改造大腸桿菌染牛仔褲成新時尚“姐妹花”初創(chuàng)的生物合成染料產(chǎn)業(yè)化之路卻遇阻

2012年上映了一部紀錄片《牛仔褲的代價》，片中記錄了生產(chǎn)洗水牛仔褲帶來的的污染和危害。而中國又是世界最大的牛仔褲出口國之一，有數(shù)據(jù)稱中國每年會向世界各地供應(yīng)6億條牛仔褲。

時裝行業(yè)的染色過程是能源密集和水密集的，有業(yè)內(nèi)人士稱，1噸染料的生產(chǎn)需要使用近1000立方米的水、100噸重石油化合物、以及10噸有毒和腐蝕性的化學(xué)品，以及至少100兆焦耳的能源。

拿牛仔褲舉例，生產(chǎn)過程中需要使用大量的水和高錳酸鉀類的化學(xué)物品，一些隱蔽的小廠的廢水未經(jīng)處理就直接排放到附近的河流，造成嚴重的水質(zhì)污染。近兩年，業(yè)內(nèi)出現(xiàn)了激光制作牛仔褲的全新生產(chǎn)技術(shù)和模式，但囿于價格和高昂的成本，推廣并不順利。

一家名為Tinctorium（靛藍色）的初創(chuàng)公司，試圖利用合成生物學(xué)來解決牛仔褲“骯臟”的秘密：靛藍染料（Indigo）。這家公司成立于2018年，總部位于舊金山。

奇怪的是，自2019年接受過一些媒體采訪之后， 這家還沒有官網(wǎng)的公司便銷聲匿跡。但隨后出現(xiàn)了一家名為Huue的公司，創(chuàng)始團隊還是塔米·蘇和朱彥，業(yè)務(wù)方向仍然是，為牛仔布制造商提供源自自然的靛藍染料。

化學(xué)合成靛藍的兩大問題

事實上在秦漢以前，古人就從一種名為蓼藍的植物中提取靛藍，“青出于藍”即為佐證。但終止、收集、提取的周期極長，效率極低。

1885年，全球天然靛藍的產(chǎn)量只有5000噸左右，不能滿足市場需求。

這一時期，化學(xué)家Adolf von Baeyer（阿道夫·馮·貝耶爾）首次人工合成靛藍，并于1883年確認靛藍化學(xué)結(jié)構(gòu)式。也是基于這一成就，他獲得了1905年諾貝爾化學(xué)獎。

德國巴斯夫公司于1881年開始少量生產(chǎn)靛藍，這是人類歷史上首家公司生產(chǎn)靛藍;1897年， 巴斯夫首次規(guī)模化生產(chǎn)靛藍， 之后，全球各地的工廠每年可以生產(chǎn)大約7萬噸靛藍染料，產(chǎn)業(yè)價值達660億美元，其中大部分都被用來為牛仔布著色。

但化學(xué)合成靛藍存在兩個令人擔心的問題：

一方面，在靛藍生產(chǎn)上，這是一種需要使用大量氰化物、甲醛和苯胺的多步化學(xué)合成，其中苯胺從石油中提取而來，是靛藍生產(chǎn)的起始物質(zhì)。合成靛藍需要將這三種有毒化學(xué)物質(zhì)加熱到高溫，這需要大量的能量，之后需要用水冷卻反應(yīng)。

另一方面，在染色上。因為靛藍不溶于水，所以必須加入一些化學(xué)還原劑，把它變成水溶性的染料。化學(xué)還原劑中，連二硫酸鈉是工業(yè)上常用的一種，因為它速度快、效率高。但它有強腐蝕性。

生物合成兩步實現(xiàn)“綠化”

事實上在幾年前，牛仔布行業(yè)就已經(jīng)開始研究利用生物工藝生產(chǎn)靛藍，但當時因為技術(shù)尚未成熟，消費者和監(jiān)管者并不關(guān)心，再加上技術(shù)初期高昂的成本，導(dǎo)致化學(xué)品公司稍微降價就會削弱生物合成的推廣過程。

現(xiàn)在，可持續(xù)性是政府和消費者尤為關(guān)心的問題。生物合成被寄予極高的期望。

生物合成染料也被稱為生質(zhì)染料，包含動植物與微生物來源。生物合成燃料市場在美國有31億美元規(guī)模，并在2014年～2018年的年增長率都達到7%以上。

