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全球首次,二氧化碳一步合成PLA,越过丙交酯!

PLA是一种非天然聚酯,因其具有生物相容性、生物降解性和高机械强度等优异性能,被认为是最有前途的“绿色塑料”之一。PLA已广泛用于一次性塑料制品。此外,PLA还可以广泛应用于化学、医疗、制药和3D打印行业。现在人们越来越认识到 PLA 聚酯将在解决塑料污染问题方面发挥关键作用。

迄今为止,PLA主要通过丙交酯(乳酸的环状二聚体)的开环聚合或乳酸的直接聚合组成的化学工艺生产。不幸的是,丙交酯和乳酸生产方法需要以糖为基础的原料,导致 PLA 生产和食品供应之间的资源竞争。因此,必须使用非食用材料作为 PLA 生产的原料。由于工业活动和化石燃料的持续使用,过量的二氧化碳排放会加剧全球变暖和气候变化。同时,二氧化碳也是最丰富的天然碳资源之一,最近被公认为第三代生物精炼厂的理想原料。因此,明智的做法是直接从二氧化碳生产 PLA 。

聚乳酸PLA合成的两步法合成

近日,由上海交大陶飞研究员为通讯作者,上海交大博士生谭春林该论文的第一作者,发表于 《Green Chemisty》的论文“蓝藻细胞工厂用于生产高性能生物降解塑料的直接碳捕获”,利用蓝藻细胞做底盘细胞,以二氧化碳为原料,成功直接合成PLA。通过系统代谢工程和高密度培养策略的结合,蓝藻细胞工厂合成PLA的效率提高了约270倍。

1.蓝藻做微生物底盘,合成PLA

蓝藻已成为一种重要的微生物底盘,因为它们可以仅利用阳光和二氧化碳生产增值化学品。然而,与异养生物底盘相比,蓝藻的生产浓度和生产力相对较低。这使得产品的收获非常困难,尤其是当产生的化学物质被分泌到培养基中时,从而极大地限制了商业化进程。

人们普遍认为,光和/或二氧化碳的不足是蓝藻生长速率和细胞密度低的原因。随着 LED 技术的发展,可以在光反应器中提供可控的强光。同时,发电厂和钢铁厂废气中的浓缩二氧化碳也很容易获得,可用作蓝藻的碳源。因此,值得同时使用可定制的光照和浓缩二氧化碳来实现高密度培养 (HDC),这对于提高蓝藻生产力至关重要。

与乙醇、琥珀酸、甘油和 2,3-丁二醇等低分子量化学品相比,体内合成了种聚合物颗粒显然更容易收获。同时,使用聚电解质絮凝剂可以更方便、更经济地收获蓝藻。因此,有理由认为在蓝藻中生产聚合物比低分子量化学品更有希望用于工业过程。在这项研究中,PLA 产量从 0.4 mg L -1增加到 108.0 mg L -1使用工程蓝藻细胞工厂,涉及代谢工程和 HDC 的组合策略。产量与异养酵母Y. lipolytica相当,甚至高于酵母S. cerevisiae 以葡萄糖为原料。这些结果强烈表明,使用这种蓝藻细胞工厂生产 PLA 是有希望的。

此外,我们的蓝藻产生的PLA的分子量高于大肠杆菌和酵母等异养菌株产生的PLA的分子量。许多方面影响分子量,包括活性PHA合酶、酯酶和脂肪酶的类型和表达水平,以及聚合过程中的链转移反应。以前的研究表明,蓝藻是天然的 PHB 聚酯生产者。因此,天然的细胞内环境可能更适合 PLA 的聚合。例如,蓝藻中高丰度的 ATP 可以促进许多酶促步骤中产物的生物合成,如聚合反应步骤。此外,蓝藻的细胞大小一般比其他细菌大,直径通常为3~10 μm,最大可达60 μm。这些较大的细胞尺寸也可以容纳较大的 PLA 颗粒,因为它们以包涵体的形式存在于微小的细胞内空间中。因此,有理由得出结论,蓝藻细胞工厂是高效生产聚合物(如 PLA 类聚酯)的有前景的平台。

