随着全球塑料污染危机日益严峻，如何有效处理废旧塑料已成为科学界面临的重大挑战。传统的塑料回收方法往往能耗高且效率有限，大量碳资源最终被填埋或焚烧，不仅造成浪费，还加剧了温室气体排放。然而，一项最新研究成果为我们描绘了一幅充满希望的未来图景：通过合成生物学手段，将废弃塑料升级再造为治疗人类疾病的高价值药物。

 

近日，英国爱丁堡大学Stephen Wallace教授团队成功开发出一种创新的微生物升级再造工艺，利用工程改造的大肠杆菌，将聚对苯二甲酸乙二醇酯塑料废物转化为左旋多巴——治疗帕金森病的首选基础药物。该研究通过设计一条全新的四步生物合成途径，解决了底物跨膜运输和中间代谢物反馈抑制两大技术瓶颈，最终在温和的水相条件下实现了高达每升5.0克的左旋多巴产量。研究团队不仅验证了从工业PET废料（如烫印箔）和消费后PET塑料瓶中提取原料的可行性，还首次展示了利用微藻捕获该过程中释放的二氧化碳，为构建负碳循环工艺提供了初步概念验证。相关论文以“Microbial upcycling of plastic waste to levodopa”为题，发表在Nature Sustainability上。

 

图1 | 塑料废弃物回收与生物升级改造策略。PET塑料废弃物的回收、升级改造和环境处置方法，包括本文提出的将PET废弃物生物升级改造为帕金森病药物左旋多巴的途径。 

 

为了将PET塑料的单体对苯二甲酸转化为左旋多巴，研究人员构建了一条由七个基因编码的四步生物合成途径（图2a）。该途径首先通过对苯二甲酸双加氧酶复合物将对苯二甲酸转化为原儿茶酸，再经脱羧酶生成儿茶酚，最后在酪氨酸酚裂解酶的催化下，儿茶酚与丙酮酸和氨反应生成左旋多巴。通过将三个功能模块分别构建在质粒上并转入大肠杆菌，各步反应均表现出高效性（图2b）。为了解决对苯二甲酸在生理pH值下跨膜运输困难的问题，研究人员引入了Rhodococcus jostii菌株的转运蛋白TpaK，显著加速了对苯二甲酸向原儿茶酸的转化（图2c）。

 

图2 | 途径设计、构建与瓶颈。a 从PET单体TPA到左旋多巴的从头生物合成途径。b pPCA1、pCAT1和pFnTPL在大肠杆菌BL21(DE3)中单独和共同表达时的全细胞活性，以及包含pPCA1_pCAT-FnTPL的全途径活性。c 表达R. jostii tpaK的E. coli_pPCA1和E. coli_pPCA3菌株中TPA向PCA转化的增强效果。d 随着TPA浓度增加，E. coli_pPCA3和E. coli_pPCA3_pCAT1菌株中PCA和儿茶酚的转化情况。 

 

在整合完整途径时，团队遇到了关键瓶颈：中间产物原儿茶酸会强烈抑制下游的酪氨酸酚裂解酶活性（图3a-d）。分子对接模拟显示，原儿茶酸与儿茶酚均能与酶活性位点结合，且结合能相同，表明两者存在竞争性抑制。为规避这一抑制效应，研究团队创新性地采用了双菌株策略（图4a）：一株大肠杆菌负责将对苯二甲酸转化为儿茶酚，另一株则专门负责将儿茶酚转化为左旋多巴。通过优化第二株菌的反应条件，包括pH值、反应时间和丙酮酸浓度（图4b），最终在分步反应中成功从对苯二甲酸合成了左旋多巴，总转化率达到69%（图4c）。

 

图3 | TPL的计算机模拟与PCA体外抑制。PCA或儿茶酚与FnTPL二聚体-PLP复合物的预测结合模式。a 具有共价连接PLP的FnTPL功能二聚体模型，活性位点中对接的儿茶酚以棒状表示（浅灰色）。b 儿茶酚在活性位点中的预测结合模式，主要由苯丙氨酸和精氨酸残基介导。由单体B贡献的催化Tyr-74以深灰色突出显示。c 对接的PCA与FnTPL的结合，由精氨酸残基介导，并得到Met-382、Thr-127和Phe-120的增强。两种底物均预测具有-5.99千卡/摩尔的有利结合亲和力，其中Arg-220、Arg-384、Arg-407和Thr-52参与两种底物的结合。分子对接模拟使用分子对接软件包GNINA进行。d 使用E. coli pFnTPL细胞在儿茶酚存在下和不同浓度PCA中孵育，检测途径中间体对途径模块的抑制。数据呈现为三次重复实验的平均值±一个标准差。 

 

图4 | 双菌株工艺优化、CO₂捕获与工业废弃物升级改造。a 一锅法双菌株策略解耦PCA介导的TPL抑制，实现从TPA和PET生物合成左旋多巴。b E. coli pFnTPL对外源儿茶酚转化为左旋多巴的全细胞反应优化。c 双菌株系统转化TPA为左旋多巴的时间进程，E. coli pPCA3.pCAT1菌株将TPA转化为儿茶酚反应24小时后，加入E. coli pFnTPL菌株继续反应24小时。应用0.83的缩放因子以说明两种菌株加入带来的稀释效应。d 大肠杆菌TPA全细胞反应中释放的CO₂被C. reinhardtii CC1690捕获。e 使用E. coli pPCA4 pCAT1和E. coli pFnTPL从工业PET废弃物升级改造生产左旋多巴，并随后通过制备型HPLC分离TFA盐形式的左旋多巴。

 

作为提升工艺可持续性的初步探索，研究人员检测了微藻是否能捕获反应中释放的二氧化碳（图4d）。实验表明，在将大肠杆菌培养物顶空的气体转移至活跃生长的莱茵衣藻后，藻类的叶绿素含量和光密度均有所增加，而二氧化碳水平降至检测限以下，证实了二氧化碳被藻类固定并促进了其生长。在应用层面，研究团队将化学水解自PET瓶和烫印箔废料的粗对苯二甲酸直接加入双菌株反应体系（图4e），成功生成了左旋多巴。通过优化质粒拷贝数，最终在制备规模反应中，从0.26克烫印箔废料来源的对苯二甲酸获得了25.3毫摩尔（约5.0克/升）的左旋多巴，经制备型高效液相色谱纯化后，得到了相当于多个临床剂量的固态产品。

 

这项研究首次展示了将塑料废物转化为治疗神经退行性疾病药物的可行性。研究者指出，虽然全球塑料废物产量远超药品生产需求，但该技术并非孤立解决方案，而是更广泛生物升级回收组合中的一部分。未来，该工艺需要进一步强化，例如通过基因组整合消除对抗生素的依赖，并优化产物回收方式。同时，利用食物废弃物中的葡萄糖支持转化以及微藻进行碳捕获的尝试，为实现碳中和运行提供了有前景的路径。总而言之，这项研究通过工程生物学的手段，成功地将原本可能流向垃圾填埋场或环境的塑料碳资源，重新整合进高价值化学品的生产循环中，为构建循环经济和生物经济树立了一个重要的里程碑。