【化学生物学】光合作用将二氧化碳转化为可降解塑料前体材料

美国国家可再生能源实验室的王波博士率领的团队成功地将废弃的二氧化碳转化为一种可降解塑料的前体材料，将塑料的生产使用和环境保护有机结合起来。

Sun Oct 07 00:00:00 CST 2018 X一MOL资讯

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塑料凭借其良好的性能、轻便及便宜等优点已成为现代社会中最受欢迎的材料之一，广泛应用于民生、医疗和工业等领域。然而，当今社会使用的各种各样的塑料材料大多数面临同样的问题——难降解和不可再生。特别是各种一次性或短期使用的塑料制品，丢弃后由于降解速率极其缓慢，造成越来越严重的环境污染。另外，以石油为原料的塑料生产过程排放大量的二氧化碳，加重了温室效应。有没有可能以一种绿色可持续的方式来生产和使用塑料呢？近日，美国国家可再生能源实验室的王波博士率领的团队成功地将废弃的二氧化碳转化为一种可降解塑料的前体材料，将塑料的生产使用和环境保护有机结合起来。

聚羟基烷酸酯（PHA）是一种热塑性塑料，具有生物相容性并且可被生物降解，其热学和机械性能可以与传统的塑料材料媲美。因此，PHA在应用于生产一次性或短期使用的塑料制品方面拥有巨大的潜在市场，例如用于生产医疗器具、食品包装和农业需求等。在自然界中，PHA是微生物在营养不均衡生长条件下用来储存有机碳和能量的一种手段。PHA由单元分子（具有多种不同碳链长度的单体）聚合而成，其单元成分的比例对材料的性能很重要。然而，近年来的研究结果表明，细胞内PHA的组成成分难以得到控制。另外，由于PHA是细胞内部生成的大分子聚合物，提取PHA需要以裂解牺牲细胞为代价。一种潜在的解决方案是通过改造生物体来生产PHA结构单元分子，这些小分子可以被排出细胞外，从而避免对细胞工厂的破坏。人们可以通过化学的方法以恰当的比例聚合或共聚这些单元分子，得到具有理想热学和机械性能的PHA。值得注意的是，PHA结构单元分子的手性对其性能至关重要。手性化合物(R)-3-羟基丁酸是PHA中最具代表性的结构单元分子，同时还是一系列精细化学药品的合成前体，如抗生素、信息素和氨基酸等。手性（R）-3-羟基丁酸的化学合成需要比较昂贵的催化剂，而已有的微生物合成法则需要消耗糖和其它有机质，因此PHA的生产成本目前比较高，在很大程度上限制了PHA的大量生产和广泛应用。

美国国家可再生能源实验室与亚利桑那州立大学联合团队通过改造蓝藻（cyanobacteria）细胞内的代谢途径，优化了生产（R）-3-羟基丁酸的细胞工厂，极大提高了将二氧化碳（而不是葡萄糖）转化为（R）-3-羟基丁酸的合成效率。该技术依托乙酰乙酰辅酶A对合成产物的手性特异性以及蓝藻细胞内的光合作用，以二氧化碳和太阳光作为唯一的碳源和能量来源，是一种绿色可持续的生产方法。该研究首先通过合成生物学和色谱分析的方法巧妙地诊断了蓝藻细胞内（R）-3-羟基丁酸代谢途径的限速反应步骤，然后通过理性设计和基因改造最终使（R）-3-羟基丁酸的合成速率提高了8倍，从之前文献报道的25 mg•L^-1•day^-1提高到200 mg•L^-1•day^-1。同位素代谢通量分析定量描绘了产生（R）-3-羟基丁酸的蓝藻细胞中连续两相代谢谱。在早期生长阶段，由光合作用固定的二氧化碳主要用于细胞生长；而当细胞进入生长后期（即生产阶段），蓝藻细胞生长减缓，大部分固定的二氧化碳分配到产品合成途径，共有68.8%的碳流向（R）-3-羟基丁酸（51.3%）和乙酸（17.5%）。该绿色可再生合成技术为将来（R）-3-羟基丁酸以及可降解塑料PHA的廉价生产和广泛应用开辟了新思路，奠定了重要基础。这一成果近期发表在Green Chemistry 上。