深圳先研院&深圳理工大学国家优青Nat Chem Biol-合成生物学-利用工程孢子编程可降解的活性塑料

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一、中文标题

利用工程孢子编程可降解的活性塑料（Degradable living plastics programmed by engineered spores）

二、发表单位及通讯作者

• 主要单位： 中国科学院深圳先进技术研究院合成生物学研究所、哈尔滨工业大学化学与化学工程学院、南方科技大学机械与能源工程系等。

• 通讯作者： 戴卓君（Zhuojun Dai），邮箱：zj.dai@siat.ac.cn

三、科学问题

如何构建一种在正常使用条件下稳定、在特定触发条件下可快速降解的塑料材料，以解决传统塑料难以降解带来的环境污染问题？

四、发表时间

• 日期：2024年8月21日

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

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五、摘要

      本研究提出并实现了一种“活性塑料”的制备策略，通过将经过合成生物学改造的枯草芽孢杆菌孢子嵌入聚合物基体（如聚己内酯，PCL）中。孢子具有极强的环境耐受性，能在塑料加工的高温、有机溶剂等恶劣条件下存活。在塑料使用期间，孢子处于休眠状态，材料性能与普通塑料无异。当塑料表面被侵蚀（如通过添加南极假丝酵母脂肪酶CA-lipase）后，孢子被释放并萌发，恢复的细胞在木糖诱导下分泌伯克霍尔德氏菌脂肪酶（BC-lipase），从而实现对聚合物基体的近完全解聚降解。该研究为开发兼具使用性能与可控降解性的绿色塑料材料提供了新思路。

图1 设计活体塑料

六、研究背景

       塑料因其轻质、稳定、坚固和成本低廉等优点，已广泛应用于日常生活和工业生产中。然而，绝大多数传统塑料在自然环境中难以降解，其废弃物在环境中长期累积，造成了严重的“白色污染”，成为全球性的生态环境挑战。

       自然界中存在一些能够降解塑料的微生物和酶。例如，2016年科学家发现了一种可以降解聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）的细菌及其相关酶。受此启发，将降解酶嵌入塑料内部以实现其自降解成为一种潜在解决方案。然而，酶的活性通常对高温、有机溶剂等条件极为敏感，而这些条件恰恰是塑料加工（如熔融挤出、注塑）过程中的常态，导致嵌入的酶在加工阶段就已失活，无法在后续发挥降解作用。

       细菌在长期进化中发展出了应对极端环境的策略，其中形成孢子是最为经典和有效的机制之一。孢子具有多层保护结构，能够抵御高温、高压、干燥和有机溶剂等胁迫，并在环境适宜时迅速萌发恢复为营养细胞。本研究巧妙地将合成生物学与材料工程相结合：首先，对模式生物枯草芽孢杆菌进行基因工程改造，构建了可在木糖诱导下分泌PCL降解酶（BC-lipase）的基因回路，并将其转化为孢子；随后，将这些具有极强耐受性的工程孢子与聚合物原料混合，在标准塑料加工条件下制备成各种形态的塑料制品，从而创造出一种新型的“活性塑料”材料。

七、研究结果

结果1、孢子对环境胁迫的耐受性       研究选取枯草芽孢杆菌作为底盘生物。实验证实，其孢子能耐受高温（85-120°C处理20分钟）和有机溶剂（甲苯浸泡24小时）的严酷处理。热处理后的孢子在营养培养基中能迅速恢复生长并达到与未处理孢子相当的细胞密度，而营养细胞在相同条件下则无法存活。这证明孢子能够抵御塑料加工过程中的典型环境压力。

图2 孢子耐受性

结果2、工程孢子分泌PCL降解酶的构建       研究人员在枯草芽孢杆菌中构建了基因回路：一个由木糖诱导启动子控制的T7 RNA聚合酶表达系统，以及一个由T7启动子驱动的目标基因（BC-lipase，其N端带有分泌标签）。实验表明，从携带该回路的工程孢子萌发而来的细胞，能成功表达并分泌具有活性的BC-lipase。该酶因其独特的疏水裂缝和极性残基结构，能有效结合并水解PCL链。将PCL薄膜与诱导后的工程菌共培养，可观察到薄膜被侵蚀，凝胶渗透色谱（GPC）分析也证实了聚合物分子量下降和降解产物的出现。

图3 工程化孢子

结果3、孢子嵌入PCL薄膜的制备与降解触发        通过溶剂浇铸法，将工程孢子均匀分散于PCL溶液中，制备出“活性薄膜”。力学性能（拉伸强度）和热性能（熔融温度）测试表明，嵌入孢子并未对PCL薄膜的物理性质产生明显影响。研究选用CA-lipase作为触发剂，其表面暴露的浅活性位点能通过随机切割方式侵蚀塑料表面，释放内部孢子。实验显示：仅添加CA-lipase时，活性薄膜仅被部分降解；而同时添加CA-lipase（触发孢子释放）和木糖（诱导BC-lipase表达）后，活性薄膜在7天内被近完全降解。在工业堆肥测试中，即使不添加CA-lipase，活性薄膜也显示出比普通薄膜更快的解聚速度。

图4 制备工艺

结果4、孢子嵌入PCL塑料物体的3D打印与降解       为了证明该技术与实际塑料加工工艺的兼容性，研究采用熔融沉积成型（FDM）3D打印技术，在120°C的喷头温度下将工程孢子与PCL熔体混合并打印成三维物体。高温处理会使纯BC-lipase失活，但孢子内的基因回路功能得以完好保存。打印出的“活性塑料”物体在孢子休眠时保持稳定。当用CA-lipase处理表面并添加木糖诱导后，3D打印的活性塑料棒在约6-7天内被近完全降解，而对照样品仅部分降解。对降解产物的液质联用（LC-MS）分析表明，其主要成分为小于500 Da的小分子。       研究展示了该平台的模块化和稳健性：工程孢子可耐受单螺杆挤出等工业加工条件；除了酶触发，研磨或沸水处理也能有效释放孢子并激活其功能；该系统还可拓展至其他聚合物（如PBAT、PBS、PLA、PHA、PET）体系。此外，在没有抗生素选择压力的情况下，工程菌株在长期培养后仍能保持一定的质粒持久性和功能。

图5 应用介绍

八、讨论

       本研究成功开发了一种基于工程孢子嵌入的“活性塑料”新范式，有效解决了酶在塑料加工过程中易失活的核心难题。孢子作为天然的抗逆载体，保护了基因回路和细胞活力，使材料在加工和使用阶段保持稳定，而在特定触发后启动高效生物降解。该系统具有高度模块化特性，可通过更换降解酶、底盘菌株、聚合物基质和触发方式，应用于多种塑料的可持续化设计。尽管在长期环境安全性、大规模生产成本和降解触发条件的精确控制方面仍需进一步探索，但这项工作为发展下一代智能、绿色高分子材料，特别是实现塑料产品的可控生命周期管理，提供了创新的技术路径和重要的理论依据。