牛！“PET塑料瓶”回收變“藥物”，登上Nature大子刊！

利用工程細菌將塑料廢物轉(zhuǎn)化為帕金森病藥物

隨著全球塑料污染危機日益嚴峻，如何有效處理廢舊塑料已成為科學界面臨的重大挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的塑料回收方法往往能耗高且效率有限，大量碳資源最終被填埋或焚燒，不僅造成浪費，還加劇了溫室氣體排放。然而，一項最新研究成果為我們描繪了一幅充滿希望的未來圖景：通過合成生物學手段，將廢棄塑料升級再造為治療人類疾病的高價值藥物。

英國愛丁堡大學Stephen Wallace教授團隊成功開發(fā)出一種創(chuàng)新的微生物升級再造工藝，利用工程改造的大腸桿菌，將聚對苯二甲酸乙二醇酯塑料廢物轉(zhuǎn)化為左旋多巴——治療帕金森病的首選基礎(chǔ)藥物。該研究通過設(shè)計一條全新的四步生物合成途徑，解決了底物跨膜運輸和中間代謝物反饋抑制兩大技術(shù)瓶頸，最終在溫和的水相條件下實現(xiàn)了高達每升5.0克的左旋多巴產(chǎn)量。研究團隊不僅驗證了從工業(yè)PET廢料（如燙印箔）和消費后PET塑料瓶中提取原料的可行性，還首次展示了利用微藻捕獲該過程中釋放的二氧化碳，為構(gòu)建負碳循環(huán)工藝提供了初步概念驗證。相關(guān)論文以“Microbial upcycling of plastic waste to levodopa”為題，發(fā)表在Nature Sustainability上。

圖1 | 塑料廢棄物回收與生物升級改造策略。PET塑料廢棄物的回收、升級改造和環(huán)境處置方法，包括本文提出的將PET廢棄物生物升級改造為帕金森病藥物左旋多巴的途徑。

為了將PET塑料的單體對苯二甲酸轉(zhuǎn)化為左旋多巴，研究人員構(gòu)建了一條由七個基因編碼的四步生物合成途徑（圖2a）。該途徑首先通過對苯二甲酸雙加氧酶復合物將對苯二甲酸轉(zhuǎn)化為原兒茶酸，再經(jīng)脫羧酶生成兒茶酚，最后在酪氨酸酚裂解酶的催化下，兒茶酚與丙酮酸和氨反應生成左旋多巴。通過將三個功能模塊分別構(gòu)建在質(zhì)粒上并轉(zhuǎn)入大腸桿菌，各步反應均表現(xiàn)出高效性（圖2b）。為了解決對苯二甲酸在生理pH值下跨膜運輸困難的問題，研究人員引入了Rhodococcus jostii菌株的轉(zhuǎn)運蛋白TpaK，顯著加速了對苯二甲酸向原兒茶酸的轉(zhuǎn)化（圖2c）。

圖2 | 途徑設(shè)計、構(gòu)建與瓶頸。a 從PET單體TPA到左旋多巴的從頭生物合成途徑。b pPCA1、pCAT1和pFnTPL在大腸桿菌BL21(DE3)中單獨和共同表達時的全細胞活性，以及包含pPCA1_pCAT-FnTPL的全途徑活性。c 表達R. jostii tpaK的E. coli_pPCA1和E. coli_pPCA3菌株中TPA向PCA轉(zhuǎn)化的增強效果。d 隨著TPA濃度增加，E. coli_pPCA3和E. coli_pPCA3_pCAT1菌株中PCA和兒茶酚的轉(zhuǎn)化情況。

在整合完整途徑時，團隊遇到了關(guān)鍵瓶頸：中間產(chǎn)物原兒茶酸會強烈抑制下游的酪氨酸酚裂解酶活性（圖3a-d）。分子對接模擬顯示，原兒茶酸與兒茶酚均能與酶活性位點結(jié)合，且結(jié)合能相同，表明兩者存在競爭性抑制。為規(guī)避這一抑制效應，研究團隊創(chuàng)新性地采用了雙菌株策略（圖4a）：一株大腸桿菌負責將對苯二甲酸轉(zhuǎn)化為兒茶酚，另一株則專門負責將兒茶酚轉(zhuǎn)化為左旋多巴。通過優(yōu)化第二株菌的反應條件，包括pH值、反應時間和丙酮酸濃度（圖4b），最終在分步反應中成功從對苯二甲酸合成了左旋多巴，總轉(zhuǎn)化率達到69%（圖4c）。

