江南大学研究团队改造大肠肝菌，成功将废弃PET塑料转化为高价值香兰素

摘要：日常生活中，塑料制品无处不在。比如常见的聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）塑料，它们不但轻便、耐用且成本低廉，因此被广泛应用于食品包装、饮料瓶等领域。但是，PET 废弃物的处理却成为一个棘手的难题。这些废弃物难以自然降解，大量堆积在自然环境中，对土壤、水体和生态系

日常生活中，塑料制品无处不在。比如常见的聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）塑料，它们不但轻便、耐用且成本低廉，因此被广泛应用于食品包装、饮料瓶等领域。但是，PET 废弃物的处理却成为一个棘手的难题。这些废弃物难以自然降解，大量堆积在自然环境中，对土壤、水体和生态系统造成了严重的威胁。

近日，江南大学颜正飞团队和中石化的科研团队发表了一项题为“Metabolic engineering of Escherichia coli for upcycling of polyethylene terephthalate waste to vanillin”的文章。研究人员通过改造大肠杆菌，成功将 PET 废弃物转化为高价值化学品香兰素（VAN） 。不仅为 PET 废弃物的回收再利用带来了新思路，也展现了微生物工程在生物合成领域的巨大潜力。该研究在线发表于 Science of the Total Environment 期刊。

图｜PET 至香兰素的转化过程及优化策略

首先，研究团队通过基因工程技术在大肠杆菌中构建了一个多酶级联系统，使其能够将 PET 衍生的单体对苯二甲酸（TPA）转化为香兰素。

这个系统包括以下几个关键步骤：TPA在对苯二甲酸双加氧酶（TPADO）的作用下转化为 DCD；然后在 DCD 脱氢酶（DCDDH）的作用下进一步转化为原儿茶酸（PCA）；PCA 在羧酸还原酶（CAR）的作用下转化为原儿茶醛（PCL）；PCL 在香兰素 O-甲基转移酶（COMT）的作用下转化为香兰素。

图｜多酶级联系统实现 TPA 转化

通过将编码上述酶的基因克隆到适合的质粒中，并转化到大肠杆菌中，研究人员成功对大肠杆菌进行了一系列代谢工程改造，成功构建了三菌转化体系（Y1-C.as、YB 和 YC 菌株）双菌转化体系（Y1-C.as 和 Y2 菌株）以及单菌体系（Y3 菌株）。这三种体系均能其能够表达这些酶并执行如上反应，但是在通过对反应产物进行分析后，研究人员最终选定了香兰素产量相对较高且副产物生成较少的单菌体系（Y3 菌株）进行下一步研究。

为了进一步优化产量，研究人员使用了 CRISPR-Cas9 等基因编辑技术敲除了 Y3 菌株中可能降解香兰素的内源基因，如醛还原酶和醇脱氢酶，成功构建了一系列基因敲除菌株。在这些菌株中，Y7 菌株表现出了极为出色的性能，其 VAN 产量最高可达 443.52 mg/L。

研究人员发现，由于 TPA 分子较大且极性较强，难以通过细胞膜，因此研究人员在 Y7 菌株中应用了细胞膜透化策略，通过敲除编码膜蛋白的基因，如 Braun 脂蛋白（lpp）和 NlpI，增加细胞膜的通透性，实验结果表明，lpp 和 nlpI 基因的删除能够有效提高 VAN 产量，Y9 菌株（同时删除 lpp 和 nlpI 基因）产量最高可达到 658.55 mg/L。