塑料废物已成为日益严重的问题，全球每年产生5000万吨一次性塑料。塑料用于食品和饮料包装，但通常未能按预期回收，而是被填埋、焚烧或流入环境。
爱丁堡大学的研究人员开发出一种将塑料废物转化为左旋多巴（L-DOPA）的方法，左旋多巴是帕金森病患者的常用治疗药物。帕金森病是一种神经肌肉疾病，由人脑中产生多巴胺的神经元缓慢退化引起。目前，全球每年约生产250吨左旋多巴，随着该病发病率持续上升，产量可能还会增加。目前所有左旋多巴的生产均使用化石燃料合成。
爱丁堡大学的研究团队开发了一种可持续的生物工艺，使用塑料（PET）作为左旋多巴生产的主要碳源。研究人员将PET分解为其基本组成部分，从而产生对苯二甲酸，然后引入工程化的大肠杆菌菌株，将对苯二甲酸化学转化为左旋多巴。
从塑料废物到左旋多巴的途径由四个步骤组成。七个不同的基因编码了这四个步骤。负责每一步的酶来自世界各地不同的细菌。这些酶被组合成两种不同类型的细菌，它们协同工作，一前一后，共同完成整个途径。
将塑料废物转化为药物：工程细菌的突破
用于生产左旋多巴的两步法比一步法需要更长的开发时间。在开发第一种细菌时，研究团队发现反应过程中中间化合物会积累。这些化合物抑制了负责将塑料废物转化为左旋多巴的细菌酶。结果，由于中间化合物的积累，反应被阻断，导致途径不完整。研究人员通过开发第二种细菌菌株来执行途径的第二步，从而解决了这个问题。这一步发生在一号细菌产生中间化合物之后。
“这只是我们利用这些细菌菌株所能做的事情的开始，”Wallace 表示。“如果我们能把塑料废物转化为治疗神经疾病的药物，想想还有多少其他药物可以来源于这项技术。塑料是一个环境问题，但它们也含有大量的碳，因此成为我们拥有的最大未利用碳资源之一。”
这项研究发表在《自然·可持续发展》杂志上。英国研究与创新署和工业生物技术创新中心提供了资金，Impact Solutions 公司参与了这项研究。
从塑料废物扩大生产规模
准备扩大左旋多巴的生产规模以证明其实际可行性是本研究的主要目标之一。研究团队成功将左旋多巴的产量提高到每升液体0.9克，原料为经过化学分解的PET塑料废物。
使用来自热烫金箔的工业塑料废物（每年产生约4万吨PET废物），研究人员达到了每升5克药物。他们还使用标准的药物纯化方法以固体形式分离了该药物。
据报道，这个产量相当于通常为早期帕金森病患者开具的若干临床剂量。重要的是，该工艺不仅可以使用清洁的实验室级原料，还可以使用消费后的塑料废物来制造药物。
在爱丁堡大学收集的一个消费后塑料瓶也被用作原料。虽然由于消费后废物中残留的增塑剂，塑料废物转化为药物的实际转化率低于纯原料，但通过该过程仍可得到可测量的药物量。
迈向更可持续的制造工艺
研究团队还研究了在反应的一个阶段产生的二氧化碳是否可以被重新捕获。为此，研究人员在细菌培养物旁培养了微藻。藻类通过光合作用吸收了细菌反应产生的二氧化碳。
虽然研究人员认为这只是初步工作，但这表明未来可能实现接近碳中和的工艺。
目前生产左旋多巴的化学路线基于化石燃料衍生的原料，因此依赖不可再生资源。相反，细菌工艺则以塑料废物作为原料。这意味着它有可能完全可持续，因为该过程的所有方面都来自非化石来源。
此外，该过程有可能消除合成步骤，并在环境温和的条件下生产左旋多巴，仅使用水并在接近中性pH值下操作。使用这种方法也意味着不需要使用特殊化学品。
与最终药物相关的PET在整个过程中保持相同的碳骨架。因此，药物制造不需要新的化石燃料。相反，该药物来自塑料瓶的残余物。
循环系统和废物衍生的原料
此外，研究表明，从废弃面包废物中获得的葡萄糖可以支持细菌生长。细菌消耗葡萄糖时不会损失效率，从而提高了整个系统的循环性。
据工业生物技术创新中心的Liz Fletcher博士称，重要信息是“将用过的塑料瓶转化为帕金森药物不仅是一种创新的回收方法；它更是关于重新设计生产方法，以利用与环境和諧相处的高效系统，并为人们的生活带来实际益处。”
这项研究部分得到了工程与物理科学研究委员会通过“碳循环可持续生物制造中心”提供的1400万英镑研发支持。该中心专注于将工业废物转化为高附加值产品，例如药物成分。
下一步
研究人员明确指出了这项研究的当前状态。它代表了一种方法的原理验证演示，尚未开发成完整的生产系统。
将细菌生物转化过程扩大到工业规模面临着重大挑战。仅靠实验室结果并不能完全解决这些问题。
还有许多额外的步骤需要考虑。目前，细菌菌株依赖抗生素来维持工程化的基因途径。这在工业规模上无法实现。
相反，这些基因最终将直接插入细菌基因组。在实际制造过程中，还必须进行整个生命周期的环境影响和成本效益分析。这将确定该工艺与实验室结果相比是否产生任何净收益。
此外，消费后塑料中可能存在的化学污染对最终药物的影响必须经过验证，才能用于治疗。
塑料废物的更广泛应用
在全球范围内，每年大约丢弃1亿吨塑料。这个数量远大于药品的总产量。
研究人员明确表示，这种方法旨在作为塑料废物的部分解决方案，而不是全部。相反，它可能有助于一项更广泛的战略，即从目前无法利用的废物流中创造额外价值。
研究人员认为，未来使用同一生物升级回收平台的可能性包括：更复杂的药物物质，以及香料、香精、化妆品和工业化学品。
实际意义
从制药角度来看，直接的影响是：可扩展的生物生产方法可以减少对石化来源的依赖。它还可以降低塑料生产材料的成本，同时从原本需要处理费用的塑料中产生额外价值。
从更广泛的意义上讲，这项研究指出了一条传统机械回收无法实现的途径。机械回收会随着时间的推移逐渐降低材料的质量。
相比之下，将塑料化学转化为高附加值化合物（如药物）可以提取更高的价值。它还可以避免塑料加工中通常所需的高温和有毒溶剂过程。
如果这种生产方法被证明在大规模生产中高效，它将为管理现有系统难以解决的废物流提供另一种工具。
研究结果在线发表于《自然·可持续发展》杂志。
原文“The plastic bottle that became a Parkinson’s drug”刊登于 The Brighter Side of News。
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