塑料高如大象的眼睛？ - 彭博社

克里斯托弗·索默維爾對塑料工廠的概念有着激進的看法。這位密歇根州立大學的教授希望將工廠建在田野裏。確切地説，是在馬鈴薯或玉米田裏——它的生產線將是從土地中長出的塑料生產植物的行列。

這聽起來像是虛構，但這是真實的科學。在全球範圍內，一羣不斷壯大的研究人員正在研究能夠製造微量天然塑料——稱為生物聚合物——作為食物儲備的微小細菌。科學家們已經分離出控制這一過程的基因，並利用最新的基因交換技術，成功地將這些微觀生物的培養液轉變為真正的塑料生產動力源。

接下來，索默維爾和其他人希望將塑料基因插入酵母、馬鈴薯甚至玉米中——並“種植”大量的生物聚合物。“植物的生產力是無與倫比的，”索默維爾説，他預測農業塑料在十年內可能成為現實。

目前，由細菌生產的塑料成本是每磅石油化學塑料的幾倍，但它們提供了一些重大優勢。首先，它們是真正可生物降解的。它們還可以幫助減少對石油的依賴：通過結合幾種類型細菌的基因，美國、日本和德國的研究人員正在嘗試設計聚合物——重複分子的鏈——以取代基於石油的品種。而通過將定製設計的基因插入細菌，科學家們表示他們可能會誘導出全新的塑料，例如用於體內的緩慢降解材料或替代橡膠的超柔性塑料。

目前，生物聚合物的商業興趣正在不斷增長。今年六月，英國的帝國化學工業公司在比靈漢開設了一家工廠，專門培養能夠生產塑料的細菌。該工廠每年可以生產300噸這種材料。價格為每磅15美元——遠高於基於石油的塑料的平均每磅60美元。但這並沒有阻止一些公司：例如，Wella公司在洗髮水瓶中使用可生物降解的塑料，以吸引“綠色”德國消費者。研究人員預測，僅製造效率的提高可能會在未來幾年將生物聚合物的價格削減到每磅約3美元。

科學家們自1925年以來就知道能夠生產塑料的細菌，但正是一次研究偶然讓他們相信生物聚合物可以在商業上發揮作用。1989年，弗吉尼亞州哈里森堡的詹姆斯·麥迪遜大學的分子生物學家道格拉斯·丹尼斯正在研究阿爾卡利根斯·尤特羅夫斯（Alcaligenes eutrophus），這種土壤細菌在缺乏生長所需的氮時，會產生微量的聚合物家族，稱為PHA（聚羥基烷酸酯）。就像熊在冬季前增加一層脂肪一樣，這些細菌在感知氮或氧的稀缺時儲存塑料。當供應改善時，塑料會轉化為食物。

基因圖譜。弗吉尼亞的研究人員正在尋找一種稱為啓動子的基因開關，它可以開啓塑料生產基因。在這個過程中，他將一段長DNA轉移到大腸桿菌中，這種細菌存在於人類消化系統中，廣泛用於研究。這些細菌立即開始大量生產塑料。丹尼斯無意中發現了阿爾卡利根斯細菌用於製造塑料的整個三基因組。他還證明了塑料生產基因可以在新的宿主中開啓。丹尼斯的好運引發了一場現代的淘金熱：幾周內，來自世界各地的科學家紛紛打電話。由於他的工作，研究人員獲得了塑料生產基因的重要圖譜。“現在可以在你想要的任何生物體中表達這些基因，”麻省理工學院的分子生物學家奧利弗·P·皮普爾斯説，他正在研究細菌如何將富含碳的食物轉化為聚合物的複雜過程。

自從丹尼斯的發現以來，研究人員發現了豐富多樣的細菌塑料，並開始解碼這些微小生物用來控制其生產的生物機制。利用這些知識，馬薩諸塞大學阿默斯特分校的研究人員最近工程化了一種超級菌株，這種細菌的塑料含量高達其體重的75%。現任明尼蘇達大學團隊負責人的奧地利化學家弗里德里希·斯里恩克正在研究在設定時間內分解的聚合物。這些聚合物可能是將藥物輸送到體內的關鍵。

在日本，神奈川大學的生物學家齋藤照美正在嘗試將塑料基因轉移到能夠利用陽光生產生物聚合物的微生物中。齋藤表示：“我們的目標是提高生產力以降低生物聚合物的成本。”

富含碳的飲食。改造基因並不是影響生物聚合物生產的唯一方法。一些研究人員正在給生產塑料的細菌餵食異國食物，以開發新材料。例如，荷蘭和馬薩諸塞大學阿默斯特分校的科學家通過給細菌提供富含碳的液體辛烷和丁烷來開發出一種橡膠狀的PHA，取代了糖。

這些細菌組裝出帶有辛烷“側鏈”的新聚合物，這些側鏈沿着聚合物的長度附着，使用石化產品是無法複製的。由於這些側鏈影響塑料的強度和柔韌性，這項研究表明，PHA可能取代比以前認為的更廣泛的石油基塑料，並在從塑料薄膜到工業熱塑性塑料的各個領域中發揮作用。

細菌只是一個起點。去年，密歇根州的索默維爾將產生PHA的三個基因從細菌引入到擬南芥中，這是一種與芥菜植物相關的小雜草。今年一月，他成功地將它們全部開啓，首次在植物中生產出聚合物。索默維爾和其他人表示，生產塑料的作物植物並不遙遠——這可能會徹底改變農業。“我們希望種植有這些塑料耳朵的玉米，”麻省理工學院微生物學教授安東尼·J·辛斯基説。

玉米帶不會很快變成塑料帶。仍然有一些主要難題需要解決。科學家們需要更多瞭解細菌用來組裝聚合物的生物途徑，才能定製設計許多塑料。然而，生物聚合物正在路上：世界的石油儲備每天都在減少。而且，地球上仍然有足夠的空間來種植索默維爾的夢想田野。