細胞里長出來的綠色材料

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）。它不僅對地球環境友好，還擁有廣泛的應用潛力。

近日，由清華大學教授陳國強團隊成果轉化的微構工場PHA產品，獲得美國食品藥品監督管理局（FDA）的正式認證。未來，從生活日用到紡織服飾，從食品添加劑到醫療植入物，PHA有希望在眾多領域大放異彩。

觸目驚心的白色污染

在我們的身邊，塑料無處不在。

據統計，人類每分鐘消耗約100萬個塑料瓶，每年使用多達5萬億個塑料袋。全球每年生產的塑料超過4億噸，相當于約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，更有數不盡的微塑料無孔不入。

塑料的過度使用和不當處理，正在嚴重侵害著地球生態環境和人類健康。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，因其優越的降解性能和環境友好性備受關注。

PHA，大自然的慷慨饋贈

PHA是微生物常見的儲能物質，它們以“脂質體”的形式在微生物體內積累，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品。生產 1千克PHA的碳排放，僅為生產傳統塑料碳排放的10%-15%。

這么好的寶貝，怎樣才能從自然界中獲取呢？

清華大學陳國強教授團隊經過一系列篩選，將注意力放到了艾丁湖中的嗜鹽菌上。科研團隊發現，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境下免受其他微生物的污染競爭，為工業生產提供了一種全新的、更為高效和經濟的生產方式。為此，陳國強教授領銜的清華大學科研團隊在過去的20年里，開發了一系列基于嗜鹽菌的分子生物學工具。通過這些工具，他們對嗜鹽菌的代謝途徑和形態進行了深入改造，顯著提高了PHA的積累能力，使嗜鹽菌成為PHA工業生產的一個杰出“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，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化成“儲備糧”PHA。但當“儲能”和“活力”同時需要它時，就會產生矛盾。

如何讓PHA的產量增加，又不影響嗜鹽菌的生命力呢？陳國強科研團隊提出了一個巧妙的解決方案：引入一種精準的基因調控工具，通過調控某個基因的表達，先將乙酰輔酶A用于細胞生長，積累生物量；等菌量多了，再將乙酰輔酶A引導向PHA的合成。基因改造后的嗜鹽菌，PHA積累量比原來的野生型有了明顯提升。

工程學激發微生物潛能

嗜鹽菌僅有大約2微米大小，儲藏PHA的能力很受限制。而且在發酵罐里發酵的過程中，嗜鹽菌群體就像一支“不團結”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？科研人員以工程學的巧手，通過形態工程學改造，賦予嗜鹽菌全新的形態——改造后的嗜鹽菌長高長胖了，部分嗜鹽菌的直徑達5微米，長度達5到10微米，能夠儲存更多PHA。PHA的合成也變得更高效，具有持續合成的能力，而且更容易從培養液中分離出來。這就像是在比賽中不僅輕松突破對手的防線，還降低了隊員培養成本，一舉多得。

自動識別“智能設備”

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，傳統的工業發酵方式往往需要通過提高攪拌速度來確保培養液中的溶解氧充足，既耗能又低效。

對此，科研人員設計了一套精巧的細胞內“自動識別系統”：當微生物感覺氧氣不足時，會自動啟動一個應急裝置，釋放出能夠輸送氧氣的“氧氣罐”——血紅蛋白。血紅蛋白會被運輸到周質，與環境中的氧氣結合，將氧氣帶到體內，供細胞進行呼吸作用。這樣一來，嗜鹽菌即使在氧氣稀缺的環境中，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升發酵罐中，沒有經過改造的對照組微生物干重僅為27.6克/升，經過改造、整合了血紅蛋白的微生物干重可達55.7克/升。

讓每一株嗜鹽菌充分發揮潛能

改造后的嗜鹽菌能否進行工業化大規模生產？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個關鍵基因聯合表達，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鍵角色，它就像守護神一樣，幫助嗜鹽菌抵御氧化、營養缺乏和缺氧等種種挑戰。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，嗜鹽菌菌株歷經層層迭代，已蛻變為集高產、高效、低耗于一身的卓越工程菌株。以嗜鹽菌為基石，這一創新的生物技術不僅優化了生產流程，削減了生產成本，更是將生產能耗降低了約一半，為推動可持續發展和環保事業貢獻了堅實力量。

讓PHA重返自然

如同陶淵明筆下的田園詩“復得返自然”，PHA之所以成為備受青睞的新材料，是因為它本質上是一種類似脂肪的物質，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，如土壤和水中的細菌、真菌等。

生物降解：環境中那些熱心“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，進入細胞的神秘世界。在這里，它們經過一系列復雜的代謝過程，轉化為新的細胞成分，如蛋白質和核酸，從而形成新的生物質，為自然界的多樣性貢獻力量。

環境中溫度、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都可以完成。假如采用堆肥降解，還可以加速降解過程。在嚴格的海洋降解測試中，由陳國強教授團隊指導、微構工場生產的PHA，在42天內達到超過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將應用于生活中的眾多領域。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、文創產品或時尚單品，還有可能在醫院看病時植入以PHA為材料的口腔修復膜、人工心臟瓣膜、血管組織、肌肉組織等。

健康、綠色、環保，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，正引領人類邁向一場全新的生物制造變革之旅。