前言

      近日，由上海交大陶飛研究員為通訊作者，上海交大博士生譚春林該論文的第一作者，發(fā)表于《Green Chemisty》的論文“藍藻細胞工廠(chǎng)用于生產(chǎn)高性能生物降解塑料的直接碳捕獲”，利用藍藻細胞做底盤(pán)細胞，以二氧化碳為原料，成功直接合成PLA（聚乳酸）。

      通過(guò)系統代謝工程和高密度培養策略的結合，藍藻細胞工廠(chǎng)合成PLA的效率提高了約270倍。 

      塑料污染是21世紀最嚴峻挑戰之一。人類(lèi)的活動(dòng)產(chǎn)生大量的塑料廢棄物，形成白色污染，損害生態(tài)和人類(lèi)健康。

      目前，人們通常使用焚燒和掩埋處理塑料廢棄物。但這兩種方法都會(huì )帶來(lái)進(jìn)一步的環(huán)境污染問(wèn)題，掩埋占用土地資源，不僅處理時(shí)間漫長(cháng)，還會(huì )污染環(huán)境；而焚燒產(chǎn)生的有毒氣體和煙塵還會(huì )造成環(huán)境的二次污染。

      因此，生產(chǎn)可降解塑料代替傳統塑料，從生產(chǎn)源頭上避免污染，被認為是解決塑料污染問(wèn)題的終極方案。綜合各種因素，聚乳酸（Polylactic Acid，PLA）是當前最為理想的候選可降解聚合物。

      傳統的PLA制造以玉米等糧食作為生產(chǎn)材料，會(huì )導致材料生產(chǎn)與糧食供應產(chǎn)生資源競爭，其可持續性存在問(wèn)題。因此，以非糧原料為基礎的新一代PLA工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)亟待開(kāi)發(fā)。

      近日，上海交通大學(xué)生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院食品與環(huán)境生物技術(shù)團隊（FEMlab）使用合成生物學(xué)技術(shù)開(kāi)發(fā)了新一代可降解塑料PLA的“負碳”生產(chǎn)技術(shù)，為這兩個(gè)問(wèn)題的協(xié)同解決提供了新思路。

      他們在光驅動(dòng)藍細菌平臺上使用代謝工程和高密度培養的組合策略，在國際上首次以二氧化碳為原料，直接合成可降解塑料PLA。

      該技術(shù)不僅可解決塑料污染、PLA生產(chǎn)的非糧原料替代問(wèn)題，還能在合成PLA的過(guò)程中直接捕獲二氧化碳，助力“碳中和”“碳達峰”。

來(lái)源：Green Chemistry

      這種新一代的PLA生產(chǎn)技術(shù)，與以往PLA的制造思路完全不同。該團隊首次建立自養微生物細胞工廠(chǎng)，直接以二氧化碳為原料一步實(shí)現PLA的生物合成。

      該團隊經(jīng)過(guò)3年的不斷探索與技術(shù)迭代，在PLA合成的研究中，攻克了碳流重定向、藍細菌生物量低、生長(cháng)速度過(guò)慢等難點(diǎn)。

二氧化碳自養合成 PLA 的合成途徑（來(lái)源：Green Chemistry）

      一方面，解決碳流重定向的問(wèn)題，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是如何在二氧化碳進(jìn)入細胞后，使碳最終能夠流向聚合物PLA。

      為解決這個(gè)問(wèn)題，該團隊嘗試了多種方法，在系統代謝工程方面做了大量工作。通過(guò)優(yōu)化關(guān)鍵酶的表達水平，即增強丙酰輔酶A轉移酶（propionyl-CoA transferase）與聚羥基脂肪酸合成酶（polyhydroxyalkanoate synthase）的表達。

      同時(shí)，使用sRNA工具組合敲低了藍細菌的4個(gè)基因，將碳通量重定向到PLA生物合成，采用輔因子自循環(huán)系統增加輔酶的供給，顯著(zhù)增加了PLA的產(chǎn)量。

      另一方面，由于藍細菌自身的特性，導致其生長(cháng)密度不夠高以及生長(cháng)速度不夠快。

      針對該工藝問(wèn)題，該團隊自主研發(fā)了一種新型光反應器，對光譜做了系列優(yōu)化，并采用可控的漸變光強方式，使藍細菌細胞生長(cháng)得更快、更密。同時(shí)，他們還使用微米氣孔曝氣、培養基優(yōu)化等方法提高了生物量。

