构建人工生态系统实现塑料降解再循环,致力于打造从基础到应用的创新链条

祁庆生祁庆生于1985年进入山东大学生命科学学院就读,在此一待就是7年,1992年获得微生物学硕士学

构建人工生态系统实现塑料降解再循环,致力于打造从基础到应用的创新链条

祁庆生

祁庆生于1985年进入山东大学生命科学学院就读,在此一待就是7年,1992年获得微生物学硕士学位,同年留校在微生物技术国家重点实验室工作。“山东大学是全国最早具有微生物系的高校之一,在微生物学和微生物技术领域享有很高声誉,具有浓厚的学术氛围。我就是在这样一个环境中不断汲取营养,不断丰富自己的知识。”

1996年祁庆生选择出国继续学习,后转入德国明斯特大学微生物系攻读博士学位2001年被聘为德国开姆尼茨工业大学生物工程系讲师,课题组负责人,2004年获引进人才基金资助,回到山东大学任教至今。

“自1995年开始,分子生物学发展非常迅速,将基因工程应用于微生物学,逐渐出现了代谢工程、合成生物学。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。”祁庆生说道。近年来,祁庆生一直在思考和研究如何利用合成生物学手段实现塑料的降解与合成。

祁庆生现在的主要研究方向为:1、开发合成生物学和基因组编辑的方法用于微生物检测、代谢调控和改造;2、利用代谢工程合成健康、美容等生物产品;3、废弃塑料的微生物降解及生物可降解塑料的合成。祁庆生团队致力于打造从基础研究到应用的创新链条,目前有两条路径:一条是利用塑料降解的单体合成可降解塑料或单体丁二酸等大宗化学品的创新链条;另一条是利用合成生物学的技术开发高端化妆品和食品,为此,我们与华熙生物建立了合成生物学创新中心。

聚焦这两个创新链条,近日祁庆生团队在ACS synthetic biology上发表了系列论文,开发合成生物学细胞工厂和菌群的关键技术。1形成塑料的生物降解到可降解塑料生物合成的闭环

3年前,藉由项目契机,同时关注到国内白色污染的重要性,祁庆生开始利用微生物和合成生物学的相关技术研究塑料的降解。塑料降解的关键是筛选微生物、筛选酶和改造酶,其中酶的改造至关重要。酶的热稳定性是酶应用的一个重要的理化性质,代表了蛋白质在高温环境下的结构稳定性。

目前祁庆生课题组与国内科研单位合作,利用分子动力模拟和机器学习相结合的手段,聚焦蛋白热稳定性预测的新方法和热稳定性改造实例研究,成功提升了PET塑料降解酶TfCut2的热稳定性,其中最优突变体的Tm值(熔解温度)较野生型提高了9.28摄氏度,对PET塑料降解能力提高了46.42倍。

除此之外,祁庆生及课题组也承担了一个中欧合作的基金委的重大项目,主要是联合国内和欧洲的科学家筛选降解塑料的微生物。为了响应可持续发展号召,该团队除了筛选微生物外,还力图将塑料降解的产物变成可降解塑料。

构建人工生态系统实现塑料降解再循环,致力于打造从基础到应用的创新链条

PET降解与PHB生产耦合的共培养系统示意图

该团队设计了一种PET或二聚体BHET降解与PHB生产耦合的共培养系统,有望实现PET的降解和PHB的合成,达到PET塑料变废为宝的目的。

在该项研究中,工程菌一利用自身来源的脂酶信号肽功能性表达分泌Ideonalla sakaiensis来源的PET水解酶,对PET进行水解,产生单体对苯二甲酸;工程菌二,即一株从PET废物样品中筛选出来的能够代谢对苯二甲酸的Pseudomonasstutzeri,通过重组表达Ralstonia eutropha来源的PHB合成基因簇,能够转化对苯二甲酸合成生物塑料PHB。

该系统在12时内完全水解5.16g/L的BHET,并在54小时内积累3.66wt% (wt%为质量百分浓度)的PHB;在228小时内水解PET产生0.31g/L对苯二甲酸,但由于最终系统内对苯二甲酸的量较少以及工程菌二的PHB合成效率较低,未能实现PET到PHB的一步转化。尽管如此,本研究为人工菌群降解和回收PET废弃物提供了一种新的策略。

“主要想通过这篇文章提出一个新的理念:降解塑料不仅仅是环境微生物的研究,也是合成生物学的研究范畴。我们可以利用微生物将环境里污染的塑料降解成单体,再利用合成生物学方法将单体对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闭环,实现经济上的循环。”祁庆生说道。

不过祁庆生也表示,该研究目前还属于实验室阶段,但降解PET酶的效率已经很高,整体来说处于科研的中后期,离工业化还有一小段距离,不过实验室的其他项目已经完成中试,不同的项目处于不同的研究阶段。其团队主要想打造一个合成生物学从基础到应用的创新链条。2构建人工合成生态系统模拟生态环境

上文中祁庆生团队通过共培养两种工程菌形成一种生态系统,进而实现PET的降解和PHB的合成。“自然界的生态环境非常复杂,生态系统中不同的微生物实际上有不同的营养需求,它们之间有竞争关系,也有共生关系。以往研究微生物之间的关系都是通过在生态环境中取样分析为主,分析两种微生物生长变化的趋势。”

随着合成生物学的发展,微生物群落的设计和应用越来越受到重视。于是祁庆生团队思考能否用人工合成的生态系统去模拟自然生态的竞争关系、合作关系和共生关系,这也正是祁庆生团队发表在ACS syntheticbiology上的研究内容。

该团队通过基因工程方法,将两种信号分子放到两种大肠杆菌里,使其自身形成两种菌群,构建了可调控种群比例的合成微生物生态系统。该系统利用模块化的构建方法,分别模拟了自然界中竞争和共生生态关系,并成功实现了种群间数量比例的调控,该概念验证系统扩展了合成生物学研究的工具箱。

该研究采用群感信号分子构建模块化系统,即两种细胞或两种菌群都可以各自分泌一种信号分子,那幺这种信号分子的强弱和群体的构成有一定的比例关系,信号分子分泌的强,菌体密度就比较高;另外群感信号分子除能诱导自身产生拮抗系统,还能诱导杀菌蛋白。

祁庆生表示,“也就是说它除能够控制自身菌群比例,也为对方提供一种抗性的蛋白,相互之间,这两个菌群就形成一个平衡,通过外源添加或者自身分泌信号分子可以调控不同菌群之间的比例。”

构建人工生态系统实现塑料降解再循环,致力于打造从基础到应用的创新链条

构建的人工生态系统

他补充道,“目前构建人工生态系统有两种方式,一种是人工加入不同浓度的信号分子,来控制两种菌的种群比例;另一种是让大肠杆菌自我合成信号分子,并自行控制合成信号分子的强弱或快慢。”

据祁庆生透露,第一种构建生态系统方式已基本完善,但第二种方式稍欠“火候”,仍需精确调控启动子、合成信号的强度和它的正交性。“目前该研究仍处在基础研究阶段,人工模拟自然界的一些生态现象,为我们下一步打造真正的人工微生物菌群,实现塑料的降解再循环提供较好的帮助。”

合成生态系统不仅可以模拟自然界中的生态关系,为探究生态原理奠定研究基础,还可以调控种群间数量比例,在环境、医疗和生物技术等方面有较大应用潜力。(综合整理报道)(编辑/克珂)

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