自 20 世纪 30 年代问世，塑料因为轻巧、具有绝佳的阻隔特性及延展性能等特点，成为现代化社会进程中非常重要的材料。目前，全球塑料年产量已经达到约 3.5 亿吨，预计到 2050 年还会增长两倍。
不过，经久耐用作为塑料的优势之一，却反过来成为它被弃置后不可降解的 “罪魁祸首”。依照塑料材质不同，如市面上常见的材质包括 PET（聚乙烯对苯二甲酸脂）、HDPE（高密度聚乙烯）、PVC（聚氯乙烯）和 LDPE（低密度聚乙烯）等，塑料降解时间可能为几十年，甚至数百年不等。
为了扼制塑料污染持续恶化的趋势，部分国家已禁止使用一次性塑料制品。可降解塑料是替代现有塑料和从源头上解决塑料污染问题的关键材料，在禁塑令之下其需求也快速增长。据估计，目前快递包装、外卖行业以及农业薄膜领域需求的年增长量均达几十万吨。
近日，上海交通大学生命科学技术学院研究员陶飞受邀进行了主题为 “生物可降解塑料的负碳制造” 的讲座。陶飞是青年长江学者、上海市青年科技启明星、上海市浦江人才。他的科研方向为合成生物学，主要通过细胞代谢网络的设计和重塑开发细胞工厂，从而实现生物基产品的绿色制造。
▲图丨陶飞（来源：陶飞）本次讲座内容主要包括四个方面，塑料污染、光驱动的细胞工厂、负碳制造以及团队未来的研究方向。
塑料污染
据统计，西欧 / 北美等地区，每人每年消耗的塑料约达到 100kg。在我国，快递和外卖行业规模庞大，2021 年我国快递数达到 1083 亿件，外卖数则达到 171.2 亿单；2018 年全国农用膜使用量为 246.5 万吨。这些都会带来大量的塑料垃圾。
2021 年举行的第 26 届联合国气候变化大会明确提出，塑料生命周期与气候变化关系密切。据联合国统计，迄今已有约 1 亿吨塑料被倾倒入海洋，每年因塑料垃圾离世的海洋生物超过 100 万。预计到 2050 年，海洋中塑料垃圾的重量加起来将超过鱼类的总重量。
目前，全球对废旧塑料的处理方法有填埋、焚烧、再生造粒和热解等方法。填埋和焚烧法的隐患和危害比较大；再生造粒和热解技术能够实现塑料垃圾的回收和再生，不过适用对象有限，例如地膜很难实现回收和再利用，且这些方法对微塑料污染问题都无能为力。
日前，塑料垃圾酶解法再次取得新突破，美国德克萨斯州 Hal S. Alper 的团队创造了一种特殊的酶变体，能够将 PET 产品在一周内分解，某些情况下，分解时间仅为 24 小时。相关论文已发表在 Nature 上。这一新成果再次引发了关于 “实现了利用微生物降解塑料，可降解塑料的研发是否仍有必要” 等问题的讨论。
对此，陶飞表示，我个人认为酶解方案无法取代可降解塑料方案。它不是源头的解决方案，是 “先污染，后治理”，即不管酶的效率多高，都会造成污染，都不能根本消除塑料的环境影响，特别是微塑料的影响。核心逻辑是科学家无法将自然界中的微生物全部进行改造，工程上无法实现，同时也涉及到生物安全的问题，释放到环境的塑料和微塑料污染也就无法通过这种方法消除。可降解塑料则是从源头上解决塑料污染问题的终极方案。
在自然界中，和谐的生态系统的核心在于循环，塑料形成污染则是因为其无法降解造成了循环中断。在材料开发中，最理想的材料应该是在其使用周期内保证性能，之后则能够实现迅速分解。这也是可降解塑料想要无限接近的理想状态。
可降解塑料按照原料来源不同，可分为生物基的 PLA（聚乳酸）、PGA（聚乙醇酸）和 PHA（聚羟基脂肪酸酯）等，和石油基的 PBAT（聚己二酸 / 对苯二甲酸丁二醇酯）、PBS（聚丁二酸丁二醇酯）和 PCL（聚己内酯）等。其中，PLA 是目前使用量最大的可降解塑料类型。
