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      構建人工生態系統實現塑料降解再循環,致力于打造從基礎到應用的創新鏈條

      2022-04-29 19:38
      海外星云 2022年7期
      關鍵詞:降解塑料菌群生物學

      祁慶生

      祁慶生于1985年進入山東大學生命科學學院就讀,在此一待就是7年,1992年獲得微生物學碩士學位,同年留校在微生物技術國家重點實驗室工作?!吧綎|大學是全國最早具有微生物系的高校之一,在微生物學和微生物技術領域享有很高聲譽,具有濃厚的學術氛圍。我就是在這樣一個環境中不斷汲取營養,不斷豐富自己的知識?!?/p>

      1996年祁慶生選擇出國繼續學習,后轉入德國明斯特大學微生物系攻讀博士學位2001年被聘為德國開姆尼茨工業大學生物工程系講師,課題組負責人,2004年獲引進人才基金資助,回到山東大學任教至今。

      “自1995年開始,分子生物學發展非常迅速,將基因工程應用于微生物學,逐漸出現了代謝工程、合成生物學。2004年,我正好研究可降解塑料PHA的生物合成,合成可降解塑料是指用微生物合成可降解聚合物?!逼顟c生說道。近年來,祁慶生一直在思考和研究如何利用合成生物學手段實現塑料的降解與合成。

      祁慶生現在的主要研究方向為:1、開發合成生物學和基因組編輯的方法用于微生物檢測、代謝調控和改造;2、利用代謝工程合成健康、美容等生物產品;3、廢棄塑料的微生物降解及生物可降解塑料的合成。祁慶生團隊致力于打造從基礎研究到應用的創新鏈條,目前有兩條路徑:一條是利用塑料降解的單體合成可降解塑料或單體丁二酸等大宗化學品的創新鏈條;另一條是利用合成生物學的技術開發高端化妝品和食品,為此,我們與華熙生物建立了合成生物學創新中心。

      聚焦這兩個創新鏈條,近日祁慶生團隊在ACS synthetic biology上發表了系列論文,開發合成生物學細胞工廠和菌群的關鍵技術。

      1形成塑料的生物降解到可降解塑料生物合成的閉環

      3年前,藉由項目契機,同時關注到國內白色污染的重要性,祁慶生開始利用微生物和合成生物學的相關技術研究塑料的降解。塑料降解的關鍵是篩選微生物、篩選酶和改造酶,其中酶的改造至關重要。酶的熱穩定性是酶應用的一個重要的理化性質,代表了蛋白質在高溫環境下的結構穩定性。

      目前祁慶生課題組與國內科研單位合作,利用分子動力模擬和機器學習相結合的手段,聚焦蛋白熱穩定性預測的新方法和熱穩定性改造實例研究,成功提升了PET塑料降解酶TfCut2的熱穩定性,其中最優突變體的Tm值(熔解溫度)較野生型提高了9.28攝氏度,對PET塑料降解能力提高了46.42倍。

      除此之外,祁慶生及課題組也承擔了一個中歐合作的基金委的重大項目,主要是聯合國內和歐洲的科學家篩選降解塑料的微生物。為了響應可持續發展號召,該團隊除了篩選微生物外,還力圖將塑料降解的產物變成可降解塑料。

      PET降解與PHB生產耦合的共培養系統示意圖

      該團隊設計了一種PET或二聚體BHET降解與PHB生產耦合的共培養系統,有望實現PET的降解和PHB的合成,達到PET塑料變廢為寶的目的。

      在該項研究中,工程菌一利用自身來源的脂酶信號肽功能性表達分泌Ideonalla sakaiensis來源的PET水解酶,對PET進行水解,產生單體對苯二甲酸;工程菌二,即一株從PET廢物樣品中篩選出來的能夠代謝對苯二甲酸的Pseudomonasstutzeri,通過重組表達Ralstonia eutropha來源的PHB合成基因簇,能夠轉化對苯二甲酸合成生物塑料PHB。

