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塑料已进入人类体内塑料的降解大概需要300年…

2019-09-05
据《每日邮报》报导,奥地利科学家宣布研讨证明了塑料现已进入人类体内,他们估测每人每年吃下约7.3万片微塑料。一个十分严酷的事实是塑料的降解大约需求300年,而人类发明榜首块塑料是在1862年,意味着什么?这意味着人类发明的榜首块塑料想要降解完还需求150年…

出品:"SELF格致论道讲坛"大众号(IDSELFtalks

以下内容为Bluepha首席技能官张浩千讲演实录:

咱们好,先说说我自己,我本科在北大生命科学学院就读,博士在北大物理学院,所以这种交叉学科的布景使得我会以一个工程师的视角来看待生命科学的问题。

先给咱们看一张图片,这是什么呀?是马铃薯,仍是一个发霉的马铃薯,上面的霉菌可以组成一种化学物质,这种化学物质是一种特效的抗生素。其实或许在座的许多朋友们都知道,目前为止咱们人类一切成功商业化的抗生素现已都可以被细菌耐药了。也便是说,假如有一种细菌具有了一切的耐药性,又发生了大规模的迸发,咱们是毫无抵挡之力的。这种链霉菌上发现的新式抗生素,其实关于处理或许缓解这个问题有十分大的协助。

再给咱们看一张图片,这张图片是在深海海底发现的一种厌氧细菌。这个细菌的细胞膜里有一种化学物质,这个化学物质长得特别像梯子,尤其它的右半部分,它的名字叫梯烷(Ladderane)。它是一种十分十分高能的化学物质,可以用做火箭燃料。

再给咱们看一个风趣的东西,左面这张图片是一个细菌,这个细菌它有一个指南针,是真的指南针。这是四氧化三铁颗粒排成一个针状结构,可以依据磁场辅导细胞去游动。这个指南针的组成是四氧化三铁颗粒,是由细菌自己组成的,它是一个巨细十分均一,一般在几纳米到十几纳米之间的一个纳米物质。迄今为止,咱们人类最精密的制作技能也没有方法造出形状这么规矩、巨细均一的纳米物质,假如咱们在纳米上想用这个东西,只能在细菌上拿到。

终究给咱们举的比方或许有些朋友现已十分了解了,便是固氮。豆科植物的根部可以跟一些细菌共生,细菌把大气里边的氮气变成氨,作为营养物质供应植物。植物反馈给一些营养物质,两拨生物相互之间共生,还有一些细菌不需求豆科植物自己就能固氮。可以想像,假如咱们要是可以把这些固氮功用转移到水稻或许小麦身上,那么咱们的粮食出产榜首可以脱节化肥了,第二咱们也可以防止化工厂带来的许多污染。

方才给咱们举的是一些很风趣的生物功用,可是咱们心里边必定有一个问题,这些生物功用究竟能不可以运用于咱们真实的日子中?我想告知咱们的是,其实咱们是有必定的技能根底的,这儿给咱们展示几个比方,便是展示咱们技能根底的比方。

榜首个便是氨基酸。咱们日常运用的味精是一种氨基酸,还有许多其他药品和食物里边都需求增加各式各样的氨基酸。构成细胞的21种氨基酸里边,有20种目前为止都是由图中这三种微生物来组成的。还有一种当然是化工组成,可是也是可以用生物做到的,仅仅本钱有点贵,理论上来说21种都可以用生物来做。

还有便是咱们现在吃的药,这些药物里边有1/3都是由细菌或许真菌这种微生物来组成。这是立普妥,年纪大一点的同志会比较了解,由于它是医治心血管疾病的特效药,是由土曲霉组成的。

大学生朋友就更了解了,这是点外卖的时分会配送一些很脆的、略微使点劲就简略断的刀和叉。这些刀叉也是微生物组成的,咱们或许会觉得很奇特,这是怎样做的呢?玉米淀粉被微生物变成了乳酸,再通过恰当的化工聚合,终究把它变成了咱们想要的这种塑料,现在外卖里许多的刀叉都是拿微生物来制作的。

除了方才给咱们举的比方,还有一些比方或许咱们更了解了,啤酒、酸奶、抗生素、胰岛素。这儿边或许有两个比方咱们比较震慑,一个是玻尿酸,女孩子们美容用的玻尿酸其实也是微生物组成的。还有一个是椰果,咱们点的奶茶里的椰果其实不是从椰子刮下来的,是微生物木醋杆菌组成的

所以假如把细胞当作工厂的话,其实它完美地符合咱们关于工厂的界说,它是把质料变成咱们想要的产品。除了这一点它还有自己的特性,榜首,由于生物自己的成长和组成是不需求人管的,它是无人值守、全自动化的工厂;第二,由于生物是可以自我修正的,所以当它遇到欠好的环境,遭到欠好的处理之后还可以自我修正;第三点是工厂能自我仿制,每30分钟就能仿制自己一次。

