研究示意圖。科研團(tuán)隊(duì)供圖

中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院研究員戴卓君團(tuán)隊(duì)通過對(duì)微生物進(jìn)行基因編輯，產(chǎn)生了具備極端環(huán)境耐受能力的孢子，從而使其在特定條件下分泌塑料降解酶。同時(shí)，團(tuán)隊(duì)通過塑料加工方法將孢子包埋在塑料基質(zhì)中。該研究為開發(fā)新型可生物降解塑料提供了新視角和新方法，有望破解當(dāng)下嚴(yán)重的白色污染難題。近日，相關(guān)研究成果發(fā)表于《自然-化學(xué)生物學(xué)》。

2016年，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了一種能夠利用PET(聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯)作為碳源的細(xì)菌，其通過兩種酶降解PET。后來，美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校的研究人員開發(fā)了由4種單體合成的聚合物RHPs，這些單體能與目標(biāo)蛋白表面相互作用，使降解酶在塑料加工過程中保持穩(wěn)定性。然而，RHPs合成難度高，且難以適應(yīng)塑料加工的高溫環(huán)境。

長(zhǎng)期以來，許多微生物進(jìn)化出針對(duì)惡劣環(huán)境條件的抵抗力。當(dāng)處于不再適合生存和繁殖的極端環(huán)境時(shí)，細(xì)菌會(huì)轉(zhuǎn)變成孢子的形式，以耐受極端的干燥、溫度和壓力。

在該研究中，戴卓君團(tuán)隊(duì)利用合成生物學(xué)方法改造枯草芽胞桿菌，將可控分泌塑料降解酶的基因線路導(dǎo)入其中，并在二價(jià)錳離子的脅迫環(huán)境中，迫使枯草芽胞桿菌“休眠”，形成孢子形態(tài)。產(chǎn)生的孢子帶有編輯的基因，相比細(xì)菌具備了針對(duì)高溫、高壓、有機(jī)溶劑和干燥的耐受性。

他們將工程化改造的孢子溶液與聚己內(nèi)酯(PCL)塑料母粒直接混合，制備出性能穩(wěn)定的“活”塑料。測(cè)試結(jié)果表明，這種活體塑料與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)上均無顯著區(qū)別。在日常使用環(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。

研究發(fā)現(xiàn)，孢子被釋放及激活后，活體塑料可以在六七天內(nèi)迅速降解，而傳統(tǒng)PCL塑料在21天后依舊剩余約40%的分子量。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(cè)試，發(fā)現(xiàn)活體塑料具有快速、高效的降解效率。

研究團(tuán)隊(duì)還驗(yàn)證了該系統(tǒng)的普適性。他們將帶有綠色熒光質(zhì)粒的孢子分別與聚丁二酸丁二醇酯、聚己二酸對(duì)苯二甲酸丁二醇酯、聚乳酸、聚羥基脂肪酸酯、PET進(jìn)行混合加工，發(fā)現(xiàn)即使從加工溫度為300攝氏度的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，為制作其他基底的活體塑料奠定了良好的基礎(chǔ)。

相關(guān)論文信息：

https://doi.org/10.1038/s41589-024-01713-2