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

      通過(guò)系統(tǒng)代謝工程和高密度培養(yǎng)策略的結(jié)合，藍(lán)藻細(xì)胞工廠合成PLA的效率提高了約270倍。 

      塑料污染是21世紀(jì)最嚴(yán)峻挑戰(zhàn)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(zhǎng)，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?zhèn)鹘y(tǒng)塑料，從生產(chǎn)源頭上避免污染，被認(rèn)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(dāng)前最為理想的候選可降解聚合物。

      傳統(tǒng)的PLA制造以玉米等糧食作為生產(chǎn)材料，會(huì)導(dǎo)致材料生產(chǎn)與糧食供應(yīng)產(chǎn)生資源競(jìng)爭(zhēng)，其可持續(xù)性存在問(wèn)題。因此，以非糧原料為基礎(chǔ)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(tuán)隊(duì)（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(fù)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?cè)诠怛?qū)動(dòng)藍(lán)細(xì)菌平臺(tái)上使用代謝工程和高密度培養(yǎng)的組合策略，在國(guó)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(dá)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(tuán)隊(duì)首次建立自養(yǎng)微生物細(xì)胞工廠，直接以二氧化碳為原料一步實(shí)現(xiàn)PLA的生物合成。

      該團(tuán)隊(duì)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(lán)細(xì)菌生物量低、生長(zhǎng)速度過(guò)慢等難點(diǎn)。

二氧化碳自養(yǎng)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(xì)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(tuán)隊(duì)嘗試了多種方法，在系統(tǒng)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(dá)水平，即增強(qiáng)丙酰輔酶A轉(zhuǎn)移酶（propionyl-CoA transferase）與聚羥基脂肪酸合成酶（polyhydroxyalkanoate synthase）的表達(dá)。

      同時(shí)，使用sRNA工具組合敲低了藍(lán)細(xì)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(tǒng)增加輔酶的供給，顯著增加了PLA的產(chǎn)量。

      另一方面，由于藍(lán)細(xì)菌自身的特性，導(dǎo)致其生長(zhǎng)密度不夠高以及生長(zhǎng)速度不夠快。

      針對(duì)該工藝問(wèn)題，該團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)了一種新型光反應(yīng)器，對(duì)光譜做了系列優(yōu)化，并采用可控的漸變光強(qiáng)方式，使藍(lán)細(xì)菌細(xì)胞生長(zhǎng)得更快、更密。同時(shí)，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(guò)代謝工程和高密度培養(yǎng)的組合策略，研究人員將藍(lán)細(xì)菌的細(xì)胞密度提升了 10倍。在最佳培養(yǎng)條件下，藍(lán)細(xì)菌在7天內(nèi)最高細(xì)胞密度達(dá)OD730nm 15.0，其產(chǎn)生的PLA濃度為108.0mg/L，比最初構(gòu)建的菌株高約270倍。

      陶飛認(rèn)為，該指標(biāo)已經(jīng)十分接近酵母菌的生長(zhǎng)水平。同時(shí)，這也說(shuō)明了藍(lán)細(xì)菌還有很大的代謝潛力可供挖掘。

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

      此外，與傳統(tǒng)的用藍(lán)細(xì)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(jì)。藍(lán)細(xì)菌生產(chǎn)產(chǎn)品的一大挑戰(zhàn)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(lán)細(xì)菌細(xì)胞內(nèi)積累固體產(chǎn)物。通過(guò)該團(tuán)隊(duì)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(xì)胞成熟后，讓其自然地沉降在容器底部。實(shí)驗(yàn)結(jié)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(yǎng)工藝，生產(chǎn)PLA的產(chǎn)量提升了20多倍。并且，藍(lán)細(xì)菌細(xì)胞的PLA分子量（Mw, 62.5 kDa; Mn, 32.8 kDa）是迄今文獻(xiàn)報(bào)道中生物聚合的最高水平之一，可以滿(mǎn)足PLA的多種應(yīng)用需求。

