Дослідження допоможуть перетворити пластикові відходи в біорозкладаний шовк

Рішення глобальних проблем можуть виникати з дрібниць. У дослідженнях Ренсселерського політехнічного інституту, місто Трой, штат Нью-Йорк, мікроорганізм, який переробляє звичайні пластикові відходи на нафтовій основі, створюючи альтернативу біорозкладному пластику, представляє собою нове рішення поточної проблеми.

За підтримки нового великого гранту Національного наукового фонду в розмірі 500 000 доларів на цей проект, група інженерів з Ренсселерського політехнічного інституту вивчить цю потенційно ефективну ідею під назвою «Мікробіологічна переробка нафтохімічних полімерних відходів в цінні полімери на білковій основі для кругової економіки».

«Всі ці пластикові забруднення в навколишньому середовищі з'являються з того пластика, який ми використовуємо щодня, велика частина його заснована на нафтовій сировині, яка, в свою чергу, базується на молекулах, що не розкладаються природним чином в навколишньому середовищі» - говорить Хелен Жа, доцент кафедри хімічної і біологічної інженерії Rensselaer, яка очолює цей дослідницький проект.

Жа і її співробітники будуть досліджувати, чи зможуть генно-інженерні бактерії руйнувати пластикові відходи на основі нафти, які потім можна використовувати в якості енергії для виробництва штучного шовку, біорозкладного білка, який має практично такі ж властивості, як традиційний пластик. 

Грант NSF, що надається на дворічний період, дозволить ПІР продемонструвати доказ концепції в невеликому масштабі.

«Грандіозне дослідження почалося у вересні, хоча ми провели деякі попередні дослідження на початку цього року», - говорить Жа. «Зараз ми знаходимося на лабораторному етапі і працюємо над експериментальним розширенням». 

В даний час це пакетний процес.

«Однак у майбутньому може бути потенціал для розвитку безперервного процесу в поєднанні з іншими дослідженнями, проведеними в нашій лабораторії», - зазначає Жа. «Ми також сподіваємося вивчити дослідне виробництво в обсязі від 20 до 30 літрів в рамках проекту».

На незвідану територію

«Використання методів метаболічної інженерії для розкладання пластикових відходів і їх перетворення в більш цінні хімічні речовини, такі як біополімери, є маловивченою областю досліджень», - каже Маттеос Коффас, професор хімічної і біологічної інженерії. Раніше він встановив ряд процесів, заснованих на мікробах, і тепер приєднується до Жа в цьому дослідженні. «Наші спільні зусилля дозволять надати більш стійкі і екологічно безпечні методи і матеріали».

За словами Жа, перешкодою у використанні шовку як заміні традиційному пластику є те, що його важко виробляти з природних матеріалів у великих кількостях. Розробка і створення нової бактерії, здатної виробляти штучний шовк, може стати цінним рішенням.

«Наше дослідження розвиває генетично модифіковані бактерії, здатні виробляти рекомбінантний білок шовку шляхом метаболізму пластикових відходів», - пояснює Жа. «У якийсь момент ми, як суспільство, повинні перейти до використання пластмас, які не тільки походять з джерел, не пов'язаних з нафтою, але також можуть повністю розкладатися і перетворюватися на те, що безпечно потрапляє в природне середовище». 

Якщо ви знайомі з терміном ГМО, це аналогічний процес.

В даний час дослідження зосереджено на поліетилені, який Жа називає «основним джерелом світових пластикових відходів». Однак наша технологія також може бути сумісна з іншими поширеними видами пластику». Для штучного шовку існують різні потенційні кінцеві ринки збуту.

«У той час як текстиль - одна з можливостей, інші варіанти включають заміну одноразового пластику, такого як упаковки і обгортки, або матеріали для біомедичного застосування», - каже Жа. «Хоча деякі з вироблених матеріалів можуть замінювати шовк, метою проекту є розробка мікробної системи, яка може виробляти шовкові матеріали з налаштованими властивостями, які можуть підходити для різних областей застосування».

Молекулярний дизайн

«Оптимізація молекулярної архітектури та мікроструктури штучного шовку - це захоплююча дизайнерська проблема, яку природа вдосконалювала сотні мільйонів років, але ми тільки почали збирати всі ключі воєдино», - каже Юньфен Ши, ще один грантодавець і доцент кафедри матеріалознавства та інженерингу.

Це унікальне завдання вимагає міждисциплінарного підходу, що об'єднує інженерів з різних відділів.

«Ця далекоглядна, інноваційна ідея - вид екологічно безпечного і сталого рішення, на розробці якого зосереджені викладачі ЦБМІ», - каже Діпак Вашішт, директор Центру біотехнології і міждисциплінарних досліджень (ЦБМІ)в Rensselaer, членами якого є Жа і Коффас.

Команда RPI також співпрацює з Гохонг Мао, заступником директора Conagen, компанії, що займається біосинтезом і біовиробництвом. Це здається природним вибором. Згідно веб-сайту компанії, «Conagen вводить нововведення і розробляє рішення в області синтетичної біології для підтримки глобальних партнерів на різних поточних ринках, та ринках, що розвиваються. Наші можливості біо-виробництва в поєднанні з великими платформами ферментів і мікроорганізмів дають нам перевагу в комерційній біотехнології. Природа є нашим джерелом натхнення для розробки метаболічних шляхів, поліпшення виробничих організмів і оптимізації виробничих процесів».