当然这个有好有坏,好的话仿制这个工厂很廉价,欠好便是知识产权维护欠好的话,他人仿制你的工厂也很简略。所以这是一个现在生物技能产业界咱们面对的问题;第四点是它尺度很小,所以可以把它限制在一个反应器里边,这样一切的废水、废气、废物都可以搜集起来得到有用操控。

跟咱们讲了咱们现在关于细胞工厂的技能根底,我一开始举的几个比方能不能得到很好的运用呢?其实仍是有点短缺,原因在于这四种生物功用背面所触及的一般都是几十到上百个基因之间的相互作用,而我方才给咱们举的几个是现在现已在咱们日子中得到很好运用的事例,其实一般只触及一到几个基因。

咱们可以想一下,假如是你带着几十个乃至上百个人来干活,你还需求一个很杂乱的协谐和安排呢,更何况在细胞里边几十上百个基因一同协作,这背面需求写的程序是十分杂乱的。

给咱们举一个更形象的比方,左面这样图片是大肠杆菌,它在咱们日子中无处不在。这个细菌可以看作是一个直径0.5微米、长度2微米的圆柱体。在这么小的空间内,它有400万的碱基对,更重要的是它有4400个基因在一同表达着,而且一同在发作不少于3000个化学反应。假如咱们把这4400个基因中每个基因看做一个点,基因与基因之间假如相互作用就连成一条线,那便是右边的图。可以看到即使在这么小的空间,这么简略的一个生物,它内部的相互作用也是十分杂乱的。

便是由于这种生物体系的杂乱性,就带来了一个十分扎手的问题。或许学电子工程或许核算机的同学会知道,电子工程里边有一个规律叫做“摩尔规律(Moore's Law)”。什么叫“摩尔规律”?大约意思是说CPU的核算才干每隔一段时间,一般是18个月就会翻一倍,或许是芯片价格就降一倍,总的来说每18个月就凶猛一倍。可是生物不是这样,举个比方,咱们生物医药呈现出“反摩尔规律(Eroom’s Law)”。便是说相同十亿美元,在1950年的时分十亿美元能开宣布十几个新药,到2010年连一种都开发不出来,所以英文“摩尔”也是反过来写的。

这就提醒咱们技能现在遇到问题和瓶颈了,咱们投入相同的资源得到的产出越来越少,所以咱们必需求换技能道路了,要进行一种技能革新。依据咱们以往处理杂乱问题的经历,咱们有没有可以学习的呢?其实是有,在座的每位都有手机,手机里一张芯片有上亿个“逻辑门”,处理的功用这么杂乱,咱们是怎样样应对这种杂乱度的呢?

其实很简略,便是工程化准则。咱们现在不论一个别系多杂乱,咱们都能依照从“元件-器材-模块-体系”的方法自下而上的拼装出来。这儿有两个工程化准则十分要害,榜首是模块化,模块化的作用是什么?让体系的组份与组份、元件与元件之间越独立越好,这样就能自下而上的拼装起来,拼装猜测性特别高。

还有一个准则是规范化。规范化便是让每个人在这个工程中所做出的尽力都能被其他人所用,比方有人工螺丝、有人工螺母,假如咱们依照一个规范来,造螺丝和造螺母的人就能组合起来,就能把一个杂乱的作业拆解成一个简略的作业,而且分配给每个人,终究每个人做出的东西还能拼装在一同。

正是由于这种工程化准则的运用,使得咱们人类可以做出十分杂乱的东西,例如超级核算机。所以“摩尔规律”就由此不断地发生新的打破,而且一向得到坚持。

那咱们的细胞呢?咱们的生物体系,其实咱们假如以别的的视角来看,它也是一种工程体系。它可以看作基因,也便是说DNA资料。DNA作为资料以生物大分子之间的相互作用的方式,比方说它先拼装成一些代谢通路、调控通路,这些通路拼装成细胞,这些细胞拼装成安排,终究构成一些杂乱的个别,也可以当作自上而下的工程体系。

正如咱们的CPU,它不是从路旁边随意捡来的是石头就能加工成CPU,尽管说它也是硅,可是这个硅是精粹出来的。咱们假如说对生物体系进行工程化的话,咱们的资料也不是随意拿来的。每个生物都有自己的基因,咱们把这些基因都拿来,去掉咱们不想要的功用,保存最基本、最简略的功用,然后咱们把它进行一些规范化、模块化的加工,终究就可以得到生物的乐高积木,便是一列一列的基因片段,它们相互之间是绝缘化的,而且接口是规范化的,那么咱们可以把它叫做“基因元件”

