基于宏基因组与宏转录组学解析深海微生物对乳酸基聚酯(LAHB)的生物降解机制

为解决传统生物基聚酯PLA难以在海洋环境降解的问题，日本研究团队通过宏基因组/宏转录组学技术，首次揭示重组大肠杆菌合成的乳酸-3-羟基丁酸共聚物(LAHB)在855米深海的降解机制。研究发现LAHB特异性富集γ-变形菌纲微生物，其分泌的PHB解聚酶(PHB depolymerases)及UBA7957菌属的基因簇协同驱动降解过程，为开发深海可降解塑料提供理论依据。

　　

海洋塑料污染已成为全球性环境危机，据OECD统计，2019年约170万吨塑料垃圾进入水体，其中深海成为持久性塑料的终极归宿。传统生物基塑料聚乳酸(polylactide, PLA)虽源自可再生资源，却在海洋环境中表现出顽固性，甚至在深海条件下数年不降解。这一困境促使科学家寻求新型可降解材料。日本研究团队将目光投向乳酸-3-羟基丁酸共聚物[poly(D-lactide-co-3-hydroxybutyrate), LAHB]，这种通过重组大肠杆菌(Escherichia coli)合成的杂交聚酯，兼具PLA的力学性能和聚羟基脂肪酸酯(polyhydroxyalkanoates, PHA)的生物可降解性，但其在高压低温的深海环境中的命运仍是未解之谜。

研究团队采用深海原位实验结合多组学分析，在相模湾初岛海域855米深处（水温3.6°C，压力8.5MPa）部署含6%和13%乳酸单元的LAHB薄膜（P6LAHB/P13LAHB），以PLA和PHBV[poly(3HB-co-3HV)]为对照。通过宏基因组测序(metagenomics)和宏转录组测序(metatranscriptomics)解析塑料圈(plastisphere)微生物群落，结合代谢重建揭示降解机制。

LAHB生产与表征
通过工程化大肠杆菌表达质粒pTV118N-PCTMe-phaC1Ps(ST/QK)AB合成LAHB，差示扫描量热仪(DSC)显示P6LAHB和P13LAHB的熔点分别为143°C和128°C，结晶度随LA含量增加而降低。

深海环境降解行为
部署7-13个月后，两种LAHB薄膜均出现明显生物侵蚀痕迹，重量损失达15-20%，而PLA对照组无变化。共聚焦显微镜观察到LAHB表面形成50-100μm厚生物膜，其厚度显著高于PHBV组，表明LAHB特异性诱导微生物定植。

塑料圈微生物组特征
从LAHB生物膜中重建37个宏基因组组装基因组(MAGs)，其中γ-变形菌纲(Gammaproteobacteria)的Alcanivorax、Marinobacterium、UBA7957和Thalassolituus四属与LAHB降解显著相关。值得注意的是，这三个菌属的MAGs编码大量分泌型PHB解聚酶，其基因拷贝数远超PHBV降解菌群。

原位基因表达谱
宏转录组数据显示，PHB解聚酶基因表达量占LAHB降解菌总转录本的12-18%。尤为关键的是，UBA7957菌株表现出对LAHB的特异性降解能力，其基因组中一个包含二聚体水解酶(dimer hydrolase)、推定转运蛋白和丙酰辅酶A转移酶(propionyl CoA-transferase)的基因簇表达量上调30倍，暗示该菌可能通过"解聚-转运-代谢"三联机制矿化LAHB。

这项研究首次绘制出LAHB在深海的生物降解路线图：特定γ-变形菌通过分泌PHB解聚酶裂解聚合物主链，释放的寡聚物被UBA7957等菌株转运至胞内，经酯酶和CoA转移酶最终矿化为CO₂和水。该发现突破了对PLA类材料海洋降解性的传统认知，为设计具有"深海可降解开关"功能的下一代生物塑料提供关键靶点。研究采用的基因组中心宏转录组学策略(genome-centric metatranscriptomics)为复杂环境中的材料-微生物互作研究树立了新范式。论文发表于《Polymer Degradation and Stability》，为应对深海塑料污染提供兼具科学性和工程价值的解决方案。