      通過(guò)代謝工程和高密度培養的組合策略，研究人員將藍細菌的細胞密度提升了 10倍。在最佳培養條件下，藍細菌在7天內最高細胞密度達OD730nm 15.0，其產(chǎn)生的PLA濃度為108.0mg/L，比最初構建的菌株高約270倍。

      陶飛認為，該指標已經(jīng)十分接近酵母菌的生長(cháng)水平。同時(shí)，這也說(shuō)明了藍細菌還有很大的代謝潛力可供挖掘。

高密度培養的PLA生產(chǎn)策略示意圖（來(lái)源：Green Chemistry）

      此外，與傳統的用藍細菌生產(chǎn)小分子化合物的技術(shù)相比，該技術(shù)的產(chǎn)物回收更加經(jīng)濟。藍細菌生產(chǎn)產(chǎn)品的一大挑戰在于合成產(chǎn)物的濃度較低，產(chǎn)品的提取需要濃縮等操作，步驟繁瑣、能耗大、產(chǎn)物回收成本高。

      而該技術(shù)直接在藍細菌細胞內積累固體產(chǎn)物。通過(guò)該團隊用自主研發(fā)的“絮凝法”不需要使用高能耗的“離心法”，即可在細胞成熟后，讓其自然地沉降在容器底部。實(shí)驗結果表明，在重力沉降5分鐘后，絮凝率大于99%。

      陶飛表示，通過(guò)這些代謝工程的改造，和高密度培養工藝，生產(chǎn)PLA的產(chǎn)量提升了20多倍。并且，藍細菌細胞的PLA分子量（Mw, 62.5 kDa; Mn, 32.8 kDa）是迄今文獻報道中生物聚合的最高水平之一，可以滿(mǎn)足PLA的多種應用需求。

生產(chǎn)PLA時(shí)，使用不同的表達的優(yōu)化（來(lái)源：Green Chemistry）

 

      與其他技術(shù)相比，該技術(shù)具有“一石三鳥(niǎo)”的作用。

      第一，解決塑料污染的問(wèn)題。解決白色污染的根本方案是使用可降解塑料，來(lái)代替傳統的不可降解塑料。新一代的PLA生產(chǎn)技術(shù)，為可降解塑料生產(chǎn)，提供一種可持續的發(fā)展策略，從而為可降解塑料的替代提供保障。

      第二，解決PLA生產(chǎn)中潛在的“與人爭糧”“與糧爭地”問(wèn)題。值得注意的是，以糖基化合物作為原料合成可降解塑料，對于需要大宗生產(chǎn)的PLA來(lái)說(shuō)，不是一種可持續發(fā)展策略。這個(gè)過(guò)程需要消耗大量糧食，其制造工藝的大規模鋪開(kāi)將不可避免地面臨“與人爭糧”或“與糧爭地”的問(wèn)題。

      這一新技術(shù)將合成的過(guò)程“化繁為簡(jiǎn)”，把“二氧化碳-糧食-淀粉-糖-乳酸-丙交酯-PLA”的漫長(cháng)的合成過(guò)程，轉變?yōu)橐粋€(gè)合成的“長(cháng)鏈條”（代謝途徑）裝進(jìn)細胞中，直接使用二氧化碳為原料，不再依賴(lài)糧食原料。

      第三，在PLA的合成過(guò)程中直接捕獲二氧化碳，將二氧化碳“變廢為寶”，可實(shí)現減碳、助力“碳達峰”。以廢棄的溫室氣體作為原料生產(chǎn)材料，能夠在減碳的同時(shí)實(shí)現高值產(chǎn)品的制造，在經(jīng)濟性上更有吸引力，可幫助實(shí)現減碳的加速發(fā)展。

      可以說(shuō)，該技術(shù)具備經(jīng)濟、社會(huì )、環(huán)境的多重效益，及工業(yè)化生產(chǎn)前景。

      從國家的宏觀(guān)政策層面，我們經(jīng)歷了從“限塑令”到“禁塑令”的變化。

      2007年12月，國務(wù)院辦公廳頒布《關(guān)于限制生產(chǎn)銷(xiāo)售使用塑料購物袋的通知》；2020年1月，國家發(fā)改委、生態(tài)環(huán)境部發(fā)布《關(guān)于進(jìn)一步加強塑料污染治理的意見(jiàn)》。

