中国科学家创建新型“光驱动细胞工厂”，实现以二氧化碳为原料的可降解塑料全合成，为材...
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塑料污染是 21 世纪最严峻挑战之一。人类的活动产生大量的塑料废弃物，形成白色污染，损害生态和人类健康。
目前，人们通常使用焚烧和掩埋处理塑料废弃物。但这两种方法都会带来进一步的环境污染问题，掩埋占用土地资源，不仅处理时间漫长，还会污染环境；而焚烧产生的有毒气体和烟尘还会造成环境的二次污染。
因此，生产可降解塑料代替传统塑料，从生产源头上避免污染，被认为是解决塑料污染问题的终极方案。综合各种因素，聚乳酸（Polylactic Acid，PLA）是当前最为理想的候选可降解聚合物。
传统的 PLA 制造以玉米等粮食作为生产材料，会导致材料生产与粮食供应产生资源竞争，其可持续性存在问题。因此，以非粮原料为基础的新一代 PLA 工业生产技术亟待开发。
他们在光驱动蓝细菌平台上使用代谢工程和高密度培养的组合策略，在国际上首次以二氧化碳为原料，直接合成可降解塑料 PLA。
该技术不仅可解决塑料污染、PLA 生产的非粮原料替代问题，还能在合成 PLA 的过程中直接捕获二氧化碳，助力“碳中和”“碳达峰”。
首次建立自养微生物细胞工厂，用“一步法”将二氧化碳直接合成 PLA
这种新一代的 PLA 生产技术，与以往 PLA 的制造思路完全不同。该团队首次建立自养微生物细胞工厂，直接以二氧化碳为原料一步实现 PLA 的生物合成。
该团队经过 3 年的不断探索与技术迭代，在 PLA 合成的研究中，攻克了碳流重定向、蓝细菌生物量低、生长速度过慢等难点。
为解决这个问题，该团队尝试了多种方法，在系统代谢工程方面做了大量工作。通过优化关键酶的表达水平，即增强丙酰辅酶 A 转移酶（propionyl-CoA transferase）与聚羟基脂肪酸合成酶（polyhydroxyalkanoate synthase）的表达。
同时，使用 sRNA 工具组合敲低了蓝细菌的 4 个基因，将碳通量重定向到 PLA 生物合成，采用辅因子自循环系统增加辅酶的供给，显著增加了 PLA 的产量。
另一方面，由于蓝细菌自身的特性，导致其生长密度不够高以及生长速度不够快。
针对该工艺问题，该团队自主研发了一种新型光反应器，对光谱做了系列优化，并采用可控的渐变光强方式，使蓝细菌细胞生长得更快、更密。同时，他们还使用微米气孔曝气、培养基优化等方法提高了生物量。
通过代谢工程和高密度培养的组合策略，研究人员将蓝细菌的细胞密度提升了 10 倍。在最佳培养条件下，蓝细菌在 7 天内最高细胞密度达 OD730nm 15.0，其产生的 PLA 浓度为 108.0 mg/L，比最初构建的菌株高约 270 倍。
陶飞认为，该指标已经十分接近酵母菌的生长水平。同时，这也说明了蓝细菌还有很大的代谢潜力可供挖掘。
而该技术直接在蓝细菌细胞内积累固体产物。通过该团队用自主研发的“絮凝法”不需要使用高能耗的“离心法”，即可在细胞成熟后，让其自然地沉降在容器底部。实验结果表明，在重力沉降 5 分钟后，絮凝率大于 99%。
陶飞表示，通过这些代谢工程的改造，和高密度培养工艺，生产 PLA 的产量提升了 20 多倍。并且，蓝细菌细胞的 PLA 分子量（Mw, 62.5 kDa; Mn, 32.8 kDa）是迄今文献报道中生物聚合的最高水平之一，可以满足 PLA 的多种应用需求。
第一，解决塑料污染的问题。解决白色污染的根本方案是使用可降解塑料，来代替传统的不可降解塑料。新一代的 PLA 生产技术，为可降解塑料生产，提供一种可持续的发展策略，从而为可降解塑料的替代提供保障。
第二，解决 PLA 生产中潜在的“与人争粮”“与粮争地”问题。值得注意的是，以糖基化合物作为原料合成可降解塑料，对于需要大宗生产的 PLA 来说，不是一种可持续发展策略。这个过程需要消耗大量粮食，其制造工艺的大规模铺开将不可避免地面临“与人争粮”或“与粮争地”的问题。
这一新技术将合成的过程“化繁为简”，把“二氧化碳-粮食-淀粉-糖-乳酸-丙交酯-PLA”的漫长的合成过程,转变为一个合成的“长链条”（代谢途径）装进细胞中，直接使用二氧化碳为原料，不再依赖粮食原料。
