细菌造塑料，打造环保塑料新时代

开发细菌来生产类似PET的材料

在各种环保聚合物中，聚羟基脂肪酸酯 (PHA) 以其出色的生物降解性和生物相容性脱颖而出。

它们在土壤和海洋环境中自然分解，并用于食品包装和医疗产品等应用。然而，迄今为止生产的天然 PHA 面临着满足各种物理性能要求的挑战，例如耐久性和热稳定性，并且由于生产浓度低而限制了其商业应用。

鉴于此，韩国科学技术研究院的研究人员最近开发了一种技术，该技术可以在解决塑料造成的环境污染问题中发挥关键作用。

韩国科学技术研究院化学与生物分子工程系杰出教授李尚烨领导的研究团队，包括李英俊博士和硕士生姜敏珠，成功开发出一种利用系统代谢工程高效生产芳香族聚酯的微生物菌株。

研究小组利用代谢工程增强大肠杆菌中芳香族单体苯基乳酸（PhLA）生物合成途径的代谢通量。他们通过操纵代谢途径来增加细胞内积累的聚合物部分，并利用计算机模拟来预测 PHA 合酶的结构，并根据结构-功能关系改进酶。通过后续发酵优化，该团队实现了全球最高浓度（12.3±0.1 g/L）的聚（PhLA）高效生产，并通过30L规模的补料发酵成功生产聚酯，展示了工业化规模生产的可能性。所生产的芳香族聚酯表现出增强的热性能、改善的机械性能以及用作药物输送载体的潜力。

参考文献：Youngjoon Lee, Minju Kang, Woo Dae Jang, So Young Choi, Jung Eun Yang, Sang Yup Lee. Microbial production of an aromatic homopolyester. Trends in Biotechnology, 2024; DOI: 10.1016/j.tibtech.2024.06.001

一、微生物是如何将简单的糖类转化为复杂的聚合物的？

微生物，这些地球上最古老、最简单的生命形式，却拥有着制造复杂分子的神奇能力。 它们可以将简单的糖类，如葡萄糖，转化为复杂的聚合物，如纤维素、淀粉和各种生物塑料。这听起来像是魔法，但实际上是生物体内一连串精密而有序的化学反应的结果。

微生物细胞内存在着许多种类的酶，这些酶就像是一条条高效的“生产线”，将简单的原料转化为复杂的产物。

首先，微生物会将摄取的糖类分解成更小的分子，这些小分子就是合成聚合物的基本单位，也就是“单体”。然后，这些单体在酶的催化下，按照特定的顺序连接起来，形成长链状的分子，也就是聚合物。这个过程有点像搭积木，只不过积木是各种各样的单体，而搭积木的人是酶。形成的长链聚合物可能还需要进一步的修饰，比如添加一些特殊的化学基团，改变其物理性质和功能。

一个具体的例子，细菌如何合成聚羟基脂肪酸酯（PHA：一种生物可降解的聚酯，常被用作生物塑料）：细菌首先将葡萄糖等碳源转化为乙酰辅酶A，然后乙酰辅酶A通过一系列的生化反应聚合成PHA。PHA的单体是羟基脂肪酸，这些羟基脂肪酸以酯键的形式连接起来形成长链。

影响聚合物结构的因素主要包括酶的种类和活性、底物的种类和浓度、环境条件等。

• 酶的种类和活性： 不同的酶催化不同的反应，产生不同的聚合物。酶的活性受多种因素影响，如温度、pH值、营养物质等。
• 底物的种类和浓度： 不同的单体可以形成不同的聚合物，而单体的浓度也会影响聚合物的长度和分支程度。
• 环境条件： 生长环境的温度、pH值、氧气浓度等都会影响微生物的代谢活动，从而影响聚合物的合成。

为什么微生物要合成聚合物？聚合物是微生物储存能量的一种方式，相当于它们的“粮仓”。许多聚合物是细胞壁的重要组成成分，赋予细胞一定的强度和刚性。一些聚合物可以帮助微生物适应极端的环境条件，如高温、高盐度等。

人类如何利用微生物的这种能力？人类通过对微生物的基因进行改造，可以使它们生产出我们需要的聚合物，比如生物塑料、生物燃料等。这种技术被称为“合成生物学”。

总结起来，微生物将糖类转化为聚合物是一个复杂而精妙的过程，涉及到生物化学、分子生物学等多个学科的知识。 这一过程不仅揭示了生命世界的多样性和奇妙，也为我们提供了开发新型生物材料和解决环境问题的思路。

二、利用微生物生产芳香族均聚酯的优势与挑战

1、利用微生物生产芳香族均聚酯的优势

• 微生物生产可以利用可再生生物质作为原料，如植物废弃物和农业副产品，而传统化学合成通常依赖于不可再生的化石燃料。
• 微生物生产过程通常在温和的条件下进行，减少了高温高压等能耗，同时减少了有害副产物的生成，降低了环境污染。
• 微生物生产的芳香族均聚酯通常具有良好的生物降解性，有助于减少塑料污染问题，而传统化学合成的聚酯往往难以降解。
• 通过代谢工程和合成生物学，可以精确调控微生物的代谢途径，提高目标产物的产量和纯度，而传统化学合成方法往往需要复杂的分离和纯化步骤。
• 微生物可以通过基因工程生产多种不同结构的芳香族均聚酯，满足不同应用领域的需求，而传统化学合成方法在结构多样性方面受到限制。

