在自然界的神奇寶庫中，大部分微生物都攜帶著一種特殊的“脂肪”——聚羥基脂肪酸（PHA）。它不僅對地球環(huán)境友好，還擁有廣泛的應(yīng)用潛力。

近日，由清華大學(xué)教授陳國強(qiáng)團(tuán)隊成果轉(zhuǎn)化的微構(gòu)工場PHA產(chǎn)品，獲得美國食品藥品監(jiān)督管理局（FDA）的正式認(rèn)證。未來，從生活日用到紡織服飾，從食品添加劑到醫(yī)療植入物，PHA有希望在眾多領(lǐng)域大放異彩。

觸目驚心的白色污染

在我們的身邊，塑料無處不在。

據(jù)統(tǒng)計，人類每分鐘消耗約100萬個塑料瓶，每年使用多達(dá)5萬億個塑料袋。全球每年生產(chǎn)的塑料超過4億噸，相當(dāng)于約4000座埃菲爾鐵塔的重量。其中，2億噸的塑料垃圾被填埋、焚燒或流入土壤和水體，會在環(huán)境中“賴”上幾十年甚至上

百年，這會造成超12億噸溫室氣體釋放到大氣中，更有數(shù)不盡的微塑料無孔不入。

塑料的過度使用和不當(dāng)處理，正在嚴(yán)重侵害著地球生態(tài)環(huán)境和人類健康。人們越來越期待安全、舒適、綠色的材料。PHA作為一種可生物降解材料，因其優(yōu)越的降解性能和環(huán)境友好性備受關(guān)注。

PHA，大自然的慷慨饋贈

PHA是微生物常見的儲能物質(zhì)，它們以“脂質(zhì)體”的形式在微生物體內(nèi)積累，并在必需時用于生長。得益于得天獨厚的自然來源，PHA是天然的全流程低碳產(chǎn)品。生產(chǎn) 1千克PHA的碳排放，僅為生產(chǎn)傳統(tǒng)塑料碳排放的10%-15%。

這么好的寶貝，怎樣才能從自然界中獲取呢？

清華大學(xué)陳國強(qiáng)教授團(tuán)隊經(jīng)過一系列篩選，將注意力放到了艾丁湖中的嗜鹽菌上?？蒲袌F(tuán)隊發(fā)現(xiàn)，嗜鹽菌不僅能合成并積累PHA，還具有在高鹽、高堿條件下生存的能力。這種耐受性可以使嗜鹽菌在特定環(huán)境下免受其他微生物的污染競爭，為工業(yè)生產(chǎn)提供了一種全新的、更為高效和經(jīng)濟(jì)的生產(chǎn)方式。為此，陳國強(qiáng)教授領(lǐng)銜的清華大學(xué)科研團(tuán)隊在過去的20年里，開發(fā)了一系列基于嗜鹽菌的分子生物學(xué)工具。通過這些工具，他們對嗜鹽菌的代謝途徑和形態(tài)進(jìn)行了深入改造，顯著提高了PHA的積累能力，使嗜鹽菌成為PHA工業(yè)生產(chǎn)的一個杰出“平臺”。

怎樣讓小小的PHA為我們所用？

基因改造大顯身手

有一種物質(zhì)，叫乙酰輔酶A。它能讓嗜鹽菌保持活力，還能在足夠充足時轉(zhuǎn)化成“儲備糧”PHA。但當(dāng)“儲能”和“活力”同時需要它時，就會產(chǎn)生矛盾。

如何讓PHA的產(chǎn)量增加，又不影響嗜鹽菌的生命力呢？陳國強(qiáng)科研團(tuán)隊提出了一個巧妙的解決方案：引入一種精準(zhǔn)的基因調(diào)控工具，通過調(diào)控某個基因的表達(dá)，先將乙酰輔酶A用于細(xì)胞生長，積累生物量；等菌量多了，再將乙酰輔酶A引導(dǎo)向PHA的合成?；蚋脑旌蟮氖塞}菌，PHA積累量比原來的野生型有了明顯提升。

工程學(xué)激發(fā)微生物潛能

嗜鹽菌僅有大約2微米大小，儲藏PHA的能力很受限制。而且在發(fā)酵罐里發(fā)酵的過程中，嗜鹽菌群體就像一支“不團(tuán)結(jié)”的球隊，有的隊員奮力沖鋒，有的隊員選擇“躺平”，使得最終成績不盡如人意。

怎么辦呢？科研人員以工程學(xué)的巧手，通過形態(tài)工程學(xué)改造，賦予嗜鹽菌全新的形態(tài)——改造后的嗜鹽菌長高長胖了，部分嗜鹽菌的直徑達(dá)5微米，長度達(dá)5到10微米，能夠儲存更多PHA。PHA的合成也變得更高效，具有持續(xù)合成的能力，而且更容易從培養(yǎng)液中分離出來。這就像是在比賽中不僅輕松突破對手的防線，還降低了隊員培養(yǎng)成本，一舉多得。

