來(lái)源:生物世界 中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院戴卓君課題組在 Nature 子刊 Nature Chemical Biology 上發(fā)表了題為:Degradable living plastics programmed by engineered spores 的研究論文。 該研究通過(guò)對(duì)微生物進(jìn)行基因編輯并產(chǎn)生具備極端環(huán)境耐受能力的孢子,使其可以在特定條件下分泌塑料降解酶;并通過(guò)塑料加工方法(高溫、高壓或有機(jī)溶劑)將孢子包埋在塑料基質(zhì)中。 日常使用環(huán)境中,孢子保持休眠狀態(tài),塑料也可保持穩(wěn)定的使用性能。在特定條件下(表面侵蝕、堆肥),塑料中的孢子被激活并啟動(dòng)降解程序,完成塑料的完全降解(圖1)。 塑料的發(fā)明為我們的日常生活帶來(lái)了極大的便利。但是,大規(guī)模塑料垃圾的產(chǎn)生以及不當(dāng)?shù)奶幚矸绞剑沟盟芰侠ò咨廴荆┏蔀楫?dāng)下最為嚴(yán)峻的環(huán)境問(wèn)題之一。2016年,Yoshida等人報(bào)道了土壤細(xì)菌Ideonella sakaiensis,該菌株生長(zhǎng)在日本一個(gè)塑料回收設(shè)施附近受PET污染的沉積物中。這種革蘭氏陰性、需氧、桿狀的細(xì)菌具有非凡的能力,能夠通過(guò)表達(dá)兩個(gè)關(guān)鍵酶:PETase及MHETase,從而利用PET作為其生長(zhǎng)所需要的主要碳源。在之后的一系列研究中,大量合成生物學(xué)領(lǐng)域的工作圍繞著塑料降解相關(guān)酶的挖掘、設(shè)計(jì)、進(jìn)化及改造開(kāi)展,但鮮有工作關(guān)注可降解塑料的合成方法創(chuàng)新。 2018年及2021年,具有高分子物理背景的Ting Xu課題組(加州大學(xué)伯克利分校)先后在 Science 和 Nature 發(fā)表了兩篇文章,從另一個(gè)視角和維度推進(jìn)了可降解塑料的研發(fā)。在2018年的 Science 論文中,研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)出一種由四種單體合成的聚合物(RHPs,random heteropolymers),每種單體亞單位能與目標(biāo)蛋白表面上的化學(xué)片段相互作用。這些單體亞單位相互連接模擬天然蛋白,從而使得它們與蛋白表面之間的相互作用的靈活性實(shí)現(xiàn)最大化,這種基于相互作用的理性設(shè)計(jì)使蛋白質(zhì)在無(wú)細(xì)胞合成中進(jìn)行正確折疊,并保持水溶性蛋白質(zhì)在有機(jī)溶劑中的活性。在這個(gè)工作的基礎(chǔ)上,Ting Xu的團(tuán)隊(duì)將塑料降解酶,RHPs與塑料母粒(聚己內(nèi)酯,PCL)進(jìn)行混合加工,RHPs保護(hù)了水解酶在苛刻的塑料加工環(huán)境中的生物學(xué)功能。在無(wú)水環(huán)境下塑料可以穩(wěn)定使用,而在有水環(huán)境或堆肥條件下可以迅速降解(Nature, 2021)。 將降解酶預(yù)置在塑料里需要平衡加工過(guò)程中的極端環(huán)境與酶的穩(wěn)定性。盡管Ting Xu團(tuán)隊(duì)的精彩工作提出了通過(guò)RHPs調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)穩(wěn)定性這一確定方案,但是該方法的推廣仍有諸多挑戰(zhàn)。首先RHPs的合成難度高,即使對(duì)于具有一般化學(xué)合成背景的實(shí)驗(yàn)室也并非易事;其次,PCL加工溫度(80-120攝氏度)在塑料家族中幾乎是最低的,常見(jiàn)的塑料加工溫度大多大于200攝氏度,其中PET(聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯)的加工溫度更高達(dá)300攝氏度,RHPs的保護(hù)能力在這些體系中存在巨大挑戰(zhàn)。 沉睡的孢子與活塑料 在自然億萬(wàn)年的演化下,諸多微生物進(jìn)化出了針對(duì)惡劣環(huán)境條件的抵抗力。當(dāng)極端環(huán)境到來(lái),不再適合生存和繁殖的時(shí)候,細(xì)菌就會(huì)轉(zhuǎn)變成孢子的形式。這種轉(zhuǎn)變可以讓細(xì)菌獲得超強(qiáng)的抵御能力。孢子可以忍受極端的干燥、溫度和壓力,而這些極端環(huán)境恰好存在于塑料加工的環(huán)境中。 