生產(chǎn)PLA時(shí)，使用不同的表達(dá)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?zhèn)鹘y(tǒng)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(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(chǎn)中潛在的“與人爭(zhēng)糧”“與糧爭(zhēng)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(duì)于需要大宗生產(chǎn)的PLA來(lái)說(shuō)，不是一種可持續(xù)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(guī)模鋪開(kāi)將不可避免地面臨“與人爭(zhēng)糧”或“與糧爭(zhēng)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(zhǎng)的合成過(guò)程，轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)合成的“長(zhǎng)鏈條”（代謝途徑）裝進(jìn)細(xì)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(xiàn)減碳、助力“碳達(dá)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(xiàn)高值產(chǎn)品的制造，在經(jīng)濟(jì)性上更有吸引力，可幫助實(shí)現(xiàn)減碳的加速發(fā)展。

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

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

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

      此外，塑料的市場(chǎng)規(guī)模也不容忽視，根據(jù)美國(guó)調(diào)查機(jī)構(gòu)Grand View Research 的數(shù)據(jù)，“2019年中國(guó)塑料包裝市場(chǎng)規(guī)模541億美元，預(yù)計(jì)到2025年，中國(guó)塑料包裝市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到698億美元。如果以30%的可降解塑料替換率進(jìn)行推測(cè)，預(yù)計(jì)2025年中國(guó)可降解塑料包裝市場(chǎng)規(guī)模約209億美元。”

      這種通過(guò)藍(lán)細(xì)菌生產(chǎn)可降解塑料的技術(shù)，為聚合物的大規(guī)模生產(chǎn)提供新的借鑒思路。而該技術(shù)工業(yè)化的大規(guī)模生產(chǎn)的關(guān)鍵，取決于生產(chǎn)成本。據(jù)該團(tuán)隊(duì)估算，這種新的PLA生產(chǎn)方法將低于現(xiàn)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(tái)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(shì)會(huì)進(jìn)一步增強(qiáng)。

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(tuán)隊(duì)計(jì)劃在日后使用無(wú)碳的可持續(xù)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(dá)峰”模式，未來(lái)將會(huì)形成“負(fù)碳”制造產(chǎn)業(yè)，也將帶來(lái)規(guī)模的經(jīng)濟(jì)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。可降解塑料尚處于早期發(fā)展階段，用可降解塑料替代傳統(tǒng)的塑料是未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)，這也意味著該領(lǐng)域有巨大的發(fā)展前景。通過(guò)減碳解決溫室效應(yīng)，也已經(jīng)成為國(guó)際發(fā)展趨勢(shì)。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(dāng)前，PLA被廣泛地應(yīng)用于在化學(xué)、醫(yī)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(tǒng)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(yīng)用前景更加廣闊。

      陶飛舉例說(shuō)道：“比如醫(yī)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(jù)介紹，該團(tuán)隊(duì)下一步的研究重點(diǎn)是提高PLA的細(xì)胞干重占比，擬將細(xì)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(duì)關(guān)鍵酶進(jìn)行改造。“我們發(fā)現(xiàn)酶的催化性能存在一些問(wèn)題，目前已經(jīng)用AlphaFold2把它的結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)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(duì)前體物質(zhì)的親合力以及PLA鏈聚合速度，以實(shí)現(xiàn)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(zhǔn)備。該團(tuán)隊(duì)希望能把細(xì)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(tuán)隊(duì)還計(jì)劃針對(duì)細(xì)胞的自絮凝進(jìn)行相關(guān)研究。

      對(duì)于該技術(shù)的未來(lái)發(fā)展，該團(tuán)隊(duì)也有清晰的規(guī)劃。陶飛表示，“我們計(jì)劃通過(guò)3-5 年的持續(xù)投入，進(jìn)行中試和全鏈條的優(yōu)化，將各方面指標(biāo)提升至工業(yè)化水平。”