第三，在 PLA 的合成过程中直接捕获二氧化碳，将二氧化碳“变废为宝”，可实现减碳、助力“碳达峰”。以废弃的温室气体作为原料生产材料，能够在减碳的同时实现高值产品的制造，在经济性上更有吸引力，可帮助实现减碳的加速发展。
具备经济、社会、环境的多重效益，及工业化生产前景
从国家的宏观政策层面，经历了从“限塑令”到“禁塑令”的变化。2007 年 12 月，国务院办公厅颁布《关于限制生产销售使用塑料购物袋的通知》；2020 年 1 月，国家发改委、生态环境部发布《关于进一步加强塑料污染治理的意见》。
此外，塑料的市场规模也不容忽视，根据美国调查机构 Grand View Research 的数据，“2019 年中国塑料包装市场规模 541 亿美元，预计到 2025 年，中国塑料包装市场规模将达到 698 亿美元。如果以 30% 的可降解塑料替换率进行推测，预计 2025 年中国可降解塑料包装市场规模约 209 亿美元。”
这种通过蓝细菌生产可降解塑料的技术，为聚合物的大规模生产提供新的借鉴思路。而该技术工业化的大规模生产的关键，取决于生产成本。据该团队估算，这种新的 PLA 生产方法将低于现有可降解塑料的生产成本。
陶飞表示，这里的生产成本并未考虑市场条件变化的因素。如糖基原料的价格上涨、碳交易与碳税政策出台等。一旦这些市场因素发生变化，那么，该技术的成本优势会进一步增强。
一方面，该方法将减碳与塑料生产相融合。该团队计划在日后使用无碳的可持续发展方式——直接用太阳能或新能源所产生的电作为生产 PLA 能源，使用电厂碳排放或者直接使用空气中的二氧化碳作为碳源。这符合全球提倡的“碳减排”“碳达峰”模式，未来将会形成“负碳”制造产业，也将带来规模的经济效益。
另一方面，该技术会带来双重环境效益。塑料污染和气候变暖都是重要的环境问题。可降解塑料尚处于早期发展阶段，用可降解塑料替代传统的塑料是未来发展趋势，这也意味着该领域有巨大的发展前景。通过减碳解决温室效应，也已经成为国际发展趋势。该技术为同时解决这两个环境问题提供了方案。
此外，该技术可用于高性能 PLA 制造。当前，PLA 被广泛地应用于在化学、医疗、制药和 3D 打印等领域。该技术采用生物法合成，与传统的化学法相比，没有重金属催化物残留的问题，使该技术生产的 PLA 在高端的领域应用前景更加广阔。
陶飞举例说道：“比如医用的手术缝线，其中的 PLA 不允许含重金属成分，而生物法合成的 PLA 可以满足这一要求。”
陶飞表示，一方面，用蛋白质工程的方法对关键酶进行改造。“我们发现酶的催化性能存在一些问题，目前已经用 AlphaFold2 把它的结构预测出来了，正在进行深入的蛋白质工程研究。接下来，我们将重点研究如何提高它对前体物质的亲合力以及 PLA 链聚合速度，以实现提高酶的催化效率，让 PLA 的整体产能更高。”他说。
另一方面，为工业化生产做准备。该团队希望能把细胞底盘的鲁棒性进一步提升，包括系列耐受性，例如耐高光、抗污染、耐盐等能力。此外，在产品中试之前，该团队还计划针对细胞的自絮凝进行相关研究。
对于该技术的未来发展，该团队也有清晰的规划。陶飞表示，“我们计划通过 3-5 年的持续投入，进行中试和全链条的优化，将各方面指标提升至工业化水平。”
研究蓝细菌生物技术 10 余年，专注于智能代谢重编及光驱动合成聚合物
该团队具备合成生物学、生物信息学以及工业发酵的多学科交叉背景。他们的科研方向为合成生物学，主要通过细胞代谢网络的设计和重塑开发细胞工厂，从而实现生物基产品的绿色制造。团队提出并发展了“智能代谢重编”理念，积累了丰富的工业微生物底盘资源，在高温细胞工厂、光驱动细胞工厂取得多项成果。
该项目受到科技部国家重点研发计划合成生物学重点专项青年项目（超进化聚球藻底盘细胞的设计构建，资助号 2018YFA0903600）的资助，该项目的首席科学家为上海交通大学生命科学技术学院研究员陶飞，同时，他还是青年长江学者、上海市青年科技启明星、上海市浦江人才。
