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“藍藻細胞工廠用于生產高性能生物降解塑料的直接碳捕獲”，利用藍藻細胞做底盤細胞，以二氧化碳為原料，成功直接合成PLA（聚乳酸）。

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

      塑料污染是21世紀最嚴峻挑戰(zhàn)之一。人類的活動產生大量的塑料廢棄物，形成白色污染，損害生態(tài)和人類健康。

      目前，人們通常使用焚燒和掩埋處理塑料廢棄物。但這兩種方法都會帶來進一步的環(huán)境污染問題，掩埋占用土地資源，不僅處理時間漫長，還會污染環(huán)境；而焚燒產生的有毒氣體和煙塵還會造成環(huán)境的二次污染。

      因此，生產可降解塑料代替?zhèn)鹘y塑料，從生產源頭上避免污染，被認為是解決塑料污染問題的終極方案。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材料，會導致材料生產與糧食供應產生資源競爭，其可持續(xù)性存在問題。因此，以非糧原料為基礎的新一代PLA工業(yè)生產技術亟待開發(fā)。

      近日，上海交通大學生命科學技術學院食品與環(huán)境生物技術團隊（FEMlab）使用合成生物學技術開發(fā)了新一代可降解塑料PLA的“負碳”生產技術，為這兩個問題的協同解決提供了新思路。

      他們在光驅動藍細菌平臺上使用代謝工程和高密度培養(yǎng)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。

      該技術不僅可解決塑料污染、PLA生產的非糧原料替代問題，還能在合成PLA的過程中直接捕獲二氧化碳，助力“碳中和”“碳達峰”。

來源：Green Chemistry

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

      該團隊經過3年的不斷探索與技術迭代，在PLA合成的研究中，攻克了碳流重定向、藍細菌生物量低、生長速度過慢等難點。

二氧化碳自養(yǎng)合成 PLA 的合成途徑（來源：Green Chemistry）

      一方面，解決碳流重定向的問題，簡單來說，就是如何在二氧化碳進入細胞后，使碳最終能夠流向聚合物PLA。

      為解決這個問題，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。通過優(yōu)化關鍵酶的表達水平，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，使用sRNA工具組合敲低了藍細菌的4個基因，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，顯著增加了PLA的產量。

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

      針對該工藝問題，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，使藍細菌細胞生長得更快、更密。同時，他們還使用微米氣孔曝氣、培養(yǎng)基優(yōu)化等方法提高了生物量。

      通過代謝工程和高密度培養(yǎng)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(yǎng)條件下，藍細菌在7天內最高細胞密度達OD730nm 15.0，其產生的PLA濃度為108.0mg/L，比最初構建的菌株高約270倍。

      陶飛認為，該指標已經十分接近酵母菌的生長水平。同時，這也說明了藍細菌還有很大的代謝潛力可供挖掘。

高密度培養(yǎng)的PLA生產策略示意圖（來源：Green Chemistry）

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

      而該技術直接在藍細菌細胞內積累固體產物。通過該團隊用自主研發(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，通過這些代謝工程的改造，和高密度培養(yǎng)工藝，生產PLA的產量提升了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，可以滿足PLA的多種應用需求。

生產PLA時，使用不同的表達的優(yōu)化（來源：Green Chemistry）

 

      與其他技術相比，該技術具有“一石三鳥”的作用。

      第一，解決塑料污染的問題。解決白色污染的根本方案是使用可降解塑料，來代替?zhèn)鹘y的不可降解塑料。新一代的PLA生產技術，為可降解塑料生產，提供一種可持續(xù)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生產中潛在的“與人爭糧”“與糧爭地”問題。值得注意的是，以糖基化合物作為原料合成可降解塑料，對于需要大宗生產的PLA來說，不是一種可持續(xù)發(fā)展策略。這個過程需要消耗大量糧食，其制造工藝的大規(guī)模鋪開將不可避免地面臨“與人爭糧”或“與糧爭地”的問題。

      這一新技術將合成的過程“化繁為簡”，把“二氧化碳-糧食-淀粉-糖-乳酸-丙交酯-PLA”的漫長的合成過程，轉變?yōu)橐粋€合成的“長鏈條”（代謝途徑）裝進細胞中，直接使用二氧化碳為原料，不再依賴糧食原料。

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

      可以說，該技術具備經濟、社會、環(huán)境的多重效益，及工業(yè)化生產前景。

      從國家的宏觀政策層面，我們經歷了從“限塑令”到“禁塑令”的變化。

      2007年12月，國務院辦公廳頒布《關于限制生產銷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《關于進一步加強塑料污染治理的意見》。

      此外，塑料的市場規(guī)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規(guī)模541億美元，預計到2025年，中國塑料包裝市場規(guī)模將達到698億美元。如果以30%的可降解塑料替換率進行推測，預計2025年中國可降解塑料包裝市場規(guī)模約209億美元。”

      這種通過藍細菌生產可降解塑料的技術，為聚合物的大規(guī)模生產提供新的借鑒思路。而該技術工業(yè)化的大規(guī)模生產的關鍵，取決于生產成本。據該團隊估算，這種新的PLA生產方法將低于現有可降解塑料的生產成本。

      陶飛表示，這里的生產成本并未考慮市場條件變化的因素。如糖基原料的價格上漲、碳交易與碳稅政策出臺等。一旦這些市場因素發(fā)生變化，那么，該技術的成本優(yōu)勢會進一步增強。

PLA均聚物在工程化中的積累特性（來源：Green Chemistry）

 

      那么，該技術的未來發(fā)展有怎樣的可能性呢？

      一方面，該方法將減碳與塑料生產相融合。該團隊計劃在日后使用無碳的可持續(xù)發(fā)展方式——直接用太陽能或新能源所產生的電作為生產PLA能源，使用電廠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，未來將會形成“負碳”制造產業(yè)，也將帶來規(guī)模的經濟效益。

      另一方面，該技術會帶來雙重環(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發(fā)展趨勢，這也意味著該領域有巨大的發(fā)展前景。通過減碳解決溫室效應，也已經成為國際發(fā)展趨勢。該技術為同時解決這兩個環(huán)境問題提供了方案。

      此外，該技術可用于高性能PLA制造。當前，PLA被廣泛地應用于在化學、醫(yī)療、制藥和3D打印等領域。該技術采用生物法合成，與傳統的化學法相比，沒有重金屬催化物殘留的問題，使該技術生產的PLA在高端的領域應用前景更加廣闊。

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

來源：Green Chemistry

      

       據介紹，該團隊下一步的研究重點是提高PLA的細胞干重占比，擬將細胞干重的比例進一步提升到50%以上。

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

      另一方面，為工業(yè)化生產做準備。該團隊希望能把細胞底盤的魯棒性進一步提升，包括系列耐受性，例如耐高光、抗污染、耐鹽等能力。此外，在產品中試之前，該團隊還計劃針對細胞的自絮凝進行相關研究。

      對于該技術的未來發(fā)展，該團隊也有清晰的規(guī)劃。陶飛表示，“我們計劃通過3-5 年的持續(xù)投入，進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。”