Engineering microbial consortia for mixed plastic upcycling
- 作者
- Jinjin Diao, Yuxin Tian, Sunkyu Park, Seong-Min Cho, Tae Seok Moon
- 单位
- Department of Energy, Environmental and Chemical Engineering, Washington University in St. Louis, St. Louis, MO 63130, USA; Department of Chemical Engineering, Guangdong Technion-Israel Institute of Technology, Shantou, Guangdong 515063, China; Synthetic Biology Group, J. Craig Venter Institute, La Jolla, CA 92037, USA; Department of Forest Biomaterials, North Carolina State University, Raleigh, NC 27695, USA; Moonshot Bio, Inc., North Andover, MA 01845, USA
- 杂志
- Nature Communications（2025）
- DOI
- 10.1038/s41467-025-67409-w
- 所属领域
- 代谢工程 / 合成生物学
- 关键词
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解决的核心问题
后消费混合塑料废物的化学复杂性和组成变异性使其难以作为生物制造的原料，单菌株难以有效利用。
研究策略
结合无过渡金属的化学解聚（硝酸或对甲苯磺酸氧化降解）与合成微生物联合体（Rhodococcus jostii PET 和 Acinetobacter baylyi ADP1）的分工协作，实现混合塑料升级回收。
核心内容
该研究针对后消费混合塑料废物化学组成复杂、波动大、难以直接作为生物制造原料的问题，提出了一种将无过渡金属化学解聚与合成微生物联合体相结合的升级回收策略。研究者采用硝酸或对甲苯磺酸对混合塑料进行氧化降解，获得脂肪族羧酸与芳香族羧酸的混合物，随后构建了由Rhodococcus jostii PET和Acinetobacter baylyi ADP1组成的双成员联合体，前者负责降解芳香族羧酸（如TPA、BEN），后者负责消耗脂肪族羧酸并合成番茄红素，同时PET菌株经代谢工程改造强化MVA途径与脂质合成。结果显示，各塑料单组分碳效率为25.4%至71.6%，混合塑料经180°C处理8小时后PE降解效率达45.2%，TPA产量为67.8%；联合体在21天连续传代中保持稳定，ADP1消耗97%的脂肪族羧酸。在最优条件下，该联合体以混合塑料解聚产物为底物生产番茄红素最高达1550 μg/L，总脂0.64 g/L，脂质含量约为细胞干重的26.3%。该工作证明合成微生物联合体可有效应对塑料组成波动，为真实混合塑料废物的生物升级回收提供了可行路径。
创新点
1. 采用无过渡金属的氧化解聚方法处理混合塑料废物；2. 利用分工原则构建稳定的合成微生物联合体，能适应塑料组成波动；3. 将混合塑料废物升级为番茄红素和微生物脂质。
研究对象（6）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Rhodococcus jostii strain PET | 芳香族羧酸降解（TPA、BEN） | — | — | 催化 | 作为联合体中的芳香族羧酸专家，也用于生产番茄红素和脂质。 |
| Acinetobacter baylyi ADP1 | 脂肪族羧酸降解（AA、LA、C4-C7二羧酸） | — | — | 催化 | 作为联合体中的脂肪族羧酸专家。 |
| Acinetobacter baylyi ADP1 | 番茄红素生物合成 | crtE, crtB, crtI | 香叶基香叶基二磷酸合酶、八氢番茄红素合酶、八氢番茄红素脱氢酶 | 催化 | 通过复制质粒过表达，构建SA-P菌株。 |
| Rhodococcus jostii strain PET | 甲羟戊酸（MVA）途径 | atoB, HmgS, HmgR, MK, PMK, PMD, idi, ispA | 乙酰-CoA C-乙酰转移酶、HMG-CoA合酶、HMG-CoA还原酶、甲羟戊酸激酶、磷酸甲羟戊酸激酶、二磷酸甲羟戊酸脱羧酶、异戊烯基焦磷酸异构酶、法尼基二磷酸合酶 | 催化 | 异源表达以增强番茄红素生产。 |
| Rhodococcus jostii strain PET | 脂质生物合成 | me | NADP+依赖的苹果酸酶 | 催化 | 过表达以提供NADPH，促进脂质积累。 |
| Rhodococcus jostii strain PET | 番茄红素生物合成 | crtL-b（敲除） | 番茄红素β-环化酶 | 调控 | 通过同源重组敲除，阻断番茄红素向β-胡萝卜素转化，促进积累。 |
关键发现
- LDPE、HDPE、PP、PET、PS 的碳效率分别为 35.1%、39.0%、25.4%、71.6%（TPA）、39.6%（BEN）
- 混合塑料（LDPE、HDPE、PP、PET）在180°C处理8h后PE降解效率为45.2%，TPA产量为67.8%
- ADP1消耗97%的脂肪族羧酸，RPET消耗81%
- RAMC在125–500 mM碳浓度下完全消耗底物
- RAMC_9/1在额外碳源达160 mM时仍保持90%以上消耗率
- RAMC-P_9/1在BM中产番茄红素1248 μg/L、总脂0.37 g/L，BM+10mM TPA时产1550 μg/L和0.64 g/L，BM+11.4mM BEN时产1436 μg/L和0.48 g/L
- 脂质含量约为干重的26.3%，比Sullivan研究的PHA产量高32倍
- RAMC在21天连续传代中保持稳定。
研究结论
本研究通过整合无过渡金属解聚策略和稳定的双成员微生物联合体，实现了从真实混合塑料废物到番茄红素和脂质的升级回收，证明了合成微生物联合体在应对塑料组成波动和可持续生物制造方面的潜力。