Aktivoituva biologinen muovinhajoitus sisäänrakennettuna

Sisäänrakennettu biologia, aktivoitu komennolla

Tutkijat ovat valinneet radikaalin lähestymistavan muovijätteeseen: sen sijaan, että toivotaan käytöstä poistuvien esineiden joskus hajoavan, he rakensivat hajoamisen suoraan materiaaliin. Ajatus on yksinkertainen ja elegantti. Upotetaan mikrobit tai niiden tuottamat entsyymit polymeeriin siten, että esine käyttäytyy käytössä kuin mikä tahansa muovi, ja sitten aktivoituna upotettu biologia herää ja hajottaa materiaalin molekyylitasolle.

ACS Applied Polymer Materials -lehdessä julkaistussa artikkelissa Zhuojun Dain johtama tutkijaryhmä raportoi juuri siitä. He muunsivat Bacillus subtilis -bakteerin tuottamaan kahta yhteistyössä toimivaa entsyymiä, jotka pilkkovat yleistä polymeeriä, polykaprolaktonia, peräkkäin. Toinen entsyymi tekee leikkauksia pitkin pitkiä polymeeriketjuja, luoden lyhyempiä fragmentteja. Toinen entsyymi pureskelee näitä fragmentteja ketjun päistä monomeereiksi. Yhdessä ne muuttavat kestävän muovin takaisin sen kemiallisiksi rakennuspalikoiksi nopeasti.

Elävä muovi, jossa oli pari yhteistyössä toimivaa muovia hajottavaa entsyymiä, hajotti materiaalin kokonaan kuudessa päivässä. 

Miten koe toteutettiin ja mitä se osoitti

Ryhmä sekoitti lepotilassa olevia B. subtilis -itiöitä polykaprolaktoniini valmistusvaiheen aikana. Itiöt ovat fiksu valinta; ne kestävät ankaria olosuhteita ja odottavat hiljaisesti sopivia vihjeitä. Komposiitti näytti ja tuntui käsiteltäessä aivan tavalliselta polykaprolaktonikalvolta, jota käytetään 3D-tulostuksessa ja joissain lääketieteellisissä ompeleissa, joten materiaalin mekaanista suorituskykyä ei uhrattu.

Aktivointi tapahtui, kun tutkijat lämmittivät materiaalia ravinneliuoksella 50 °C:een, lämpötilaan, jossa itiöt itivät ja entsyymien tuotanto alkoi. Kuudessa päivässä kaksientsyyminen järjestelmä depolymerisoi kalvon kokonaan sen monomeereiksi. Merkittävää on, että koska entsyymit toimivat yhteistyössä ja peräkkäisessä järjestyksessä, hajoitus ei jättänyt jälkeensä mikromuovifragmentteja, mikä on yleinen huoli mekaanisten ja osittain kemiallisten hajoitusmenetelmien yhteydessä.

Käytännön demonstraationa ryhmä valmisti elävästä komposiitista puettavan muovielektrodin. Laite toimi odotetusti ja hajosi täysimääräisesti noin kahdessa viikossa aktivointiolosuhteissa.

Seuraukset ja seuraavat askeleet

Ohjelmoidun biohajoavuuden upottaminen voi muuttaa suunnittelijoiden käsityksiä kertakäyttöisyydestä. Pakkauksia, jotka häviävät itsestään lämmitettäessä hallitussa laitoksessa. Lääketieteellisiä laitteita, jotka liukenevat suunnitellusti. Tämä on lupaus. Mutta useita esteitä on vielä voitettava ennen kuin elävät muovit yleistyvät: aktivointimenetelmät, jotka sopivat ympäristöolosuhteisiin kuten jokiin ja valtameriin, sääntely- ja turvallisuusarviot muokattujen mikrobien vapauttamisesta sekä strategian sovittaminen kuluttajatuotteissa käytettyjen erilaisten polymeerien laajaan kirjoon.

"Tajunta siitä, että perinteiset muovit säilyvät vuosisatoja, kun monille sovelluksille, kuten pakkauksille, käyttöikä on lyhyt, sai meidät kysymään: Voisimmeko rakentaa hajoamisen suoraan materiaalin elinkaareen?", Zhuojun Dai sanoi tiivistäen työn taustalla olevaa motivaatiota.

Tulevassa työssä pyritään laukaisemaan itiöitä vesiympäristöissä ja laajentamaan lähestymistapaa polykaprolaktonin ulkopuolelle kulutustuotteissa käytettäviin polymeereihin. Jos nuo tekniset ja yhteiskunnalliset haasteet voidaan ratkaista, ohjelmoitavat entsymaattiset muovit voivat muodostua tehokkaaksi työkaluksi muovisaastetta ja mikromuovien syntyä vastaan.