传统的 PLA 的生物制造以玉米等粮食作为生产材料，对于粮食和土地的依赖不可避免，可持续性存在问题。因此，以非粮原料为基础的新一代 PLA 工业生产技术亟待开发。
光驱动的细胞工厂及负碳制造可降解塑料的基本生产方式涉及多个步骤。生物基可降解塑料的生产，首先要将源自粮食的淀粉或者木质纤维素等生物质转化为糖原料，再由细胞工厂利用糖生产各种产物；而石油基可降解塑料的生产，虽然原料为石油和煤炭，但其本质上也是由太阳能加二氧化碳形成的。
“光驱动细胞工厂生产是直接将太阳能和二氧化碳转化为生物制品，步骤最少，也最有效。” 陶飞说道。团队首次建立自养微生物细胞工厂，直接以二氧化碳为原料一步实现 PLA 的生物合成。底盘生物的选择为蓝细菌。
蓝细菌广泛分布于地球的各个角落，比如海洋、淡水、潮湿的土壤及裸露的岩石等，是极具潜力的微生物光合平台。相比高等植物和真核微藻，其光合效率高、细胞结构简单、生命周期短、遗传操作体系便捷，因此更适宜作为光合细胞工厂的开发底盘。
近期，陶飞团队（FEMlab）使用合成生物学技术开发了新一代可降解塑料 PLA 的 “负碳” 生产技术，并在 Green Chemistry 上发表了相关论文。该研究在光驱动蓝细菌平台上使用代谢工程和高密度培养的组合策略，实现了国际上首次以二氧化碳为原料，直接合成可降解塑料 PLA。
“自 2010 年起，我们课题组开始结合合成生物学利用光驱动生产各类化合物，至今已有十几年的时间，先后以蓝细菌作为底盘细胞实现了 C3 平台化合物甘油、DHA、乳酸、丙二醇等小分子化合物以及多种芳香化合物的光驱动制造。” 陶飞说道。
但光驱动生物制造存在两个问题，其一，物质和能量的利用效率需要进一步提高；其二，如何让蓝细菌适用于工业生产。
经过 3 年的不断探索与技术迭代，陶飞团队攻克了光驱蓝细菌合成 PLA 中的碳流重定向、蓝细菌生物量低、生长速度过慢等难点。
▲图丨二氧化碳自养合成 PLA 的合成途径（来源：GreenChemistry）
碳流重定向是如何在二氧化碳进入细胞后，使碳最终能够流向聚合物 PLA。
为解决这个问题，该团队尝试了多种方法，在系统代谢工程方面做了大量工作。通过优化关键酶的表达水平，即增强丙酰辅酶 A 转移酶（propionyl-CoA transferase）与聚羟基脂肪酸合成酶（polyhydroxyalkanoate synthase）的表达。
同时，使用 sRNA 工具组合敲低了蓝细菌的 4 个基因，将碳通量重定向到 PLA 生物合成，采用辅因子自循环系统增加辅酶的供给，显著增加 PLA 的产量。
另一方面，由于蓝细菌自身的特性，导致其生长密度不够高以及生长速度不够快。
针对该工艺问题，该团队自主研发了一种新型光反应器，对光谱做了系列优化，并采用可控的渐变光强方式，使蓝细菌细胞生长得更快、更密。同时，他们还使用微米气孔曝气、培养基优化等方法提高了生物量。
通过代谢工程和高密度培养的组合策略，研究人员将蓝细菌的细胞密度提升了 10 倍。在最佳培养条件下，蓝细菌在 7 天内最高细胞密度达 OD730nm15.0，其产生的 PLA 浓度为 108.0 mg/L，比最初构建的菌株高约 270 倍。
陶飞认为，该指标已经十分接近酵母菌的生长水平。同时，这也说明了蓝细菌还有很大的代谢潜力可供挖掘。
▲图丨高密度培养的 PLA 生产策略示意图（来源：GreenChemistry）
此外，与传统的用蓝细菌生产小分子化合物的技术相比，该技术的产物回收更加经济。蓝细菌生产产品的一大挑战在于合成产物的浓度较低，产品的提取需要浓缩等操作，步骤繁琐、能耗大、产物回收成本高。
