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。傳統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教授團隊成功開發出一種創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化為左旋多巴——治療帕金森病的首選基礎藥物。該研究通過設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瓶頸，最終在溫和的水相條件下實現了高達每升5.0克的左旋多巴產量。研究團隊不僅驗證了從工業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，為構建負碳循環工藝提供了初步概念驗證。相關論文以“Microbial upcycling of plastic waste to levodopa”為題，發表在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化為左旋多巴，研究人員構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化為原兒茶酸，再經脫羧酶生成兒茶酚，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建在質粒上并轉入大腸桿菌，各步反應均表現出高效性（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菌株的轉運蛋白TpaK，顯著加速了對苯二甲酸向原兒茶酸的轉化（圖2c）。

圖2 | 途徑設計、構建與瓶頸。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和兒茶酚的轉化情況。

在整合完整途徑時，團隊遇到了關鍵瓶頸：中間產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合，且結合能相同，表明兩者存在競爭性抑制。為規避這一抑制效應，研究團隊創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化為兒茶酚，另一株則專門負責將兒茶酚轉化為左旋多巴。通過優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/摩爾的有利結合親和力，其中Arg-220、Arg-384、Arg-407和Thr-52參與兩種底物的結合。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。數據呈現為三次重復實驗的平均值±一個標準差。

圖4 | 雙菌株工藝優化、CO?捕獲與工業廢棄物升級改造。a 一鍋法雙菌株策略解耦PCA介導的TPL抑制，實現從TPA和PET生物合成左旋多巴。b E. coli pFnTPL對外源兒茶酚轉化為左旋多巴的全細胞反應優化。c 雙菌株系統轉化TPA為左旋多巴的時間進程，E. coli pPCA3.pCAT1菌株將TPA轉化為兒茶酚反應24小時后，加入E. coli pFnTPL菌株繼續反應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PET廢棄物升級改造生產左旋多巴，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，在將大腸桿菌培養物頂空的氣體轉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。通過優化質粒拷貝數，最終在制備規模反應中，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產品。

這項研究首次展示了將塑料廢物轉化為治療神經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量遠超藥品生產需求，但該技術并非孤立解決方案，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，并優化產物回收方式。同時，利用食物廢棄物中的葡萄糖支持轉化以及微藻進行碳捕獲的嘗試，為實現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境的塑料碳資源，重新整合進高價值化學品的生產循環中，為構建循環經濟和生物經濟樹立了一個重要的里程碑。