通讯员马一超 周同江
人类产生的塑料垃圾总量已高达数十亿吨，其中大部分被填埋或遗弃到自然环境中，引发环境和生态污染。塑料污染已成为全球性的问题，其降解和资源化利用是当前环保领域的重难点。
在此背景下，我校WUST-China团队创新性地使用红球菌将塑料降解并转化为微生物油脂，实现了塑料的降解和循环利用，是全球范围较早一批使用红球菌降解塑料的团队，项目斩获了2023年的iGEM国际遗传工程机器设计竞赛全球金奖。
合成生物学 化解塑料污染难题
“iGEM大赛是美国麻省理工大学举办的全球性赛事，大赛关注的热点之一是生物工程，正好和自身专业对口，并且指导老师具备相关比赛经验。”项目负责人2020级化学与化工学院生物工程专业学生杜昱蔚告诉记者，他曾参加过大学生创新创业大赛等多项国家级赛事，期望能在更高平台上角逐、学习。了解到iGEM大赛的比赛流程与自身经验优势相符，并获导师推荐后，他于 2022 年 11 月召集人员，组建起 WUST-China 团队，踏上为期一年的比赛征程。
比赛选题时，面对生命科学?数学?工程学?信息科学等多领域下的各类研究重点，杜昱蔚立足国家绿色发展导向，结合自身专业、导师优势，选择运用合成生物学的方式进行塑料降解，以解决生活中的“白色污染”问题。
对于塑料降解，传统的焚烧法会产生有毒物质与气体，造成资源浪费；掩埋法降解后的微小颗粒则会对土壤、水源形成严重污染，新型降解手段亦因成本高、适用性差等因素未能发挥良好作用。
“我们选取微生物降解法可降低处理成本、减少二次污染、实现资源转化，促进可持续发展。”杜昱蔚表示，目前多数工厂运用的是生物降解手段，可基于现有较为成熟的技术经验，对降解的微生物加以改进，以达成项目的最终目标。
项目研究，就是提出并解决一个个问题的过程。“我们会定时组织例会，开展头脑风暴。”团队成员针对使用何种微生物来降解，如何利用合成生物学手段对微生物进行改造，如何选择适合降解的塑料类型，以及如何将降解产物转化为有用的资源等问题，进行了广泛的讨论交流。
“合成生物学设计元件十分复杂，为确定需要的基因元件与表达模块，我们不仅需要创新性地根据文献进行理论设计与优化，同时还要依据实验的结果不断调整科研方向。”杜昱蔚深有感触地说道。经历不断的实验设计、模型预测、实验检测和方案调整合的循环，最终获得了可以PET塑料为底物，将其转化为微生物油脂的红球菌工程菌。
创新设计 细菌也能“吃”塑料
在对环境塑料污染的调查中，团队成员发现“PET塑料是生产与消耗量最多的塑料之一，多以土地掩埋或焚烧法来处理”，对环境对危害极大。同时，杜昱蔚提到“PET塑料降解在全球范围内非常热门，相关研究较为丰富”，在材料、技术、文献查阅方面更容易展开项目研究，同时降低比赛材料提交失败的风险。
不同比赛研究团队使用的底盘生物种类众多且各不相同，“常用的大肠杆菌、枯草杆菌等微生物，已很高程度地普及化、商业化”，于是项目团队将目光转到了鲜少出现的红球菌。
红球菌虽非最常见的底盘生物，但在处理石油化工产品（如 PET 塑料）方面表现出色，具有较强的耐受能力，相较其他微生物，其降解效果更优。此外，红球菌为天然产油微生物，在生物体内具有较高的油脂积累能力，这一特性为将 PET 塑料转化为微生物油脂提供了潜在可能。
基于以上理论基础，团队依托指导老师李飞教授在红球菌研究方面的基础，成功将能够分解塑料的酶基因和转化基因导入红球菌。通过基因编辑技术对降解塑料的关键酶PETase进行定点突变，使得红球菌能更有效地利用塑料降解后的产物，将其转化为可利用的微生物油脂，进而生产生物柴油。“这一创新方法不仅有助于减少碳排放，还实现了对塑料的循环利用”杜昱蔚学长评价道。
经过试验后发现，新设计的酶“消化塑料”的能力很强。相较于野生型红球菌，使用团队新设计的红球菌能够显著提高微生物油脂的产量，达到了原来的2.2倍，并且随着不同表达元件的引入，微生物油脂产量逐步提升。
队长杜昱蔚表示，该项目将会持续进行迭代，团队计划通过引入其他酶和底盘生物，以进一步提高微生物油脂的产量或探索转化为其他产品的可能性。此外，他们将探索不同的基因转化方法，以寻找最佳的转化效果，使技术更加成熟。这些探索和改进将有助于解决塑料污染问题，并推动可持续发展的实现。
齐心协力 铸就项目成功
大赛的评分不仅在专业项目本身的创新性、可行性，整个项目的介绍与展示、项目的调研实践等方面同样纳入最终评价，且占分居多，这就要求团队成员拥有跨度很大的专业技能。“通过之前竞赛的圈子、科创咖啡等途径，我们召集了来自化工学院、计算机学院、艺术学院等不同学院不同专业的同学，组成了我们的团队”杜昱蔚说。
“我们采取定期开会的策略，并每次把项目当前的思路进行梳理、讲述。”问及如何将来自不同专业的队员拉齐信息，杜昱蔚介绍道。指导老师李飞教授鼓励每一位队员积极参与到项目的设计、实验、总结中去，开会时进行头脑风暴，在不断的思维碰撞中选择最优方案。
比赛材料提交截止前的三个月内，团队面临着期末考试、保研、考研等一系列评级，再加上实验长期处于失败状态，整个项目进度停滞不前。这些压力让团队成员的信心和热情受到了影响。身为队长，杜昱蔚肩负更多的责任和压力，每天清晨到实验室做实验，夜晚回宿舍还要忙于准备保研答辩，仍始终坚守初衷，以负责的态度对待项目。
队长的坚持，带动了整个团队继续前进。面对项目进行过程中的种种困难，队员们积极应对，及时调整实验方案，“所幸我们在截止时间前提交完了所有材料”杜昱蔚有些后怕地说。同时，为应对比赛时的答辩、汇报、展示等环节，队员们还进行多次模拟汇报和答辩，不断优化比赛策略，最终《Plastic Killer》项目获得了评委的一致认可。
在指导老师的教导下，队员们迅速学会了如何分析和研究降解过程的关键元件，如启动子、信号肽和增强子等，来构建提高目标微生物降解能力的模型。李飞老师对每位成员的能力提升给予高度认可，表示“此次比赛增强了同学们的综合能力，拓宽了他们的国际视野，也使同学们一步步深入参与项目，最终取得优异成果。”
