跳過丙交酯！二氧化碳“一步法”合成聚乳酸技術(shù)來了
2022-04-19
2022年4月14日，論文《藍細菌細胞工廠直接碳捕獲生產(chǎn)高性能生物可降解塑料》（Direct carbon capture for production of high-performance biodegradable plastics by cyanobacterial cell factory）在國際著名刊物 Green Chemistry 上在線發(fā)表。
上海交大陶飛研究員為該論文通訊作者之一（左），上海交大博士生譚春林為該論文第一作者（右）
近日，上海交通大學(xué)生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院食品與環(huán)境生物技術(shù)團隊（FEMlab）使用合成生物學(xué)技術(shù)開發(fā)了新一代可降解塑料 PLA 的“負碳”生產(chǎn)技術(shù)。該技術(shù)不僅可解決塑料污染、PLA 生產(chǎn)的非糧原料替代問題，還能在合成 PLA 的過程中直接捕獲二氧化碳，助力“碳中和”“碳達峰”。
他們在光驅(qū)動藍細菌平臺上使用代謝工程和高密度培養(yǎng)的組合策略，在國際上首次以二氧化碳為原料，直接合成可降解塑料 PLA。
“一步法”將二氧化碳直接合成 PLA
這種新一代的 PLA 生產(chǎn)技術(shù)，與以往 PLA 的制造思路完全不同。該團隊首次建立自養(yǎng)微生物細胞工廠，直接以二氧化碳為原料一步實現(xiàn) PLA 的生物合成。
與其他技術(shù)相比，該技術(shù)具有“一石三鳥”的作用。不僅可解決塑料污染、生物制造的非糧原料替代問題，還在合成 PLA 的過程中直接捕獲二氧化碳，助力“碳中和”“碳達峰”。
第一，解決塑料污染的問題。解決白色污染的根本方案是使用可降解塑料，來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的不可降解塑料。新一代的 PLA 生產(chǎn)技術(shù)，為可降解塑料生產(chǎn)，提供一種可持續(xù)的發(fā)展策略，從而為可降解塑料的替代提供保障。
第二，解決 PLA 生產(chǎn)中潛在的“與人爭糧”“與糧爭地”問題。值得注意的是，以糖基化合物作為原料合成可降解塑料，對于需要大宗生產(chǎn)的 PLA 來說，不是一種可持續(xù)發(fā)展策略。這個過程需要消耗大量糧食，其制造工藝的大規(guī)模鋪開將不可避免地面臨“與人爭糧”或“與糧爭地”的問題。
這一新技術(shù)將合成的過程“化繁為簡”，把“二氧化碳-糧食-淀粉-糖-乳酸-丙交酯-PLA”的漫長的合成過程,轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€合成的“長鏈條”（代謝途徑）裝進細胞中，直接使用二氧化碳為原料，不再依賴糧食原料。
第三，在 PLA 的合成過程中直接捕獲二氧化碳，將二氧化碳“變廢為寶”，可實現(xiàn)減碳、助力“碳達峰”。以廢棄的溫室氣體作為原料生產(chǎn)材料，能夠在減碳的同時實現(xiàn)高值產(chǎn)品的制造，在經(jīng)濟性上更有吸引力，可幫助實現(xiàn)減碳的加速發(fā)展。
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該技術(shù)的未來發(fā)展可能性
一方面，該方法將減碳與塑料生產(chǎn)相融合。該團隊計劃在日后使用無碳的可持續(xù)發(fā)展方式——直接用太陽能或新能源所產(chǎn)生的電作為生產(chǎn) PLA 能源，使用電廠碳排放或者直接使用空氣中的二氧化碳作為碳源。這符合全球提倡的“碳減排”“碳達峰”模式，未來將會形成“負碳”制造產(chǎn)業(yè)，也將帶來規(guī)模的經(jīng)濟效益。
另一方面，該技術(shù)會帶來雙重環(huán)境效益。塑料污染和氣候變暖都是重要的環(huán)境問題?？山到馑芰仙刑幱谠缙诎l(fā)展階段，用可降解塑料替代傳統(tǒng)的塑料是未來發(fā)展趨勢，這也意味著該領(lǐng)域有巨大的發(fā)展前景。通過減碳解決溫室效應(yīng)，也已經(jīng)成為國際發(fā)展趨勢。該技術(shù)為同時解決這兩個環(huán)境問題提供了方案。
此外，該技術(shù)可用于高性能 PLA 制造。當(dāng)前，PLA 被廣泛地應(yīng)用于在化學(xué)、醫(yī)療、制藥和 3D 打印等領(lǐng)域。該技術(shù)采用生物法合成，與傳統(tǒng)的化學(xué)法相比，沒有重金屬催化物殘留的問題，使該技術(shù)生產(chǎn)的 PLA 在高端的領(lǐng)域應(yīng)用前景更加廣闊。
陶飛舉例說道：“比如醫(yī)用的手術(shù)縫線，其中的 PLA 不允許含重金屬成分，而生物法合成的 PLA 可以滿足這一要求?！?/p>
（來源：Green Chemistry）
該團隊下一步的研究重點是提高 PLA 的細胞干重占比，擬將細胞干重的比例進一步提升到 50% 以上。
陶飛表示，一方面，用蛋白質(zhì)工程的方法對關(guān)鍵酶進行改造?！拔覀儼l(fā)現(xiàn)酶的催化性能存在一些問題，目前已經(jīng)用 AlphaFold2 把它的結(jié)構(gòu)預(yù)測出來了，正在進行深入的蛋白質(zhì)工程研究。接下來，我們將重點研究如何提高它對前體物質(zhì)的親合力以及 PLA 鏈聚合速度，以實現(xiàn)提高酶的催化效率，讓 PLA 的整體產(chǎn)能更高。”他說。
另一方面，為工業(yè)化生產(chǎn)做準(zhǔn)備。該團隊希望能把細胞底盤的魯棒性進一步提升，包括系列耐受性，例如耐高光、抗污染、耐鹽等能力。此外，在產(chǎn)品中試之前，該團隊還計劃針對細胞的自絮凝進行相關(guān)研究。
對于該技術(shù)的未來發(fā)展，該團隊也有清晰的規(guī)劃。陶飛表示，“我們計劃通過 3-5 年的持續(xù)投入，進行中試和全鏈條的優(yōu)化，將各方面指標(biāo)提升至工業(yè)化水平?！?/p>
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