塑料的發(fā)明為我們的日常生活帶來了極大的便利。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)境問題之一。
8月21日，中國科學(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發(fā)表題為“Degradable living plastics programmed by engineered spores”的研究工作。該工作通過對(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。
文章上線截圖
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）。
圖1. 整體研究思路
研究背景
2016年，Yoshida等人報(bào)道了土壤細(xì)菌Ideonella sakaiensis，該菌株生長在日本一個(gè)塑料回收設(shè)施附近受PET污染的沉積物中（Science,2016）。這種革蘭氏陰性、需氧、桿狀的細(xì)菌具有非凡的能力，能夠通過表達(dá)兩個(gè)關(guān)鍵酶：PETase及MHETase，從而利用PET作為其生長所需要的主要碳源。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（University of California,Berkeley）先后在Science和Nature發(fā)表文章，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中，研究團(tuán)隊(duì)開發(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)能力在這些體系中面臨巨大挑戰(zhàn)。
沉睡的孢子與活塑料
在自然億萬年的演化下，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，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)將工程化改造的孢子溶液與PCL塑料母粒直接混合，通過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）。
圖2. 普通PCL塑料和“活”塑料的宏觀、微觀照片
孢子的釋放及降解過程的啟動(dòng)
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。研究人員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。
圖3.?兩種酶對(duì)PCL塑料的降解機(jī)理示意圖
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，并開始復(fù)蘇生長，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）。
圖4. 兩種酶對(duì)PCL塑料，降解前后的表面結(jié)構(gòu)和分子量變化。(a) CA酶處理普通PCL塑料（左）和活體功能塑料（右）的降解效果；(b)活PCL降解過程中分子量變化曲線；(c) 僅CA酶對(duì)普通PCL塑料降解過程中分子量變化曲線
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（圖5）。
圖5. “活”塑料在土壤條件下的堆埋降解。(a)?活體塑料在土壤環(huán)境中降解；(b) 普通PCL塑料在土壤環(huán)境中降解
前面提到，在塑料家族中，PCL的加工條件實(shí)際較為“溫和”，本研究中選擇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，之后通過物理研磨的方法對(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）。
圖6. 其他基底“活”塑料。(a)?其他塑料種類及其加工溫度；(b) 熱熔制備多種基底的“活”塑料；(c) 物理破碎塑料，釋放并激活攜帶綠色熒光蛋白的孢子；(d) 研磨破碎“活”塑料；(e) 工程化孢子成功釋放并表達(dá)綠色熒光蛋白
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)化測試，經(jīng)過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，在沒有外界作用的情況下，活體塑料能夠保持穩(wěn)定的外形，說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。
圖7. 單螺桿擠出機(jī)制備“活”塑料，及其降解性能測試。(a)?單螺桿擠出機(jī)制備得到的活體功能塑料；(b) 單螺桿制備活體功能材料的降解測試
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)。該研究獲得國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等多個(gè)項(xiàng)目的支持。
參考文獻(xiàn)：
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