřebuje tuny cukru; výzkum testuje levné odpady (odpadní oleje, syrovátka), ale předzpracování lignocelulózy zase vyžaduje enzymy nebo kyseliny.
Nízké výnosy bakterií (20 až 50 % sušiny) a dlouhá doba fermentace (3 až 5 dní) omezují škálovatelnost. Většina továren produkuje stovky tun ročně, zatímco polypropylen miliardy. Křehkost PHB (nízká tažnost 5 %) nutí vyrábět drahé kopolymery jako PHBV.
V roce 2023 dosahovaly ceny PHA na čínském trhu přibližně 4 až 6 amerických dolarů za kilogram, což představuje 4 až 6násobek oproti polypropylenu (PP), běžnému plastu z ropy za 1–1,5 USD/kg. Čína se stala největším producentem PHA díky firmám jako Bluepha nebo Tianan Biologic Material, které škálují bakteriální fermentaci na průmyslové úrovni. Tento cenový rozdíl brzdí masové využití PHA, přesto Čína v roce 2023 zvýšila výrobní kapacity na tisíce tun ročně.
Vědci v ISI Brno a VUT testují extremofily pro nesterilní fermentaci a odpady, což snižuje náklady o 30 až 50 %, ale průmyslové zařízení zatím chybí.
Výzkum polyhydroxyalkanoátů v roce 2025 však přinesl významné globální pokroky. V březnu 2025 vyšla v časopise Nature studie „Production, isolation, optimization, and characterization of microbial PHA from Bacillus australimaris“. Autoři v ní identifikovali 31 bakteriálních izolátů schopných produkovat polyhydroxyalkanoáty (PHA), mezi nimi rody Bacillus, Exiguobacterium a Pseudomonas, s důrazem na syntázu třídy IV, což umožňuje vyšší výnosy z levných substrátů. Studie zkoumala tyto izoláty z různých prostředí a potvrdila jejich schopnost akumulovat PHA až na 66 % sušiny biomasy, například Pseudomonas aeruginosa dosáhla 1,12 g/L PHA z glukózy a 0,38 g/L z levnějších zdrojů jako melasa nebo banánové slupky. Syntáza třídy IV u Bacillus subtilis a Pseudomonas umožňuje polymerizaci širší škály hydroxyalkanoát-CoA thioesterů, což zvyšuje flexibilitu při použití odpadních substrátů bez ztráty výnosů. Tyto izoláty vykazovaly růst při 37 °C a pH 7 během 48 hodin, s maximální produkcí po 24–36 hodinách kultivace při 150 ot/min.
Další výzkum potvrzuje, že Pseudomonas sp. phDV1 produkuje PHA z fenolu jako jediného uhlíkového zdroje přes meta-štěpné cesty, s třídou I syntázou, což rozšiřuje spektrum izolátů na bioremediační aplikace. Kmen degraduje až 600 mg/L fenolu a akumuluje PHB s vyššími výnosy při 200 mg/L. Bakterie jako Alcaligenes sp. dosáhly 87 % PHA z rýžových otrub a 2,7 g/L z cukrové melasy, což demonstruje efektivitu levných zdrojů.
V červenci 2025 publikovali v Scientific Reports výzkumníci ze State Key Laboratory of Microbial Resources v Číně článek „PHA, the Greenest Plastic So Far: Advancing Microbial Synthesis“, kde popsali aplikaci CRISPR/Cas9 u halofilní bakterie Halomonas bluephagenesis, modifikovali metabolismus a dosáhli vyšších výnosů kopolymeru PHBV z glukózy. Tento přístup eliminuje potřebu sterilních podmínek díky slanému prostředí.
Další studie “Isolation of high yield polyhydroxyalkanoate producing bacteria from contaminated soils and biopolymer characterization” publikovaná v listopadu ve stejném vědeckém žurnálu izolovala vysokovýnosné kmeny Bacillus sp. z arktického prostředí, které produkují PHA efektivněji při nízkých teplotách, a zdůraznila udržitelné metody extrakce z průmyslových odpadů pro cirkulární ekonomiku.
V Česku nyní Grantová agentura ČR financuje enzymový výzkum Karla Sedláře z Fakulty elektrotechniky a komunikačních technologií a Fakulty chemické Vysokého učení technického v Brně, který optimalizuje bakteriální enzymy pro efektivnější syntézu bioplastů z odpadů.