圖3 | TPL的計算機模擬與PCA體外抑制。PCA或兒茶酚與FnTPL二聚體-PLP復合物的預測結(jié)合模式。a 具有共價連接PLP的FnTPL功能二聚體模型，活性位點中對接的兒茶酚以棒狀表示（淺灰色）。b 兒茶酚在活性位點中的預測結(jié)合模式，主要由苯丙氨酸和精氨酸殘基介導。由單體B貢獻的催化Tyr-74以深灰色突出顯示。c 對接的PCA與FnTPL的結(jié)合，由精氨酸殘基介導，并得到Met-382、Thr-127和Phe-120的增強。兩種底物均預測具有-5.99千卡/摩爾的有利結(jié)合親和力，其中Arg-220、Arg-384、Arg-407和Thr-52參與兩種底物的結(jié)合。分子對接模擬使用分子對接軟件包GNINA進行。d 使用E. coli pFnTPL細胞在兒茶酚存在下和不同濃度PCA中孵育，檢測途徑中間體對途徑模塊的抑制。數(shù)據(jù)呈現(xiàn)為三次重復實驗的平均值±一個標準差。

圖4 | 雙菌株工藝優(yōu)化、CO?捕獲與工業(yè)廢棄物升級改造。a 一鍋法雙菌株策略解耦PCA介導的TPL抑制，實現(xiàn)從TPA和PET生物合成左旋多巴。b E. coli pFnTPL對外源兒茶酚轉(zhuǎn)化為左旋多巴的全細胞反應優(yōu)化。c 雙菌株系統(tǒng)轉(zhuǎn)化TPA為左旋多巴的時間進程，E. coli pPCA3.pCAT1菌株將TPA轉(zhuǎn)化為兒茶酚反應24小時后，加入E. coli pFnTPL菌株繼續(xù)反應24小時。應用0.83的縮放因子以說明兩種菌株加入帶來的稀釋效應。d 大腸桿菌TPA全細胞反應中釋放的CO?被C. reinhardtii CC1690捕獲。e 使用E. coli pPCA4 pCAT1和E. coli pFnTPL從工業(yè)PET廢棄物升級改造生產(chǎn)左旋多巴，并隨后通過制備型HPLC分離TFA鹽形式的左旋多巴。

作為提升工藝可持續(xù)性的初步探索，研究人員檢測了微藻是否能捕獲反應中釋放的二氧化碳（圖4d）。實驗表明，在將大腸桿菌培養(yǎng)物頂空的氣體轉(zhuǎn)移至活躍生長的萊茵衣藻后，藻類的葉綠素含量和光密度均有所增加，而二氧化碳水平降至檢測限以下，證實了二氧化碳被藻類固定并促進了其生長。在應用層面，研究團隊將化學水解自PET瓶和燙印箔廢料的粗對苯二甲酸直接加入雙菌株反應體系（圖4e），成功生成了左旋多巴。通過優(yōu)化質(zhì)粒拷貝數(shù)，最終在制備規(guī)模反應中，從0.26克燙印箔廢料來源的對苯二甲酸獲得了25.3毫摩爾（約5.0克/升）的左旋多巴，經(jīng)制備型高效液相色譜純化后，得到了相當于多個臨床劑量的固態(tài)產(chǎn)品。

這項研究首次展示了將塑料廢物轉(zhuǎn)化為治療神經(jīng)退行性疾病藥物的可行性。研究者指出，雖然全球塑料廢物產(chǎn)量遠超藥品生產(chǎn)需求，但該技術(shù)并非孤立解決方案，而是更廣泛生物升級回收組合中的一部分。未來，該工藝需要進一步強化，例如通過基因組整合消除對抗生素的依賴，并優(yōu)化產(chǎn)物回收方式。同時，利用食物廢棄物中的葡萄糖支持轉(zhuǎn)化以及微藻進行碳捕獲的嘗試，為實現(xiàn)碳中和運行提供了有前景的路徑。總而言之，這項研究通過工程生物學的手段，成功地將原本可能流向垃圾填埋場或環(huán)境的塑料碳資源，重新整合進高價值化學品的生產(chǎn)循環(huán)中，為構(gòu)建循環(huán)經(jīng)濟和生物經(jīng)濟樹立了一個重要的里程碑。