      該系統在12時內完全水解5.16g/L的BHET,并在54小時內積累3.66wt% (wt%為質量百分濃度)的PHB;在228小時內水解PET產生0.31g/L對苯二甲酸,但由于最終系統內對苯二甲酸的量較少以及工程菌二的PHB合成效率較低,未能實現PET到PHB的一步轉化。盡管如此,本研究為人工菌群降解和回收PET廢棄物提供了一種新的策略。

      “主要想通過這篇文章提出一個新的理念:降解塑料不僅僅是環境微生物的研究,也是合成生物學的研究范疇。我們可以利用微生物將環境里污染的塑料降解成單體,再利用合成生物學方法將單體對苯二甲酸重新利用合成PHB或PHA等材料,形成塑料的生物降解和可降解塑料生物合成的閉環,實現經濟上的循環?!逼顟c生說道。

      不過祁慶生也表示,該研究目前還屬于實驗室階段,但降解PET酶的效率已經很高,整體來說處于科研的中后期,離工業化還有一小段距離,不過實驗室的其他項目已經完成中試,不同的項目處于不同的研究階段。其團隊主要想打造一個合成生物學從基礎到應用的創新鏈條。

      2構建人工合成生態系統模擬生態環境

      上文中祁慶生團隊通過共培養兩種工程菌形成一種生態系統,進而實現PET的降解和PHB的合成?!白匀唤绲纳鷳B環境非常復雜,生態系統中不同的微生物實際上有不同的營養需求,它們之間有競爭關系,也有共生關系。以往研究微生物之間的關系都是通過在生態環境中取樣分析為主,分析兩種微生物生長變化的趨勢?!?/p>

      隨著合成生物學的發展,微生物群落的設計和應用越來越受到重視。于是祁慶生團隊思考能否用人工合成的生態系統去模擬自然生態的競爭關系、合作關系和共生關系,這也正是祁慶生團隊發表在ACS syntheticbiology上的研究內容。

      該團隊通過基因工程方法,將兩種信號分子放到兩種大腸桿菌里,使其自身形成兩種菌群,構建了可調控種群比例的合成微生物生態系統。該系統利用模塊化的構建方法,分別模擬了自然界中競爭和共生生態關系,并成功實現了種群間數量比例的調控,該概念驗證系統擴展了合成生物學研究的工具箱。

      該研究采用群感信號分子構建模塊化系統,即兩種細胞或兩種菌群都可以各自分泌一種信號分子,那么這種信號分子的強弱和群體的構成有一定的比例關系,信號分子分泌的強,菌體密度就比較高;另外群感信號分子除能誘導自身產生拮抗系統,還能誘導殺菌蛋白。

      祁慶生表示,“也就是說它除能夠控制自身菌群比例,也為對方提供一種抗性的蛋白,相互之間,這兩個菌群就形成一個平衡,通過外源添加或者自身分泌信號分子可以調控不同菌群之間的比例?!?p>

      構建的人工生態系統

      他補充道,“目前構建人工生態系統有兩種方式,一種是人工加入不同濃度的信號分子,來控制兩種菌的種群比例;另一種是讓大腸桿菌自我合成信號分子,并自行控制合成信號分子的強弱或快慢?!?/p>

      據祁慶生透露,第一種構建生態系統方式已基本完善,但第二種方式稍欠“火候”,仍需精確調控啟動子、合成信號的強度和它的正交性?!澳壳霸撗芯咳蕴幵诨A研究階段,人工模擬自然界的一些生態現象,為我們下一步打造真正的人工微生物菌群,實現塑料的降解再循環提供較好的幫助?!?/p>

      合成生態系統不僅可以模擬自然界中的生態關系,為探究生態原理奠定研究基礎,還可以調控種群間數量比例,在環境、醫療和生物技術等方面有較大應用潛力。(綜合整理報道)(編輯/克珂)

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