改造大腸桿菌染牛仔褲成新時尚“姐妹花”初創的生物合成染料產業化之路卻遇阻

2012年上映了一部紀錄片《牛仔褲的代價》，片中記錄了生產洗水牛仔褲帶來的的污染和危害。而中國又是世界最大的牛仔褲出口國之一，有數據稱中國每年會向世界各地供應6億條牛仔褲。

時裝行業的染色過程是能源密集和水密集的，有業內人士稱，1噸染料的生產需要使用近1000立方米的水、100噸重石油化合物、以及10噸有毒和腐蝕性的化學品，以及至少100兆焦耳的能源。

拿牛仔褲舉例，生產過程中需要使用大量的水和高錳酸鉀類的化學物品，一些隱蔽的小廠的廢水未經處理就直接排放到附近的河流，造成嚴重的水質污染。近兩年，業內出現了激光制作牛仔褲的全新生產技術和模式，但囿于價格和高昂的成本，推廣并不順利。

一家名為Tinctorium（靛藍色）的初創公司，試圖利用合成生物學來解決牛仔褲“骯臟”的秘密：靛藍染料（Indigo）。這家公司成立于2018年，總部位于舊金山。

奇怪的是，自2019年接受過一些媒體采訪之后， 這家還沒有官網的公司便銷聲匿跡。但隨后出現了一家名為Huue的公司，創始團隊還是塔米·蘇和朱彥，業務方向仍然是，為牛仔布制造商提供源自自然的靛藍染料。

化學合成靛藍的兩大問題

事實上在秦漢以前，古人就從一種名為蓼藍的植物中提取靛藍，“青出于藍”即為佐證。但終止、收集、提取的周期極長，效率極低。

1885年，全球天然靛藍的產量只有5000噸左右，不能滿足市場需求。

這一時期，化學家Adolf von Baeyer（阿道夫·馮·貝耶爾）首次人工合成靛藍，并于1883年確認靛藍化學結構式。也是基于這一成就，他獲得了1905年諾貝爾化學獎。

德國巴斯夫公司于1881年開始少量生產靛藍，這是人類歷史上首家公司生產靛藍;1897年， 巴斯夫首次規模化生產靛藍， 之后，全球各地的工廠每年可以生產大約7萬噸靛藍染料，產業價值達660億美元，其中大部分都被用來為牛仔布著色。

但化學合成靛藍存在兩個令人擔心的問題：

一方面，在靛藍生產上，這是一種需要使用大量氰化物、甲醛和苯胺的多步化學合成，其中苯胺從石油中提取而來，是靛藍生產的起始物質。合成靛藍需要將這三種有毒化學物質加熱到高溫，這需要大量的能量，之后需要用水冷卻反應。

另一方面，在染色上。因為靛藍不溶于水，所以必須加入一些化學還原劑，把它變成水溶性的染料。化學還原劑中，連二硫酸鈉是工業上常用的一種，因為它速度快、效率高。但它有強腐蝕性。

生物合成兩步實現“綠化”

事實上在幾年前，牛仔布行業就已經開始研究利用生物工藝生產靛藍，但當時因為技術尚未成熟，消費者和監管者并不關心，再加上技術初期高昂的成本，導致化學品公司稍微降價就會削弱生物合成的推廣過程。

現在，可持續性是政府和消費者尤為關心的問題。生物合成被寄予極高的期望。

生物合成染料也被稱為生質染料，包含動植物與微生物來源。生物合成燃料市場在美國有31億美元規模，并在2014年～2018年的年增長率都達到7%以上。

早在2018年，加州大學伯克利分校的生物工程師John E. Dueber 帶領團隊在NatureChemical Biology公布了他們的新方法：用基因改造后的大腸桿菌合成靛藍，以模仿靛藍植物在自然界中的染色過程。

Tinctorium聯合創始人塔米·蘇正是該論文的第一作者， 這篇論文發表于其博士期間。

事實上在這之前，已有一些研究團隊以及一家名為Genencor的公司嘗試過用大腸桿菌生產靛藍。Genencor用一種酶將大腸桿菌的代謝物轉化成一種叫做吲哚基的分子，二聚形成靛藍色粉末。不過該方法只在生產環節實現了“綠色”，在隨后的染色過程中仍然需要使用化學還原劑。

該方法從生產和染色兩個環節做到了“綠色”，一方面，相比于化學合成的石化原料，生物合成的原材料更加綠色;另一方面，在染色環節上，生物合成的吲哚苷可以直接用于染色，而無需使用化學還原劑。

植物是如何合成靛藍的呢？上文提到的蓼藍葉子中有靛藍前體，即吲哚酚。但吲哚酚不太穩定，所以植物利用葡萄糖作為保護基團，在葡萄糖基轉移酶作用下將之轉化為穩定的無色分子吲哚苷。而在特殊情況下，植物中的一種酶β-葡萄糖苷酶能摘掉吲哚苷的保護基團，使之變回吲哚酚，吲哚酚再自發氧化，經由靛白中間體形成靛藍。

John E. Dueber團隊利用基因編輯向大腸桿菌中轉入蓼藍葡萄糖基轉移酶基因PtUGT1，讓細菌也可以合成吲哚苷。隨后提取吲哚苷將之溶解在水中，添加β-葡萄糖苷酶使之變回吲哚酚，吲哚酚會在空氣中自發氧化形成靛藍，從而完成染色。

不過，該方式從實驗室走向規模化生產，仍有很多問題待解。在成本方面，β-葡萄糖苷酶目前成本較高，還需要找到平價的催化劑。同時，生物合成的路徑也仍有優化空間。

18升菌染一條牛仔褲？

2018年， 塔米· 蘇帶著技術成立了Tinctorium，并申報了全球著名生物技術加速器IndieBio并通過了第一次面試，但面試官告訴她公司需要一個合伙人，于是塔米·蘇找到了在類似美國的“大眾點評”網站Yelp工作的朱彥，二人共同參加了IndieBio為期四個月的項目。

“你的報道說2015年時，你需要18升培養的細菌來染一條牛仔褲。從那之后效率有所提高嗎？”有外媒在2019年的采訪中問到。

塔米·蘇回答說，經過一些工程和培養條件優化之后，現在需要大概5升左右就可以染一條牛仔褲。她稱公司還在嘗試進一步改進優化。總的來說，目前其染料仍然比工業生產要貴。

在2019年的采訪中，塔米·蘇稱希望盡快生產1000條利用其染色技術的牛仔褲。并嘗試和時尚品牌合作推出聯名牛仔褲系列，開始進行市場教育。另外，在技術上也希望在未來幾年內將染料的生產規模擴大到數千升甚至數萬升。

在2020年～2021年之間，尚未發現Tinctorium發布的任何進展和新聞。

“我們認為現在是時候了。在過去幾年里，使用更具可持續性的材料成為時尚界的一種趨勢，同時也出現了一些新興的公司，比如用人造蜘蛛絲制作衣服的Bolt Threads公司、用真菌制造纖維的MycoWorks公司，以及無動物皮革公司。這是消費者越來越意識到的一種選擇。我們想在牛仔布的可持續性方面擴大我們的聲量。”Tammy Hsu說。

目前尚不清楚Tinctorium與Huue之間的關系。