早在2018年，加州大學(xué)伯克利分校的生物工程師John E. Dueber 帶領(lǐng)團隊在NatureChemical Biology公布了他們的新方法：用基因改造后的大腸桿菌合成靛藍，以模仿靛藍植物在自然界中的染色過程。

Tinctorium聯(lián)合創(chuàng)始人塔米·蘇正是該論文的第一作者， 這篇論文發(fā)表于其博士期間。

事實上在這之前，已有一些研究團隊以及一家名為Genencor的公司嘗試過用大腸桿菌生產(chǎn)靛藍。Genencor用一種酶將大腸桿菌的代謝物轉(zhuǎn)化成一種叫做吲哚基的分子，二聚形成靛藍色粉末。不過該方法只在生產(chǎn)環(huán)節(jié)實現(xiàn)了“綠色”，在隨后的染色過程中仍然需要使用化學(xué)還原劑。

該方法從生產(chǎn)和染色兩個環(huán)節(jié)做到了“綠色”，一方面，相比于化學(xué)合成的石化原料，生物合成的原材料更加綠色;另一方面，在染色環(huán)節(jié)上，生物合成的吲哚苷可以直接用于染色，而無需使用化學(xué)還原劑。

植物是如何合成靛藍的呢？上文提到的蓼藍葉子中有靛藍前體，即吲哚酚。但吲哚酚不太穩(wěn)定，所以植物利用葡萄糖作為保護基團，在葡萄糖基轉(zhuǎn)移酶作用下將之轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的無色分子吲哚苷。而在特殊情況下，植物中的一種酶β-葡萄糖苷酶能摘掉吲哚苷的保護基團，使之變回吲哚酚，吲哚酚再自發(fā)氧化，經(jīng)由靛白中間體形成靛藍。

John E. Dueber團隊利用基因編輯向大腸桿菌中轉(zhuǎn)入蓼藍葡萄糖基轉(zhuǎn)移酶基因PtUGT1，讓細菌也可以合成吲哚苷。隨后提取吲哚苷將之溶解在水中，添加β-葡萄糖苷酶使之變回吲哚酚，吲哚酚會在空氣中自發(fā)氧化形成靛藍，從而完成染色。

不過，該方式從實驗室走向規(guī)模化生產(chǎn)，仍有很多問題待解。在成本方面，β-葡萄糖苷酶目前成本較高，還需要找到平價的催化劑。同時，生物合成的路徑也仍有優(yōu)化空間。

18升菌染一條牛仔褲？

2018年， 塔米· 蘇帶著技術(shù)成立了Tinctorium，并申報了全球著名生物技術(shù)加速器IndieBio并通過了第一次面試，但面試官告訴她公司需要一個合伙人，于是塔米·蘇找到了在類似美國的“大眾點評”網(wǎng)站Yelp工作的朱彥，二人共同參加了IndieBio為期四個月的項目。

“你的報道說2015年時，你需要18升培養(yǎng)的細菌來染一條牛仔褲。從那之后效率有所提高嗎？”有外媒在2019年的采訪中問到。

塔米·蘇回答說，經(jīng)過一些工程和培養(yǎng)條件優(yōu)化之后，現(xiàn)在需要大概5升左右就可以染一條牛仔褲。她稱公司還在嘗試進一步改進優(yōu)化?？偟膩碚f，目前其染料仍然比工業(yè)生產(chǎn)要貴。

在2019年的采訪中，塔米·蘇稱希望盡快生產(chǎn)1000條利用其染色技術(shù)的牛仔褲。并嘗試和時尚品牌合作推出聯(lián)名牛仔褲系列，開始進行市場教育。另外，在技術(shù)上也希望在未來幾年內(nèi)將染料的生產(chǎn)規(guī)模擴大到數(shù)千升甚至數(shù)萬升。

在2020年～2021年之間，尚未發(fā)現(xiàn)Tinctorium發(fā)布的任何進展和新聞。

“我們認為現(xiàn)在是時候了。在過去幾年里，使用更具可持續(xù)性的材料成為時尚界的一種趨勢，同時也出現(xiàn)了一些新興的公司，比如用人造蜘蛛絲制作衣服的Bolt Threads公司、用真菌制造纖維的MycoWorks公司，以及無動物皮革公司。這是消費者越來越意識到的一種選擇。我們想在牛仔布的可持續(xù)性方面擴大我們的聲量?！盩ammy Hsu說。

目前尚不清楚Tinctorium與Huue之間的關(guān)系。