Naukowcy opracowali inżynieryjne zarodniki osadzone w tworzywach sztucznych, które pozostają stabilne podczas użytkowania, ale szybko ulegają degradacji pod wpływem określonych czynników środowiskowych. To innowacyjne podejście mogłoby znacząco ograniczyć zanieczyszczenie tworzywami sztucznymi.
Odkrycia, kierowane przez grupę badawczą dr Dai Zhuojuna z Instytutu Zaawansowanych Technologii w Shenzhen (SIAT) Chińskiej Akademii Nauk (CAS), zostały niedawno opublikowane w czasopiśmie „CAS”. Natura Chemiczna Biologia.
W badaniu wykorzystano naturalną odporność zarodników, które mogą wytrzymać ekstremalne warunki środowiskowe, programując je tak, aby w określonych okolicznościach wydzielały enzymy rozkładające tworzywa sztuczne. Zarodniki te są osadzone w matrycach tworzyw sztucznych za pomocą standardowych metod przetwarzania tworzyw sztucznych, takich jak wysoka temperatura, wysokie ciśnienie lub zastosowanie rozpuszczalników organicznych.
W normalnych warunkach zarodniki pozostają w stanie uśpionym, zapewniając stabilne działanie tworzywa sztucznego. Jednakże pod wpływem określonych czynników, takich jak erozja powierzchniowa lub kompostowanie, zarodniki aktywują się i inicjują proces degradacji, prowadzący do całkowitego rozkładu tworzywa sztucznego.
Tło badawcze
Wynalezienie tworzyw sztucznych poprawiło nasze codzienne życie, ale masowa produkcja i niewłaściwe usuwanie odpadów z tworzyw sztucznych sprawiły, że zanieczyszczenie tworzywami sztucznymi stało się poważnym problemem środowiskowym. W 2016 roku Yoshida i in. odkrył bakterię, Ideonella sakaiensisw glebie skażonej poli(tereftalanem etylenu) (PET) w pobliżu zakładu recyklingu w Japonii.
Bakteria ta może rosnąć, wykorzystując PET jako główne źródło węgla, wytwarzając dwa kluczowe enzymy: PETazę i MHETazę. Od tego czasu liczne badania z zakresu biologii syntetycznej skupiały się na odkrywaniu, projektowaniu i ewolucji odpowiednich enzymów rozkładających tworzywa sztuczne, ale niewiele było badań nad innowacyjnymi metodami tworzenia degradowalnych tworzyw sztucznych.
Uśpione zarodniki i żywe tworzywa sztuczne
Mikroorganizmy rozwinęły wewnętrzne mechanizmy obrony przed trudnymi warunkami przez miliardy lat. Klasycznym przykładem jest tworzenie się zarodników odpornych na suchość, wysokie temperatury i wysokie ciśnienie (podobne warunki w przetwórstwie tworzyw sztucznych).
Wykorzystując biologię syntetyczną, zespół badawczy opracował inżynierię Bacillus subtilis z obwodem genetycznym kontrolującym wydzielanie enzymu rozkładającego tworzywa sztuczne (lipaza BC z Burkholderia cepacia). Pod wpływem jonów metali ciężkich, Bacillus subtilis tworzy zarodniki. Zespół zmieszał te zmodyfikowane zarodniki z granulkami tworzywa sztucznego poli(kaprolaktonu) (PCL) i wyprodukował tworzywa sztuczne zawierające zarodniki poprzez wytłaczanie w wysokiej temperaturze lub rozpuszczanie w rozpuszczalniku. Testy wykazały, że te „żywe tworzywa sztuczne” mają właściwości fizyczne podobne do zwykłych tworzyw PCL. Podczas codziennego użytkowania zarodniki pozostają w stanie uśpionym, zapewniając stabilne działanie tworzywa sztucznego.
Uwalnianie zarodników i inicjacja degradacji
Pierwszym kluczowym krokiem w degradacji plastiku jest uwolnienie zarodników osadzonych w żywym plastiku w celu ożywienia komórek. Naukowcy najpierw zademonstrowali dwie metody uwalniania zarodników. Jedna z metod wykorzystuje enzym (lipazę CA) do erozji plastikowej powierzchni.
Te uwolnione zarodniki następnie kiełkowały i wyrażały lipazę BC, która wiązała się z końcami łańcuchów polimeru PCL i prawie całkowicie rozkładała cząsteczki PCL (końcowa masa cząsteczkowa <500 g/mol). Wyniki pokazały, że żywy plastik może skutecznie ulegać degradacji w ciągu 6-7 dni, podczas gdy zwykły plastik PCL poddany jedynie uszkodzeniom powierzchniowym (lipaza CA) po 21 dniach nadal zawierał dużą ilość plastikowych resztek.
Inną metodą uwalniania zarodników jest kompostowanie. W przypadku braku jakichkolwiek dodatkowych czynników egzogennych żywe tworzywa sztuczne w glebie mogą całkowicie rozłożyć się w ciągu 25–30 dni, podczas gdy tradycyjny plastik PCL rozkłada się do poziomu niewidocznego gołym okiem po około 55 dniach.
Więcej niż tworzywa sztuczne PCL
Jak wspomniano wcześniej, warunki przetwarzania PCL są stosunkowo „łagodne” wśród tworzyw sztucznych. Aby zweryfikować ogólną przydatność systemu, zespół kontynuował testowanie innych komercyjnych systemów z tworzyw sztucznych. Zmieszali zarodniki niosące plazmidy ekspresyjne GFP z PBS (bursztynian polibutylenu), PBAT (adypinian polibutylenu-ko-tereftalan), PLA (polilaktylan kwas), PHA (polihydroksyalkaniany), a nawet PET (poli(tereftalan etylenu)) i przetwarzał mieszaninę w temperaturach aż 300oC.
Uwalniając zarodniki poprzez fizyczne mielenie, zaskakująco odkryli, że zarodniki nadal mogą się ożywiać i wyrażać GFP. Wyniki te stworzyły solidne podstawy do rozszerzenia metody na inne rodzaje tworzyw sztucznych.
Aby zweryfikować potencjał zwiększania skali systemu, zespół badawczy przeprowadził również na małą skalę test przemysłowy systemu PCL przy użyciu wytłaczarki jednoślimakowej. Wygenerowany żywy PCL nadal wykazywał właściwości szybkiej i skutecznej degradacji (degradacja w ciągu 7 dni). W przypadku braku czynników zewnętrznych żywy PCL zachował stabilny kształt, wykazując się swoją wytrzymałością podczas serwisu (stabilny w Sprite przez dwa miesiące). Badanie to dostarcza nowatorskiej metody wytwarzania ekologicznych tworzyw sztucznych, które mogą funkcjonować stabilnie, gdy zarodniki są w stanie utajonym, i rozkładać się, gdy zarodniki zostaną wzbudzone, co rzuca światło na rozwój materiałów zapewniających zrównoważony rozwój.
Odniesienie: „Degradowalne żywe tworzywa sztuczne zaprogramowane przez inżynieryjne zarodniki” autorstwa Chenwang Tang, Lin Wang, Jing Sun, Guangda Chen, Junfeng Shen, Liang Wang, Ying Han, Jiren Luo, Zhiying Li, Pei Zhang, Simin Zeng, Dianpeng Qi, Jin Geng , Ji Liu i Zhuojun Dai, 21 sierpnia 2024 r., Natura Chemiczna Biologia.
DOI: 10.1038/s41589-024-01713-2
