跳过丙交酯！二氧化碳“一步法”合成聚乳酸技术来了
2022-04-19
2022年4月14日，论文《蓝细菌细胞工厂直接碳捕获生产高性能生物可降解塑料》（Direct carbon capture for production of high-performance biodegradable plastics by cyanobacterial cell factory）在国际著名刊物 Green Chemistry 上在线发表。
上海交大陶飞研究员为该论文通讯作者之一（左），上海交大博士生谭春林为该论文第一作者（右）
近日，上海交通大学生命科学技术学院食品与环境生物技术团队（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。该技术不仅可解决塑料污染、PLA 生产的非粮原料替代问题，还能在合成 PLA 的过程中直接捕获二氧化碳，助力“碳中和”“碳达峰”。
他们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，在国际上首次以二氧化碳为原料，直接合成可降解塑料 PLA。
“一步法”将二氧化碳直接合成 PLA
这种新一代的 PLA 生产技术，与以往 PLA 的制造思路完全不同。该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。
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”。
第一，解决塑料污染的问题。解决白色污染的根本方案是使用可降解塑料，来代替传统的不可降解塑料。新一代的 PLA 生产技术，为可降解塑料生产，提供一种可持续的发展策略，从而为可降解塑料的替代提供保障。
第二，解决 PLA 生产中潜在的“与人争粮”“与粮争地”问题。值得注意的是，以糖基化合物作为原料合成可降解塑料，对于需要大宗生产的 PLA 来说，不是一种可持续发展策略。这个过程需要消耗大量粮食，其制造工艺的大规模铺开将不可避免地面临“与人争粮”或“与粮争地”的问题。
这一新技术将合成的过程“化繁为简”，把“二氧化碳-粮食-淀粉-糖-乳酸-丙交酯-PLA”的漫长的合成过程,转变为一个合成的“长链条”（代谢途径）装进细胞中，直接使用二氧化碳为原料，不再依赖粮食原料。
第三，在 PLA 的合成过程中直接捕获二氧化碳，将二氧化碳“变废为宝”，可实现减碳、助力“碳达峰”。以废弃的温室气体作为原料生产材料，能够在减碳的同时实现高值产品的制造，在经济性上更有吸引力，可帮助实现减碳的加速发展。
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该技术的未来发展可能性
一方面，该方法将减碳与塑料生产相融合。该团队计划在日后使用无碳的可持续发展方式——直接用太阳能或新能源所产生的电作为生产 PLA 能源，使用电厂碳排放或者直接使用空气中的二氧化碳作为碳源。这符合全球提倡的“碳减排”“碳达峰”模式，未来将会形成“负碳”制造产业，也将带来规模的经济效益。
另一方面，该技术会带来双重环境效益。塑料污染和气候变暖都是重要的环境问题。可降解塑料尚处于早期发展阶段，用可降解塑料替代传统的塑料是未来发展趋势，这也意味着该领域有巨大的发展前景。通过减碳解决温室效应，也已经成为国际发展趋势。该技术为同时解决这两个环境问题提供了方案。
此外，该技术可用于高性能 PLA 制造。当前，PLA 被广泛地应用于在化学、医疗、制药和 3D 打印等领域。该技术采用生物法合成，与传统的化学法相比，没有重金属催化物残留的问题，使该技术生产的 PLA 在高端的领域应用前景更加广阔。
陶飞举例说道：“比如医用的手术缝线，其中的 PLA 不允许含重金属成分，而生物法合成的 PLA 可以满足这一要求。”
（来源：Green Chemistry）
该团队下一步的研究重点是提高 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 把它的结构预测出来了，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。”
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