白色污染的日益增長造成了嚴重的環境問題，聚對苯二甲酸乙二醇酯（polyethylene glycol terephthalate，PET）生物降解由於其綠色清潔的特性，在解決白色污染問題方面受到廣泛關注。然而，污染、高能耗和大量淡水消耗等因素，迄今仍然制約著傳統工業生物技術的發展。
近期，天津大學酶工程與技術課題組基於底盤細胞篩選和副產物循環再利用，設計了一種新型的 PET 生物回收工藝。這種新型 PET 生物降解工藝具有高效、經濟、節能和環保的多重優勢，為解決 PET 生物回收工業化中的瓶頸問題提供新思路，助力 PET 再生向產業化發展更進一步。
圖丨相關論文（來源：Bioresource Technology）
近日，相關論文以《開發一種具有工業應用潛力的新型「4E」PET 生物回收工藝：高效、經濟、節能、環保》（Development of a novel 「4E」 polyethylene terephthalate bio-recycling process with the potential for industrial application: Efficient, Economical, Energy-saving, and Eco-friendly）為題發表在 Bioresource Technology[1]。天津大學博士研究生周煜、碩士研究生沈博文和尤生萍副研究員為該論文共同第一作者，齊崴教授為論文通訊作者。
圖丨傳統 PET 生物降解工藝及新工藝的流程圖（來源：該團隊）
在生物技術領域，清華大學陳國強教授課題組通過嗜鹽菌直接生產聚羥基脂肪酸酯（polyhydroxyalkanoates，PHA）。受此啟發，該團隊將這種思路應用在 PET 再生領域，並針對特定的應用場景做了工藝的創新。他們基於前期已有的科研成果：可產業化的高性能酶組裝體和廢棄 PET 酶法再生的全流程工藝，包括酶的改造、底盤細胞的優化、發酵工藝的優化及降低成本，該研究重點在於底盤細胞篩選環節。
圖丨基於宿主篩選和副產物循環（來源：Bioresource Technology）
新工藝的底盤細胞採用嗜鹽需鈉弧菌（V.natriegens），與大腸桿菌相比，其蛋白質表達水平增加了 87.3%。與此同時，V.natriegens 的高鹽培養條件抑制了雜菌生長，能夠實現在開放條件下培養，從而簡化了高壓滅菌的複雜工藝，並使能源和淡水消耗降低。
從產業化的角度來看，PET 酶體系的市場規模目前整體處於中試階段，因此，現階段科研人員致力於針對每個環節的技術，進行逐一突破和提升。該領域在提升酶性能方向已有相關進展，但是，對於從工藝角度如何降本增效鮮有報道。
該工藝通過海水代替淡水資源作為培養基成分，並在無菌條件下進行發酵，協同新型底盤的高蛋白表達能力。從節能和降本的角度，分別實現了能耗降低 2.48 倍和發酵產酶成本降低 47.9%。
圖丨需鈉弧菌和大腸桿菌表達 PET 水解酶的能耗對比（來源：該團隊）
圖丨需鈉弧菌和大腸桿菌表達 PET 水解酶的成本對比（來源：該團隊）
通過底盤細胞的篩選以及發酵環境的特性，不需要滅菌和填加抗生素培養，研究人員對 V.natriegens 進行觀察，發現其 PET 水解酶表達水平及活性無異於無菌條件。
此外，從全流程的工藝上，將後端的副產物鈉鹽也同步利用起來，相當於做了一個完整的「循環」。具體來說，通過巧妙地循環利用苯二甲酸純化的大量含鹽廢水，來培養需 V.natriegens，避免了副產物資源浪費和廢水的二次污染。
一方面，該研究實現的前提是改造酶性能的大幅度提升，另一方面，需要將整個全循環做完，這項工作才有特定的意義。但是，同時將這兩方面突破並不容易，需要將改造的 DNA 序列導入到特定的底盤細胞上，不僅對底盤細胞提出了背景清晰、遺傳操作簡便、快速繁殖、穩定表達的嚴格要求。並且，這屬於基因工程的技術，存在轉化失敗、生物元件不適配、蛋白摺疊錯誤等可能性。
為此，研究人員嘗試了很多種方法，以使目標序列很好地通過特定的技術導到底盤細胞中，以及讓 DNA 序列在底盤序列中進行高效的轉錄和翻譯，最終實現了高效地表達酶蛋白。
圖丨在含鹽廢水基培養基中培養需鈉弧菌並表達 PET 水解酶（來源：Bioresource Technology）
尤生萍表示，「我們通過開發新工藝，不僅聚焦於發酵環節，而是從發酵到終端產品輸出，從整體產業化的角度去思考，進而將整個工藝的流程打通。」
據介紹，該研究為源天生物科技公司與天津大學酶工程課題組聯合研發。該團隊近期的重點研究方向集中在兩個方面。一方面，通過研究酶改造和性能進一步提升，包括酶分子模擬與理性設計、PET 酶二級結構的拆解和三級結構再組裝；另一方面，促進全流程工藝的落地以及規模的放大，為萬噸量級的產業化做準備。
「目前，在產業化方面，我們已經實踐了再生 PET 的聚合，即從廢棄 PET 到終端的全新再生 PET 全流程。接下來，我們計劃將全流程工作做得更紮實，將相關參數和數據通過工藝升級和評估達到產業化標準，然後進一步放大生產。」尤生萍最後說道。
參考資料：
1.Zhou,Y.,Shen,B.,You,S., et al. Development of a novel 「4E」 polyethylene terephthalate bio-recycling process with the potential for industrial application: Efficient, Economical, Energy-saving, and Eco-friendly.BioresourceTechnology 129913(2023). https://doi.org/10.1016/j.biortech.2023.129913