科學人／寶特瓶喝完別亂丟！靠1細菌加工 24小時變身止痛藥

圖／ChatGPT生成

你每天刷牙的牙刷、身上穿的潮T，甚至隨手可得的止痛藥，其實都是開採化石燃料衍伸製造的石化產品。而這些日常石化產品的製程，每年都會向地球大氣排放數百萬噸碳，讓我們離淨零排放越來越遠。如今，英國愛丁堡大學的科學家們利用生物合成技術，爲這個化石燃料的依賴，開出了一劑綠色新處方！

止痛藥的嶄新綠色製程

來自愛丁堡大學的化學生物技術學家華勒斯（Stephen Wallace）率領的團隊近期在知名期刊《自然．化學》（Nature Chemistry）上發表了一項創新研究，展示瞭如何利用基因改造後的大腸桿菌（Escherichia coli），將廢棄的聚對酞酸乙二酯（polyethylene terephthalate, PET，寶特瓶常見原料）塑膠，搖身一變成爲家喻戶曉的普拿疼和阿斯匹靈等止痛藥成份！這項發現不僅爲藥物生產開闢了永續新途徑，更爲全球每年數千萬噸的塑膠廢棄物找到了驚奇的「升級再造」（upcycle，將廢棄物轉化爲更高價值產品）新可能，製程中的碳足跡更是微不足道！

研究團隊將寶特瓶降解的塑膠分子經大腸桿菌生物反應後轉化成止痛藥分子。圖／Johnson et al., Nature Chemistry, 2025

不可能的化學反應：生物相容的洛森重排

研究的核心，在於一項名爲洛森重排（Lossen rearrangement）的合成化學反應，這個1872年就發現的反應，過去總是被認爲需要在嚴苛的條件下才能進行，例如高溫或鹼性環境，且從未觀察到能自然發生。然而，研究團隊帶來重大突破，讓這個反應也能在活生生的大腸桿菌細胞中進行，而且表現出極佳的「生物相容性」（biocompatible），對細胞毫無毒性！

爲了讓洛森重排在自然界發生，研究團隊設計起以下巧妙實驗：他們特意培育出無法自行合成對胺基苯甲酸（para-aminobenzoic acid, PABA）的突變大腸桿菌株。PABA是細菌生長所需的關鍵代謝物，是進行生物合成葉酸（folic acid）的必需品；少了它，細菌無法正常生長。接着，他們使用傳統化學方法將PET塑膠降解成爲特定的特定醯基羥肟酸酯（acyl hydroxamate），這是透過洛森重排反應產生PABA的一種前驅物（precursor）。他們將這個分子加入細菌培養液中，令人驚訝的是，在沒有額外添加人工催化劑的情況下，這些無法自行合成PABA的大腸桿菌竟然能存活下來，代表洛森重排反應確實發生了！進一步研究揭示，原來細胞內的磷酸鹽（phosphate）離子，就推動這個生物相容性洛森重排反應的幕後推手！

基因改造的大腸桿菌經兩步驟將PABA轉換爲乙醯胺酚。圖 /Johnson et al., Nature Chemistry, 2025

接下來，研究團隊決定挑戰更高難度：直接將PABA轉化成常見止痛藥成份乙醯胺酚（acetaminophen，也稱爲paracetamol）。 他們再次對大腸桿菌進行基因改造，植入來自蘑菇和土壤細菌的兩種關鍵酶基因，讓這些基改細菌獲得了將PABA進一步加工成乙醯胺酚的能力。最後的成果令人振奮，這些經過「巧手設計」的細菌，竟然能將高達92%的廢塑膠衍生物質，成功轉化爲乙醯胺酚。而且，整個轉化過程僅在短短24小時內就能完成，還能在室溫下進行，顯著降低了能源消耗與碳排放！

這項發現證明了塑膠廢棄物衍生的分子，確實能夠在細菌體內被轉化，並支持微生物生長，爲塑膠生物修復（PET bioremediation）和廢物升級再造提供了全新的策略！

化學和生物學的永續雙人舞

華勒斯自豪地表示：「這研究證明了PET塑膠不再只是垃圾，也不再註定成爲其他種塑膠的材料——它能被微生物轉化爲更有價值的新產品，包括那些有潛力治療疾病的藥物。這個技術結合化學與生物學的力量，我們能用更永續的方式製造止痛藥，同時清除塑膠廢棄物。」

儘管這個研究尚屬於實驗室內的概念驗證，要進入工業化生產，還需要進一步的標準化與優化，例如塑膠分解的規模化問題。但美國科羅拉多礦業學院的化學家多馬爾（Dylan Domaille）認爲，這項研究證明了細菌能將塑膠廢棄物轉化爲有用物質，將激勵更多人投入到更具擴大性且永續的塑膠分解方法研究中。美國休士頓大學的生物技術專家巴蘭（Venkatesh Balan）則補充，長遠來看或許能設計一種或多種微生物，能夠直接執行從塑膠分解到最終產品轉化的所有步驟，而這項「基礎研究」正是朝着正確方向邁出的關鍵一步。這項研究完美體現了合成化學與生物學如何巧妙結合，爲解決環境污染與永續發展的雙重挑戰，提供了嶄新且充滿希望的解決方案！

（本文出自2025.06.27《科學人》網站，未經同意禁止轉載。）