研究人员对微生物进行基因工程改造，首次生产出一种类似尼龙的坚固、柔韧的塑料。3月17日，他们在《自然-化学生物学》报告称，过去细菌曾被用来生产聚羟基烷酸酯等聚酯，但像服装和鞋类生产中使用的尼龙类塑料很难制造出来。
大肠杆菌通过产生聚合物储存营养物质。图片来源：Steve Gschmeissner/Science Photo Library
全球每年产生约4亿吨不可降解的石油基塑料废物和微塑料，危及野生动物生存、人类健康和地球环境。“这项工作强调了生物学在帮助解决这一危机方面的作用。”澳大利亚Uluu公司的酶工程主管Colin Scott说。该公司利用微生物从海藻中生产可降解聚羟基烷酸酯。
论文通讯作者、韩国科学技术院生物分子工程师李相烨表示：“细菌会自然产生聚合物，以在营养匮乏时储存营养物质，但利用细菌制造类似尼龙的塑料具有挑战性，因为没有天然酶可以产生这种类型的聚合物。”
为解决这个问题，研究人员在一系列细菌物种中修改了酶编码基因，并将其作为名为质粒的环状DNA插入大肠杆菌，后者通常用于概念验证工作。然后，这些基因编码了几种新的天然酶，这些酶可以连接分子链以产生聚合物。最终产品是一种名为聚酯酰胺（PEA）的生物塑料，主要由聚酯和少量类似尼龙的酰胺键组成。
“尼龙是一种100%含酰胺键的聚合物，所以细菌能够正确模仿这种塑料还有很长的路要走。”李相烨说。
测试表明，这种PEA的物理、热学和机械性能与聚乙烯相当，后者是应用最广泛的商业塑料之一。
不过，日本神户大学的生物生产工程师田口诚一表示，由于氨基酸与聚合物反应的频率较低，这种塑料不太可能像聚乙烯那样坚固。“在聚合物中添加氨基酸通常会发生链终止，从而产生低分子量的死聚合物。”
研究团队利用大型生物反应器，使PEA产量达约54克/升，这表明可以扩大生产规模。然而，在将这项实验室研究转化为工业化过程前，仍有许多障碍需要克服。
因为这些PEA聚合物体积庞大，不能穿过细胞壁，需要粉碎大肠杆菌才能释放它们。此外，在将产品加工成薄膜或颗粒前，需要经过纯化过程。
“目前，我们的微生物路线比石油基塑料更昂贵。”李相烨说，随着进一步优化，“预计生产成本将逐步下降”。
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