驯化细菌加速训练，专啃塑料破解环保难题

每年有数百万吨塑料垃圾堆积在垃圾填埋场和海洋中。一个有前景的应对方案是改造微生物，将塑料分解为有用的化学构建模块。然而，要让一种细菌高效消化塑料，不仅需要微调单个基因，还需要调整整组协同工作的基因簇，就好比升级工厂流水线上的每台机器，而不是只更换一个零件。

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新加坡国立大学（NUS）研究人员开发的一个新平台或许能让这成为可能。该系统名为裂解选择与进化（LySE），利用一种经过改造的噬菌体——一种感染细菌的病毒——来快速产生并测试许多微小的基因变化。它可以改进长达约40,000个DNA字母的DNA片段，足以涵盖细胞中重要化学过程所需的大部分基因集合。

塑料降解速成课

为了“教会”细菌分解新的化学物质（例如塑料中的成分），科学家为它们提供一组基因——称为基因通路——这些基因像流水线一样协同工作。每一轮（称为一次“进化”）后，科学家保留表现最佳的细菌（例如，那些利用目标化学物质生长得更好的细菌），并重复该过程。LySE的设计目标就是加速这一“训练”过程。

在一项概念验证演示中，LySE改进了一组五个基因，这些基因使大肠杆菌能够以乙二醇（一种用于制造PET塑料的化学物质）为食。仅经过五个循环，表现最佳的细菌在乙二醇上的生长能力提高了超过50%。由于LySE只改变选定的基因，并且每轮都使用新鲜的细菌，科学家可以轻松地将改进后的基因转移到新细菌中，这是向大规模部署塑料降解微生物迈出的关键一步。

新加坡国立大学杨潞龄医学院生物化学系助理教授朱利叶斯·弗雷登斯（Julius Fredens）带领团队，携手该校合成生物学临床与技术创新项目（SynCTI），在2026年5月1日发表于《自然·微生物学》的论文中介绍了这个平台。相关论文见文末。

弗雷登斯助理教授说：“传统上，科学家必须在缓慢但高度可控的进化方法与速度快但不受控的连续方法之间做出选择。我们的目标就是想搞一个两全其美的系统：既能快速进化大型生物通路，又能随时‘踩刹车’控制过程，防止出现不该有的基因错误。”

设计就是‘不精细’

定向进化就是科学家在实验室里‘催快’自然选择的一种办法。他们对基因进行随机改变（突变），然后测试并保留效果最好的版本，就这样反复做很多轮。

另一种方法，连续进化，例如噬菌体辅助连续进化（PACE），能把突变筛选的循环做得非常快，但它们有两个主要问题：只能处理小段DNA（大约8000个碱基那么长），还可能冒出‘作弊者’——细菌靠突变自己的DNA来骗过检测、让自己活下来，但目标基因其实一点没改进。

"LySE通过利用感染大肠杆菌的噬菌体T7绕过了这两个问题，"进行大部分研究的博士生Shujian Ong解释说。"T7复制迅速，并在几分钟内裂解细菌细胞。我们已经改造了这种病毒，使其在制造新病毒颗粒时，还会额外包装一个称为噬菌粒的小DNA环，该环携带他们想要改良的基因组。"

为了大量制造这些基因的新版本，噬菌粒由一种经过专门改造的DNA复制酶（T7 DNA聚合酶）复制，这种酶被故意设计为易出错。可以将正常的DNA聚合酶想象成精确的复印机：这种改造后的变体则故意马虎，制造许多"错别字"（突变）——比细菌自身的DNA复制系统多约16万倍。

矛盾的是，高错误率正是使系统可控的原因。由于聚合酶如此"马虎"，它也会弄乱病毒自身的DNA。结果，噬菌体变弱，失去不受控制地传播的能力；它只能在大量添加时才能破坏细菌。

通过调整噬菌体与细菌的比例，研究人员在突变阶段和选择阶段之间进行切换。在突变阶段，目标基因获得大量新突变，这些突变基因被包装进新的噬菌体颗粒；在选择阶段，突变基因被放入新鲜、正常的细菌中，并测试其功能是否得到改善。

从抗生素耐药性到塑料降解

NUS团队通过两种方式验证了LySE方法。在抗生素耐药性检测中，把基因转到新细菌后，改良后的特性依然保留，这证明这些改变确实做进了目标基因簇里。

其次，研究人员尝试改进细胞中的整个“迷你工厂”：一条五基因通路，能让细菌用乙二醇来生长和获取能量。经过五轮葡萄糖逐轮递减的筛选后，表现最好的菌株在以乙二醇为唯一食物来源时，产生的生物量增加了50.9%。

测序显示，LySE既改变了调控区（也就是控制基因开/关程度的开关），也改变了编码蛋白质的基因，并且每个有益突变都通过挨个重新导入新宿主得到了验证。

“如果没有LySE，细菌的本能是让自己的整个基因组发生突变，去找吃掉更多塑料的办法，但这样很难找到最优解，”助理教授Fredens补充道。“LySE极大地改善了目标基因簇，同时不会在细菌DNA的其他部分积累不需要的突变。由于所有改进都严格限定在我们的特定基因簇内，我们可以轻松地将这一高度优化的通路转移到完全不同的细菌中。”

工程化自然界不存在的新型生物

该平台能够处理长达40千碱基的基因簇——这是最常用的噬菌体进化方法限制的五倍——为以前不切实际的应用打开了大门。这些应用包括优化药物的生物合成途径、工程化分解环境污染物的微生物，以及进化出全新的合成代谢路线用于碳捕集。

该工作流程仅需标准实验室设备以及将噬菌体裂解液与细胞培养物混合，使没有专业噬菌体生物学专业知识实验室也能使用该技术。LySE技术已申请专利。展望未来，该团队计划将LySE应用于完全合成且自然界不存在的新系统。

“一个关键目标是工程化合成CO2固定代谢途径，采用经过计算设计的、在现实世界中从未存在过的路线，并对其进行优化，使其能够在活细胞内高效运转，”助理教授Fredens表示。“借助LySE，我们可以将AI设计的酶和代谢途径快速优化，使其在实际中发挥作用。这正是巨大潜力所在。”

更多信息： Shujian Ong等人，《通过可控、超突变噬菌体-细菌系统连接连续与离散进化》，《自然·微生物学》（2026）。DOI: 10.1038/s41564-026-02346-y。www.nature.com/articles/s41564-026-02346-y

本文由新加坡国立大学提供

这个故事最初发布在 Phys.org 上。