研究人員首次使用細菌對廢棄聚乙烯進行“升級改造”。
超越蜘蛛俠:倫斯勒理工學院的研究人員開發(fā)了一種細菌菌株，可以將塑料垃圾轉化為具有多種用途的生物降解蜘蛛絲。
他們的新研究標志著科學家首次利用細菌將聚乙烯塑料——許多一次性物品中使用的那種——轉化為高價值的蛋白質產(chǎn)品。
該產(chǎn)品被研究人員稱為“仿生蜘蛛絲”，因為它與蜘蛛用來織網(wǎng)的蛛絲相似，可應用于紡織品、化妝品甚至醫(yī)藥領域。
“蜘蛛絲是自然界的凱夫拉纖維，”化學和生物工程助理教授、領導該項目的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菌可以幫助“升級”一些剩余的廢物。
研究中使用的細菌銅綠假單胞菌可以自然消耗聚乙烯作為食物來源。RPI團隊解決了改造這種細菌的挑戰(zhàn)，將聚乙烯的碳原子轉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菌菌株相媲美。
這項創(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。
“本質上，細菌正在發(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，在生物化學工業(yè)中，發(fā)酵被用于制造抗生素、氨基酸和有機酸�！彼cZha一起是倫斯勒生物技術和跨學科研究中心的成員。
Zha說，為了讓細菌發(fā)酵聚乙烯，首先要對塑料進行“預消化”。就像人類需要將食物切成小塊才能使用一樣，細菌很難吃掉包含聚乙烯的長分子鏈或聚合物。
在這項研究中，Zha和Koffas與阿貢國家實驗室的研究人員合作，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。接下來，研究小組在燒瓶底部涂上一層塑料蠟，作為細菌培養(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菌喂蛋糕，而是給它喂蛋糕上的蠟燭。”
然后，當加熱板輕輕攪動燒瓶中的物質時，細菌開始工作。72小時后，科學家們從液體培養(yǎng)物中過濾出細菌，純化絲蛋白，并將其冷凍干燥。在那個階段，這種類似于被撕碎的棉球的蛋白質有可能被紡成線或制成其他有用的形式。
“這個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物質，”Zha說。“世界上最好的化學家無法將聚乙烯轉化為蜘蛛絲，但這些細菌可以。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。
“這項研究表明，我們可以利用這些細菌將塑料轉化為蜘蛛絲。Koffas說:“我們未來的工作將調查調整細菌或工藝的其他方面是否會使我們擴大生產(chǎn)規(guī)模�！�
“Zha教授和Koffas教授代表了新一代化學和生物工程師，他們將生物工程與材料科學相結合，制造環(huán)保產(chǎn)品。他們的工作是保護環(huán)境和減少我們對不可再生資源依賴的一種新方法，”RPI工程學院院長Shekhar Garde博士說。
這項研究由第一作者Alexander Connor和阿貢國家實驗室的Jessica Lamb和Massimiliano Delferro共同進行，發(fā)表在《微生物細胞工廠》雜志上。
