新型活體塑料助力塑料污染難題
大規(guī)模塑料垃圾的產(chǎn)生和不當(dāng)?shù)奶幚矸绞?，使塑料污染成為?dāng)下最嚴(yán)峻的環(huán)境問(wèn)題之一。8月21日，中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院研究員戴卓君團(tuán)隊(duì)在《自然—化學(xué)生物學(xué)》發(fā)表研究，研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)對(duì)微生物進(jìn)行基因編輯并產(chǎn)生具備極端環(huán)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(guò)塑料加工方法將孢子包埋在塑料基質(zhì)中。
2016年，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了一種能夠利用PET（聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯）作為碳源的細(xì)菌，其通過(guò)兩種酶降解PET。后來(lái)，加州大學(xué)伯克利分校的研究人員開(kāi)發(fā)了由四種單體合成的聚合物RHPs，這些單體能與目標(biāo)蛋白表面相互作用，保護(hù)降解酶在塑料加工過(guò)程中的穩(wěn)定性。然而，RHPs合成難度高，且對(duì)高溫塑料加工環(huán)境的適應(yīng)性有限。
長(zhǎng)期以來(lái)，諸多微生物進(jìn)化出了針對(duì)惡劣環(huán)境條件的抵抗力。當(dāng)極端環(huán)境到來(lái)，不再適合生存和繁殖時(shí)，細(xì)菌會(huì)轉(zhuǎn)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(huán)境恰好存在于塑料加工的環(huán)境中。
該研究中，戴卓君團(tuán)隊(duì)利用合成生物學(xué)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(dǎo)入枯草芽孢桿菌，在二價(jià)錳離子的脅迫環(huán)境中，迫使枯草芽孢桿菌“休眠”，形成孢子形態(tài)。產(chǎn)生的孢子帶有編輯的基因線路，相比細(xì)菌具備了針對(duì)高溫、高壓、有機(jī)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(nèi)酯（PCL）塑料母粒直接混合，制備出性能穩(wěn)定的“活”塑料。測(cè)試結(jié)果表明，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)“活”塑料與PCL普通塑料，在屈服強(qiáng)度、應(yīng)力極限、最大形變量和熔點(diǎn)等參數(shù)上均沒(méi)有顯著區(qū)別。日常使用環(huán)境中, 孢子保持休眠狀態(tài)，塑料也可保持穩(wěn)定的使用性能。
研究發(fā)現(xiàn)，孢子被釋放及激活后，活體塑料可以在6至7天內(nèi)迅速降解，而傳統(tǒng)PCL塑料則在21天后依舊剩余約40%的分子量。
此外，研究團(tuán)隊(duì)還驗(yàn)證了該系統(tǒng)的普適性，將帶有綠色熒光質(zhì)粒的孢子分別與聚丁二酸丁二醇酯、聚己二酸對(duì)苯二甲酸丁二醇酯、聚乳酸、聚羥基脂肪酸酯、PET進(jìn)行混合加工。他們發(fā)現(xiàn)，即使從PET塑料中（加工溫度為300攝氏度）釋放出來(lái)的孢子依舊可以復(fù)蘇并重新表達(dá)綠色熒光，為制作其他基底的活塑料奠定良好的基礎(chǔ)。
研究團(tuán)隊(duì)還使用單螺桿擠出機(jī)進(jìn)行了小規(guī)模工業(yè)化測(cè)試，發(fā)現(xiàn)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(huán)境中浸泡2個(gè)月，在沒(méi)有外界作用的情況下，活體塑料能夠保持穩(wěn)定的外形和性質(zhì)。
該研究為新型可生物降解塑料的開(kāi)發(fā)提供了新視角和方法，有望助力解決當(dāng)下嚴(yán)重的塑料污染困境。
相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1038/s41589-024-01713-2
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