减少塑料污染，合成生物学技术开辟新道路

Tania Louis

生物学博士、《瞰创新》撰稿人

人类产生的塑料垃圾总量已高达数十亿吨，其中大部分被填埋或抛弃到自然环境中，造成环境和生态污染。一些细菌和真菌已经进化出了分解塑料的能力，通过合成生物学对微生物进行功能优化，或有望解决世界塑料垃圾污染问题。

2021年全球生产了3.9亿吨塑料，其中大部分最终成为垃圾，被抛弃到自然环境中。

虽然塑料对大多数生物有害，但一些细菌和真菌进化出了以塑料为养料的能力。

合成生物学技术的利用，有望解决世界塑料垃圾污染问题。

合成生物学技术提倡将基因工程手段在分子生物学层面应用，培育出有特定功能的“超级生物”。

利用合成生物学优化微生物性状，或能为生物降解塑料开辟新局面。

由于疫情的影响，2020年全球塑料产量停滞不前，但一年后又开始增长：2021年生产了3.9亿吨塑料，其中90%使用的是化石原料（煤炭、石油和天然气）[1]。这些塑料大多数最终会成为垃圾。截止2015年，人类产生的塑料垃圾总量已高达50亿吨，其中79%被填埋或抛弃到自然环境中[2]。塑料带来的环境问题很多，微生物能帮忙解决吗？

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天然的“塑料饕餮”

尽管塑料对绝大多数生物有害，但一些细菌和真菌已经进化出了分解塑料的能力，能从中获取营养。这些微生物存在于土壤、海洋和动物肠道中。它们分泌的酶能分解长链烃，降解多种类型的塑料（如PET、PP、PS、PE、PUR、PLA…） [3]。然而，这并不意味只要给它们“投喂”塑料，垃圾问题就能立刻得到解决。

图片来源：PI France

注：3D模拟图，降解PET细菌分泌的酶。PET是一种用于纺织品和包装的塑料。

用紫外线或化学手段对塑料预处理，然后引进微生物并置于最佳的pH值和温度条件下，降解效果最好[4]。然而，每种微生物只对某些塑料有活性，而且能以塑料为养料并不意味着能将其完全降解。即使是目前的“明星菌株”——能将PET分解为单体的Ideonella sakaiensis细菌也有显著的局限性：分解时间长达几周甚至几个月 [5]。换句话说，虽然具有塑料降解能力的微生物不是解决塑料污染的“万灵药”，但仍然可以对人类有很大的帮助！

02

生物功能优化

基因技术的发展提升了人类对生理机制的理解，提高了结果预测能力，推动了分子工具的开发。如今，人类掌握了基因编辑技术，尤其擅长让生物体自动合成特定蛋白质。许多生物学课题都在研究如何刺激或抑制细胞或生物体某些基因的表达。基因编辑已经成为了一门成熟的“工艺”，每个研究人员都能根据自己的需求进行基因剪切和组合。不过，这一技术的应用不仅限于科研！

2000年，合成生物学提出可将基因工程手段应用于分子生物学。合成生物学将基因等DNA序列（尤其是调控序列）视为构建块，依据代谢工程的逻辑进行优化组合，然后植入微生物的细胞，将它们变成微型的转基因“生物工厂”，生产人类所需的物质。这种方法存在局限性——生物体是混乱、复杂的。在细胞的实际生活环境中，理论上看似最佳的合成途径并非真正最佳。而且生物体往往敏感和不可预测，“生物工厂”的规模化应用面临显著障碍。

图片来源：PI France

注：基因工程+合成生物学项目的一般流程，涉及的关键要素在每个步骤中都有说明[6]。

尽管如此，在过去的二十年里，合成生物学完成了从理论到实践的跨越。许多企业都在投资合成生物学技术，在医药、食品和材料等领域实现了产业化[7]。DNA合成、高通量测序和新型基因编辑技术快速发展，计算机工具日益强大，能在愈发丰富的数据库中整合新知识，合成生物学取得重大突破指日可待[8]。

03

前沿实践

微生物降解塑料效率低，无法大规模使用，但对它们的研究给合成生物学带来了许多新的启示。研究中发现的每一种酶都是一种新工具，可用于设计和优化代谢途径。研究微生物分泌的蛋白质结构并对其进行修改，就能在短短几年内制造出性能更优的新型蛋白质[9, 10]。

图片来源：PI France - PET颗粒

法国企业Carbios (https://www.carbios.com/fr/)是合成生物学塑料降解领域的先驱者。Carbios利用一种名为LCC的酶，开发了新型工艺。2012年，日本学者在对堆肥堆进行宏基因组分析时发现了LCC酶[11] (https://www.polytechnique-insights.com/tribunes/sante-et-biotech/la-metagenomique-comment-etudier-la-biodiversite-microscopique)。与其他能够降解PET的蛋白质相比，LCC的降解效率更高。学者通过引进突变，进一步提高了LCC活性和耐温性。通过LCC生产单体再造PET的成本，已经与传统工艺生产出的全新PET相当[12]。Carbios已成功开启了示范生产项目 [13]，还建成了首个生物循环产线[14]。

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生物降解的潜力和局限性

目前，与塑料回收和塑料替代材料开发相关的专利数量不断上升，体现出这一领域的蓬勃活力[15]。无论是基础研究还是产业工业应用，都对该领域抱有极大期望。合成生物学技术及其与其他学科的结合[16]有望成为控制塑料污染的利器。

然而，我们不应忽视生物降解法的弊端。有些弊端是显而易见的：添加剂污染、产能较低、成本高昂、不适用所有类型塑料、难以规模化等。有些弊端则更为复杂：合成生物学培育出的微生物都经过基因编辑，此类活生物体是否能申请专利保护？转基因微生物释放到自然环境中，会不会产生风险？虽然生物降解塑料在垃圾处理中能发挥大用途，但这一技术的使用仍需接受管控。

总的来说，实现塑料的合理使用，人类还有很长的路要走。建立真正的循环经济本身就是个不小的挑战[17]，而减少对无处不在的塑料用品的依赖，是另一个挑战。每一个新技术的诞生发展，都是一种进步，但我们也应意识到没有哪个工具能凭借其一己之力解决所有的问题。

作者

Tania Louis

编辑

Meister Xia

1.https://plasticseurope.org/knowledge-hub/plastics-the-facts-2022/

2.https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.1700782

3.https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0048969720304782

4.https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/jctb.6675

5.https://www.science.org/doi/10.1126/science.aad6359

6.https://www.nature.com/articles/s41467-020–190922

7.https://www.nature.com/articles/s41467-020–201222

8.https://www.nature.com/articles/s41467-020–190922

9.https://www.pnas.org/doi/full/10.1073/pnas.1718804115

10.https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2006753117

11.https://journals.asm.org/doi/10.1128/AEM.06725–11

12.https://www.nature.com/articles/s41586-02021494

14.https://www.radiofrance.fr/franceculture/carbios-le-recyclage-enzymatique-du-plastique-8791850

15.https://documents.epo.org/projects/babylon/eponet.nsf/0/069F978FE569055EC125876F004FFBB1/$File/patents_for_tomorrows_plastics_study_en.pdfNotamment pages 29 et 43.

16.https://www.science.org/doi/10.1126/science.abo4626

17.https://www.nature.com/articles/s41578-021–00407-8