在生物聚合物工程领域，科学家正致力于寻找细菌，改良作物，生产一代全新的生物塑料。

研究者们正在试验去生长塑料而不是去制造塑料。一家化学公司已经用盘菌生产出能加工成聚丙烯状塑料的聚合物，一些研究小组试图改变细菌的遗传结构创造出橡胶及新型塑料之类的新产品。科学家甚至幻想将生产塑料的基因移入作物中，使将来农民能像种植马铃薯那样种植聚酯。

听起来荒谬吗？全世界已经有几百万美元投资到生物生产塑料的研究中，它必将带来几亿美元的效益。开展这项工作的动力有：环境因素、商业因素和科学因素。这种生物聚合物能生物降解，是种不依赖石油的新的塑料来源。虽然生物聚合物还相当昂贵，但是，当种植塑料马铃薯之类的塑料作物成为现实时，生物聚合物将比传统合成聚合物便宜。对置身于塑料革命的研究者来说，生物聚合物对他们最大的吸引力还是它的科学性，它将开辟一块全新的研究领域。根据酶的自然特性，化学家能对他们生产材料的结构进行前所未有的大量控制，设计出新奇塑料——橡胶状物质及从未见过的新型塑料。

1987年，弗吉尼亚州詹姆斯 · 麦迪逊（James Modison）大学的研究者从细胞中成功地无性繁殖出聚合物生产基因，引起了强烈轰动。自那以后，许多报刊杂志对其进行连篇累牍的报道#麻省理工学院生物化学家安东尼 · 辛斯克（Anthony Sinskey）预言这个领域“不久的将来，将人满为患”。日本政府宣称已拨款1亿美元用于该项研究。欧洲及美国的一些工业实验室和大学实验室也在积极投入这项研究中。

这项工作其实起步于几年前，当时英国帝国化学工业公司（ICI）已经开始探索产生天然聚酯的普通细菌。在英国比林厄姆（Billingham）小型工厂中，ICI公司培育出营养产碱杆菌（Alcaligenes eutrophus），能生产聚羟基丁酯（PHB）聚合物。PHB在菌中所起的作用就像人体中的脂肪、植物中的淀粉一样，其分子由几千个羟基丁酯分子以头尾相接的形式连接而成，是种又硬又脆的聚合物，能制作饮料包装瓶。A. eutrophus产生的聚合物干重超过80%，用来培养细菌的去氮葡萄糖溶液能大约提供聚合物生成时间提前的信号。细菌将养料转变成PHB，就像冬眠前的熊贮备脂肪一样。

美国ICI公司投资新经理托马斯 · 盖尔文（Thomas Galvin）对聚合物不能由细菌中的单一物质得到而遗憾。PHB以粒状粘附于细胞壁上，每个PHB粒子由几千个单独聚合物链组成，为了找出这种聚合物，必须将细胞壁打碎，并从这些碎片中完整无损地分离出PHB粒子，最后将聚合物加工成塑料，这是处理过程中最棘手的，因为PHB的熔点（170°C）几乎和其分解温度相近。ICI公司采用一种巧妙手法成功地解决了这一难题。他们让细菌制出和PHB不同、但易于操作的聚合物。将葡萄糖和有机酸的混合溶液代替单—葡萄糖溶液培养细菌，这样的细菌能将5-20%的戍酸酯分子加到羟基丁酯分子链上，生产出含两种不同分子链类型的共聚物，我们叫它PHB-V，它强度大，柔软性好，最主要的是它的熔点比PHB低。

PHB-V的特性和聚丙烯非常相似，能用来制作塑料薄膜和塑料袋。它优于普通塑料的突出优点是：由于是由细菌产生的，所以能自然生物降解，能在水和二氧化碳中完全分解，其潜在用途是：不仅能用作制备在环境中能自然分解的塑料制品，而且能用作医用植入物，如用在缝合、药物输送中，能在身体中慢慢自然降解。