由此,研究團(tuán)隊(duì)提出通過(guò)合成生物學(xué)方法改造枯草芽孢桿菌,將可控分泌塑料降解酶(洋蔥霍爾德菌脂肪酶,Lipase BC)的基因線路導(dǎo)入枯草芽孢桿菌,并在二價(jià)錳離子的脅迫環(huán)境中,迫使枯草芽孢桿菌“休眠”,形成孢子形態(tài)。產(chǎn)生的孢子同樣帶有編輯的基因線路,并且相比于細(xì)菌還具備了針對(duì)高溫、高壓、有機(jī)溶劑和干燥的耐受性。研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)將工程化改造的孢子溶液與PCL塑料母粒直接混合,通過(guò)高溫熔融擠出或者有機(jī)溶劑方法制備了一系列含有孢子的塑料。在物理性能方面的各項(xiàng)測(cè)試中,研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)活塑料與PCL普通塑料,在屈服強(qiáng)度、應(yīng)力極限、最大形變量和熔點(diǎn)等參數(shù)上均沒(méi)有顯著區(qū)別。日常使用環(huán)境中, 孢子保持休眠狀態(tài),塑料也可保持穩(wěn)定的使用性能(圖2)。 塑料降解的第一步,是需要將活體塑料內(nèi)部的孢子成功釋放并重新復(fù)蘇生長(zhǎng)。研究團(tuán)隊(duì)首先嘗試了兩種孢子釋放的方式。一種方法是利用南極假絲酵母脂肪酶B(Lipase CA)對(duì)塑料表面進(jìn)行侵蝕。Lipase CA對(duì)PCL塑料的水解作用是一種“剪刀”形式(圖3),在宏觀上表現(xiàn)為對(duì)PCL塑料的外部破碎作用。在Lipase CA的作用下,PCL表面被破壞,包埋在材料內(nèi)部的工程化孢子被釋放到外界環(huán)境中,并開(kāi)始復(fù)蘇生長(zhǎng),啟動(dòng)Lipase BC的表達(dá)。Lipase BC會(huì)與PCL高分子鏈末端結(jié)合,進(jìn)而將PCL分子鏈一步步完全降解(最終降解分子量<500 g/mol)。結(jié)果表明,活體塑料可以在6-7天內(nèi)迅速降解,而只有表面破壞(Lipase CA)作用的普通PCL塑料即使在21天后,也有大量的塑料碎片存在(圖4)。 另一種孢子釋放的方法是堆肥,在不需要任何其他外源制劑的加入下,土壤環(huán)境中活塑料能夠在25-30天以內(nèi)就可被完全降解。而傳統(tǒng)PCL塑料則需要55天左右才能被降解至肉眼不可見(jiàn)(圖5)。 前面提到,在塑料家族中,PCL的加工條件實(shí)際較為”溫和“,該研究中選擇PCL體系更多是由于其高效的酶降解系統(tǒng)基礎(chǔ):Lipase BC作為一種processive enzyme可以捕捉PCL鏈進(jìn)行完全降解。因此為了驗(yàn)證系統(tǒng)的普適性,研究團(tuán)隊(duì)繼續(xù)嘗試了其他的塑料體系,將帶有綠色熒光質(zhì)粒的孢子分別與PBS(聚丁二酸丁二醇酯), PBAT(聚己二酸對(duì)苯二甲酸丁二醇酯), PLA(聚乳酸),PHA(聚羥基脂肪酸酯)甚至PET(聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯)進(jìn)行混合加工,其中PET的加工溫度高達(dá)300攝氏度,之后我們通過(guò)物理研磨的方法對(duì)孢子進(jìn)行了釋放。有趣的是,即使從PET塑料中釋放出來(lái)的孢子依舊可以復(fù)蘇并重新表達(dá)綠色熒光。這也為制作其他基底的活塑料奠定了良好的基礎(chǔ)(圖6)。 為了驗(yàn)證系統(tǒng)的放大可能,研究團(tuán)隊(duì)還使用單螺桿擠出機(jī)進(jìn)行了小規(guī)模工業(yè)化測(cè)試,經(jīng)過(guò)上述方法得到的活體的PCL塑料,依然具有快速高效的降解效率(圖7)。并且,研究人員還將活體塑料置于雪碧環(huán)境中浸泡2個(gè)月,在沒(méi)有外界作用的情況下,活體塑料能夠保持穩(wěn)定的外形,說(shuō)明活體塑料能夠像傳統(tǒng)塑料一樣使用,只有在它們被破壞或被廢棄的條件下,才會(huì)啟動(dòng)降解程序。這項(xiàng)研究為新型可生物降解塑料的開(kāi)發(fā),提供了新的視角和方法,有望助力解決當(dāng)下嚴(yán)重的塑料污染困境。 中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院戴卓君研究員為論文通訊作者,戴卓君課題組聯(lián)培博士唐琛望為論文第一作者,王林及孫靜在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、推進(jìn)和文章修訂中做出了重要貢獻(xiàn)。該研究獲得國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金優(yōu)青及面上項(xiàng)目、廣東省杰出青年自然科學(xué)基金等多個(gè)項(xiàng)目的支持。