      此外，塑料的市場(chǎng)規模也不容忽視，根據美國調查機構Grand View Research 的數據，“2019年中國塑料包裝市場(chǎng)規模541億美元，預計到2025年，中國塑料包裝市場(chǎng)規模將達到698億美元。如果以30%的可降解塑料替換率進(jìn)行推測，預計2025年中國可降解塑料包裝市場(chǎng)規模約209億美元。”

      這種通過(guò)藍細菌生產(chǎn)可降解塑料的技術(shù)，為聚合物的大規模生產(chǎn)提供新的借鑒思路。而該技術(shù)工業(yè)化的大規模生產(chǎn)的關(guān)鍵，取決于生產(chǎn)成本。據該團隊估算，這種新的PLA生產(chǎn)方法將低于現有可降解塑料的生產(chǎn)成本。

      陶飛表示，這里的生產(chǎn)成本并未考慮市場(chǎng)條件變化的因素。如糖基原料的價(jià)格上漲、碳交易與碳稅政策出臺等。一旦這些市場(chǎng)因素發(fā)生變化，那么，該技術(shù)的成本優(yōu)勢會(huì )進(jìn)一步增強。

PLA均聚物在工程化中的積累特性（來(lái)源：Green Chemistry）

 

      那么，該技術(shù)的未來(lái)發(fā)展有怎樣的可能性呢？

      一方面，該方法將減碳與塑料生產(chǎn)相融合。該團隊計劃在日后使用無(wú)碳的可持續發(fā)展方式——直接用太陽(yáng)能或新能源所產(chǎn)生的電作為生產(chǎn)PLA能源，使用電廠(chǎng)碳排放或者直接使用空氣中的二氧化碳作為碳源。這符合全球提倡的“碳減排”“碳達峰”模式，未來(lái)將會(huì )形成“負碳”制造產(chǎn)業(yè)，也將帶來(lái)規模的經(jīng)濟效益。

      另一方面，該技術(shù)會(huì )帶來(lái)雙重環(huán)境效益。塑料污染和氣候變暖都是重要的環(huán)境問(wèn)題?？山到馑芰仙刑幱谠缙诎l(fā)展階段，用可降解塑料替代傳統的塑料是未來(lái)發(fā)展趨勢，這也意味著(zhù)該領(lǐng)域有巨大的發(fā)展前景。通過(guò)減碳解決溫室效應，也已經(jīng)成為國際發(fā)展趨勢。該技術(shù)為同時(shí)解決這兩個(gè)環(huán)境問(wèn)題提供了方案。

      此外，該技術(shù)可用于高性能PLA制造。當前，PLA被廣泛地應用于在化學(xué)、醫療、制藥和3D打印等領(lǐng)域。該技術(shù)采用生物法合成，與傳統的化學(xué)法相比，沒(méi)有重金屬催化物殘留的問(wèn)題，使該技術(shù)生產(chǎn)的PLA在高端的領(lǐng)域應用前景更加廣闊。

      陶飛舉例說(shuō)道：“比如醫用的手術(shù)縫線(xiàn)，其中的PLA不允許含重金屬成分，而生物法合成的PLA可以滿(mǎn)足這一要求。”

來(lái)源：Green Chemistry

      

       據介紹，該團隊下一步的研究重點(diǎn)是提高PLA的細胞干重占比，擬將細胞干重的比例進(jìn)一步提升到50%以上。

       陶飛表示，一方面，用蛋白質(zhì)工程的方法對關(guān)鍵酶進(jìn)行改造。“我們發(fā)現酶的催化性能存在一些問(wèn)題，目前已經(jīng)用AlphaFold2把它的結構預測出來(lái)了，正在進(jìn)行深入的蛋白質(zhì)工程研究。接下來(lái)，我們將重點(diǎn)研究如何提高它對前體物質(zhì)的親合力以及PLA鏈聚合速度，以實(shí)現提高酶的催化效率，讓PLA的整體產(chǎn)能更高。”他說(shuō)。

      另一方面，為工業(yè)化生產(chǎn)做準備。該團隊希望能把細胞底盤(pán)的魯棒性進(jìn)一步提升，包括系列耐受性，例如耐高光、抗污染、耐鹽等能力。此外，在產(chǎn)品中試之前，該團隊還計劃針對細胞的自絮凝進(jìn)行相關(guān)研究。

      對于該技術(shù)的未來(lái)發(fā)展，該團隊也有清晰的規劃。陶飛表示，“我們計劃通過(guò)3-5 年的持續投入，進(jìn)行中試和全鏈條的優(yōu)化，將各方面指標提升至工業(yè)化水平。”