構(gòu)建人工生態(tài)系統(tǒng)實現(xiàn)塑料降解再循環(huán)，致力于打造從基礎(chǔ)到應用的創(chuàng)新鏈條

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(shù)國家重點實驗室工作。“山東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(shù)領(lǐng)域享有很高聲譽，具有濃厚的學術(shù)氛圍。我就是在這樣一個環(huán)境中不斷汲取營養(yǎng)，不斷豐富自己的知識。”

1996年祁慶生選擇出國繼續(xù)學習，后轉(zhuǎn)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(yè)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(fā)展非常迅速，將基因工程應用于微生物學，逐漸出現(xiàn)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。”祁慶生說道。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(xiàn)塑料的降解與合成。

祁慶生現(xiàn)在的主要研究方向為：1、開發(fā)合成生物學和基因組編輯的方法用于微生物檢測、代謝調(diào)控和改造;2、利用代謝工程合成健康、美容等生物產(chǎn)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(chǔ)研究到應用的創(chuàng)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(chuàng)新鏈條;另一條是利用合成生物學的技術(shù)開發(fā)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(chuàng)新中心。

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

1形成塑料的生物降解到可降解塑料生物合成的閉環(huán)

3年前，藉由項目契機，同時關(guān)注到國內(nèi)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(guān)技術(shù)研究塑料的降解。塑料降解的關(guān)鍵是篩選微生物、篩選酶和改造酶，其中酶的改造至關(guān)重要。酶的熱穩(wěn)定性是酶應用的一個重要的理化性質(zhì)，代表了蛋白質(zhì)在高溫環(huán)境下的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

目前祁慶生課題組與國內(nèi)科研單位合作，利用分子動力模擬和機器學習相結(jié)合的手段，聚焦蛋白熱穩(wěn)定性預測的新方法和熱穩(wěn)定性改造實例研究，成功提升了PET塑料降解酶TfCut2的熱穩(wěn)定性，其中最優(yōu)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(lián)合國內(nèi)和歐洲的科學家篩選降解塑料的微生物。為了響應可持續(xù)發(fā)展號召，該團隊除了篩選微生物外，還力圖將塑料降解的產(chǎn)物變成可降解塑料。

PET降解與PHB生產(chǎn)耦合的共培養(yǎng)系統(tǒng)示意圖

該團隊設計了一種PET或二聚體BHET降解與PHB生產(chǎn)耦合的共培養(yǎng)系統(tǒng)，有望實現(xiàn)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(chǎn)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(zhuǎn)化對苯二甲酸合成生物塑料PHB。

該系統(tǒng)在12時內(nèi)完全水解5.16g/L的BHET，并在54小時內(nèi)積累3.66wt% （wt%為質(zhì)量百分濃度）的PHB;在228小時內(nèi)水解PET產(chǎn)生0.31g/L對苯二甲酸，但由于最終系統(tǒng)內(nèi)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(xiàn)PET到PHB的一步轉(zhuǎn)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(huán)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(huán)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(huán)，實現(xiàn)經(jīng)濟上的循環(huán)。”祁慶生說道。

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(jīng)很高，整體來說處于科研的中后期，離工業(yè)化還有一小段距離，不過實驗室的其他項目已經(jīng)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(chǔ)到應用的創(chuàng)新鏈條。

2構(gòu)建人工合成生態(tài)系統(tǒng)模擬生態(tài)環(huán)境

上文中祁慶生團隊通過共培養(yǎng)兩種工程菌形成一種生態(tài)系統(tǒng)，進而實現(xiàn)PET的降解和PHB的合成。“自然界的生態(tài)環(huán)境非常復雜，生態(tài)系統(tǒng)中不同的微生物實際上有不同的營養(yǎng)需求，它們之間有競爭關(guān)系，也有共生關(guān)系。以往研究微生物之間的關(guān)系都是通過在生態(tài)環(huán)境中取樣分析為主，分析兩種微生物生長變化的趨勢。”

隨著合成生物學的發(fā)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(tài)系統(tǒng)去模擬自然生態(tài)的競爭關(guān)系、合作關(guān)系和共生關(guān)系，這也正是祁慶生團隊發(fā)表在ACS syntheticbiology上的研究內(nèi)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(gòu)建了可調(diào)控種群比例的合成微生物生態(tài)系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用模塊化的構(gòu)建方法，分別模擬了自然界中競爭和共生生態(tài)關(guān)系，并成功實現(xiàn)了種群間數(shù)量比例的調(diào)控，該概念驗證系統(tǒng)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(gòu)建模塊化系統(tǒng)，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(gòu)成有一定的比例關(guān)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(chǎn)生拮抗系統(tǒng)，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(diào)控不同菌群之間的比例。”

構(gòu)建的人工生態(tài)系統(tǒng)

他補充道，“目前構(gòu)建人工生態(tài)系統(tǒng)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。”

據(jù)祁慶生透露，第一種構(gòu)建生態(tài)系統(tǒng)方式已基本完善，但第二種方式稍欠“火候”，仍需精確調(diào)控啟動子、合成信號的強度和它的正交性。“目前該研究仍處在基礎(chǔ)研究階段，人工模擬自然界的一些生態(tài)現(xiàn)象，為我們下一步打造真正的人工微生物菌群，實現(xiàn)塑料的降解再循環(huán)提供較好的幫助。”

合成生態(tài)系統(tǒng)不僅可以模擬自然界中的生態(tài)關(guān)系，為探究生態(tài)原理奠定研究基礎(chǔ)，還可以調(diào)控種群間數(shù)量比例，在環(huán)境、醫(yī)療和生物技術(shù)等方面有較大應用潛力。（綜合整理報道）（編輯/克珂）