Дослідники розробили новий тип пластику, здатний до саморуйнування за командою. До складу цих матеріалів входять мікроорганізми, що активуються для розкладання пластику, поряд з полімерами.
Команда використовувала два штами бактерій, які працювали разом і повністю розклали матеріал лише за шість днів, не утворюючи мікропластика.
Дослідники також відзначили, що багато мікроорганізмів можуть розщеплювати довгі полімерні ланцюги на дрібніші фрагменти за допомогою ферментів. Оскільки пластик є полімером, ці ферменти або мікроорганізми, що їх виробляють, можуть бути включені до складу живого пластику.
Перетворення довговічності пластику із проблеми на програмовану характеристику
"Вбудовуючи ці мікроорганізми, пластик може фактично 'ожити' і самозруйнуватися за командою, перетворюючи довговічність із проблеми на програмовану характеристику", - сказав Чжуоцзюнь Дай, один із провідних авторів статті, що була опублікована в журналі ACS Applied Polymer Materials.
"Усвідомлення того, що традиційні пластики зберігаються століттями, у той час, як багато сфер застосування, такі як упаковка, недовговічні, змусило нас запитати себе: чи можемо ми впровадити процес розкладання безпосередньо в життєвий цикл матеріалу?"
Команда дослідників також зазначила, що пластмаси широко використовуються, проте їхня стійкість до розкладання призводить до серйозних екологічних проблем. Нещодавні досягнення в галузі синтетичної біології дозволили розробити живі пластмаси, які містять спори.
Дослідники підкреслили, що живі пластмаси можуть функціонувати, коли спори перебувають у стані спокою, і розкладатися, коли спори активуються. Проте ефективність розкладання окремих штамів Bacillus та одноферментної системи залишається обмеженою.
Живий пластик, що містить консорціуми
"Для розв'язання цієї проблеми ми розробили живий пластик, що містить консорціуми", - заявили дослідники у своєму дослідженні.
"Bacillus subtilis запрограмовані окремо за допомогою індукованого генного ланцюга, здатного секретувати два комплементарні ферменти, що розкладають пластмаси: ліпазу Candida antarctica, що відповідає за розщеплення випадкових ланцюгів, і ліпазу Burkholderia cepacia, що відповідає за процес деполімеризації та стимулювання утворення спор."
Команда додала, що вони також виготовили гнучкі електронні пристрої, що розкладаються, здатні виявляти сигнали електроміографії людини, використовуючи живі пластмаси на основі консорціумів. "Наш метод пропонує потенційну стратегію боротьби із пластиковим забрудненням за допомогою запрограмованих скоординованих біологічних систем."
Команда змішала сплячі спори B. subtilis з полікапролактоном (полімером, що широко використовується в 3D-друку та деяких хірургічних шовних матеріалах), щоб захистити мікроби до того, як вони знадобляться.
Носимий пластиковий електрод
Отриманий живий пластик мав механічні властивості, аналогічні властивостям звичайних полікапролактонових плівок. Однак після додавання поживного бульйону при температурі 122 градуси за Фаренгейтом (50 градусів за Цельсієм) спори активувалися, розщеплюючи пластик до його основних будівельних блоків лише за шість днів. Взаємодія ферментів була настільки ефективною, що навіть запобігла утворенню мікропластикових частинок у процесі деградації, згідно з пресрелізом.
Дослідники повідомили, що як підтвердження концепції вони створили пластиковий електрод, що носиться, зі свого живого пластику і виявили, що він працює, як і очікувалося, повністю розкладаючись протягом двох тижнів.
Дослідники модифікували Bacillus subtilis для виробництва двох ферментів, що розкладають полімери
У майбутньому дослідники сподіваються розробити тригер для спор у воді, куди потрапляє більшість пластикового забруднення. І хоча ця робота була зосереджена тільки на одному полімері, аналогічна стратегія може бути використана і для інших типів пластику, включаючи ті, що зазвичай зустрічаються в одноразових пластикових виробах.
У той час, як попередні спроби в основному ґрунтувалися на одному ферменті, дослідники модифікували Bacillus subtilis для виробництва двох кооперативних ферментів, що розкладають полімери. Один фермент діє як випадковий подрібнювач, розрізаючи довгі полімерні ланцюги на дрібніші частини, тоді як інший повільно розщеплює ці шматочки в їхні мономерні будівельні блоки з кожного кінця.
