研究示意圖。科研團隊供圖

中國科學院深圳先進技術研究院研究員戴卓君團隊通過對微生物進行基因編輯，產生了具備極端環境耐受能力的孢子，從而使其在特定條件下分泌塑料降解酶。同時，團隊通過塑料加工方法將孢子包埋在塑料基質中。該研究為開發新型可生物降解塑料提供了新視角和新方法，有望破解當下嚴重的白色污染難題。近日，相關研究成果發表于《自然-化學生物學》。

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

長期以來，許多微生物進化出針對惡劣環境條件的抵抗力。當處于不再適合生存和繁殖的極端環境時，細菌會轉變成孢子的形式，以耐受極端的干燥、溫度和壓力。

在該研究中，戴卓君團隊利用合成生物學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入其中，并在二價錳離子的脅迫環境中，迫使枯草芽胞桿菌“休眠”，形成孢子形態。產生的孢子帶有編輯的基因，相比細菌具備了針對高溫、高壓、有機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酯(PCL)塑料母粒直接混合，制備出性能穩定的“活”塑料。測試結果表明，這種活體塑料與PCL普通塑料在屈服強度、應力極限、最大形變量和熔點等參數上均無顯著區別。在日常使用環境中，孢子保持休眠狀態，塑料也可保持穩定的使用性能。

研究發現，孢子被釋放及激活后，活體塑料可以在六七天內迅速降解，而傳統PCL塑料在21天后依舊剩余約40%的分子量。研究團隊還使用單螺桿擠出機進行了小規模工業化測試，發現活體塑料具有快速、高效的降解效率。

研究團隊還驗證了該系統的普適性。他們將帶有綠色熒光質粒的孢子分別與聚丁二酸丁二醇酯、聚己二酸對苯二甲酸丁二醇酯、聚乳酸、聚羥基脂肪酸酯、PET進行混合加工，發現即使從加工溫度為300攝氏度的PET塑料中釋放出來的孢子，依舊可以復蘇并重新表達綠色熒光，為制作其他基底的活體塑料奠定了良好的基礎。

相關論文信息：

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