自動識別“智能設(shè)備”

高密度生長的微生物，需要源源不斷的氧氣來維持生命活動。然而，傳統(tǒng)的工業(yè)發(fā)酵方式往往需要通過提高攪拌速度來確保培養(yǎng)液中的溶解氧充足，既耗能又低效。

對此，科研人員設(shè)計了一套精巧的細(xì)胞內(nèi)“自動識別系統(tǒng)”：當(dāng)微生物感覺氧氣不足時，會自動啟動一個應(yīng)急裝置，釋放出能夠輸送氧氣的“氧氣罐”——血紅蛋白。血紅蛋白會被運輸?shù)街苜|(zhì)，與環(huán)境中的氧氣結(jié)合，將氧氣帶到體內(nèi)，供細(xì)胞進(jìn)行呼吸作用。這樣一來，嗜鹽菌即使在氧氣稀缺的環(huán)境中，也能夠維持其代謝活動，保證活力和效率。

通過這樣改造，微生物的生長效率顯著提升。在1升發(fā)酵罐中，沒有經(jīng)過改造的對照組微生物干重僅為27.6克/升，經(jīng)過改造、整合了血紅蛋白的微生物干重可達(dá)55.7克/升。

讓每一株嗜鹽菌充分發(fā)揮潛能

改造后的嗜鹽菌能否進(jìn)行工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)？如何讓每一個嗜鹽菌都成為合成PHA的高手？科研人員提出了一個巧妙的方案——將生存與生產(chǎn)緊密相連，只有那些能夠合成PHA的嗜鹽菌才能在這場生存競爭中勝出。

在這個方案中，科研人員將PHA合成所需的4個關(guān)鍵基因聯(lián)合表達(dá)，使每一個存活的嗜鹽菌都在全力以赴地合成PHA。還有一個外膜蛋白扮演了關(guān)鍵角色，它就像守護(hù)神一樣，幫助嗜鹽菌抵御氧化、營養(yǎng)缺乏和缺氧等種種挑戰(zhàn)。通過巧妙的基因操作，改造后的嗜鹽菌工程菌PHA含量和葡萄糖轉(zhuǎn)化效率都有了顯著提升。

在科研人員的精心培育下，嗜鹽菌菌株歷經(jīng)層層迭代，已蛻變?yōu)榧弋a(chǎn)、高效、低耗于一身的卓越工程菌株。以嗜鹽菌為基石，這一創(chuàng)新的生物技術(shù)不僅優(yōu)化了生產(chǎn)流程，削減了生產(chǎn)成本，更是將生產(chǎn)能耗降低了約一半，為推動可持續(xù)發(fā)展和環(huán)保事業(yè)貢獻(xiàn)了堅實力量。

讓PHA重返自然

如同陶淵明筆下的田園詩“復(fù)得返自然”，PHA之所以成為備受青睞的新材料，是因為它本質(zhì)上是一種類似脂肪的物質(zhì)，它降解的最終歸宿，是回到大自然——在土壤、河流和海洋的擁抱下，PHA被無處不在的微生物輕柔分解，化作微小分子。

PHA降解的核心原理，是生物降解和生物利用。在這一過程中，有很多微生物的參與，如土壤和水中的細(xì)菌、真菌等。

生物降解：環(huán)境中那些熱心“幫忙”的微生物能分泌一些特異性的酶。這些酶附著在PHA表面，以精湛的技藝將PHA的長鏈分子裁剪成小片段或單體。

生物利用：PHA降解后的小分子被微生物吸收，進(jìn)入細(xì)胞的神秘世界。在這里，它們經(jīng)過一系列復(fù)雜的代謝過程，轉(zhuǎn)化為新的細(xì)胞成分，如蛋白質(zhì)和核酸，從而形成新的生物質(zhì)，為自然界的多樣性貢獻(xiàn)力量。

環(huán)境中溫度、濕度、pH值、溶解氧、微生物的種類等因素，會影響PHA的降解效率，但通常在幾個月到一年內(nèi)都可以完成。假如采用堆肥降解，還可以加速降解過程。在嚴(yán)格的海洋降解測試中，由陳國強(qiáng)教授團(tuán)隊指導(dǎo)、微構(gòu)工場生產(chǎn)的PHA，在42天內(nèi)達(dá)到超過90%的絕對分解率，解決了困擾石化材料已久的海洋降解難題。

未來，PHA將應(yīng)用于生活中的眾多領(lǐng)域。你可能會用上PHA材料的餐具，穿上PHA材料的衣服，買到以PHA為材料的3D打印玩具、文創(chuàng)產(chǎn)品或時尚單品，還有可能在醫(yī)院看病時植入以PHA為材料的口腔修復(fù)膜、人工心臟瓣膜、血管組織、肌肉組織等。

健康、綠色、環(huán)保，是我們每個人向往的生活方式。在這場生物材料的革命浪潮中，以嗜鹽菌為代表的微生物，正引領(lǐng)人類邁向一場全新的生物制造變革之旅。