XMU-China团队2024年iGEM课题揭秘

XMU-iGEM 2024课题揭秘

今年，我们期望使用合成生物学的方法来解决纸张脱墨的问题，以实现纸张的重复利用和纸浆的处理回收。因此，我们选择了《哈利波特》中的“恢复如初”这句咒语——REPARO——作为我们的课题名，意为“Resolution of Eco-friendly Paper-recycling for Alternative Recovery and Optimization”

1. 课题背景

气候危机是全球最受重视的环境问题之一，而绿色植被，尤其是森林，是调节气候和缓解全球温室效应的关键。纸张是由树木等绿色植物生产而来，因此，循环用纸是保护森林和应对气候危机的重要举措。然而，纸张产业如今仍面对废纸回收率低、纸张难以重复使用等问题，因而不断砍伐树木以生产新纸依然是造纸业的常态。

目前，针对纸张脱墨，现有的工业化方式主要以化学法进行浮选脱墨为主。

图一 工业化化学法纸张脱墨示意图

针对生活中因错字产生的废纸，则主要使用修正带、修正液等涂改工具，或使用热可擦笔进行反复书写和修改。

图二 生活中常用的消除字迹的方法

但是，无论是哪种方法，其消除过程都包括不少有毒有害试剂的使用，对于生态环境更是有不利影响。因此，我们希望通过REPARO实现对工业化纸张脱墨法的优化和对日常中纸张书写笔迹的有效消除。

2. 解决方案

针对工业化纸张脱墨，我们选择利用工程菌表达纤维素酶、脂肪酶和漆酶。这三种酶可以通过断裂纸张的纤维素和破坏油墨中连接料的成膜的方式，实现油墨和纸浆的高效分离。同时，我们为工程菌设计了使用T7裂解酶的自溶系统使酶可以进入反应体系，发挥其脱除油墨的效果。

图三 工程菌释放纤维素酶、脂肪酶和漆酶

其次，由于脱墨废水中会产生有污染的重金属离子，我们在部分工程菌表面展示了具有金属离子吸附性的金属硫蛋白MT2A/MT3和 Cd²⁺通道蛋白，以达到对废水中重金属离子的清除。

图四 工程菌表面的金属硫蛋白对多种金属离子的吸附

为了抵抗重金属离子对工程菌的毒害，我们又引入了以谷胱甘肽蛋白为核心的抗逆系统。为了防止工程菌泄露、实现生物安全，我们使用水凝胶储存吸附重金属离子的工程菌，并设计了由鼠李糖调控的自杀开关回路。

图五 菌体存在于水凝胶内部

面对生活中纸张笔迹的消除，我们选择了脂肪酶L3-3和fast-PETase两种高活性的酶，通过断裂酯键来实现对油墨连接料的破坏。随后，我们选用鼠李糖脂溶解与纸张分离的油墨，鼠李糖脂是一种具有良好促溶效果的生物表面活性剂。最后，我们使用海藻酸钠作为吸附剂去除纸张表面游离的油墨分子，实现纸张字迹清除的效果。

图六 生活中纸张笔迹的消除方案

以上就是 XMU-China 2024 的课题内容啦。