07 травня 2021

Исследования помогут превратить пластиковые отходы в биоразлагаемый шелк

Решения глобальных проблем могут возникать из мелочей. В исследованиях Ренсселерского политехнического института, город Трой, штат Нью-Йорк, микроорганизм, который перерабатывает обычные пластиковые отходы на нефтяной основе создавая альтернативу биоразлагаемому пластику, представляет собой новое решение текущей проблемы.

При поддержке нового крупного гранта Национального научного фонда в размере 500 000 долларов на этот проект, группа инженеров из Ренсселерского политехнического института изучит эту потенциально эффективную идею под названием «Микробиологическая переработка нефтехимических полимерных отходов в ценные полимеры на белковой основе для круговой экономики».

«Мы имеем все эти пластиковые загрязнения в окружающей среде, которые являются тем пластиком, который мы используем ежедневно, большая часть которого основана на нефтяном сырье, которое, в свою очередь, основано на молекулах, которые не могут разлагаться естественным образом в окружающей среде» - говорит Хелен Жа, доцент кафедры химической и биологической инженерии Rensselaer, которая возглавляет этот исследовательский проект.

Жа и ее сотрудники будут исследовать, смогут ли генно-инженерные бактерии разрушать пластиковые отходы на основе нефти, которые затем можно использовать в качестве энергии для производства искусственного шелка, биоразлагаемого белка, который имеет практически такие же свойства, как традиционный пластик.

Грант NSF, предоставляемый на двухлетний период, позволит ПИР продемонстрировать доказательство концепции в небольшом масштабе.

«Грандиозное исследование началось в сентябре, хотя мы провели некоторые предварительные исследования в начале этого года», - говорит Жа. «Сейчас мы находимся на лабораторном этапе и работаем над экспериментальным расширением».

В настоящее время это пакетный процесс.

«Однако в будущем может быть потенциал для развития непрерывного процесса в сочетании с другими исследованиями, проводимыми в нашей лаборатории», - отмечает Жа. «Мы также надеемся изучить опытное производство в объеме от 20 до 30 литров в рамках проекта».

На неизведанную территорию

«Использование методов метаболической инженерии для разложения пластиковых отходов и их преобразования в более ценные химические вещества, такие как биополимеры, является малоизученной областью исследований», - говорит Маттеос Коффас, профессор химической и биологической инженерии. Ранее он установил ряд процессов, основанных на микробах, и теперь присоединяется к Жа в этом исследовании. «Наши совместные усилия позволят предоставить более устойчивые и экологически безопасные методы и материалы».

По словам Жа, препятствием в использовании шелка в качестве замены традиционному пластику является то, что его трудно производить из природных материалов в больших количествах. Разработка и создание новой бактерии, способной производить искусственный шелк, может стать ценным решением.

«Наше исследование развивает генетически модифицированные бактерии, способные производить рекомбинантный белок шелка путем метаболизма пластиковых отходов», - объясняет Жа. «В какой-то момент мы, как общество, должны перейти к использованию пластмасс, которые не только происходят из источников, не связанных с нефтью, но также могут полностью разлагаться и превращаться в то, что безопасно попадает в естественную среду».

Если вы знакомы с термином ГМО, это аналогичный процесс.

В настоящее время исследование сосредоточено на полиэтилене, который Жа называет «основным источником мировых пластиковых отходов». Однако наша технология также может быть совместима с другими распространенными видами пластика».

Для искусственного шелка существуют различные потенциальные конечные рынки сбыта.

«В то время как текстиль - одна из возможностей, другие варианты включают замену одноразового пластика, такого как упаковки и обертки, или материалы для биомедицинского применения», - говорит Жа. «Хотя некоторые из производимых материалов могут заменять шелк, целью проекта является разработка микробной системы, которая может производить шелковые материалы с настраиваемыми свойствами, которые могут подходить для различных областей применения».

Молекулярный дизайн

«Оптимизация молекулярной архитектуры и микроструктуры искусственного шелка - это увлекательная дизайнерская проблема, которую природа совершенствовала сотни миллионов лет, но мы только начали собирать все ключи воедино», - говорит Юньфэн Ши, еще один грантодатель и доцент кафедры материаловедения и инженеринга.

Эта уникальная задача требует междисциплинарного подхода, объединяющего инженеров из разных отделов.

«Эта дальновидная, инновационная идея - вид экологически безопасного и устойчивого решения, на разработке которого сосредоточены преподаватели ЦБМИ», - говорит Дипак Вашишт, директор Центра биотехнологии и междисциплинарных исследований (ЦБМИ) в Rensselaer, членами которого являются Жа и Коффас.

Команда RPI также сотрудничает с Гохонг Мао, заместителем директора Conagen, компании, занимающейся биосинтезом и биопроизводством. Это кажется естественным выбором. Согласно веб-сайту компании, «Conagen вводит новшества и разрабатывает решения в области синтетической биологии для поддержки глобальных партнеров на самых разных текущих и развивающихся рынках. Наши возможности био-производства в сочетании с обширными платформами ферментов и микроорганизмов дают нам преимущество в коммерческой биотехнологии. Природа является нашим источником вдохновения для разработки метаболических путей, улучшения производственных организмов и оптимизации производственных процессов».