Новый тип биопластика с микробами полностью разлагается всего за шесть дней без образования микропластика
Международная группа исследователей разработала новый тип пластика, который способен самоуничтожаться по команде. В состав этих материалов входят активируемые микробы, разлагающие пластик, наряду с полимерами. Ученые использовали два штамма бактерий, которые работали совместно и полностью разрушили материал всего за шесть дней, не оставляя после себя микропластика.
Исследователи подчеркнули, что многие микробы могут расщеплять длинные полимерные цепи на более мелкие фрагменты с помощью ферментов. Поскольку пластик является полимером, эти ферменты или производящие их микробы могут быть включены в состав живого пластика. Как отметил Чжоцзюнь Дай, соответствующий автор статьи, «встраивая этих микробов, пластик может эффективно “оживать” и самоуничтожаться по команде, превращая долговечность из проблемы в программируемую особенность». Ученые также указали, что традиционные пластики сохраняются столетиями, в то время как многие области применения, например упаковка, являются недолговечными, что подтолкнуло их к вопросу: можно ли встроить деградацию непосредственно в жизненный цикл материала.
Ученые обратили внимание, что, несмотря на широкое использование пластика, его устойчивость к разложению привела к серьезным экологическим проблемам. Современные достижения в области синтетической биологии позволили разработать живые пластики, содержащие споры. Исследователи пояснили, что живой пластик может функционировать, когда споры находятся в состоянии покоя, и разлагаться, когда споры активируются. Однако эффективность деградации отдельного штамма Bacillus и системы с одним ферментом остается ограниченной.
Для решения этой задачи ученые сконструировали живой пластик на основе микробного консорциума. Bacillus subtilis были отдельно запрограммированы с помощью индуцируемой генетической цепи, способной секретировать два взаимодополняющих фермента, разлагающих пластик: липазу Candida antarctica, отвечающую за случайное расщепление цепей, и липазу Burkholderia cepacia, обеспечивающую процессную деполимеризацию. Кроме того, команда изготовила гибкие разлагаемые электронные устройства, способные обнаруживать электромиографические сигналы человека, с использованием живых пластиков на основе консорциума. По мнению исследователей, их метод предлагает потенциальную стратегию для борьбы с пластиковым загрязнением через программируемые координированные биологические системы.
В своей работе ученые смешали неактивную форму спор B. subtilis с поликапролактоном — полимером, распространенным в 3D-печати и некоторых хирургических швах, — чтобы защитить микробов до того момента, когда они понадобятся. Полученный живой пластик имел механические свойства, сходные со свойствами обычных поликапролактоновых пленок. Однако после добавления питательного бульона при температуре 50 градусов Цельсия споры активировались, разрушая пластик вплоть до его базовых строительных блоков всего через шесть дней. Сотрудничество между ферментами было столь эффективным, что оно даже предотвратило образование микрочастиц пластика в процессе деградации.
В качестве подтверждения концепции исследователи создали носимый пластиковый электрод из своего живого пластика, и он работал как ожидалось, полностью разложившись в течение двух недель. Хотя предыдущие попытки полагались в основном на один фермент, ученые сконструировали Bacillus subtilis для производства двух кооперативных полимер-деградирующих ферментов. Один фермент действует как случайный измельчитель, разрезая длинные полимерные цепи на более мелкие фрагменты, в то время как другой медленно расщепляет эти фрагменты до мономерных строительных блоков, начиная с каждого конца.
В будущем исследователи надеются разработать триггер для активации спор непосредственно в воде, где оказывается большая часть пластикового загрязнения. И хотя эта работа была сосредоточена только на одном полимере, аналогичная стратегия может быть использована для других типов пластика, включая те, которые обычно встречаются в одноразовой упаковке.
Исследование в журнале ACS.