这个“基因元件”就可以让咱们以拼乐高积木的方式、自下而上地拼装出一些杂乱的生物体系,咱们把它叫做“基因核算机”。由于它有感触器,可以感触细胞表里的各种环境,它也可以进行信息处理,把一些杂乱的信号进行内部处理之后,终究呈现出各式各样的生物功用输出,咱们就把它叫做“基因核算机”。

这种才干使得咱们可以在微生物里边,每个微生物细胞里边都可以写一个微型的“基因核算机”,然后履行咱们想让它们履行的功用。比方可以用于生物制作,还可以把它放到肠道里边侦测消化道里的癌症和炎症;还可以用于土壤,用来去除重金属污染和化工型污染;还可以用于环境,废水处理、污水处理,乃至可以从废水里锻炼出宝贵金属,这都是微生物可以做到的。

在这儿举一个十分风趣的比方,这也是我博士期间在做的作业,以及博士结业之后和清华的教师同学一同创业的作业。咱们身边许多物件都是塑料做的,这些塑料都是从石油里边提取出来的。一个十分严酷的事实是塑料的降解大约需求300年,而人类发明榜首块塑料是在1862年,意味着什么?这意味着人类发明的榜首块塑料想要降解完还需求150年。

这张图片信任在座的各位其实并不生疏,由于咱们在日子中常常会看到动物由于吞食塑料而死、植物由于塑料增加剂的毒性而干枯的现象。我在博士期间,跟清华的教师、同学做了一个十分风趣的作业,去全国各地找一些风趣的微生物。

咱们在新疆的艾丁湖,间隔我家园没多远,咱们发现一株十分有意思的微生物。左上角的图是一个平板,是一个培养基的平板,上面每个白点都是一个细菌的菌落。咱们发现有些菌落十分风趣,它是白色的,特别白。在显微镜下扩大了看,它里边也有一些白色颗粒,这些白色颗粒通过判定是什么东西呢?其实是生物可降解的塑料,叫做“聚羟基烷酸酯(PHA)”。理论上它可以代替咱们现在日子中绝大部分石油基的塑料,可是它有什么问题?价格太贵了,它是现在塑料的5-10倍。尽管咱们有环保抱负,但在钱包在实际面前仍是没方法,做不出更抱负的挑选。

怎样让咱们做出更抱负的挑选呢?咱们这个“基因核算机”或许咱们在细胞里编程序这件事就有用了,咱们可以在细胞里编程序,让细胞把它生理代谢活动的一切能量,都用于出产聚羟基烷酸酯,简称PHA。比方咱们做的榜首代,细胞里就有大块白色颗粒了,咱们还可以做第二代,细胞现已很“胖”了,还可以做第三代,细胞现已是“超级大胖子”了,里边90%的质量差不多都是PHA了。

咱们通过两到三年的试验和工业化测验,现在现已成功的在山东完成了工业化出产。咱们出产PHA运用的是可以再生的粮食资源,比方咱们国家其实存粮,陈腐的粮食现已许多了,数以亿吨计,要不就放着烂了,还不如使用起来。与此一同咱们出产出的生物塑料PHA是百分之百生物可降解,理论上不加特别物质,埋在土里半年到一年就彻底降解了,变成营养物质被微生物使用了。所以它是取之于天然,而终究又回馈于天然的东西

终究给咱们看一个更形象的事例,咱们在清华学校里做的一个试验。咱们先别猎奇,为什么我一个北大人拿清华学校做试验。咱们在清华学校挖了一个坑,把两个塑料片埋到土里边,半年今后再把塑料片挖出来,便是咱们现在看到的作用。左图便是PHA的塑料片,半年今后千疮百孔,细菌在上面快乐地成长着。而聚乙烯塑料片完好无缺,300年今后才干降解。

我想告知咱们的是,咱们现在日子中遇到的绝大部分的塑料其实都是十分难以降解的。300年是一个十分保存的数字,而且是在各种环境都很杰出的情况下,生物才干使用起来。咱们这个PHA是很有期望可以代替现在已有的石油基塑料的,而且现在咱们现已把本钱做到了传统石油基塑料的2-3倍

许多人在做科研的时分都会重视一点,便是科技的立异性怎么。可是我更重视的一点是,科技这个东西怎样样更好的运用于咱们的日子。由于咱们日子中许多时分遇到的问题不仅仅是科学问题,作为科学家咱们也不能关怀的仅仅是科学,咱们要归纳运用金融、教育、人文、办理等各个方面的力气把它们归纳在一同,为咱们的未来发明一个愈加绿色、智能、环保的国际。

谢谢咱们!

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