Evergreen idé gør biomasse-DNA til nedbrydelige materialer

DNA har mange praktiske anvendelser. Det gemmer blueprintet af genetisk kode. Det hjælper med at indlede arternes udvikling.

Det kan også potentielt gøre en stærkere, mere bæredygtig ske, blandt andet.

Et Cornell-ledet samarbejde vender DNA fra organisk materiale - såsom løg, fisk og alger - til biologisk nedbrydelige geler og plastik. De resulterende materialer kunne bruges til at skabe hverdagsplastikgenstande, usædvanligt stærke klæbemidler, multifunktionelle kompositter og mere effektive metoder til lægemiddellevering, uden at skade miljøet på den måde, som petrokemiske materialer gør.

Holdets papir, "Transformation af biomasse-DNA til biologisk nedbrydelige materialer fra geler til plastik for at reducere petrokemisk forbrug, " offentliggjort 11. maj i Journal of the American Chemical Society .

Samarbejdet ledes af Dan Luo, professor i biologisk og miljøteknik ved College of Agriculture and Life Sciences. Luos gruppe har udforsket måder at bruge biomasse-DNA som et genetisk såvel som generisk materiale, udnytte dets egenskaber som en ny polymer.

"Der er mange, mange grunde til, at DNA er så godt som generisk materiale, " sagde Luo. "DNA er programmerbart. Den har mere end 4, 000 nanoværktøjer - det er enzymer - der kan bruges til at manipulere DNA'et. Og DNA er biokompatibelt. Du spiser DNA hele tiden. Det er ugiftigt og nedbrydeligt. I bund og grund kan du kompostere det."

Biomasse-DNA's måske største dyd er dens rene overflod. Der er anslået 50 milliarder tons biomasse på Jorden, og mindre end 1 % af den mængde kunne opfylde verdens behov for plastik i et år, ifølge Luos team. I mellemtiden petrokemisk-baserede produkter belaster miljøet enormt - fra olie- og gasefterforskning og raffinering, til industriel syntese af plast, til de millioner af tons produkter, der strøer jorden og havene uden at forringe.

Mens biomasse tidligere er blevet omdannet til biologisk nedbrydelige materialer, den proces - hvor polysaccharider som cellulose nedbrydes og resyntetiseres til polymerer - kræver ekstra energi og ekstreme temperaturer, der også belaster miljøet.

Luos team omgik denne nedbrydningssynteseproces ved at udvikle en et-trins tværbindingsmetode, der opretholder DNA's funktion som en polymer uden at bryde dets kemiske bindinger. Processen er overraskende enkel:Forskerne udvinder DNA'et fra enhver organisk kilde - såsom bakterier, alger, laks eller æblerester - og opløs det i vand. Efter at opløsningens pH er justeret med alkali, forskerne tilføjer polyethylenglycoldiakrylat, som kemisk forbinder med DNA-polymeren og danner en hydrogel.

Gelen kan derefter dehydreres for at producere en række tættere materialer, som plastik og lim.

"Det er en meget enklere proces end konventionel syntese, " sagde Luo. "Hele processen er mere gennemførlig, mere økonomisk og [kan gøres] i større skala, fordi du ikke behøver at forbehandle biomasse-DNA'et. Du krydsbinder dem bare direkte til plast."

En yderligere fordel ved tværbinding er, at forskere kan justere de nye materialer med usædvanlige egenskaber. For eksempel, postdoc-forsker Dong Wang skabte en lim, der kan klæbe til teflon ved minus 20 grader Celsius, en temperatur, der ville fryse traditionelle vandbaserede klæbemidler. Wang lavede også en biomasse "blomst", der inkorporerede magnetiske nanopartikler og kunne manipuleres med et magnetfelt.

"Produktets anvendelse afhænger af de egenskaber, vi har råd til det, " sagde Luo. "Du kan gøre det selvlysende, gøre den ledende eller ikke-ledende, gøre det meget stærkere. Alt hvad du kan komme i tanke om."

Udover at generere alt fra legetøj og redskaber til tøj og hud til bygninger, Luo sagde, at hydrogeler kunne være særligt velegnede til lægemidler med kontrolleret frigivelse. Forskerne var også i stand til at opnå cellefri proteinproduktion, som ikke havde været mulig i petrokemiske produkter.

"Vores tværbindingsmetode er meget generel, " sagde Wang, avisens hovedforfatter. "Det kan udvides til andre polymerer, andre molekyler."

Omkostningerne ved konvertering ved de nuværende laboratorieindstillinger er omkring $1 pr. gram materiale, med næsten 90 % af udgifterne til den ethanol, der kræves for at udvinde DNA'et fra biomassen. Hvis fremstillet i industriel skala, Luo vurderer, at omkostningerne vil blive reduceret dramatisk, hundrede eller endda tusinde gange.

En potentiel udfordring er at opnå store nok mængder biomasse til at udvinde DNA'et. Forskerne mangler stadig at finde ud af, hvordan de kan kontrollere materialernes levetid og den tid, det tager for dem at nedbrydes.

"Vi arbejder også på at gøre biomasse-DNA-materialerne meget mere funktionelle, at lave forskellige typer materialer, gør dem super stærke, super blød, " sagde Luo. "Men vi vil aldrig glemme, at det er et DNA-baseret materiale. Når det er muligt, vi ønsker at drage fordel af DNA's genetiske rolle."