“活”塑料有望破解白色污染难题

研究示意图。科研团队供图

中国科学院深圳先进技术研究院研究员戴卓君团队通过对微生物进行基因编辑，产生了具备极端环境耐受能力的孢子，从而使其在特定条件下分泌塑料降解酶。同时，团队通过塑料加工方法将孢子包埋在塑料基质中。该研究为开发新型可生物降解塑料提供了新视角和新方法，有望破解当下严重的白色污染难题。近日，相关研究成果发表于《自然-化学生物学》。

2016年，科学家发现了一种能够利用PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯)作为碳源的细菌，其通过两种酶降解PET。后来，美国加州大学伯克利分校的研究人员开发了由4种单体合成的聚合物RHPs，这些单体能与目标蛋白表面相互作用，使降解酶在塑料加工过程中保持稳定性。然而，RHPs合成难度高，且难以适应塑料加工的高温环境。

长期以来，许多微生物进化出针对恶劣环境条件的抵抗力。当处于不再适合生存和繁殖的极端环境时，细菌会转变成孢子的形式，以耐受极端的干燥、温度和压力。

在该研究中，戴卓君团队利用合成生物学方法改造枯草芽胞杆菌，将可控分泌塑料降解酶的基因线路导入其中，并在二价锰离子的胁迫环境中，迫使枯草芽胞杆菌“休眠”，形成孢子形态。产生的孢子带有编辑的基因，相比细菌具备了针对高温、高压、有机溶剂和干燥的耐受性。

他们将工程化改造的孢子溶液与聚己内酯(PCL)塑料母粒直接混合，制备出性能稳定的“活”塑料。测试结果表明，这种活体塑料与PCL普通塑料在屈服强度、应力极限、最大形变量和熔点等参数上均无显著区别。在日常使用环境中，孢子保持休眠状态，塑料也可保持稳定的使用性能。

研究发现，孢子被释放及激活后，活体塑料可以在六七天内迅速降解，而传统PCL塑料在21天后依旧剩余约40%的分子量。研究团队还使用单螺杆挤出机进行了小规模工业化测试，发现活体塑料具有快速、高效的降解效率。

研究团队还验证了该系统的普适性。他们将带有绿色荧光质粒的孢子分别与聚丁二酸丁二醇酯、聚己二酸对苯二甲酸丁二醇酯、聚乳酸、聚羟基脂肪酸酯、PET进行混合加工，发现即使从加工温度为300摄氏度的PET塑料中释放出来的孢子，依旧可以复苏并重新表达绿色荧光，为制作其他基底的活体塑料奠定了良好的基础。

相关论文信息：

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