细胞里长出来的绿色材料

在自然界的神奇宝库中，大部分微生物都携带着一种特殊的“脂肪”——聚羟基脂肪酸（PHA）。它不仅对地球环境友好，还拥有广泛的应用潜力。

近日，由清华大学教授陈国强团队成果转化的微构工场PHA产品，获得美国食品药品监督管理局（FDA）的正式认证。未来，从生活日用到纺织服饰，从食品添加剂到医疗植入物，PHA有希望在众多领域大放异彩。

触目惊心的白色污染

在我们的身边，塑料无处不在。

据统计，人类每分钟消耗约100万个塑料瓶，每年使用多达5万亿个塑料袋。全球每年生产的塑料超过4亿吨，相当于约4000座埃菲尔铁塔的重量。其中，2亿吨的塑料垃圾被填埋、焚烧或流入土壤和水体，会在环境中“赖”上几十年甚至上

百年，这会造成超12亿吨温室气体释放到大气中，更有数不尽的微塑料无孔不入。

塑料的过度使用和不当处理，正在严重侵害着地球生态环境和人类健康。人们越来越期待安全、舒适、绿色的材料。PHA作为一种可生物降解材料，因其优越的降解性能和环境友好性备受关注。

PHA，大自然的慷慨馈赠

PHA是微生物常见的储能物质，它们以“脂质体”的形式在微生物体内积累，并在必需时用于生长。得益于得天独厚的自然来源，PHA是天然的全流程低碳产品。生产 1千克PHA的碳排放，仅为生产传统塑料碳排放的10%-15%。

这么好的宝贝，怎样才能从自然界中获取呢？

清华大学陈国强教授团队经过一系列筛选，将注意力放到了艾丁湖中的嗜盐菌上。科研团队发现，嗜盐菌不仅能合成并积累PHA，还具有在高盐、高碱条件下生存的能力。这种耐受性可以使嗜盐菌在特定环境下免受其他微生物的污染竞争，为工业生产提供了一种全新的、更为高效和经济的生产方式。为此，陈国强教授领衔的清华大学科研团队在过去的20年里，开发了一系列基于嗜盐菌的分子生物学工具。通过这些工具，他们对嗜盐菌的代谢途径和形态进行了深入改造，显著提高了PHA的积累能力，使嗜盐菌成为PHA工业生产的一个杰出“平台”。

怎样让小小的PHA为我们所用？

基因改造大显身手

有一种物质，叫乙酰辅酶A。它能让嗜盐菌保持活力，还能在足够充足时转化成“储备粮”PHA。但当“储能”和“活力”同时需要它时，就会产生矛盾。

如何让PHA的产量增加，又不影响嗜盐菌的生命力呢？陈国强科研团队提出了一个巧妙的解决方案：引入一种精准的基因调控工具，通过调控某个基因的表达，先将乙酰辅酶A用于细胞生长，积累生物量；等菌量多了，再将乙酰辅酶A引导向PHA的合成。基因改造后的嗜盐菌，PHA积累量比原来的野生型有了明显提升。

工程学激发微生物潜能

嗜盐菌仅有大约2微米大小，储藏PHA的能力很受限制。而且在发酵罐里发酵的过程中，嗜盐菌群体就像一支“不团结”的球队，有的队员奋力冲锋，有的队员选择“躺平”，使得最终成绩不尽如人意。

怎么办呢？科研人员以工程学的巧手，通过形态工程学改造，赋予嗜盐菌全新的形态——改造后的嗜盐菌长高长胖了，部分嗜盐菌的直径达5微米，长度达5到10微米，能够储存更多PHA。PHA的合成也变得更高效，具有持续合成的能力，而且更容易从培养液中分离出来。这就像是在比赛中不仅轻松突破对手的防线，还降低了队员培养成本，一举多得。

自动识别“智能设备”

高密度生长的微生物，需要源源不断的氧气来维持生命活动。然而，传统的工业发酵方式往往需要通过提高搅拌速度来确保培养液中的溶解氧充足，既耗能又低效。

对此，科研人员设计了一套精巧的细胞内“自动识别系统”：当微生物感觉氧气不足时，会自动启动一个应急装置，释放出能够输送氧气的“氧气罐”——血红蛋白。血红蛋白会被运输到周质，与环境中的氧气结合，将氧气带到体内，供细胞进行呼吸作用。这样一来，嗜盐菌即使在氧气稀缺的环境中，也能够维持其代谢活动，保证活力和效率。

通过这样改造，微生物的生长效率显著提升。在1升发酵罐中，没有经过改造的对照组微生物干重仅为27.6克/升，经过改造、整合了血红蛋白的微生物干重可达55.7克/升。

让每一株嗜盐菌充分发挥潜能

改造后的嗜盐菌能否进行工业化大规模生产？如何让每一个嗜盐菌都成为合成PHA的高手？科研人员提出了一个巧妙的方案——将生存与生产紧密相连，只有那些能够合成PHA的嗜盐菌才能在这场生存竞争中胜出。

在这个方案中，科研人员将PHA合成所需的4个关键基因联合表达，使每一个存活的嗜盐菌都在全力以赴地合成PHA。还有一个外膜蛋白扮演了关键角色，它就像守护神一样，帮助嗜盐菌抵御氧化、营养缺乏和缺氧等种种挑战。通过巧妙的基因操作，改造后的嗜盐菌工程菌PHA含量和葡萄糖转化效率都有了显著提升。

在科研人员的精心培育下，嗜盐菌菌株历经层层迭代，已蜕变为集高产、高效、低耗于一身的卓越工程菌株。以嗜盐菌为基石，这一创新的生物技术不仅优化了生产流程，削减了生产成本，更是将生产能耗降低了约一半，为推动可持续发展和环保事业贡献了坚实力量。

让PHA重返自然

如同陶渊明笔下的田园诗“复得返自然”，PHA之所以成为备受青睐的新材料，是因为它本质上是一种类似脂肪的物质，它降解的最终归宿，是回到大自然——在土壤、河流和海洋的拥抱下，PHA被无处不在的微生物轻柔分解，化作微小分子。

PHA降解的核心原理，是生物降解和生物利用。在这一过程中，有很多微生物的参与，如土壤和水中的细菌、真菌等。

生物降解：环境中那些热心“帮忙”的微生物能分泌一些特异性的酶。这些酶附着在PHA表面，以精湛的技艺将PHA的长链分子裁剪成小片段或单体。

生物利用：PHA降解后的小分子被微生物吸收，进入细胞的神秘世界。在这里，它们经过一系列复杂的代谢过程，转化为新的细胞成分，如蛋白质和核酸，从而形成新的生物质，为自然界的多样性贡献力量。

环境中温度、湿度、pH值、溶解氧、微生物的种类等因素，会影响PHA的降解效率，但通常在几个月到一年内都可以完成。假如采用堆肥降解，还可以加速降解过程。在严格的海洋降解测试中，由陈国强教授团队指导、微构工场生产的PHA，在42天内达到超过90%的绝对分解率，解决了困扰石化材料已久的海洋降解难题。

未来，PHA将应用于生活中的众多领域。你可能会用上PHA材料的餐具，穿上PHA材料的衣服，买到以PHA为材料的3D打印玩具、文创产品或时尚单品，还有可能在医院看病时植入以PHA为材料的口腔修复膜、人工心脏瓣膜、血管组织、肌肉组织等。

健康、绿色、环保，是我们每个人向往的生活方式。在这场生物材料的革命浪潮中，以嗜盐菌为代表的微生物，正引领人类迈向一场全新的生物制造变革之旅。