来源：Front Microbiol | 编译：DNA Lab Space
导语
生物可降解塑料被寄予缓解“白色污染”的厚望，但其末端回收与循环利用体系仍严重滞后，大量可降解塑料最终仍进入填埋场或环境中缓慢分解，不仅浪费碳资源，还可能产生微塑料风险。近日，Madushanka 等人在《Frontiers in Microbiology》上发表的研究，系统梳理了通过合成生物学手段构建工程微生物的最新进展，展示了一条“从设计降解通路到再造高值化学品”的完整循环经济路径。该工作凸显了微生物细胞工厂在将塑料废物转化为平台化合物、生物燃料乃至新型生物塑料方面的巨大潜力，为可降解塑料的真正闭环循环提供了全新范式。
研究背景
塑料污染已成为全球性环境危机。作为传统石油基塑料的替代品，聚乳酸（PLA）、聚羟基烷酸酯（PHA）、聚丁二酸丁二酯（PBS）等生物可降解塑料的产量逐年攀升，预计到 2028 年全球市场规模将超过 200 亿美元。然而，“可降解”并不意味着无条件快速消失。在自然环境中，这些聚合物的水解和微生物矿化速率高度依赖于温度、湿度和微生物群落结构，许多可降解塑料在海洋或土壤中的半衰期远超预期。更为关键的是，现行的废弃物管理体系几乎未对可降解塑料进行分类回收与再利用，它们大多被混合在传统塑料流中干扰回收，或被送往工业堆肥设施，最终转化为二氧化碳和水，造成碳资源的彻底浪费。
在此背景下，构建以微生物为核心的生物回收平台，将废弃可降解塑料作为碳源重新进入工业循环，成为实现真正循环经济的前沿方向。自然界中存在能够分泌解聚酶的微生物，如 PLA 降解菌 *Amycolatopsis*、PHA 降解菌 *Ralstonia* 等，但野生菌株普遍存在酶活低、底物谱窄、产物不专一等问题，难以直接用于工业过程。近年来，随着合成生物学工具的飞速发展，研究人员开始对微生物进行系统化改造：从增强解聚酶的分泌与稳定性，到重构代谢网络将水解单体高效转化为目标产物，再到利用适应性进化与组学技术提升菌株的工业鲁棒性。Madushanka 等人的综述正是聚焦于这一蓬勃发展的交叉领域，全面总结了工程微生物在可降解塑料循环利用中的设计原则与技术路线。
研究方法
该综述并非单一实验研究，而是对近年关键技术的系统归纳与批判性分析，其所涵盖的技术路线可视为未来构建“塑料到产品”超级微生物的蓝图。从方法论角度，核心策略可分为以下五个层面：
**1. 高效解聚酶的挖掘与工程化。** 解聚是限速步骤。研究者通过宏基因组学从堆肥、海洋等环境样品中筛选新型 PLA 解聚酶（如蛋白酶类的丝氨酸水解酶）、PHA 解聚酶（PhaZ）和 PETase 类似酶。进而利用晶体结构解析与理性设计，对底物结合口袋进行改造，拓宽酶对高分子量聚合物及共聚物的亲和力。例如，通过引入疏水界面突变，可显著提升酶对结晶态 PLA 的攻击效率。同时，为克服外源分泌表达的瓶颈，常采用信号肽工程和伴侣蛋白共表达策略，将解聚酶锚定在细胞表面或高效分泌至胞外，实现细胞与塑料颗粒的直接接触。
**2. 单体转运与代谢通路的重构。** 水解产生的单体如乳酸、3-羟基丁酸、丁二酸等，需要被工程微生物快速吸收并导向中心碳代谢。该综述重点关注了转运蛋白的过表达与底物特异性改造，例如将乳酸透过酶 LldP 引入原本不能利用乳酸的大肠杆菌中，使其具备利用塑料水解液的能力。在代谢网络层面，通过 CRISPR-Cas9 等工具精准敲除副产物途径，强化目标产物合成基因簇的表达。一个典型策略是将单体转化为乙酰辅酶 A 后，接入 PHA 合成酶（PhaC）途径，实现从废旧 PHA 到新生 PHA 的“塑料到塑料”的循环再造。
**3. 微生物联合体与分工协作。** 单一菌株往往难以同时具备高效解聚和高耐受产物合成能力。为此，研究者构建了合成微生物群落：一种菌专司分泌降解酶并将聚合物水解为单体，另一种则将单体转化为高值化学品。群落成员间可通过交换代谢物实现互利共生，例如降解菌消耗乳酸解除产物抑制，生产菌则清除有毒中间代谢物。通过调节初始接种比率和群体感应调控元件，可使分工协同达到最佳状态。
**4. 适应性实验室进化与组学辅助优化。** 为提升工程菌株在复杂水解液中的适应性和生产性能，适应性实验室进化被广泛应用。将菌株在以塑料水解液为唯一碳源的培养基中长期传代，结合全基因组重测序和转录组分析，可逆向发掘有益突变靶点，如全局转录因子、外排泵和氧化应激相关基因。这些天然产生的突变位点随后被再次整合到设计循环中，使菌株表现远超初始理性设计。
**5. 过程集成与放大考量。** 综述还评述了将工程微生物应用于生物反应器的若干尝试，包括原位产物移除技术以解除产物反馈抑制、两相发酵体系中塑料固相与细胞水相的分离策略，以及利用代谢模型指导补料策略。这些方法为从实验室摇瓶走向工业规模奠定了工程基础。
研究结果
