合成生物学是什么 为何对塑料有作用?

合成生物学是一个跨学科领域,将工程原理应用于生物学。 它涉及通过工程设计生物具有新能力来重新设计生物体,从而达到有用的目的。 研究人员可以写出新的基因密码 — — 类似写作软件 — — 使微生物生产化学物质、燃料和曾经从化石资源中衍生出来的材料。 在塑料方面,合成生物学使得微生物能够直接从玉米糖、甘蔗等可再生原料合成聚合物,甚至捕获二氧化碳。

核心工具包包括DNA合成、基因编辑(特别是CRISPR-Cas9 ) 、 代谢途径工程。 通过将基因的新型组合组合起来,科学家可以创建精准地淘汰高价值化合物的细胞工厂。 这为生产与石油化工塑料在功能上具有竞争力和真正可持续的生物塑料打开了大门。

例如,a 2021年研究演示了以适合商业规模的产量生产多羟基甲醇酸盐的E.coli的工程设计,这种突破正在加快生物塑料进入市场的时间。

合成生物学技术推动生物塑料发展

元数据路径工程

元素工程是基础。科学家在生物体内设计了新的路径,如[E.大肠杆菌、酵母或氰菌,将简单的糖转化为聚合物前体。 对于多羟基甲诺酸盐(PHA),途径涉及将细胞内的羟基-CoA单体聚合的酶。 通过细化酶表达和阻断竞争途径,研究人员可以将碳通量推向聚合物的积累,有时会达到细胞干重的80%以上作为PHA。

聚乳酸(PLA)也采用类似方法,尽管PLA一般是通过乳酸发酵制得,然后通过化学聚合制得. 合成生物学现在可以直接生物生产乳酸,乳酸的环二聚体,可以不单独化学步骤进行聚合. Genomata[,工业生物技术的领先者,率先为尼龙和聚酯取代中使用的生物单体提供了这种途径.

CRISPR 和基因组编辑

CRISPR-Cas9大大缩短了设计-构建-测试-学习周期。在传统的基因工程需要几个月的时间来修改单一基因的情况下,CRISPR可以在一周内进行多次编辑。这可以快速地对合成路径进行原型。 例如,加利福尼亚大学的团队利用CRISPR进行工程师 Pseudomonas putida生产具有特制机械特性的中链长PHA——从软膜到刚性热塑性。

无细胞系统

一种新兴的方法是无细胞合成生物学,其中酶的体外组装,生成活细胞以外的聚合物,这避免了毒性和代谢负担的问题。“] EnginZyme[]等启动项目正在开发无细胞平台,用于可伸缩的生物塑料生产,可以持续运行,削减成本和能源使用。

合成生物学所启用的关键生物塑料

多羟基甲醇酸盐(PHA)

聚酯是细菌作为能量储存产生的聚酯,在海洋和土壤环境中完全可以生物降解;合成生物学使酵母等异氧宿主的生产更容易培育和收获;达尼默科学和CJ CheilJedang等公司正在将聚酯用于包装、吸管和涂料的商业化。 达尼默科学的Nodax[ PHA认证为生物降解,主要品牌使用。

通过生物量发酵的多聚酸

合成生物学提高了微生物中乳酸生产的效率,降低了成本和能量。最近的进展使得高光纯度L-乳酸的生产成为可能,它能产生更强的乳酸。 在TotalEnergies Corbion的元素工程师在优化酵母菌株中已经达到95%或更好的产量。

生物聚乙烯和聚酯

传统的聚乙烯可以通过生物乙醇(从玉米或甘蔗中提取的乙醇)通过脱水制成乙烯. 合成生物学现在用于直接从糖中制造乙烯的微生物,绕过乙醇步骤,同样,生物基聚乙烯三甲酸酯(Bio-PET)正与从生物量中生成四甲酸的工程生物一起前进. LanzaTech使用气体发酵将工业碳排放转化为乙烯基甘醇,一种PET前体.

