文|創(chuàng)瞰巴黎 Tania Louis

編輯|Meister Xia

導讀

人類產(chǎn)生的塑料垃圾總量已高達數(shù)十億噸，其中大部分被填埋或拋棄到自然環(huán)境中，造成環(huán)境和生態(tài)污染。一些細菌和真菌已經(jīng)進化出了分解塑料的能力，通過合成生物學對微生物進行功能優(yōu)化，或有望解決世界塑料垃圾污染問題。

一覽：

• 2021年全球生產(chǎn)了3.9億噸塑料，其中大部分最終成為垃圾，被拋棄到自然環(huán)境中。
• 雖然塑料對大多數(shù)生物有害，但一些細菌和真菌進化出了以塑料為養(yǎng)料的能力。
• 合成生物學技術(shù)的利用，有望解決世界塑料垃圾污染問題。
• 合成生物學技術(shù)提倡將基因工程手段在分子生物學層面應用，培育出有特定功能的“超級生物”。
• 利用合成生物學優(yōu)化微生物性狀，或能為生物降解塑料開辟新局面。

由于疫情的影響，2020年全球塑料產(chǎn)量停滯不前，但一年后又開始增長：2021年生產(chǎn)了3.9億噸塑料，其中90%使用的是化石原料（煤炭、石油和天然氣）[1]。這些塑料大多數(shù)最終會成為垃圾。截止2015年，人類產(chǎn)生的塑料垃圾總量已高達50億噸，其中79%被填埋或拋棄到自然環(huán)境中[2]。塑料帶來的環(huán)境問題很多，微生物能幫忙解決嗎？

01 天然的“塑料饕餮”

盡管塑料對絕大多數(shù)生物有害，但一些細菌和真菌已經(jīng)進化出了分解塑料的能力，能從中獲取營養(yǎng)。這些微生物存在于土壤、海洋和動物腸道中。它們分泌的酶能分解長鏈烴，降解多種類型的塑料（如PET、PP、PS、PE、PUR、PLA…） [3]。然而，這并不意味只要給它們“投喂”塑料，垃圾問題就能立刻得到解決。

用紫外線或化學手段對塑料預處理，然后引進微生物并置于最佳的pH值和溫度條件下，降解效果最好[4]。然而，每種微生物只對某些塑料有活性，而且能以塑料為養(yǎng)料并不意味著能將其完全降解。即使是目前的“明星菌株”——能將PET分解為單體的Ideonella sakaiensis細菌也有顯著的局限性：分解時間長達幾周甚至幾個月 [5]。換句話說，雖然具有塑料降解能力的微生物不是解決塑料污染的“萬靈藥”，但仍然可以對人類有很大的幫助！

02 生物功能優(yōu)化

基因技術(shù)的發(fā)展提升了人類對生理機制的理解，提高了結(jié)果預測能力，推動了分子工具的開發(fā)。如今，人類掌握了基因編輯技術(shù)，尤其擅長讓生物體自動合成特定蛋白質(zhì)。許多生物學課題都在研究如何刺激或抑制細胞或生物體某些基因的表達?；蚓庉嬕呀?jīng)成為了一門成熟的“工藝”，每個研究人員都能根據(jù)自己的需求進行基因剪切和組合。不過，這一技術(shù)的應用不僅限于科研！

2000年，合成生物學提出可將基因工程手段應用于分子生物學。合成生物學將基因等DNA序列（尤其是調(diào)控序列）視為構(gòu)建塊，依據(jù)代謝工程的邏輯進行優(yōu)化組合，然后植入微生物的細胞，將它們變成微型的轉(zhuǎn)基因“生物工廠”，生產(chǎn)人類所需的物質(zhì)。這種方法存在局限性——生物體是混亂、復雜的。在細胞的實際生活環(huán)境中，理論上看似最佳的合成途徑并非真正最佳。而且生物體往往敏感和不可預測，“生物工廠”的規(guī)模化應用面臨顯著障礙。

