塑料的发明为我们的日常生活带来了极大的便利。但是，大规模塑料垃圾的产生以及不当的处理方式，使得塑料垃圾（白色污染）成为当下最为严峻的环境问题之一。2016 年，Yoshida 等人报道了土壤细菌 Ideonella sakaiensis，该菌株生长在日本一个塑料回收设施附近受 PET 污染的沉积物中。这种革兰氏阴性、需氧、杆状的细菌具有非凡的能力，能够通过表达两个关键酶：PETase 及 MHETase，从而利用 PET 作为其生长所需要的主要碳源。在之后的一系列研究中，大量合成生物学领域的工作围绕着塑料降解相关酶的挖掘、设计、进化及改造开展，但鲜有工作关注可降解塑料的合成方法创新。
2018 年及 2021 年，具有高分子物理背景的 Ting Xu 课题组（University of California, Berkeley）先后在 Science 和 Nature 发表了两篇文章，从另一个视角和维度推进了可降解塑料的研发。在 2018 年的 Science 工作中，研究团队开发出一种由四种单体合成的聚合物(RHPs, random heteropolymers)，每种单体亚单位能与目标蛋白表面上的化学片段相互作用。这些单体亚单位相互连接模拟天然蛋白，从而使得它们与蛋白表面之间的相互作用的灵活性实现最大化，这种基于相互作用的理性设计使蛋白质在无细胞合成中进行正确折叠，并保持水溶性蛋白质在有机溶剂中的活性。在这个工作的基础上，Ting Xu 的团队将塑料降解酶，RHPs 与塑料母粒（聚己内酯，PCL）进行混合加工，RHPs 保护了水解酶在苛刻的塑料加工环境中的生物学功能。在无水环境下塑料可以稳定使用，而在有水环境或堆肥条件下可以迅速降解（Nature, 2021）。
将降解酶预置在塑料里需要平衡加工过程中的极端环境与酶的稳定性。尽管 Ting Xu 团队的精彩工作提出了通过 RHPs 调节蛋白质稳定性这一确定方案，但是该方法的推广仍有诸多挑战。首先 RHPs 的合成难度高，即使对于具有一般化学合成背景的实验室也并非易事；其次，PCL 加工温度（80 - 120 摄氏度）在塑料家族中几乎是最低的，常见的塑料加工温度大多大于 200 摄氏度，其中 PET（聚对苯二甲酸乙二醇酯）的加工温度更高达 300 摄氏度，RHPs 的保护能力在这些体系中存在巨大挑战。
在自然亿万年的演化下，诸多微生物进化出了针对恶劣环境条件的抵抗力。当极端环境到来，不再适合生存和繁殖的时候，细菌就会转变成孢子的形式。这种转变可以让细菌获得超强的抵御能力。孢子可以忍受极端的干燥、温度和压力，而这些极端环境恰好存在于塑料加工的环境中。
2024 年 8 月 21 日，中国科学院深圳先进技术研究院戴卓君课题组在 Nature 子刊 Nature Chemical Biology 发表题为“Degradable living plastics programmed by engineered spores”的研究工作。该工作通过对微生物进行基因编辑并产生具备极端环境耐受能力的孢子，使其可以在特定条件下分泌塑料降解酶；并通过塑料加工方法（高温、高压或有机溶剂）将孢子包埋在塑料基质中。
研究团队提出通过合成生物学方法改造枯草芽孢杆菌，将可控分泌塑料降解酶（洋葱霍尔德菌脂肪酶，Lipase BC）的基因线路导入枯草芽孢杆菌，并在二价锰离子的胁迫环境中，迫使枯草芽孢杆菌“休眠”，形成孢子形态。产生的孢子同样带有编辑的基因线路，并且相比于细菌还具备了针对高温、高压、有机溶剂和干燥的耐受性。研究人员通过将工程化改造的孢子溶液与 PCL 塑料母粒直接混合，通过高温熔融挤出或者有机溶剂方法制备了一系列含有孢子的塑料。在物理性能方面的各项测试中，发现活塑料与 PCL 普通塑料，在屈服强度、应力极限、最大形变量和熔点等参数上均没有显著区别。日常使用环境中, 孢子保持休眠状态，塑料也可保持稳定的使用性能（图 2）。