合成生物学的优点-驱动生物图谱

  • 耐用原料: 使用农业废物,甘蔗,或捕获的CO[2],而不是化石油.
  • 下碳足迹: 寿命周期评估显示,与常规塑料相比,温室气体排放量减少80%。
  • 双极降解性: 许多生物基塑料如PHA在工业设施甚至家庭环境中是可共生的.
  • 可自定义性: 通过调整单体组成,合成生物学可以产生硬性,弹性或可伸缩的塑料,用于特定的应用.
  • 较快的迭代:[ DNA合成和高通量筛选加速发现新的聚合物变体.

例如,麻省理工学院的一支团队利用定向进化器来创建一种既强又具有弹性的PHA共聚器,开口用途在医学缝合和生物降解的包装膜中.

案例研究:工业-PHA生产

生物塑料最先进的合成生物学项目之一是新光技术等公司生产PHA,它们的过程利用甲烷的细菌与合成基因电路结合,将甲烷(强温室气体)转化为PHA聚合物,结果形成碳负塑料,与宜家公司合作,Newlight正在开发可生物降解的家庭产品,另一个例子是芒果材料公司,它利用经过工程的甲基硫化物从废沼气中生成PHA。

这些项目表明,合成生物学与工业发酵相结合时具有可扩展性的潜力,试点工厂现已投入运行,第一批商业产品正在到达货架。

挑战和解决办法

成本竞争力

生物塑料目前比石油塑料成本高出2-3倍。 合成生物学通过提高产量、奶油和生产率来解决这一问题。 比如,工程压力可以容忍高产品浓度,从而降低下游加工成本。 利用预测酶瓶颈的机器学习模型,可以优化元质通量。

原料可持续性

依赖粮食作物(玉米、甘蔗)引起土地使用问题。合成生物学使生物物质(如玉米炉或木屑等农业残留物)得以通过工程微生物分解纤维素和肝素,从而使用纤维素和肝素。 先进的叶罗林脂质[ , 已经设计出将生物物质水解作用的西 ⁇ 和葡萄糖共同利用,实现高PHA产量,而无需与食物供应竞争。

生活末期管理

并非所有生物基塑料都是可生物降解的。 合成生物学可以将酶分解标记纳入聚合物主干线,从而引发降解。 碳生物等公司利用工程酶将PET和PLA去聚解为单体进行再循环。 碳生物的酶循环过程[ 常规PET也进行了工作,将合成生物学与循环塑料经济联系起来。

未来展望:走向循环的生物经济

合成生物学旨在将塑料工业从线性(摄制废物)转变为循环。

  • 设计者微生物,可生产“自愈”塑料,利用嵌入式合成电路修复裂缝。
  • 细菌留在最终产品中的活材料,按需提供生物降解性.
  • 人工智能 - 新型聚合物的制导设计,其特性与石油化工塑料相同或优越,如食品包装的屏障特性.
  • 与碳捕获技术的结合:从捕获的CO2中提取的原料通过工程化的氰菌或化合自发性转化为生物塑料.

政策支持也在增长。 欧盟的绿色协议和美国的生物经济计划为基于生物的替代品研究提供了资金。 消费者对可持续包装的需求正在推动零售商的承诺:到2030年,许多主要品牌都旨在让所有包装都能够循环、再利用或可复合。 合成生物学是能够大规模提供这些材料的引擎。

结论

合成生物学不仅仅是一种渐进的改进,而是我们生产塑料的范式转变。 通过重新编程微生物,从可再生碳中制造聚合物,我们可以创造出高性能、生物降解、碳中和甚至负性的材料。 这一技术已经从实验室好奇心转向现实世界的商业生产。 随着成本持续下降,新的原料变得可行,由合成生物学提供生物动力的塑料将成为全球材料供应链的标准部分,有助于将塑料生产从化石资源中脱钩,并减轻塑料污染的环境危机。