科学家代谢工程改造假单胞菌实现尼龙回收利用，高效转化为PHB等

合成聚酰胺，俗称尼龙（PA），具有较长的耐久性和较高的抗拉强度。广泛应用于不同的行业和各种产品，从衣服到渔网，从汽车零件到登山绳，这种轻便坚韧的材料无处不在。但鲜为人知的是，尼龙的回收率不足 5%，绝大多数最终成为填埋场的“永久居民”或焚烧厂的滚滚浓烟。传统的回收方法，如机械回收，即把尼龙熔化并重新塑造成纤维或塑料产品，目前只在非常小的规模上进行；化学回收可以将尼龙材料分解成其组成部分，重新组装成新的塑料，但这种材料通常不会被完全分解。

近日，德国于利希研究中心与 Novonesis 公司的研究小组合作，通过代谢工程策略，构建了能够直接利用 PA 水解产物的恶臭假单胞菌（Pseudomonas putida ），实现了从混合废弃物到高值生物聚合物的高效转化，并通过生物催化将这些废料转化为高附加值的产品，如聚羟基丁酸酯（PHB）。这一成果不仅为尼龙废弃物的循环利用提供了可能，还为推动塑料废弃物的资源化、减少环境污染作出了重要贡献。该成果发表于上 Nature Microbiology，标题为“Upcycling of polyamides through chemical hydrolysis and engineered Pseudomonas putida”。

假单胞菌 KT2440 已被改造成代谢多种塑料单体，包括 1,4-丁二醇、乙二醇、对苯二甲酸酯和衣康酸酯。此外，假单胞菌 KT2440 可以产生多种增值化合物，如聚羟基烷酸酯 (PHA)、鼠李糖脂或 β-酮己二酸。然而，P. putida 无法代谢 PA 相关的单体或低聚物。

在这项研究中，研究人员利用实验室进化指导深度代谢工程，使单个 P. putida KT2440 菌株能够代谢常见的 PA 单体，如 HMDA、Ahx 和 ε-己内酰胺；并通过异源表达来自 P. ureafaciens 的尼龙酶基因 nylABC 将底物范围扩展到线性和环状尼龙低聚物；此外，通过异源表达来自 Cupriavidus necator 的 phaCAB 操纵子，最终的工程菌株能够从水解物中生产聚羟基丁酸酯 (PHB)等增值产品。

首先，研究人员成功改造了 P. putida KT2440 菌株，使其能够代谢 C6-PA 单体。关键的遗传改造包括 PP_2884 基因的框内缺失和 PP_0409 基因的 W676L 突变，这些改造使得菌株能够以 HMDA、Ahx 和 ε-己内酰胺为唯一碳源生长。这些发现为聚酰胺单体的微生物升级回收提供了重要的基础。

图 | 利用工程化的P. putida 菌株通过生物转化技术处理尼龙废料（来源：上述论文）

在完成初步的代谢调控后，研究团队进一步针对尼龙寡聚物的降解进行了优化。尼龙废料中常含有线性和环状的尼龙寡聚物，这些化学结构的复杂性使得微生物难以直接代谢。为了解决这一问题，研究人员引入了尼龙酶（NylA、NylB、NylC），这类酶能够分解尼龙寡聚物。具体来说，NylB能够降解线性寡聚物（如 Ahx₂–Ahx₇），而 NylA 则能够将环状寡聚物（如 Ahx₂）转化为线性形式，从而为后续的生物转化提供了更多的底物。

进一步的实验室适应性进化（ALE）使得研究团队能够优化转运蛋白（如 PP_0412 的突变）和调控系统（如 ChrA/CbrB 的突变），提升了工程菌对尼龙寡聚物的摄取效率。这一过程中，适应性进化帮助菌株在竞争性环境中筛选出了具有更强代谢能力的变种，确保了其能够高效处理复杂的尼龙水解产物。

最后，为了验证这一生物转化过程的可行性，研究团队引入了来自 Cupriavidus necator 的 PHA 合成基因 phaCAB，成功合成了聚羟基丁酸酯（PHB）。PHB 是一种具有生物降解性的聚合物，在环境保护和可持续发展中具有广泛的应用。研究结果表明，以 PA6 水解产物为底物，合成的 PHB 产量达到了 7.7-13.2%（细胞干重），显示出较高的转化效率。同时，研究还表明，工程菌可以生产其他高附加值产品，如紫色杆菌素（violacein）和表面活性剂类物质 serrawettin W1，这些产物具有广泛的工业应用前景。

研究人员通过代谢工程和实验室进化，成功使 Pseudomonas putida 能够代谢 PA 单体和低聚物，并将其转化为高附加值的产品。该策略克服了传统回收方法的局限性，为处理 PA 废弃物提供了一种可持续的解决方案。尽管仍面临一些挑战，但这一研究为未来开发更高效的塑料升级再利用技术奠定了基础。

1.an de Witt et al, Upcycling of polyamides through chemical hydrolysis and engineered Pseudomonas putida, Nature Microbiology (2025). DOI: 10.1038/s41564-025-01929-5

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