文|創(chuàng)瞰巴黎 Tania Louis
編輯|Meister Xia
導(dǎo)讀
人類產(chǎn)生的塑料垃圾總量已高達(dá)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(xì)菌和真菌已經(jīng)進(jìn)化出了分解塑料的能力，通過合成生物學(xué)對(duì)微生物進(jìn)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(duì)大多數(shù)生物有害，但一些細(xì)菌和真菌進(jìn)化出了以塑料為養(yǎng)料的能力。
- 合成生物學(xué)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(xué)技術(shù)提倡將基因工程手段在分子生物學(xué)層面應(yīng)用，培育出有特定功能的“超級(jí)生物”。
- 利用合成生物學(xué)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(huì)成為垃圾。截止2015年，人類產(chǎn)生的塑料垃圾總量已高達(dá)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(duì)絕大多數(shù)生物有害，但一些細(xì)菌和真菌已經(jīng)進(jìn)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(dòng)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(xué)手段對(duì)塑料預(yù)處理，然后引進(jìn)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(duì)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(xì)菌也有顯著的局限性：分解時(shí)間長達(dá)幾周甚至幾個(gè)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(duì)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(duì)生理機(jī)制的理解，提高了結(jié)果預(yù)測(cè)能力，推動(dòng)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(dòng)合成特定蛋白質(zhì)。許多生物學(xué)課題都在研究如何刺激或抑制細(xì)胞或生物體某些基因的表達(dá)?；蚓庉嬕呀?jīng)成為了一門成熟的“工藝”，每個(gè)研究人員都能根據(jù)自己的需求進(jìn)行基因剪切和組合。不過，這一技術(shù)的應(yīng)用不僅限于科研！
2000年，合成生物學(xué)提出可將基因工程手段應(yīng)用于分子生物學(xué)。合成生物學(xué)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(jìn)行優(yōu)化組合，然后植入微生物的細(xì)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(fù)雜的。在細(xì)胞的實(shí)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(yù)測(cè)，“生物工廠”的規(guī)模化應(yīng)用面臨顯著障礙。
圖片來源：PI France
注：基因工程+合成生物學(xué)項(xiàng)目的一般流程，涉及的關(guān)鍵要素在每個(gè)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(xué)完成了從理論到實(shí)踐的跨越。許多企業(yè)都在投資合成生物學(xué)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(cè)序和新型基因編輯技術(shù)快速發(fā)展，計(jì)算機(jī)工具日益強(qiáng)大，能在愈發(fā)豐富的數(shù)據(jù)庫中整合新知識(shí)，合成生物學(xué)取得重大突破指日可待[8]。
03 前沿實(shí)踐
微生物降解塑料效率低，無法大規(guī)模使用，但對(duì)它們的研究給合成生物學(xué)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(jì)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(duì)其進(jìn)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(huì)導(dǎo)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(shì)。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(lì)措施來推動(dòng)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(xué)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(xué)者在對(duì)堆肥堆進(jìn)行宏基因組分析時(shí)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(xué)者通過引進(jìn)突變，進(jìn)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(dāng)[12]。Carbios已成功開啟了示范生產(chǎn)項(xiàng)目 [13]，還建成了首個(gè)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(yīng)用，都對(duì)該領(lǐng)域抱有極大期望。合成生物學(xué)技術(shù)及其與其他學(xué)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(yīng)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(fù)雜：合成生物學(xué)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(qǐng)專利保護(hù)？轉(zhuǎn)基因微生物釋放到自然環(huán)境中，會(huì)不會(huì)產(chǎn)生風(fēng)險(xiǎn)？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(shí)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(jì)本身就是個(gè)不小的挑戰(zhàn)[17]，而減少對(duì)無處不在的塑料用品的依賴，是另一個(gè)挑戰(zhàn)。每一個(gè)新技術(shù)的誕生發(fā)展，都是一種進(jìn)步，但我們也應(yīng)意識(shí)到?jīng)]有哪個(gè)工具能憑借其一己之力解決所有的問題。