Среда, 21 февраля, 2024
ДомойНаукаСозданные бактерии поедают отходы пластика и производят паучий шелк – «природный кевлар»

Созданные бактерии поедают отходы пластика и производят паучий шелк – «природный кевлар»

- Advertisement -

Ученые создали метод преобразования пластиковых отходов в биоразлагаемую паутину с помощью бактерий, обеспечивая инновационный и устойчивый подход к борьбе с пластиковым загрязнением. (Концепция художника.) Фото: SciTechDaily.com

Впервые исследователи использовали бактерии для «переработки» отходов полиэтилена.

Подвинься, Человек-паук: исследователи из Политехнического института Ренсселера разработали штамм бактерий, которые могут превращать пластиковые отходы в биоразлагаемый паучий шелк, который можно использовать многократно.

Преобразование пластика в белок

Их новое исследование знаменует собой первый случай, когда ученые использовали бактерии для превращения полиэтиленового пластика, который используется во многих одноразовых предметах, в ценный белковый продукт.

Этот продукт, который исследователи называют «биологическим паучьим шелком» из-за его сходства с шелковым шелком, который пауки используют для плетения своей паутины, находит применение в текстиле, косметике и даже медицине.

Вдохновленные природным шелком, например, паучьим шелком, ученые RPI стремятся сократить количество пластиковых отходов, превратив их в экологически чистые протеины шелка. Фото: SciTechDaily.com

Сила паучьего шелка

«Паучий шелк — это природный кевлар», — сказала Хелен Чжа, доктор философии, доцент кафедры химической и биологической инженерии и один из исследователей RPI, возглавляющих проект. «Он может быть почти таким же прочным, как сталь под напряжением. Однако он в шесть раз менее плотный, чем сталь, поэтому очень легкий. Как биопластик, он эластичный, прочный, нетоксичный и биоразлагаемый».

Все эти качества делают его отличным материалом для будущего, где возобновляемые ресурсы и предотвращение постоянного загрязнения пластиком станут нормой, сказал Чжа.

Решение проблемы пластикового загрязнения

Полиэтиленовый пластик, содержащийся в таких продуктах, как пластиковые пакеты, бутылки с водой и упаковка для пищевых продуктов, вносит наибольший вклад в загрязнение пластиком во всем мире, и для его естественного разложения может потребоваться более 1000 лет. Лишь небольшая часть полиэтиленового пластика перерабатывается, поэтому бактерии, использованные в исследовании, могут помочь «переработать» часть оставшихся отходов.

Белки шелка, вырабатываемые бактериями, преобразующими полиэтилен в этот многоцелевой материал. Фото: Политехнический институт Ренсселера.

Процесс обращения

Pseudomonas aeruginosa, бактерии, использованные в исследовании, могут естественным образом потреблять полиэтилен в качестве источника пищи. Команда RPI решила задачу создания этой бактерии для преобразования атомов углерода полиэтилена в генетически закодированный белок шелка. Удивительно, но они обнаружили, что их недавно разработанные бактерии могут производить белок шелка с выходом, конкурирующим с некоторыми штаммами бактерий, которые традиционно используются в биопроизводстве.

Биологический процесс, лежащий в основе этой инновации, — это то, что люди использовали на протяжении тысячелетий.

От пластика к шелку

«По сути, бактерии ферментируют пластик. Ферментация используется для производства и консервирования всех видов продуктов, таких как сыр, хлеб и вино, а в биохимической промышленности она используется для производства антибиотиков. аминокислотыи органические кислоты», — сказал Маттеос Коффас, доктор философии, Дороти и Фред Чау, профессор карьерного развития в области биокатализа и метаболической инженерии, а также другой исследователь, возглавляющий проект, который вместе с Чжа является членом Центр биотехнологии и междисциплинарных исследований Ренсселера.

Чтобы заставить бактерии ферментировать полиэтилен, пластик сначала «предварительно переваривается», говорит Чжа. Точно так же, как людям необходимо разрезать и пережевывать пищу на более мелкие кусочки, прежде чем наш организм сможет ее усвоить, бактерии с трудом поедают длинные молекулярные цепи или полимеры, из которых состоит полиэтилен.

В исследовании Жа и Коффас сотрудничали с исследователями из Аргоннской национальной лаборатории, которые деполимеризовали пластик, нагревая его под давлением, получая мягкое воскообразное вещество. Затем команда нанесла слой воска, полученного из пластика, на дно колб, который послужил источником питательных веществ для культуры бактерий. Это контрастирует с типичной ферментацией, при которой в качестве источника питательных веществ используются сахара.

«Это как если бы вместо того, чтобы кормить бактериальный торт, мы кормим его свечами на торте», — сказал Чжа.

Затем, когда нагревательная пластина осторожно перемешивала содержимое колб, бактерии приступили к работе. Через 72 часа ученые выделили бактерии из жидкой культуры, очистили белок шелка и лиофилизировали его. На этом этапе белок, напоминавший разорванные ватные шарики, потенциально можно было сплести в нить или превратить в другие полезные формы.

«Что действительно интересно в этом процессе, так это то, что, в отличие от способов производства пластмасс сегодня, наш процесс требует мало энергии и не требует использования токсичных химикатов», — сказал Чжа. «Лучшие химики мира не смогли превратить полиэтилен в паутину, но эти бактерии могут. Мы действительно используем то, что создала природа, для производства за нас».

Однако, прежде чем продукты из переработанного паучьего шелка станут реальностью, исследователям сначала необходимо найти способы более эффективного производства шелкового белка.

Будущие перспективы и воздействие на окружающую среду

«Это исследование показывает, что мы можем использовать эти бактерии для переработки пластика в паутину. Наша будущая работа будет посвящена изучению того, позволит ли нам настройка бактерий или других аспектов процесса увеличить производство», — сказал Коффас.

«Профессора Жа и Коффас представляют новое поколение инженеров-химиков и биологов, объединяющих биологическую инженерию с материаловедением для производства экологически чистых продуктов. Их работа представляет собой новый подход к защите окружающей среды и снижению нашей зависимости от невозобновляемых ресурсов», — сказал Шекхар Гарде, доктор философии, декан инженерной школы RPI.

Исследование, проведенное первым автором Александром Коннором, получившим докторскую степень в RPI в 2023 году, и соавторами Джессикой Лэмб и Массимилиано Дельферро из Аргоннской национальной лаборатории, опубликовано в журнале. Заводы по производству микробных клеток.

Ссылка: «Двухэтапное преобразование полиэтилена в рекомбинантные белки с использованием микробной платформы», Александр Коннор, Джессика В. Лэмб, Массимилиано Дельферро, Маттеос Коффас и Р. Хелен Жа, 17 октября 2023 г., Заводы по производству микробных клеток.
DOI: 10.1186/s12934-023-02220-0

Исходная ссылка

- Advertisement -

Популярное по теме