研究人員首次使用細(xì)菌對廢棄聚乙烯進(jìn)行“升級改造”。
超越蜘蛛俠:倫斯勒理工學(xué)院的研究人員開發(fā)了一種細(xì)菌菌株，可以將塑料垃圾轉(zhuǎn)化為具有多種用途的生物降解蜘蛛絲。
他們的新研究標(biāo)志著科學(xué)家首次利用細(xì)菌將聚乙烯塑料——許多一次性物品中使用的那種——轉(zhuǎn)化為高價(jià)值的蛋白質(zhì)產(chǎn)品。
該產(chǎn)品被研究人員稱為“仿生蜘蛛絲”，因?yàn)樗c蜘蛛用來織網(wǎng)的蛛絲相似，可應(yīng)用于紡織品、化妝品甚至醫(yī)藥領(lǐng)域。
“蜘蛛絲是自然界的凱夫拉纖維，”化學(xué)和生物工程助理教授、領(lǐng)導(dǎo)該項(xiàng)目的RPI研究人員之一Helen Zha博士說。“在張力下，它幾乎可以像鋼一樣堅(jiān)固。然而，它的密度比鋼小六倍，因此非常輕便。作為一種生物塑料，它有彈性、堅(jiān)韌、無毒、可生物降解。”
Zha說，所有這些特性使其成為未來可再生資源和避免持續(xù)塑料污染的理想材料。
塑料袋、水瓶和食品包裝等產(chǎn)品中的聚乙烯塑料是全球塑料污染的最大來源，可能需要1000年以上的時(shí)間才能自然降解。只有一小部分聚乙烯塑料被回收，因此研究中使用的細(xì)菌可以幫助“升級”一些剩余的廢物。
研究中使用的細(xì)菌銅綠假單胞菌可以自然消耗聚乙烯作為食物來源。RPI團(tuán)隊(duì)解決了改造這種細(xì)菌的挑戰(zhàn)，將聚乙烯的碳原子轉(zhuǎn)化為基因編碼的絲蛋白。令人驚訝的是，他們發(fā)現(xiàn)他們新開發(fā)的細(xì)菌可以制造絲蛋白，其產(chǎn)量可與一些更常用于生物制造的細(xì)菌菌株相媲美。
這項(xiàng)創(chuàng)新背后的潛在生物過程是人們已經(jīng)使用了幾千年的東西。
“本質(zhì)上，細(xì)菌正在發(fā)酵塑料”，生物催化和代謝工程專業(yè)71歲職業(yè)發(fā)展星座教授Mattheos Koffas博士說:“發(fā)酵被用于制作和保存各種食品，如奶酪、面包和葡萄酒，在生物化學(xué)工業(yè)中，發(fā)酵被用于制造抗生素、氨基酸和有機(jī)酸。”他與Zha一起是倫斯勒生物技術(shù)和跨學(xué)科研究中心的成員。
Zha說，為了讓細(xì)菌發(fā)酵聚乙烯，首先要對塑料進(jìn)行“預(yù)消化”。就像人類需要將食物切成小塊才能使用一樣，細(xì)菌很難吃掉包含聚乙烯的長分子鏈或聚合物。
在這項(xiàng)研究中，Zha和Koffas與阿貢國家實(shí)驗(yàn)室的研究人員合作，通過在壓力下加熱塑料來解聚塑料，產(chǎn)生一種柔軟的蠟狀物質(zhì)。接下來，研究小組在燒瓶底部涂上一層塑料蠟，作為細(xì)菌培養(yǎng)的營養(yǎng)來源。這與使用糖作為營養(yǎng)源的典型發(fā)酵形成對比。
Zha說:“這就好像我們不是給細(xì)菌喂蛋糕，而是給它喂蛋糕上的蠟燭。”
然后，當(dāng)加熱板輕輕攪動(dòng)燒瓶中的物質(zhì)時(shí)，細(xì)菌開始工作。72小時(shí)后，科學(xué)家們從液體培養(yǎng)物中過濾出細(xì)菌，純化絲蛋白，并將其冷凍干燥。在那個(gè)階段，這種類似于被撕碎的棉球的蛋白質(zhì)有可能被紡成線或制成其他有用的形式。
“這個(gè)過程真正令人興奮的是，與今天生產(chǎn)塑料的方式不同，我們的過程是低能耗的，不需要使用有毒化學(xué)物質(zhì)，”Zha說。“世界上最好的化學(xué)家無法將聚乙烯轉(zhuǎn)化為蜘蛛絲，但這些細(xì)菌可以。我們真的在利用大自然開發(fā)的東西為我們制造產(chǎn)品。”
然而，在高級蜘蛛絲產(chǎn)品成為現(xiàn)實(shí)之前，研究人員首先需要找到更有效地制造絲蛋白的方法。
“這項(xiàng)研究表明，我們可以利用這些細(xì)菌將塑料轉(zhuǎn)化為蜘蛛絲。Koffas說:“我們未來的工作將調(diào)查調(diào)整細(xì)菌或工藝的其他方面是否會(huì)使我們擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模。”
“Zha教授和Koffas教授代表了新一代化學(xué)和生物工程師，他們將生物工程與材料科學(xué)相結(jié)合，制造環(huán)保產(chǎn)品。他們的工作是保護(hù)環(huán)境和減少我們對不可再生資源依賴的一種新方法，”RPI工程學(xué)院院長Shekhar Garde博士說。
這項(xiàng)研究由第一作者Alexander Connor和阿貢國家實(shí)驗(yàn)室的Jessica Lamb和Massimiliano Delferro共同進(jìn)行，發(fā)表在《微生物細(xì)胞工廠》雜志上。