Madushanka 等人的分析揭示了一系列令人瞩目的进展与核心数据，充分说明工程微生物正将可降解塑料循环从概念推向现实。
**降解效率的飞跃。** 经过改造的 *Pseudomonas putida* 表达表面展示的 PLA 解聚酶，在 48 小时内可将 PLA 薄膜的降解率从野生型的不足 5% 提升至超过 90%，释放出高纯度的乳酸。针对 PHA 类塑料，表达优化后 PhaZ 的 *Escherichia coli* 工程株对聚-3-羟基丁酸酯（PHB）的分解速率达到 2.3 g/L/h，比原产菌株提高近一个数量级。更重要的是，通过宏基因组挖掘的嗜热 PETase 变体在 60°C 下协同攻击 PLA，实现了对高结晶度 PLA 废弃物的高效降解，为无需高耗能预处理直接酶解开辟了新路。
**高值化转化的多样性与产率突破。** 除了将单体直接氧化为 CO₂和水，工程微生物展现了惊人的“点石成金”能力。以 PLA 水解液为唯一碳源，*E. coli* 工程株可积累占细胞干重 65% 的中长链 PHA，其力学性能与传统石油基塑料相当。另一项研究中，*Saccharomyces cerevisiae* 被引入 PLA 到乙醇的转化途径，通过整合乳酸脱氢酶和丙酮酸脱羧酶模块，乙醇得率达到理论值的 87%，酒精度达 42 g/L。在 PHA 回收方面，*Ralstonia eutropha* 被重构为既能降解 PHA 又能以 3-羟基丁酸为底物合成新型共聚酯 P(HB-co-HV) 的“自循环”菌株，实现了无需外加前体即可定制聚合物性能的闭环。
**复杂塑料废弃物的分步转化。** 针对现实中混合塑料及共聚物，研究证实合成微生物群落可分层利用。例如，由一株分泌角质酶的真菌和产 PHB 的细菌组成的联合体，在处理 PLA/PHA 混合废弃物时，真菌优先分解 PLA 产生乳酸，细菌则以乳酸和残余的 PHA 片段为底物，最终将混合碳流的 78% 转化为均一 PHB 产品，展现出极强的原料适应性。这是单一微生物难以企及的。
**工业相关条件下的稳定性数据。** 部分工程菌株在补料分批发酵中表现出持久的降解与合成能力。一株多基因整合的 *Yarrowia lipolytica* 以粗制PLA水解液为原料，在 5 L 反应器中连续运行 120 小时，仍保持 80% 以上的目标产物（脂类生物燃料前体）产率，且无明显的噬菌体污染或菌株退化，为进一步放大提供了信心。
讨论与展望
这篇综述清晰地勾勒出工程微生物在可降解塑料循环经济中的核心地位：它们不仅是降解者，更是碳资源的“重新布线者”。然而，从实验室成功到工业化运行仍面临多重挑战。首先，真实塑料废弃物中添加剂、颜料及其他污染物对微生物具有潜在毒性，需要通过适应性进化或预洗脱工艺协同解决。其次，解聚酶在大规模发酵中的稳定性和重复使用问题尚待突破，固定化酶与全细胞催化剂的在线耦合或是可行方案。此外，彻底矿化成 CO₂ 虽符合现行堆肥标准，但从循环经济角度是一种碳资源的浪费，未来应优先发展将塑料碳骨架尽可能完整保留在高价值化学品中的“非矿化”通路。
合成生物学将在此扮演关键角色。基于组学数据和机器学习，可以加速设计全新降解酶和合成途径，甚至创造自然界不存在的“碳回收”代谢循环。基因线路的精密调控可使菌群的降解与生产功能依据环境信号动态切换，实现废弃塑料的“生物炼制”。与此同时，合成生物技术的安全性评估标准和监管框架也必须同步建立，以保障工程微生物在受控工业环境中的封闭应用。
Madushanka 等人为我们展示的，是一幅可降解塑料从“用后即弃”到“无尽循环”的科学蓝图。随着代谢工程、酶设计和过程工程的多学科融合，一个由工程微生物驱动的塑料碳循环时代正加速到来。
参考来源
Madushanka D, Beard C, Kolitha BS, Dissanayake L, Jayasekara S. Engineered microbes to enable a circular economy for biodegradable plastics. *Frontiers in Microbiology*, 2025. DOI: 10.3389/fmicb.2025.1548399 (DOI请以正式发表版本为准)