圖片來源：PI France

注：基因工程+合成生物學項目的一般流程，涉及的關(guān)鍵要素在每個步驟中都有說明[6]。

盡管如此，在過去的二十年里，合成生物學完成了從理論到實踐的跨越。許多企業(yè)都在投資合成生物學技術(shù)，在醫(yī)藥、食品和材料等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化[7]。DNA合成、高通量測序和新型基因編輯技術(shù)快速發(fā)展，計算機工具日益強大，能在愈發(fā)豐富的數(shù)據(jù)庫中整合新知識，合成生物學取得重大突破指日可待[8]。

03 前沿實踐

微生物降解塑料效率低，無法大規(guī)模使用，但對它們的研究給合成生物學帶來了許多新的啟示。研究中發(fā)現(xiàn)的每一種酶都是一種新工具，可用于設(shè)計和優(yōu)化代謝途徑。研究微生物分泌的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)并對其進行修改，就能在短短幾年內(nèi)制造出性能更優(yōu)的新型蛋白質(zhì)[9, 10]。

傳統(tǒng)的塑料回收會導致塑料品質(zhì)下降。然而，通過生物降解法能得到可用的單體，將其重新合成，就能生產(chǎn)出全新的塑料制品，顏色、用途完全沒有限制。不過生物降解也有其劣勢。首先，生物降解需使用添加劑，必須妥善處理以免造成污染。其次，用生物降解法比用化石能源生產(chǎn)塑料要昂貴，因此需要制定一些激勵措施來推動企業(yè)轉(zhuǎn)型。再者，由于生物降解過程不可避免地存在損耗，不可能讓塑料無限再生循環(huán)。最后，雖然生物降解法不再是純粹的理論，其具體工藝仍在開發(fā)完善中！

法國企業(yè)Carbios是合成生物學塑料降解領(lǐng)域的先驅(qū)者。Carbios利用一種名為LCC的酶，開發(fā)了新型工藝。2012年，日本學者在對堆肥堆進行宏基因組分析時發(fā)現(xiàn)了LCC酶[11]。與其他能夠降解PET的蛋白質(zhì)相比，LCC的降解效率更高。學者通過引進突變，進一步提高了LCC活性和耐溫性。通過LCC生產(chǎn)單體再造PET的成本，已經(jīng)與傳統(tǒng)工藝生產(chǎn)出的全新PET相當[12]。Carbios已成功開啟了示范生產(chǎn)項目 [13]，還建成了首個生物循環(huán)產(chǎn)線[14]。

04 生物降解的潛力和局限性

目前，與塑料回收和塑料替代材料開發(fā)相關(guān)的專利數(shù)量不斷上升，體現(xiàn)出這一領(lǐng)域的蓬勃活力[15]。無論是基礎(chǔ)研究還是產(chǎn)業(yè)工業(yè)應用，都對該領(lǐng)域抱有極大期望。合成生物學技術(shù)及其與其他學科的結(jié)合[16]有望成為控制塑料污染的利器。

然而，我們不應忽視生物降解法的弊端。有些弊端是顯而易見的：添加劑污染、產(chǎn)能較低、成本高昂、不適用所有類型塑料、難以規(guī)?；?。有些弊端則更為復雜：合成生物學培育出的微生物都經(jīng)過基因編輯，此類活生物體是否能申請專利保護？轉(zhuǎn)基因微生物釋放到自然環(huán)境中，會不會產(chǎn)生風險？雖然生物降解塑料在垃圾處理中能發(fā)揮大用途，但這一技術(shù)的使用仍需接受管控。

總的來說，實現(xiàn)塑料的合理使用，人類還有很長的路要走。建立真正的循環(huán)經(jīng)濟本身就是個不小的挑戰(zhàn)[17]，而減少對無處不在的塑料用品的依賴，是另一個挑戰(zhàn)。每一個新技術(shù)的誕生發(fā)展，都是一種進步，但我們也應意識到?jīng)]有哪個工具能憑借其一己之力解決所有的問題。