Konstruerede mikrober kan producere bionedbrydeligt plast til lavere omkostninger og miljøpåvirkning end plantebaseret plast

Hvis du kigger op fra din skærm og kigger omkring dig, det er næsten sikkert, at der vil være noget lavet af syntetisk plast inden for rækkevidde (måske endda det tøj, du har på). Mennesker har kun fremstillet plastik i omkring 100 år, men vi har allerede produceret omkring 8, 300 millioner tons af det siden 1950'erne - det er omtrent vægten af ​​25, 000 Empire State Buildings. Og, fordi langt størstedelen af ​​plastik ikke nedbrydes biologisk, Næsten hele det århundredes plastik er tilbage et sted på planeten Jorden, fra indvolde af fisk og havfugle til vandforgiftende lossepladser til Great Pacific Garbage Patch. Og selvom vi ikke kan se dem, mikroplastik gennemsyrer nu den luft, vi indånder, og kan ende i vores lunger, og deres helbredseffekter kendes endnu ikke.

Plast er blevet allestedsnærværende, fordi det har mange fordele i forhold til naturligt forekommende materialer:de kan være utroligt stærke, men alligevel lette, de kan være fleksible eller stive (eller begge dele), de er vandtætte, og de er billige at fremstille og sende. Den hemmelige ingrediens, der gør plastik så robust og alsidig, er kulbrintepolymerer - lange kæder af kulstof- og brintatomer spændt sammen, hvis arrangement giver dem disse værdifulde egenskaber. Tilsætning af andre grundstoffer til kulbrinter - såsom oxygen, nitrogen, og svovl – skaber forskellige typer plast, der er optimalt egnet til forskellige opgaver, fra den delikate lavdensitetspolyethylen (LDPE), der bruges til at lave plastfolie til det utroligt holdbare polycarbonat, som er 200 gange stærkere end glas.

Fra vidundermiddel til problem

Den allerførste plastik blev skabt i begyndelsen af ​​1900-tallet af industrifolk, der eksperimenterede med nogle af de biprodukter, der blev fremstillet ved raffinering af kul, et fossilt brændstof, der er rigt på kulbrinter. Da USA gik ind i Anden Verdenskrig i 1941, efterspørgslen efter plast eksploderede, da naturressourcer hurtigt blev knappe. Plast blev brugt til at fremstille vigtige krigsforsyninger som faldskærme, reb, forruder, og trætte på de store mængder, som militæret havde brug for for at udruste sine styrker. Efterspørgslen efter plastik var så stor, at den amerikanske regering gav tilskud for at tilskynde virksomheder til at bygge produktionsanlæg baseret på billigere, mere tilgængelig petroleum (et andet kulstofbaseret fossilt brændstof) frem for kul.

Efter krigen var forbi, plastproducenter flyttede deres fokus til den hjemlige sfære, fremhæver plastikalternativer som mere hygiejniske, billig, og moderne end eksisterende produkter. Plast begyndte at erstatte traditionelle materialer i mange genstande som sodavandsflasker, tøj, og emballage, og skabte helt nye produkter som Formica bordplader, Tupperware, og Styrofoam. Det så ud til, at næsten alle aspekter af livet var bestemt til at blive blødgjort. I 1960'erne, imidlertid, virkningerne af verdens åbne arme omfavnelse af plastik begyndte at vække alarm. Folk begyndte at bemærke plastikaffald, der skyllede op på strandene, og beviser på, at kemiske tilsætningsstoffer, der udvaskes af plastprodukter, var skadelige for både mennesker og miljøet.

På trods af disse bekymringer, mere bæredygtige alternativer til plastik har endnu ikke med succes erstattet det. Petrokemiske virksomheder modtager stadig titusindvis af milliarder af dollars i statstilskud årligt, der holder oliebaseret plast billigt, og mere miljøvenlig "bioplast" afledt af biologiske materialer udgør i øjeblikket mindre end 1 % af det samlede plastmarked. Det meste bioplast fremstilles ved at fermentere stivelsen, sukkerarter, og cellulose fundet i planter til at producere ethanol, eller mælkesyre, som derefter raffineres til de kemiske byggesten, der bruges til fremstilling af plast. Imidlertid, opskalering af denne proces for at imødekomme verdens nuværende efterspørgsel ville kræve så meget jord til at dyrke de nødvendige planter, at vi ville ødelægge hele levesteder og true vores egen fødevareforsyning.

Heldigvis for verden, Wyss Institute-forskere Shannon Nangle, Ph.d. og Marika Ziesack, Ph.d. tager fat på dette problem ved at udvikle en billig kilde til plast, der er biologisk nedbrydeligt, kræver slet ikke brug af planter, og har et ubetydeligt kulstofaftryk:mikrober.

