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。