图 2 | 普通 PCL 塑料和“活”塑料的宏观和微观照片
塑料降解的第一步，是需要将活体塑料内部的孢子成功释放并重新复苏生长。研究人员首先尝试了两种孢子释放的方式。一种方法是利用南极假丝酵母脂肪酶 B（Lipase CA）对塑料表面进行侵蚀。Lipase CA 对 PCL 塑料的水解作用是一种“剪刀”形式（图 3），在宏观上表现为对 PCL 塑料的外部破碎作用。在 Lipase CA 的作用下，PCL 表面被破坏，包埋在材料内部的工程化孢子被释放到外界环境中，并开始复苏生长，启动 Lipase BC 的表达。Lipase BC 会与 PCL 高分子链末端结合，进而将 PCL 分子链一步步完全降解（最终降解分子量 <500 g/mol）。结果表明，活体塑料可以在 6 - 7 天内迅速降解，而只有表面破坏（Lipase CA）作用的普通 PCL 塑料即使在 21 天后，也有大量的塑料碎片存在（图 4）。
图 3 | 两种酶对 PCL 塑料的降解机理示意图
图 4 | 两种酶对 PCL 塑料，降解前后的表面结构和分子量变化(a) CA 酶处理普通 PCL 塑料（左）和活体功能塑料（右）的降解效果；(b) 活 PCL 降解过程中分子量变化曲线；(c) 仅 CA 酶对普通 PCL 塑料降解过程中分子量变化曲线
另一种孢子释放的方法是堆肥，在不需要任何其他外源制剂的加入下，土壤环境中活塑料能够在 25 - 30 天以内就可被完全降解。而传统 PCL 塑料则需要 55 天左右才能被降解至肉眼不可见（图 5）。
图 5 | “活”塑料在土壤条件下的堆埋降解(a)活体塑料在土壤环境中降解；(b) 普通 PCL 塑料在土壤环境中降解
前文提到，在塑料家族中，PCL 的加工条件实际较为“温和”，本研究中选择 PCL 体系更多是由于其高效的酶降解系统基础：Lipase BC 作为一种 processive enzyme 可以捕捉 PCL 链进行完全降解。因此为了验证系统的普适性，研究人员继续尝试了其他的塑料体系，他们将带有绿色荧光质粒的孢子分别与 PBS（聚丁二酸丁二醇酯）, PBAT（聚己二酸对苯二甲酸丁二醇酯）, PLA（聚乳酸），PHA（聚羟基脂肪酸酯）甚至 PET（聚对苯二甲酸乙二醇酯）进行混合加工，其中 PET 的加工温度高达 300 摄氏度，之后通过物理研磨的方法对孢子进行了释放。有趣的是，即使从 PET 塑料中释放出来的孢子依旧可以复苏并重新表达绿色荧光。这也为制作其他基底的活塑料奠定了良好的基础（图 6）。
图 6 | 其他基底“活”塑料(a)其他塑料种类及其加工温度；(b) 热熔制备多种基底的“活”塑料；(c) 物理破碎塑料，释放并激活携带绿色荧光蛋白的孢子；(d) 研磨破碎“活”塑料；(e) 工程化孢子成功释放并表达绿色荧光蛋白
为了验证系统的放大可能，研究团队还使用单螺杆挤出机进行了小规模工业化测试，经过上述方法得到的活体的 PCL 塑料，依然具有快速高效的降解效率（图 7）。并且，研究人员还将活体塑料置于雪碧环境中浸泡 2 个月，在没有外界作用的情况下，活体塑料能够保持稳定的外形，说明活体塑料能够像传统塑料一样使用，只有在它们被破坏或被废弃的条件下，才会启动降解程序。这项研究为新型可生物降解塑料的开发，提供了新的视角和方法，有望助力解决当下严重的塑料污染困境。
图 7 | 单螺杆挤出机制备“活”塑料，及其降解性能测试
(a)单螺杆挤出机制备得到的活体功能塑料；(b) 单螺杆制备活体功能材料的降解测试
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