ICI公司的小型工厂，现在每年大约生产50吨PHB-V，将来要扩大到500吨，这样，价格就会下降到现在价格（15元/磅）的一半，但还是不能和普通塑料（50美分/磅）竞争，但是，在一些专门领域，如医用植入物，就必须使用这种能生物降解的材料，根据计算，如果工厂的PHB-V年产量达到10，000吨，那么它的价格就会下降到每磅两美元，而且还可盈利。

ICI公司一方面计划扩大PHB-V的生产规模；另一方面，它的许多部门已在研制下一阶段的生物聚合物，为了提高蟹料产率及制出另一类新型聚合物，他们对细菌的遗传结构作各种改进。

1987年，弗吉尼亚州詹姆斯 · 麦迪逊大学的道格拉斯丹尼斯（Douglas Dennis）在A. eutrophus中成功地无性繁殖出能告诉细菌如何制备PHB的遗传基因，把这些基因移植到大肠杆菌（Escherichia Coli）中，也能制备PHB，而普通E. Coll是制不出PHB的。该工作的重要性是：对处理E. Coli（标准实验菌）中发展起来的所有方法，都能用在产生PHB基因上。“现在我们已经能对E. Coli进行多种基因操作。”他还发现带有变异E. Coli的细胞比普通细胞大十倍，把PHB基因移植到这种变异E. Coli中，能使每个细胞产生的聚合物增多十倍，而且这种聚合物易于加工。

然而，丹尼斯没有意识到他工作的商业价值。他和他的合作者们在成功地无性繁殖出PHB基因后，对其如何制备PHB的机理问题发生兴趣，所以在申请这项发明专利前一年多就发表了实验结果，幸运的是，美国仍允许这项专利申请。“要在欧洲就不行了”，丹尼斯说。

在由几家公司投资的生物技术合作研究室，奥地利维也纳大学的沃纳 · 卢比茨（Werner Lubbitz）利用丹尼斯的无性繁殖基因从E. Coli中生产PHB和PHB-V产品。把丹尼斯的PHB基因加热到一定温度，移入E. Coli中，得到新菌。用这种方法能避免细菌暴露于溶剂中，或者其他在让细菌释放出聚合物粒子过程中的危险处理。将得到的新菌在28°C下繁殖，到被PHB覆盖满后，温度上升到42°C，10分钟后，在对聚合物无损害的情况下（如无溶剂、无热、无酸），剖析聚合物。“这是关键性的突破”。用这种基因改良的细菌生产的聚合物比ICI公司生产的聚合物便宜得多。

然而，这种遗传工程基因还存在一些问题。在同样糖和有机酸培养液中，E. Coli不能生产PHB-V，而A. eutrophas则能生产PHB-V；E. Coli生产的聚合物干重不能保证达到90%，平均只有70%。

但这并没有挫伤发明者的兴趣。一支由奥地利、联邦德国和美国组成的风险投资小组对建立一家用改良E. Coli生产PHB-V的塑料工厂充满信心，并有一些化学公司表示将考虑从这样的工厂中购买塑料。

美国至少有两套全面的生物聚合物工程在实施中。麻省理工学院和马萨诸塞大学都涉足于分子生物化学和聚合物化学两门学科相结合的领域。生物化学家对细菌进行各种改良，化学家分析产生的聚合物。希望不久的将来，能S计出新的聚合物并设法让细菌生产出。