而该技术直接在蓝细菌细胞内积累固体产物。通过该团队用自主研发的 “絮凝法” 不需要使用高能耗的 “离心法”，即可在细胞成熟后，让其自然地沉降在容器底部。实验结果表明，在重力沉降 5 分钟后，絮凝率大于 99%。
陶飞表示，通过这些代谢工程的改造，和高密度培养工艺，生产 PLA 的产量提升了 20 多倍。并且，蓝细菌细胞的 PLA 分子量（Mw, 62.5 kDa; Mn, 32.8 kDa）是迄今文献报道中生物聚合的最高水平之一，可以满足 PLA 的多种应用需求。
▲图丨生产 PLA 时，使用不同的表达的优化（来源：GreenChemistry）
与其他技术相比，该技术具有 “一石三鸟” 的作用。不仅可解决塑料污染、生物制造的非粮原料替代问题，还在合成 PLA 的过程中直接捕获二氧化碳，助力 “碳中和”、“碳达峰”。
从 “理想” 进入 “实战” 真正去解决社会问题，关键问题在于成本。据陶飞团队估算，这种新的 PLA 生产方法将低于现有可降解塑料的生产成本，且随着糖基原料的价格上涨、碳交易与碳税政策出台等，该技术的成本优势会进一步增强。
未来研究方向接下来团队的研究重点是提高 PLA 的细胞干重占比，拟将细胞干重的比例进一步提升到 50% 以上。
陶飞表示，一方面，用蛋白质工程的方法对关键酶进行改造。“我们发现酶的催化性能存在一些问题，目前已经用 AlphaFold2 预测了其结构，正在进行深入的蛋白质工程研究。接下来，我们将重点研究如何提高它对前体物质的亲合力以及 PLA 链聚合速度，以实现提高酶的催化效率，让 PLA 的整体产能更高。” 他说。
另一方面，为工业化生产做准备。该团队希望能把细胞底盘的鲁棒性进一步提升，包括系列耐受性，例如耐高光、抗污染、耐盐等能力。此外，在产品中试之前，该团队还计划针对细胞的自絮凝进行相关研究。
对于该技术的未来发展，该团队也有清晰的规划。陶飞表示，“我们计划通过 3-5 年的持续投入，进行中试和全链条的优化，将各方面指标提升至工业化水平。”
“我们也会和产业界一起合作，争取将实验室的原创小循环和工厂的大生产结合起来，实现大小循环之间的互动，最终解决从 0~1，1~10，10~100 的问题。”
“最终想要实现的未来的经济形态，就是以各种各样的二氧化碳气体为原料，利用细胞工厂生产目标材料，彻底解决塑料污染的问题，同时解决未来材料可持续制造的问题。我们也希望用蓝细菌 “种植” 的材料未来能够走向太空，正如‘科学狂人’马斯克提出的用蓝细菌改造火星一样。”
▲图丨 PLA 均聚物在工程化中的积累特性（来源：Green Chemistry）
他还认为，合成生物学会向智能化和多技术融合的方向发展。目前，科学家已经通过 AlphaFold 对蛋白质结构进行预测。AI 在生物领域的应用正在迅速发展。未来，AI 技术渗透到合成生物学领域一定会产生一些革命性成果，尤其是用 AI 进行代谢网络的学习和设计方面。这也是团队 “智能代谢重编” 方向的努力目标之一。
此外，高通量、自动化等先进技术手段融合到合成生物学领域也是当下的热点和趋势。陶飞举例说道：“微流控、液体工作站等高通量技术、正在兴起的单细胞技术都会帮助合成生物学的研究产出真正的大数据，进而为 AI 提供强大的数据驱动力，最终让我们对代谢网络的操控，真正达到可预测、可计算和可设计的水平。”
最后，陶飞特别感谢了科技部重点研发计划项目 “超进化聚球藻底盘细胞的设计构建” 对这项研究的支持，感谢了 FEMlab 团队成员，以及国内和国际的合作者。
