Nature子刊：中科院深圳先进院戴卓君团队开发“活”塑料，利用合成生物学助力塑料降解

来源：生物世界 2024-09-01 14:13

中国科学院深圳先进技术研究院戴卓君课题组在 Nature 子刊 Nature Chemical Biology 上发表了题为：Degradable living plastics programmed by engineered spores 的研究论文。

该研究通过对微生物进行基因编辑并产生具备极端环境耐受能力的孢子，使其可以在特定条件下分泌塑料降解酶；并通过塑料加工方法（高温、高压或有机溶剂）将孢子包埋在塑料基质中。

日常使用环境中，孢子保持休眠状态，塑料也可保持稳定的使用性能。在特定条件下（表面侵蚀、堆肥），塑料中的孢子被激活并启动降解程序，完成塑料的完全降解（图1）。

图1. 整体研究思路

塑料的发明为我们的日常生活带来了极大的便利。但是，大规模塑料垃圾的产生以及不当的处理方式，使得塑料垃圾（白色污染）成为当下最为严峻的环境问题之一。2016年，Yoshida等人报道了土壤细菌Ideonella sakaiensis，该菌株生长在日本一个塑料回收设施附近受PET污染的沉积物中。这种革兰氏阴性、需氧、杆状的细菌具有非凡的能力，能够通过表达两个关键酶：PETase及MHETase，从而利用PET作为其生长所需要的主要碳源。在之后的一系列研究中，大量合成生物学领域的工作围绕着塑料降解相关酶的挖掘、设计、进化及改造开展，但鲜有工作关注可降解塑料的合成方法创新。

2018年及2021年，具有高分子物理背景的Ting Xu课题组（加州大学伯克利分校）先后在 Science 和 Nature 发表了两篇文章，从另一个视角和维度推进了可降解塑料的研发。在2018年的 Science 论文中，研究团队开发出一种由四种单体合成的聚合物（RHPs，random heteropolymers），每种单体亚单位能与目标蛋白表面上的化学片段相互作用。这些单体亚单位相互连接模拟天然蛋白，从而使得它们与蛋白表面之间的相互作用的灵活性实现最大化，这种基于相互作用的理性设计使蛋白质在无细胞合成中进行正确折叠，并保持水溶性蛋白质在有机溶剂中的活性。在这个工作的基础上，Ting Xu的团队将塑料降解酶，RHPs与塑料母粒（聚己内酯，PCL）进行混合加工，RHPs保护了水解酶在苛刻的塑料加工环境中的生物学功能。在无水环境下塑料可以稳定使用，而在有水环境或堆肥条件下可以迅速降解（Nature,2021）。

将降解酶预置在塑料里需要平衡加工过程中的极端环境与酶的稳定性。尽管Ting Xu团队的精彩工作提出了通过RHPs调节蛋白质稳定性这一确定方案，但是该方法的推广仍有诸多挑战。首先RHPs的合成难度高，即使对于具有一般化学合成背景的实验室也并非易事；其次，PCL加工温度（80-120摄氏度）在塑料家族中几乎是最低的，常见的塑料加工温度大多大于200摄氏度，其中PET（聚对苯二甲酸乙二醇酯）的加工温度更高达300摄氏度，RHPs的保护能力在这些体系中存在巨大挑战。

沉睡的孢子与活塑料

在自然亿万年的演化下，诸多微生物进化出了针对恶劣环境条件的抵抗力。当极端环境到来，不再适合生存和繁殖的时候，细菌就会转变成孢子的形式。这种转变可以让细菌获得超强的抵御能力。孢子可以忍受极端的干燥、温度和压力，而这些极端环境恰好存在于塑料加工的环境中。

由此，研究团队提出通过合成生物学方法改造枯草芽孢杆菌，将可控分泌塑料降解酶（洋葱霍尔德菌脂肪酶，Lipase BC）的基因线路导入枯草芽孢杆菌，并在二价锰离子的胁迫环境中，迫使枯草芽孢杆菌 休眠 ，形成孢子形态。产生的孢子同样带有编辑的基因线路，并且相比于细菌还具备了针对高温、高压、有机溶剂和干燥的耐受性。研究团队通过将工程化改造的孢子溶液与PCL塑料母粒直接混合，通过高温熔融挤出或者有机溶剂方法制备了一系列含有孢子的塑料。在物理性能方面的各项测试中，研究团队发现活塑料与PCL普通塑料，在屈服强度、应力极限、最大形变量和熔点等参数上均没有显著区别。日常使用环境中, 孢子保持休眠状态，塑料也可保持稳定的使用性能（图2）。

图2. 普通PCL塑料和 活 塑料的宏观和微观照片