论文的研究目标及其重要意义

本文在2024年8月21日在线发表于Nature Chemical Biology。旨在开发一种新型的可降解塑料材料,以解决传统塑料废弃物难以降解所带来的环境问题。这一问题对产业发展有重要意义:

Plastic waste that is improperly disposed of has long been an environmental problem. Nature is capable of designing intricate processes and evolving and achieving system-wide, long-term sustainability.

传统塑料废弃物如果处理不当,会长期存在于环境中,造成污染。而大自然能够设计出精巧的过程,实现系统的可持续性。受此启发,研究人员希望设计出一种新型塑料材料,使其能像自然界一样实现可持续和降解。

论文提出的新思路、方法和优势

论文提出了一种新型的"活性塑料"(living plastics)制备方法,将经过合成生物学改造的枯草芽胞(engineered spores)嵌入到聚合物基质中,赋予材料可控降解的特性。与传统方法相比,该方法具有以下创新点和优势:

We engineered Bacillus subtilis spores harboring the gene circuit for the xylose-inducible secretory expression of Burkholderia cepacia lipase (BC-lipase). The spores that were resilient to stresses during material processing were mixed with poly(caprolactone) to produce living plastics in various formats.

研究人员改造了枯草芽胞,使其携带木糖(xylose)诱导的脂肪酶(BC-lipase)分泌表达的基因线路。这些芽胞能够在材料加工过程中抵抗各种应力,将其与聚己内酯(PCL)混合,制备出不同形式的"活性塑料"。

Spore incorporation did not compromise the physical properties of the materials. Spore recovery was triggered by eroding the plastic surface, after which the BC-lipase released by the germinated cells caused near-complete depolymerization of the polymer matrix.

芽胞的掺入不会影响材料的物理性质。当塑料表面被侵蚀时,芽胞被释放并萌发,分泌的BC-lipase能够使聚合物基质几乎完全解聚。这一设计巧妙地利用了芽胞的抗性和酶促降解的特点,实现了材料性能与可控降解的有机结合。

图1

论文《Degradable living plastics programmed by engineered spores》的关键研究成果

本文利用合成生物学和材料科学交叉融合的方法,开发出一种新型的可降解"活性塑料"(living plastics),为解决传统塑料垃圾污染问题提供了新思路。以下是论文的几个关键研究成果:

1. 开发了一种在聚己内酯(PCL)基质中掺杂经基因工程改造枯草芽胞的制备方法,赋予材料可诱导降解的特性

研究人员利用合成生物学手段,改造枯草芽胞,使其携带木糖(xylose)诱导脂肪酶(BC-lipase)分泌表达的基因线路。然后将改造的芽胞与PCL混合,制备出"活性塑料"。

We engineered Bacillus subtilis spores harboring the gene circuit for the xylose-inducible secretory expression of Burkholderia cepacia lipase (BC-lipase). The spores that were resilient to stresses during material processing were mixed with poly(caprolactone) to produce living plastics in various formats.

这一方法巧妙地利用了芽胞的抗性和酶促降解的特点,实现了材料性能与可控降解的有机结合,突破了传统塑料难降解的瓶颈。

2. 系统考察了芽胞的抗性,为活性塑料的加工提供了基础

为保证芽胞能在塑料加工过程中存活,研究人员系统考察了芽胞对高温和有机溶剂的耐受性。

To verify that the spores were resistant to both high temperatures and organic solvents, we heated the obtained spores at temperatures ranging from 85 to 120 °C and inoculated the treated spores in Luria– Bertani (LB) medium. All spores rapidly recovered from heat shock (Fig. 2b,c) and reached a similar cell density after 24 h (Fig. 2d).

实验表明,芽胞能耐受85-120°C高温(图2b-d)和24小时甲苯处理(图2e),处理后仍能正常萌发生长。

Figure 2: The spores were resilient to environmental perturbations.

这些结果为后续活性塑料的加工奠定了基础,体现了芽胞作为功能载体的优势。

3. 验证了活性塑料薄膜的可控降解性能

研究人员将芽胞-PCL混合物制备成薄膜,加入脂肪酶CA-lipase诱导塑料表面侵蚀、释放芽胞并诱导BC-lipase分泌表达。

After induction, the living films were nearly completely degraded because of the expression of BC-lipase. In comparison, adding CA-lipase to the regular films caused only partial degradation of the material. (Fig. 4g)

Quantitative analysis of the digestion process. After induction, the living films were nearly completely decomposed within 6 days. (Fig. 4h)

实验发现,诱导6天后,活性塑料膜几乎完全降解,而普通PCL塑料只能部分降解(图4g,h)。凝胶渗透色谱(GPC)结果进一步证实,降解6天后,活性塑料的主峰和副产物峰完全消失(图4i)。

Figure 4: Fabrication of living PCL films.