Mød mikroberne

Mens de fleste af os tænker på bakterier som "bugs", der enten er "gode" (dem, der lever i vores tarme) eller "dårlige" (dem, der forårsager infektioner), Nangle og Ziesack ser dem som små fabrikker, der kan konstrueres til at producere polymerbyggesten af ​​plast lettere og mere bæredygtigt end at raffinere dem fra olie eller planter.

"Som alle levende organismer, bakterier skal optage mad, udvinde energi og næringsstoffer fra det, og udskiller affald for at overleve. Bakterier er meget nemme at dyrke og kontrollere, så videnskabsmænd har studeret deres indre virke i lang tid, og vi er nu på et punkt, hvor vi kan manipulere dem genetisk og metabolisk for at ændre, hvad de spiser, og hvad de producerer, " sagde Ziesack.

Hun og Nangle har eksperimenteret med mikrobebaseret plast siden 2017, da de blev inspireret af Bionic Leaf-projektet, som deres rådgiver, Wyss Core Fakultet medlem Pamela Silver, Ph.D., samskabt. De finpudsede på en specifik mikrobe kaldet Cupriavidus necator, som optager brint- og kuldioxidgasser og bruger en proces kaldet gasgæring til at omdanne dem til essentielle molekyler. En af de forbindelser mikroben producerer er en polymer kaldet PHB, en slags polyester, som den bruger som en form for energilagring. PHB i sig selv er ikke en god polymer til plastik – den er meget skør og er svær at fremstille genstande af – men Ziesack og Nangle har fundet en måde at tilpasse mikrobens stofskifte, så den i stedet producerer en lignende polyester kaldet PHA, som er mere fleksibelt og allerede undersøges som et biologisk nedbrydeligt plastalternativ.

"Bionedbrydelige PHA'er er ikke en ny idé, men hidtil har ingen været i stand til at lave dem billigt nok til, at de kunne konkurrere med oliebaserede polyestere. Vores mikrober kan dramatisk reducere prisen på at producere disse polymerer, fordi vi tilfører dem gasser i stedet for dyre prækursorforbindelser, og vi undgår alle de økonomiske og miljømæssige omkostninger ved industrielt landbrug, der er indarbejdet i prisen på plantebaseret bioplast, " sagde Nangle.

Mens polyestere som PHA kun er en af ​​de mange typer polymerer, der indgår i forskellige plasttyper i dag, Nangle og Ziesack mener, at med den rigtige teknik, deres system kunne producere polyestere med forskellige egenskaber, der efterligner andre typer polymerer. "Det smukke ved PHA'er er, at de kan modificeres i vid udstrækning, så hvis vi kan udvide omfanget af forbindelser, som vores mikrober kan producere, vi kunne skabe materialer med egenskaber, der svarer til andre petrokemikalier, selvom deres kemiske struktur er anderledes, " sagde Ziesack.

Til den virkelige verden, og videre

Opmuntret af deres succes i laboratoriet og deres projekts potentiale til at hjælpe med at løse det verdensomspændende "plastproblem, " Ziesack og Nangle indsendte en institutprojektansøgning til deres projekt, nu kaldet Circe, og har arbejdet med industri, investering, og forretningsudviklingspartnere for yderligere at fremme deres teknologi teknisk og kommercielt for at maksimere kommerciel succes på kort sigt. Selvom det var en betydelig videnskabelig udfordring at få deres system til at fungere i laboratoriet, at få det ud af laboratoriet og ind i en produktionsfacilitet er et helt andet sæt forhindringer, som de overvinder et skridt ad gangen.

"Vi vil lave en forretningsplan for et system, der faktisk er fuldt bæredygtigt fra start til slut, hvor vi har gennemtænkt og planlagt for hvert trin i et produkts livscyklus, så når en forbruger er færdig med at bruge det, det vil passe sig selv [ved at nedbryde] " sagde Nangle. "Det kan være vanskeligt at overbevise investorer om, at et eksperiment i akademisk laboratorieskala er kommercielt levedygtigt, og at modtage støtte som et institutprojekt har været afgørende for at give os mulighed for at demonstrere, at dette system kan fungere i den virkelige verden, og kan gøre en reel indflydelse."

Circes skabere har endda planer for, hvordan deres mikrober kan bruges ud over den "virkelige verden" på steder, hvor hverken fossile brændstoffer eller planter er tilgængelige - som det ydre rum. En dag, disse mikrober kunne transporteres til menneskelige bosættelser på andre planeter, hvor de kunne bruges til at fremstille alt fra byggematerialer til mad og understøtte vores arts udforskning af andre verdener.

"Vi ved virkelig endnu ikke, hvad grænserne for denne teknologi er, fordi fremstilling af plast fra mikrober i stor skala først for nylig er blevet udviklet og implementeret. Men vi er forpligtet til at tage dette projekt så langt, som det kan gå, og hvis det en dag betyder Mars – det vil være fantastisk, " sagde Ziesack.