前言

      近日，由上海交大陶飞研究员为通讯作者，上海交大博士生谭春林该论文的第一作者，发表于《Green Chemisty》的论文“蓝藻细胞工厂用于生产高性能生物降解塑料的直接碳捕获”，利用蓝藻细胞做底盘细胞，以二氧化碳为原料，成功直接合成PLA（聚乳酸）。

      通过系统代谢工程和高密度培养策略的结合，蓝藻细胞工厂合成PLA的效率提高了约270倍。 

      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。

      近日，上海交通大学生命科学技术学院食品与环境生物技术团队（FEMlab）使用合成生物学技术开发了新一代可降解塑料PLA的“负碳”生产技术，为这两个问题的协同解决提供了新思路。

      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”。

来源：Green Chemistry

      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。

二氧化碳自养合成 PLA 的合成途径（来源：Green Chemistry）

      一方面，解决碳流重定向的问题，简单来说，就是如何在二氧化碳进入细胞后，使碳最终能够流向聚合物PLA。

      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108.0mg/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。

高密度培养的PLA生产策略示意图（来源：Green Chemistry）

      此外，与传统的用蓝细菌生产小分子化合物的技术相比，该技术的产物回收更加经济。蓝细菌生产产品的一大挑战在于合成产物的浓度较低，产品的提取需要浓缩等操作，步骤繁琐、能耗大、产物回收成本高。

      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。

生产PLA时，使用不同的表达的优化（来源：Green Chemistry）

 

      与其他技术相比，该技术具有“一石三鸟”的作用。

      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。

      可以说，该技术具备经济、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，我们经历了从“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。

PLA均聚物在工程化中的积累特性（来源：Green Chemistry）

 

      那么，该技术的未来发展有怎样的可能性呢？

      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。”

来源：Green Chemistry

      

       据介绍，该团队下一步的研究重点是提高PLA的细胞干重占比，拟将细胞干重的比例进一步提升到50%以上。

       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。”