马萨诸塞大学的罗伯特 · 莱茨（Robert Lanz）和克林顿 · 富勒（Clinton Fuller）研究由各种细菌产生的聚合物分子的排列方式，提出，PHB是不同细菌产生聚合物种类中的一种，用作细菌贮能的聚合物大类是聚羟基烷基酯类（PHAs），只要在基本分子链上改变一组碳原子，PHAs就相互不同，而且它们的性能也大大改变。他们对五、六种细菌喂食不同的饲料（普通食物或有机分子），以了解不同饲料对细菌性能的影响。提出：“对细菌喂食不同的饲料，细菌要么死去，要么生产出新的贮能材料。”例如，用一种含芳族基的脂肪酸作为细菌主食，它生产出的聚合物也含该芳族基。“这种聚合物和自然界中发现的不一样，”目前，他们在研究一种细菌，其生存是依靠碳氢化合物（如辛烷、壬烷和癸烷）的，能生产出性能和橡胶相似的弹性聚合物。由于这种弹性体具有生物降解性，建议用于血管移植。他们还在研究一种赤红蚂光合菌（Rhodospirillum rubrum），能利用光能生产新型聚酯。

生物化学家富勒说，细菌的化学技巧对聚合物化学家莱茨来说是不可思议的。莱茨也承认“富勒的细菌一个晚上所做的事情需花我十年时间去干。”细菌生产高分子聚合物比化学家合成要快、纯、而且便宜。“如果用化学方法合成PHB，就不是两美元一磅，而至少需要100美元1磅，”莱茨说。

美国海军研究局（ONR）已经为在美国研究生物聚合物提供了资金，生物部主任迈克尔 · 马伦（Michael Marron）认为，合成聚合物用生物方法比用化学方法优越。用细菌“能在分子水平上‘剪裁’”制备出的化合物又纯又具专一性，而用普通化学方法是完全不可能的；在将来，生物聚合物会比合成聚合物便宜；“从战略意义上考虑，它不依靠石油。”如果聚合物能在作物中生长，那么美国就能完全控制塑料供应，“但就目前来说，还只是幻想。”

然而，这确实是许多人的共同梦想。美国密执安州立大学植物研究室生物化学家克里斯 · 萨默维尔（Chris Somerville）认为：“如果能将这种材料引入农作物中，那将是一大创举，因为淀粉作物非常便宜。”他把从A. eutrophus中提取的PHB基因引入几种不同植物中生产聚合物。理想成就是让马铃薯等作物生产塑料而不再生产淀粉，当然，困难是相当大的。虽然将聚合物生产酶基因引入植物中还比较容易，但调整植物中的这些酶却是相当困难的。一旦植物生产出PHB，就应立即停止生产淀粉，而让其所有能量都转化成聚合物。“这将是场严峻的挑战，因为我们不能只简单地加进一种酶，而必须阻止已存在酶的活力。”对生产聚合物来说，植物细胞比细菌细胞困难得多。

即使解决了这些问题，创造生产塑料的作物还有许多困难，“植物不能使PHB产生新陈代谢，种子不能生长。”萨默维尔提出了几种可能的解决方法。一种方法，是将两种非聚合物生长作物（每种都含有PHB酶）进行杂交，得到不能传代但能生产聚合物的杂交种。另一种方法，是将酶引进作物，改变PHB液种子能够生长。萨默维尔又认为，这一问题是完全可以避免的，他首先对马铃薯和萝卜进行试验，植物的茎和根仅作为贮存器官，不必再生。改良马铃薯，使茎部生产聚合物而不再生产淀粉，对其他功能不作任何改变。这样生产出的聚合物，外观很像食品杂货店的马铃薯，但却不能品尝，萨默维尔感叹道：“我们竟然在实验室生产超级市场的塑料土豆和塑料西红柿，简直是太有趣了。”

目前，至少有一家公司已经意识到将农场变为塑料工厂的潜在优势。美国中西部的一家主要种子生产场先锋杂交种子场（Pioneer Hybrid），给辛斯克实验小组2万5千美元的捐赠，该场的研究专家巴里 · 马丁（Barry Martin）坦率地说：“我们明白，这是项长期项目，但我们想首先得益。”他承认，让作物生产聚合物，确实存在相当多的困难。“我们思索了10年，才看到一线希望。”然而，他意识到，将来能生产和淀粉一样便宜的塑料（只需10美分1磅），将是场生物界的伟大革命。

[Science 1989年9月］