新型活體塑料助力塑料污染難題

大規模塑料垃圾的產生和不當的處理方式，使塑料污染成為當下最嚴峻的環境問題之一。8月21日，中國科學院深圳先進技術研究院研究員戴卓君團隊在《自然—化學生物學》發表研究，研究團隊通過對微生物進行基因編輯并產生具備極端環境耐受能力的孢子，使其可以在特定條件下分泌塑料降解酶，并通過塑料加工方法將孢子包埋在塑料基質中。

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，加州大學伯克利分校的研究人員開發了由四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，保護降解酶在塑料加工過程中的穩定性。然而，RHPs合成難度高，且對高溫塑料加工環境的適應性有限。

長期以來，諸多微生物進化出了針對惡劣環境條件的抵抗力。當極端環境到來，不再適合生存和繁殖時，細菌會轉變成孢子的形式。孢子可以忍受極端的干燥、溫度和壓力，這些極端環境恰好存在于塑料加工的環境中。

該研究中，戴卓君團隊利用合成生物學方法，改造枯草芽孢桿菌，將可控分泌塑料降解酶的基因線路導入枯草芽孢桿菌，在二價錳離子的脅迫環境中，迫使枯草芽孢桿菌“休眠”，形成孢子形態。產生的孢子帶有編輯的基因線路，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，研究團隊發現“活”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沒有顯著區別。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6至7天內迅速降解，而傳統PCL塑料則在21天后依舊剩余約40%的分子量。

此外，研究團隊還驗證了該系統的普適性，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。他們發現，即使從PET塑料中（加工溫度為300攝氏度）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塑料奠定良好的基礎。

研究團隊還使用單螺桿擠出機進行了小規模工業化測試，發現活體的PCL塑料具有快速高效的降解效率。此外，研究人員將活體塑料置于雪碧環境中浸泡2個月，在沒有外界作用的情況下，活體塑料能夠保持穩定的外形和性質。

該研究為新型可生物降解塑料的開發提供了新視角和方法，有望助力解決當下嚴重的塑料污染困境。

相關論文信息：https://doi.org/10.1038/s41589-024-01713-2

研究示意圖 科研團隊供圖