此外,活性塑料膜在工业堆肥条件下也表现出加速降解的特点(图4j),证明其环境相容性。这些结果有力证明了活性塑料的可控降解特性,为后续应用奠定了基础。

4. 实现了活性塑料的3D打印,拓展了材料的应用形式

为拓展材料的应用形式,研究人员利用熔融挤出3D打印技术,实现了活性塑料的成型加工。

Living plastics containing engineered spores were fabricated by a 3D printer. (Fig. 5a)

在3D打印样条中,BC-lipase能耐受PCL加工所需的120°C高温(图5c),而游离酶在该温度下失活(图5b)。这再次印证了芽胞作为酶载体的优越性。

The 3D-printed living plastics were nearly completely digested because of the germination of the engineered spores. (Fig. 5e,f)

The 3D-printed living plastics nearly completely disintegrated. Both the primary peak and the side product peak vanished within 6 days. (Fig. 5g)

诱导后,3D打印的活性塑料能在6天内几乎完全降解(图5e-g),证明该技术能赋予复杂结构的材料以可控降解特性。液质联用(LC-MS)结果表明,降解产物主要是500 Da以下的小分子,可能与细菌代谢有关(图5h)。

Figure 5: Fabrication of living PCL objects by fused filament fabrication.

这些结果拓展了活性塑料的应用形式,为个性化医用耗材等领域提供了新的材料选择。

总结

本文利用合成生物学改造枯草芽胞,将其与PCL聚合物基质复合,开发出了一种新型的可诱导降解活性塑料。通过系列实验,研究人员系统考察了芽胞的抗性,证明了活性塑料薄膜和3D打印件的可控降解特性和环境相容性。这些突破性的研究成果,为解决塑料垃圾污染问题提供了新的思路,有望引领可降解材料领域的发展方向。

研究成果的影响、应用和关注点

本文的研究成果有望为塑料产业带来深远影响。活性塑料所具有的可诱导降解特性,为解决塑料垃圾污染问题提供了新的思路。一些潜在的应用场景包括:

• 可降解包装材料:活性塑料可用于制备食品、日用品等包装,使用后在特定条件下诱导降解,减少环境污染。

• 生物医用材料:可降解塑料在医疗领域有广泛应用,如药物缓释载体、组织工程支架等,而活性塑料的可控降解特性将带来更多可能性。

• 环保型3D打印耗材:以活性塑料为原料的3D打印耗材,有望减少快速原型和个性化定制带来的废弃物问题。

 未来研究方向、问题和机会

未来在活性塑料研究方向上,还有一些值得探索的问题和挑战,例如:

• 芽胞改造:如何提高芽胞的稳定性和酶分泌效率?是否可以引入多种酶系,实现协同降解?

• 聚合物基质:除PCL外,如何将该方法拓展至其他聚合物,如PLA、PBS等?不同材料体系的加工工艺和诱导降解条件如何优化?

• 诱导方式:除了酶促降解,是否可以开发其他诱导降解的方式,如光、热、化学物质等?

• 环境友好性:活性塑料降解产物的无害化和资源化利用问题如何解决?

Critical Thinking

从批判性思考的角度看,本文还存在一些不足之处:

Our technology is modular by design; the target enzymes, the bacterial strain and the polymer matrix may each be tuned separately before being combined.

论文认为该技术具有模块化特点,酶、菌株、聚合物基质可独立优化后再组装。但文中缺乏对不同模块优化和组装的系统性实验验证。相关内容还有待进一步完善。

Because of their resilience to desiccation, spore-containing materials can be stored indefinitely until favorable growth conditions are sensed.

论文认为芽胞的抗干燥特性使活性材料可长期保存。但实际应用中材料的保存期是多久,保存条件如何影响芽胞活性,还需更多实验数据支撑。

B. subtilis is found in a wide variety of environments and Bacillus species are mostly considered soil dwelling. Bacillus species are not pathogenic and are particularly intriguing as potential probiotics.

论文指出枯草芽胞广泛存在于环境中,并认为芽胞是无害的。但活性塑料投放后对土壤微生物环境的影响如何,长期生态风险是否可控,还需要更长周期的环境监测数据做进一步验证。

Biosyn导师：戴卓君

https://isynbio.siat.ac.cn/ZDlab/view.php?id=48

Zhuojun Dai(戴卓君)教授是中国科学院深圳先进技术研究院的一名教授。她在浙江大学获得了高分子科学与工程学士学位,然后在香港中文大学吴奇教授的指导下获得了化学博士学位。在吴奇教授的实验室里,她从高分子物理和化学的角度研究了高分子链动力学、聚阳离子和聚阴离子之间的相互作用以及细胞-材料相互作用。

博士毕业后,Dai教授在杜克大学生物医学工程系You Lingchong教授的实验室进行了博士后训练,在那里她将刺激敏感材料与合成基因电路相结合,建立了一个多功能制造平台。

自2018年9月起,Dai教授在中国科学院深圳先进技术研究院合成生物学研究所(iSynBio)成立了自己的实验室,专注于利用工程化细菌进行活体制造,以及开发用于蛋白质制造和筛选的微型化设备。

她的研究涉及合成生物学、高分子科学、生物医学工程等多个交叉领域,体现了扎实的理论功底和丰富的实践经验。Dai教授在活细胞材料制造、可控释放体系、细胞-材料界面工程等方面取得了一系列创新性成果,为推动生物制造技术的发展做出了重要贡献。