综述：利用合成生物学赋能循环塑料经济

本综述系统探讨了合成生物学技术在推动塑料循环经济中的关键作用，重点介绍了酶工程、微生物群落设计及代谢工程策略在塑料降解与升级回收中的应用。文章详细解析了PET（聚乙烯 terephthalate）生物解聚机制（如IsPETase、LCC酶优化）、单体转化途径（TPA/EG至高值化学品），并展望了环境生物修复与工业规模化应用的挑战与前景，为绿色生物制造提供理论依据和技术路线。

　　

Advances in enzymatic and microbial degradation of plastics

自然环境中存在多种能够降解石油基塑料的微生物，包括细菌、真菌和古菌。其中聚乙烯 terephthalate（PET）的生物降解研究最为深入，代表性酶如源自Ideonella sakaiensis的IsPETase和Leaf-Branch Compost Cutinase（LCC）可通过水解作用将PET解聚为单体对苯二甲酸（TPA）和乙二醇（EG）。蛋白质工程策略（如定向进化、理性设计、人工智能辅助设计）显著提升了酶的热稳定性和催化效率。例如FAST-PETase变体在50°C下活性提高1407倍，而双酶系统（PETase-MHETase融合）通过底物通道效应进一步加速解聚过程。

Enhancement of depolymerization using protein engineering

通过位点特异性突变（如DuraPETase的W159H/S238F突变）和计算辅助设计（ProdaMatch算法、神经网络预测），研究者成功克服了天然酶在低温或高结晶度PET条件下的活性限制。热稳定变体LCC^ICCG可在72°C下10小时内降解90%的消费后PET，接近塑料玻璃化转变温度，显著提升工业可行性。

Heterologous expression of extracellular plastic-degrading enzymes

模式微生物（大肠杆菌、芽孢杆菌、酵母等）被工程化以分泌塑料降解酶。细胞表面展示技术将酶锚定于菌体表面，使降解效率提升5-36倍，并增强对高结晶度PET的作用。极端微生物（如热纤梭菌）的表达系统避免了纯化步骤，可直接在生物反应器中实现高温降解，适用于堆肥等高温环境。

Microbial consortia for biodegradation of plastics

天然和人工设计的微生物群落通过分工协作提升复杂塑料的降解效率。例如Pseudomonas与Bacillus菌株构成的联盟可协同代谢TPA和EG，其中芽孢杆菌专攻EG代谢而假单胞菌处理TPA路径。这种跨喂养（cross-feeding）策略消除了中间产物抑制，并增强系统稳定性。

Leveraging synthetic biology for removal of plastics in the environment

生物强化（bioaugmentation）技术通过广宿主质粒（如携带FAST-PETase基因）向环境微生物递送降解能力。低温活性酶（如南极Moraxella菌的MoPE酶）的开发弥补了现有酶在环境温度下的活性缺陷，为极地和水体微塑料污染治理提供新方向。

Bridging depolymerization and upcycling processes

热化学解聚技术已实现工业化规模（如Carbios公司），产生烷烃、有机酸等中间体。微生物升级回收可将低值单体转化为高值化学品（如香草酸价值达130美元/公斤），技术经济分析表明生物-化学混合工艺可降低62%的生产成本并减少50%碳足迹。

Metabolic engineering principles applied to plastic upcycling

EG和TPA的天然代谢途径（如I. sakaiensis的糖醇氧化和β-羟基天冬氨酸循环）被工程化改造以生产聚羟基烷酸酯（PHA）、己二酸等产品。途径分割策略（如将TPA→PCA→没食子酸的分步发酵）通过缓解辅因子失衡（NAD⁺/NADPH）和中间体毒性提升产率。底物通道化和区室化（ encapsulins）技术有望解决EG转化中乙醛积累的热力学限制问题。

该综述系统论证了合成生物学从酶分子设计到微生物生态系统构建的多层次解决方案，为塑料污染治理和资源循环提供了跨越环境修复与工业生产的全链条技术蓝图。