在这项研究中,我们结合代谢工程和 HDC ,开发了一种用于直接从 二氧化碳 生产 PLA 的蓝藻细胞工厂。进行多组学分析以探索影响PLA生产的因素。通过优化关键酶(PCT 和 PHA 合酶)的表达水平,同时使用小 RNA (sRNA) 敲除四个用于将碳通量重定向到 PLA 生物合成的基因,PLA 的产量显著增加。然后,使用 HDC 策略进一步提高了 PLA 的生产。与最初构建的菌株相比,PLA的总产量增加了270倍,产生108.0 mg L -1 PLA(相当于23.0 mg g-1 DCW)。

2.用于生产 PLA 的蓝藻细胞工厂工程

PDLA 是提高 PLA 基材料的耐热性、机械性能和耐水解性的重要原料。聚( L-乳酸)(PLLA)和PDLA可以形成具有高熔点的立体络合物(SC)晶体,可用于合成高性能的PLA。此外,其PDLA 生物合成不涉及金属催化剂,因此适用于制药和医疗行业。令人惊讶的是,体内PDLA 生产的最高报告平均分子量在本研究中获得。根据先前的研究,当 PDLA 的数均分子量 ( M n ) 在 23 至 50 kDa 范围内时,获得了最高的熔解峰。蓝藻生产的 PDLA的Mn在最佳范围内,可以促进其在高性能 PLA 生产中的应用,并赋予相应产品额外的商业价值。



根据之前的研究,连同分析,PHA 合酶在影响聚合物的生产和分子量方面起着至关重要的作用。因此,PHA 合酶的工程化有助于提高 PLA 的产量。此外,众所周知,共聚是改善聚合物性能的有效策略。例如,PHB 有脆性的缺点,而 P(3HB - co -LA) 共聚物由 3-羟基丁酸酯 (3HB) 和乳酸 (LA) 组成,表现出更好的柔韧性,以及其他有利的物理和机械性能。特性。PLLA和PDLA的立体络合物可以显着提高PLA的耐热性和力学性能。聚乳酸-乙醇酸共聚物(PLGA) 是最有效的可生物降解聚合物纳米粒子之一,可用作癌症药物递送系统。

为了实现共聚,还需要对 PHA 合酶进行工程改造以聚合各种底物。因此,PHA合酶的工程化值得探索,可以进一步提高聚合物的产量,加速商业化。

3.结论及产业化

在这项研究中,我们开发了一种光驱动的自养蓝藻细胞工厂,可以直接从二氧化碳生产可生物降解的塑料 PLA 。与最初构建的菌株相比,系统代谢工程和高密度培养策略的结合显着提高了 PLA 产量约 270 倍。同时,引入聚电解质絮凝剂,高效、简便、快速地收获细胞。蓝藻生产的 PLA 与异养微生物的生产能力高度可比,此外,本研究中蓝藻产生的 PLA 的分子量甚至高于异养生物产生的 PLA。考虑到其对未来生产高性能共聚物的工程的可用性和实用性,我们的方法可能具有商业化生产的巨大潜力。总体而言,我们的研究提供了一种可行的替代解决方案来同时解决塑料污染和过量的二氧化碳排放问题。

据悉,对于未来的进一步发展,该团队表示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。

论文通讯作者陶飞表示,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。”

通讯作者陶飞简介

青年长江学者、国家重点研发计划青年首席科学家、上海市青年科技启明星、上海市浦江人才。研究领域为微生物合成生物学,主要以生物基材料单体化合物和精细化学品的可持续生产为导向,以代谢科学为基础,以智能化设计为手段,开展光能、电能、化能驱动的先进生物制造技术。共计发表相关SCI论文为66篇(含合作),被引超过1000次。获得有16项专利授权。目前,主持承担的项目有重点研发计划青年项目1项(首席)、国家自然基金面上项目2项、国家自然基金青年项目1项、科技部重点研发计划子课题1项,863项目子课题2项。2016年获得教育部自然科学奖一等奖1项(排名第三)。

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