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塑料回收，最新Nature大子刊！

来源：特诺科研

把废塑料变成“万用原料”！可编程微生物装配线实现按需生物制造

全球塑料污染正日益严峻。从海洋微塑料到填埋场堆积，塑料废弃物已成为横跨生态、公共健康与碳排放的系统性难题。近年来，微生物“生物升值利用”（upcycling）被视为兼顾减废与增值的潜力路径——将废塑料转化为高附加值产品。然而，现有策略大多围绕单一产物进行代谢优化，缺乏灵活性，难以应对多样化且动态变化的市场需求。如何构建一种既高效又“可编程”的塑料生物转化体系，成为该领域亟待突破的核心挑战。

今日，伊利诺伊大学卢挺教授课题组提出了一种“可编程微生物装配线”策略：通过一个专职“解构菌”将PET废塑料统一转化为关键中间体——丙酮酸，再将其输送给不同“生产菌株”，实现按需合成燃料、化学品、生物高分子、酶甚至电能等多样产品。这种模块化、可重构的合成生态系统，为塑料废弃物的高值化利用提供了全新范式。相关成果以“A programmable microbial assembly line for plastic upcycling”为题发表在《Nature Sustainability》上。中国学者Yuanchao Qian为第一作者。

从塑料到“通用积木”：平台总体设计

论文首先在图1a中勾勒出整个平台的核心思路：PET塑料经化学水解生成对苯二甲酸（TPA）和乙二醇（EG），随后由工程化微生物将其分解为“通用构建单元”丙酮酸，最后通过不同功能菌株将丙酮酸转化为目标产物（图1a）。这一“解构—汇聚—再分配”的逻辑，像极了一条可以随时更换终端模块的生物装配线。在图1b中，研究团队展示了对Pseudomonas putida的系统改造策略：引入TPA降解操纵子、增强EG利用通路，并敲除将丙酮酸转化为乙酰辅酶A的关键基因aceEF，使碳流汇聚到丙酮酸这一中枢代谢物上。图1c–f的发酵曲线则直观呈现出工程菌株在TPA、EG及PET水解液中的表现：与对照菌株相比，优化后的菌株能够显著积累丙酮酸，最高可达56.4 mM，证明废塑料成功被“拆解”为可被广泛利用的代谢积木。值得一提的是，研究者还优化了水解条件（如采用H₃PO₄中和体系），避免盐离子抑制代谢，使整个“塑料→丙酮酸”的转化过程更加稳定高效（图1f）。

图1：可编程塑料升值平台总体设计及工程菌株构建与丙酮酸生产验证

把碳流“锁”在丙酮酸：系统代谢优化

有了“通用中间体”，下一步便是提高其产量。图2a展示了针对丙酮酸消耗通路的系统敲除策略，包括ppc、ppsA、actP等关键基因。通过多轮组合改造，研究团队获得了高产菌株Pp03（图2d）。图2e–f进一步揭示了培养条件的重要性：通过调控氮源浓度（NH₄Cl），丙酮酸产量呈现非单调变化，最佳条件下可达79.2 mM。图2g显示，在优化条件下，使用100 mM PET水解液时，丙酮酸产量提升至122.8 mM，显著优于未优化体系。从图2的系统数据可以看到，这不仅是简单的基因拼接，而是一场围绕碳流分配、代谢瓶颈与培养参数的“全链条工程优化”。

图2：通过基因敲除与过表达及培养条件优化显著提升丙酮酸产量。

丙酮酸“跨物种流通”：合成微生物生态系统

丙酮酸是否真的能作为“通用货币”在不同微生物间流通？图3给出了答案。研究者选取了8种代表性微生物，包括Cupriavidusnecator、E. coli、Corynebacterium glutamicum、Yarrowialipolytica等。图3a、c、e等发酵曲线显示，在共培养体系中，丙酮酸迅速被伙伴菌株消耗，同时体系总生物量显著提高。图3b、d等CFU计数结果则证实，解构菌与生产菌都在共培养过程中增长，实现真正的“分工协作”。更重要的是，图3所揭示的“单向交叉喂养”（cross-feeding）机制，使得碳源分工明确，避免了资源竞争，为构建稳定的人工微生物群落提供了生态学基础。

图3：丙酮酸交叉喂养驱动的合成微生物共培养体系构建与稳定性验证

两阶段发酵：从丙酮酸到多元产品

在图4中，研究团队展示了“两阶段发酵”的应用案例：第一阶段由Pp03产生丙酮酸；第二阶段加入功能菌株，将其转化为目标产物。图4a–b展示了柠康酸（citramalate）的合成；图4c–d为3-羟基丁酸（3HB）；图4e–f为可降解塑料PHB；图4g–h为甲羟戊酸（MVA）；图4i–j则利用C. glutamicum生产2,3-丁二醇。更令人惊喜的是，图4k–l通过Shewanella oneidensis构建微生物燃料电池，实现从PET废塑料到电压输出（约200 mV）的跨越。从化学品到能源，这条“微生物装配线”几乎涵盖了生物制造的多个重要方向。

图4：两阶段发酵实现多种产品（化学品、生物高分子、电力）的合成。

一锅共培养：真正的“可编程”升级

如果说两阶段发酵是“分步加工”，那么图5展示的则是一锅式共培养的进阶版本。图5a–b中，Pp03与工程化E. coli共培养，直接将PET水解液转化为β-半乳糖苷酶；图5c–d则生产天然蓝色染料indigoidine；图5e–f通过延迟接种策略优化乳酸产量，最高达34.5 mM。图5g–l进一步展示，与Bacillus licheniformis、C. necator和Y. lipolytica共培养，可分别合成淀粉酶、PHB和脂类。尤其值得注意的是，研究团队通过调控接种时间，实现了对产量的“程序化调控”。这意味着这套系统不仅能“换产品”，还能“调节节奏”，真正具备可编程特征。

图5：一锅式共培养实现可编程、多产品灵活生产与动态调控

总结与展望

这项研究构建了一条真正意义上的“可编程微生物装配线”：以丙酮酸为通用中间体，通过模块化解构与生产菌株的自由组合，实现废塑料向多种高附加值产品的灵活转化。分工明确的代谢设计、单向交叉喂养机制以及一锅式可调控共培养策略，使塑料生物升值利用从“单一产品优化”迈向“按需制造平台”。未来，随着菌株工程进一步优化、发酵规模扩大以及连续化生产体系建立，这种可重构平台有望成为塑料循环经济的重要支点。或许在不远的将来，废弃塑料不再只是环境负担，而是可以随时“排产”的绿色原料库。

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