这些优势使得微生物生产芳香族均聚酯成为一种具有广阔前景的绿色生产技术。

2目前微生物生产芳香族均聚酯面临的主要技术挑战是什么？

目前微生物生产芳香族均聚酯面临的主要技术挑战包括生产效率低、代谢途径复杂、菌株稳定性、原料成本高、环境适应性等问题。

• 尽管在实验室条件下取得了一定的成功，但要实现商业化生产，仍需进一步提高芳香族均聚酯的产量。微生物的代谢途径需要优化，以提高生产效率。
• 芳香族均聚酯的生产涉及复杂的代谢途径，这些途径需要精确调控。代谢工程和合成生物学的应用虽然可以帮助优化这些途径，但仍然面临许多技术难题。
• 在工业生产中，微生物菌株需要在不同的环境条件下保持稳定的生产能力。开发适应不同环境条件的菌株是一个重要的挑战。
• 尽管可再生生物质可以作为原料，但其获取和处理成本仍然较高。需要开发更高效的原料处理技术，以降低生产成本。
• 微生物在不同环境条件下的适应性和生产能力需要进一步研究和优化，以提高生产过程的灵活性和可持续性。

三、生物基塑料能否完全取代传统塑料？

生物基塑料，顾名思义，是由可再生生物资源（如植物淀粉、植物油、微生物等）制成的塑料。相较于传统石油基塑料，生物基塑料具有更环保、可降解等优点，因此备受关注。但要完全取代传统塑料，仍面临诸多挑战。

生物基塑料的原料来自可再生生物资源，减少对石油的依赖。部分生物基塑料可以在特定条件下降解，减少环境污染。生产过程中的碳排放相对较低。

但生物基塑料也存在一定的局限性。目前，生物基塑料的生产成本普遍高于传统塑料，限制了其大规模应用。不同种类的生物基塑料性能各异，不一定能完全替代传统塑料在所有领域的应用。例如，在耐高温、耐化学腐蚀等方面，生物基塑料可能不如传统塑料。生物基塑料的生产工艺、规模化生产等方面仍存在技术瓶颈。大规模生产生物基塑料可能与粮食生产产生竞争，影响粮食安全。生物基塑料的回收利用体系尚不完善，影响其可持续发展。

目前来看，生物基塑料完全取代传统塑料在短期内难以实现。但随着科技的进步和人们对环境保护意识的增强，生物基塑料在某些领域取代传统塑料是很有可能的。

生物基塑料作为一种新型材料，具有广阔的发展前景。但要完全取代传统塑料，还需要克服诸多挑战。未来，生物基塑料的发展趋势可能是与传统塑料共存，在不同的领域发挥各自的优势。

四、代谢工程在生物制造领域有哪些潜在应用？

代谢工程作为一种强大的工具，通过对生物体代谢途径的改造，能够实现高效生产各种高附加值产品，在生物制造领域具有广阔的应用前景。

1. 生物燃料生产

• 提高产率： 通过改造微生物的代谢途径，提高其将糖类或纤维素转化为乙醇、丁醇等生物燃料的效率。
• 扩大底物范围： 使微生物能够利用更广泛的底物，如农作物秸秆、木质纤维素等，降低生产成本。
• 生产新型生物燃料： 开发新的生物燃料分子，如异丁醇、烷烃等，以满足不同应用的需求。

2. 生物基化学品生产

• 替代石油基化学品： 利用微生物生产各种生物基化学品，如生物塑料、生物溶剂、生物基材料等，减少对石油资源的依赖。
• 生产高附加值化学品： 通过代谢工程，生产具有特殊功能的化学品，如医药中间体、香料等。

3. 医药和保健品生产

• 生产药物活性成分： 利用微生物生产各种药物活性成分，如抗生素、疫苗、激素等，降低生产成本，提高药物的安全性。
• 生产功能性食品成分： 生产维生素、氨基酸、益生菌等功能性食品成分，满足人们对健康食品的需求。

4. 环境保护

• 生物修复： 利用经过基因改造的微生物降解环境污染物，如石油烃、重金属等。
• 二氧化碳固定： 通过微生物将二氧化碳转化为有用的物质，如生物燃料、生物塑料等，减缓气候变化。

五、思考

如何进一步提高生物基塑料的机械性能（如强度、韧性、耐热性）以满足更多高性能应用的需求？如何改善生物基塑料的加工性能，使其更容易成型和加工？

生物基塑料的降解过程受到哪些因素影响？如何精确控制降解速率？如何开发新型生物降解剂，加速生物基塑料的降解？

如何开发具有特殊功能的生物基塑料，如导电、导热、自修复等？能否将生物基塑料与其他材料复合，以获得更好的性能？

这些有趣的问题旨在激发你的思考，助你更深入地理解，希望能为你带来新的启示和帮助~~~

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