2022年7月6日，由生物降解材料研究院、TK生物基材料主辦，萊茵技術監督服務(廣東)有限公司、北京微構工場生物技術有限公司協辦的《中歐科學家生物基與降解材料產業論壇暨國際禁塑替代品展覽會》在廣州隆重舉行，來自全國各地超過500名嘉賓參加了此次盛會。
會上，山東大學微生物技術國家重點實驗室教授祁慶生以《合成生物學技術助力可降解材料的生物合成》為題，做了主題報告。
我國作為一個製造大國，以煤炭、石化產品為基礎的傳統高能耗、高排放化工行業向綠色、低碳的生物經濟轉型已是箭在弦上。通過生物質—生物基產品—循環利用(燃燒)—CO2—生物質，可以形成一個完整的閉環而減少溫室氣體排放（圖1），因此發展生物基產業將從源頭上降低碳排放，是低碳經濟的重要環節。其中，作為新興市場的生物基材料處於高速增長起點，可以預見生物基材料將成為生物基化學品最主要的應用領域。
基於生物製造產業的循環經濟模式
祁教授開篇直指現如今塑料污染問題嚴重，塑料年產量累計接近100億噸，百分之90以上變成塑料垃圾，對環境造成了很大的問題。
在元素層面，塑料主要是碳，一種無生命的有機碳（OC）。
將塑料的存量和通量與碳的存量和通量進行比較後發現，某些生態系統中塑料的數量與天然有機碳的數量相當。例如，2035年塑料的碳總量將於海洋有機碳總量相當。
受此啟發，祁教授回憶起在中歐合作項目上中提出的「合成塑料生物降解轉化微生物菌群」這麼一個概念。項目存在的意義一方面是希望解決塑料的污染問題，另一方面利用合成生物學的技術合成可生物降解塑料。
項目的整體思路如下圖：
聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）是應用最廣泛的石化塑料之一。研究發現，PET可以被多種酶降解。然而，如何經濟高效地實現降解產生的單體的再利用成為新的問題。
山東大學祁慶生團隊在《Engineering Microbiology》雜誌上發表研究論文。在該研究中，作者設計了一種PET降解與聚羥基丁酸酯（PHB）生產耦合的共培養系統（如圖）。
PET降解與PHB生產耦合的共培養系統示意圖
在該系統中，工程菌一（Yarrowia lipolytica）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或者二聚體BHET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Pseudomonas stutzeri，通過重組表達Ralstonia eutropha來源的PHB合成基因簇（phbCAB），能夠轉化對苯二甲酸合成生物塑料PHB。
通過共培養兩株工程菌有望一步實現PET的降解和PHB的合成，達到PET塑料變廢為寶的目的。
丁二酸（又名琥珀酸）是一種重要的C4平台化學品，是合成生物可降解塑料聚丁二酸丁二醇酯PBS和聚丁二酸-己二酸丁二酯PBSA的主要原料。
對此，祁慶生教授團隊以先前構建完成的丁二酸生產菌株PGC62作為平台，鑑定了解脂耶氏酵母中負責丁二酸外排的內源性線粒體轉運載體，並探究了異源C4-二羧酸轉運蛋白過表達對丁二酸合成的影響。
最後，通過組合優化丁二酸合成相關途徑構建高效底盤細胞，並進一步評估丁二酸轉運蛋白的功能。在分批補料發酵中，最終工程菌株PGC62-SYF-Mae的丁二酸產量達到101.4g/L，這是酵母宿主以葡萄糖作為唯一碳源發酵丁二酸獲得的最高產量。該工作發表在國際期刊《Biotechnol Biofuels》上。
解脂耶氏酵母中丁二酸合成及外排路徑示意圖
以上內容僅為山東大學微生物技術國家重點實驗室教授祁慶生報告的部分內容，如需完整內容可掃下方二維碼觀看。
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