塑料的耐久性带来了巨大的环境代价，而生物可降解塑料则常常面临性能或成本上的短板。

 

近日，一项发表于《代谢工程》（Metabolic Engineering）的研究带来了令人振奋的突破。日本神户大学（Kobe University）的生物工程团队成功利用改造后的微生物，高效合成了性能卓越的可完全生物降解塑料——PDCA（吡啶二甲酸），其物理性能堪比甚至超越PET，为未来绿色材料的应用铺平了道路。

 

 

该项研究的核心创新在于其独特的“生物合成路径”。与大多数仅由碳、氧、氢构成的生物基塑料不同，PDCA分子中含有氮元素，这正是其获得高性能（如高强度、高耐热性）的关键。研究团队没有采用传统的化学合成法（易产生有害副产物），而是另辟蹊径，通过精密设计大肠杆菌的细胞代谢网络，使其能够像“细胞工厂”一样，直接以葡萄糖为“食物”，高效地将氮元素整合进分子骨架中，“从头开始”清洁地合成PDCA。

 

 

最终，团队在生物反应器中实现了PDCA的高浓度生产，产量达到10.6 g/L，这是迄今为止报道的最高2,5-PDCA产量，比此前报道高出七倍以上，且整个过程几乎没有不必要的副产物，纯度极高。

 

PDCA材料在降解性上表现优异，其物理性能却足以比肩甚至超越广泛应用于饮料瓶和纺织品的PET（聚对苯二甲酸乙二醇酯）塑料，打破了“环保必然牺牲性能”的固有印象。

 

神户大学生物工程师Tsutomu Tanaka表示：“我们研究的意义在于证明代谢反应可以用来结合氮，而不会产生不需要的副产物，从而实现目标化合物的清洁高效合成。”

 

然而，该团队在此过程中确实遇到了一些棘手的问题。其中最棘手的一个是，他们发现了一个瓶颈：他们引入的一种酶会产生高活性化合物过氧化氢（H₂O₂）。这种化合物随后会攻击产生它的酶，从而使其失活。“通过改进培养条件，特别是添加一种可以清除H2O2的化合物，我们最终克服了这个问题，尽管这种添加可能会给大规模生产带来新的经济和物流挑战，”Tsutomu Tanaka说道。

 

 

生物工程师们已经制定了未来改进生产的计划，每个问题都指向解决方案。展望未来，Tsutomu Tanaka表示：“能够在生物反应器中获得足够数量的生物体，为下一步的实际应用奠定了基础。更广泛地说，我们在整合氮代谢酶方面的成就拓宽了微生物合成分子的范围，从而进一步提升了生物制造的潜力。”

 

https://doi.org/10.1016/j.ymben.2025.08.011