该团队从事蓝细菌方面研究已有 10 余年，已形成较为成熟的体系。此前，他们在智能代谢重编和光驱动合成方面做出系列重点工作。例如高温乳酸发酵技术，基于对细胞代谢网络的认识，找到它在代谢网络里的敏感节点进行操作，与传统代谢工程相比细胞工厂开发速度更快。产量突破 200g/L，迄今仍是文献报道中的最高水平[2]。
光驱动制造方面，2019 年，该团队获得国家重点研发计划的支持（2018YFA0903600）后，开始重点研究蓝细菌底盘在聚合物的生产上的应用。从2010年开始，先后在蓝细菌底盘实现了 C3 平台化合物甘油、DHA[3]、乳酸[4]、丙二醇[5]等从小分子化合物以及多种芳香化合物的光驱动制造[6]。
对于生物制造的未来发展，陶飞认为，生物制造领域的可持续发展必须要考虑制造原料的非粮化，二氧化碳为代表的 C1 原料潜力巨大。用 C1 原料开展生物制造，能够同时满足“不与人争粮、不与粮争地”的要求。“我认为这也是国际上先进科技的未来战略制高点之一，谁能把它做得更好，谁就掌握了生物技术的未来命脉。”
此外，他还认为，合成生物学会向智能化和多技术融合的方向发展。目前，科学家已经通过 AlphaFold 对蛋白质结构进行预测。AI 在生物领域的应用正在迅速发展。未来，AI 技术渗透到合成生物学领域一定会产生一些革命性成果，尤其是用 AI 进行代谢网络的学习和设计方面。这也是团队“智能代谢重编”方向的努力目标之一。
此外，高通量、自动化等先进技术手段融合到合成生物学领域也是当下的热点和趋势。陶飞举例说道：“微流控、液体工作站等高通量技术、正在兴起的单细胞技术都会帮助合成生物学的研究产出真正的大数据，进而为 AI 提供强大的数据驱动力，最终让我们对代谢网络的操控，真正达到可预测、可计算和可设计的水平。”
-End-
1.Tan, C. et al., Direct carbon capture for production of high-performance biodegradable plastics by cyanobacterial cell factory. Green Chem. (2022). DOI：https://doi.org/10.1039/D1GC04188F
2. Li, C. et al., Carbon flux trapping: highly efficient production of polymer-grade d-lactic acid with a thermophilic d-lactate dehydrogenase. ChemBioChem 17, 1491-1494 (2016).
3. Wang, Y. et al., P. Production of C3 platform chemicals from CO2 by genetically engineered cyanobacteria. Green Chem. 17, 3100-3110 (2015).
4. Li, C. et al., Enhancing the light-driven production of d-lactate by engineering cyanobacterium using a combinational strategy. Sci. Rep. 5, 9777 (2015).
5. Liu, H. et al., F. Enhancing light-driven 1,3-propanediol production by using natural compartmentalization of differentiated cells. ACS Synth Biol 7, 2436-2446 (2018).
6. Ni, J. et al., P. Remodeling of the photosynthetic chain promotes direct CO2 conversion into valuable aromatic compounds. Angewandte Chemie 57, 15990-15994 (2018).
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