细菌驱动的塑料：热稳定和可生物降解聚合物的突破性进展
为了减少对石油基塑胶的依赖，世界各地的生物工程师一直在对生产塑胶的微生物进行实验。现在，来自韩国科学技术院（KAIST）的一个研究团队取得了突破性成就。他们首次培育出能够生产热稳定、可生物降解塑胶的细菌，其性能类似于聚苯乙烯和PET（聚对苯二甲酸乙二醇酯）。
这一突破性成果最近发表在《生物技术趋势》杂志上，代表着向可持续替代传统塑料的重大飞跃，特别是那些用于包装和工业应用的塑料。这种新型聚合物的潜在应用范围超越了典型用途，研究人员已经在探索其在生物医学领域的应用，尤其是在药物输送系统方面。
微生物合成的优势
研究人员专注于通过微生物合成来生产苯基乳酸（PhLA），與化學合成相比，它具有多種優勢。这些优势包括更温和的反应条件、更少的环境影响、更低的成本，以及更好的发展前景。重要的是，这个过程利用可再生生物质（如葡萄糖）来生产可生物降解的聚合物。
芳香结构的挑战
生物基塑料生产中最大的障碍之一是在聚合物中包含环状的”芳香”结构，這對於製造具有許多應用所需的剛性和熱穩定性的塑膠至關重要。芳香化合物，如在聚苯乙烯和PET中所发现，对大多数微生物都有毒性，这使得使用生物工程技术生产这些聚合物变得困难。
然而，由著名化学和生物分子工程师李相燁教授（Dr. Sang Yup Lee）领导的韓國科學技術院（KAIST）团队，设计了一种新颖的方法来克服这一挑战。通过构建独特的代谢途径和设计定制的聚合酶，研究人员能够使大肠杆菌产生并耐受芳香族单体苯基乳酸。
克服关键挑战
研究团队面临三个主要挑战：
大肠杆菌天然缺乏能大量生产苯基乳酸（PhLA）的代谢机制。
没有现成的天然聚合酶可以将PhLA聚合成聚苯基乳酸。
需要在细胞内为poly(PhLA)聚合物提供稳定的储存结构。
为了解决这些问题，研究人员采用了系统代谢工程的方法，结合了合成生物学、系统生物学和进化工程。他们增强了 PhLA的代谢通量，基于电脑模拟设计了聚羟基烷酸酯（PHA）聚合酶，并引入了异质相荚膜蛋白（phasin proteins）来为聚合物创造稳定的环境。
处理芳香环的毒性
研究团队通过将苯基乳酸（PhLA）单体聚合成聚合物，降低有毒化合物的浓度，减轻了芳香环对微生物细胞的毒性。他们还引入了荚膜蛋白（phasin proteins），这些蛋白质包围芳香聚合物的疏水表面，在细胞内为聚合物链创造了一个稳定、分离的空间。
生物工程的突破性进展
在优化代谢途径和酶之后，研究人员在发酵罐中测试了他们的新方法，实现了12.3克/公升聚合物的生产滴度。虽然这个滴度是一个充满希望的开始，但团队的目标是将其提高到100克/公升以上，以达到大规模商业生产。
医学及其他领域的前景应用
这种新型生物塑料的潜在应用范围颇为广泛。新产生的无定形低分子量聚苯基乳酸特别适合用于药物递送系统，这得益于其可生物降解性和适当的体内降解速率。其无定形特性有助于防止药物递送纳米粒子的不必要结晶，而芳香基团则增强了药物的负载能力和稳定性。
未来方向
研究人员正在探索通过多学科达到提高产量的方法，包括使用人工智能驱动的模拟来识别代谢机制中的瓶颈。他们还在开发其他类型的芳香族单体和高分子量聚合物，以用于工业应用。
此外，研究团队正在研究生产苯基乳酸（PhLA）与其他单体的各种共聚物，这可能会带来广泛的性能和应用。其中包括开发PhLA与脂肪族单体（如乳酸盐、乙醇酸盐等）的新型共聚物的潜力。
结论
这项研究代表著向生物基塑胶生产迈出了令人兴奋的一步，生物基塑胶有朝一日可以在广泛的行业中取代石油衍生塑胶。虽然在优化生产和扩大方法规模方面还有许多工作要做，但塑胶制造的未来很可能掌握在像李教授和他的团队这样的生物工程师手中。
李教授强调：”我相信生物制造将是应对气候变化和全球塑料危机的关键。国际合作对于促进生物基制造至关重要，以确保我们的环境有一个更美好的未来。”
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致谢：这项研究得到了韩国国家研究基金会、韩国科学部和信息通信技术部的支持。
发表作品：欲了解更多信息，请参阅《生物技术趋势》杂志上发表的完整论文：《李相燁、康等人的芳香族均聚酯的微生物生产》。《Trends in Biotechnology: Microbial Production of an Aromatic Homo-Polyester》中的完整出版物。