„Chceme lépe pochopit, jak tyto bakterie přírodní plasty vytvářejí a jak je dokážou znovu rozložit. Proto v našem projektu JUNIOR STAR zkoumáme miliony známých mikrobiálních genomů a navíc sekvenujeme genomy nové. Hledáme v nich konkrétní geny bakterií, které vytváří enzymy zodpovědné za tvorbu PHA. Tyto geny pak klasifikujeme podle vlastností bioplastů vytvářených těmito enzymy. Naším cílem je vytvoření praktické encyklopedie umožňující ostatním vědcům cíleně vyhledávat bakterie produkující konkrétní typy plastů,“ uvedl Sedlář. Současný biopolymerní průmysl i výzkum totiž podle něj stále staví pouze na fenotypu, tedy na pozorovatelných znacích, a nesnaží se o hlubší pochopení dějů na molekulární úrovni.
„V mém projektu se na celou problematiku snažíme dívat mezioborově – propojujeme makromolekulární chemii s genomikou a bioinformatikou. Rád bych, aby jak polymeráři, tak biologové začali celou věc chápat v širších souvislostech a aby výzkum biologicky produkovaných plastů vstoupil do úplně nové éry,“ dodal Sedlář.
Také v Ústavu přístrojové techniky AV ČR proběhl projekt GA19-20697S (2019–2021) zaměřený na řízenou evoluci bakterií produkujících polyhydroxyalkanoáty PHA. Cílem bylo zlepšit odolnost těchto bakterií vůči environmentálním, antropogenním a biotechnologickým stresům díky akumulaci PHA, s aplikací na in-situ bioremediaci organických polutantů a produkci PHA z lignocelulózových substrátů.
Projekt potvrdil, že evoluční inženýrství výrazně zvyšuje robustnost bakterií pro průmyslové aplikace, kdy bakterie dosáhly zvýšené produkce PHA až o 20 až 30 %.
Na Fakultě chemické VUT se také ve více disertačních a bakalářských pracích zkoumají termofilní (např. Thermus thermophilus, Caldimonas thermodepolymerans) i halofilní bakterie (např. Halomonas salina, Halomonas halophila) pro akumulaci PHA za extrémních podmínek, jako vysoké teploty nebo osmotický tlak.
Tyto extremofily umožňují kultivaci bez sterilizace (nízké riziko kontaminace mezofily), snižují náklady na chlazení či sterilitu a využívají odpadní substráty, jako třeba syrovátka nebo melasa. Výtěžky PHA dosahují až 87% v biomase. Výzkumy zahrnují hlavně optimalizaci podmínek a inovativní izolaci PHA, což podporuje průmyslové aplikace
Tyto novinky ukazují, že výzkum má ambice překonávat i letité bariéry bariéry a prorazit více v průmyslovém měřítku.
V biomedicíně vědci využívají PHA pro švy, obvazy na rány, srdeční záplaty a cévní protézy, protože se rozkládají v těle bez toxických zbytků a podporují růst buněk jako fibroblasty či keratinocyty. Například mikrosphéry z PHB uvolňují léčiva, jako rifamycín, kontrolovaně pro embolizaci a mcl-PHA slouží pro transdermální dopravu díky nízké krystalinitě. Trojrozměrné porézní struktury PHA regenerují kosti, chrupavku a měkké tkáně; křížené polyestery vykazují pevnost vhodnou pro náhradu tkání a neprojevují cytotoxické účinky.
V obalovém průmyslu nahrazují PHA jednorázové fólie, sáčky a nádoby, kde se rozkládají v kompostu během měsíců bez mikroplastů. Firmy jako Danimer Scientific vyrábějí PHA pod značkou Nodax pro potravinářské obaly a jednorázové výrobky, zatímco RWDC Industries skladují produkci pro kompostovatelné fólie a sáčky. Textilní aplikace zahrnují vlákna pro oděvy a neprokládané textilie.
Trh s PHA i přes překážky k masovému užívání vykazuje růst díky poptávce po biodegradabilních alternativách k ropným plastům. Podle analytické a konzultační společnosti Grand View Research dosahoval v roce 2023 hodnoty 650,7 milionu USD a do roku 2030 by měl narůst na 1222,1 milionu USD. Společnost zaměřená na průzkum trhu, Mordor Intelligence, uvádí, že trh s PHA se během pěti let ztrojnásobí.*
Anna Walterová
