Onderzoekers ontwikkelen bacteriën die plastic eten en gebruiken dit om multifunctionele spinnenzijde te maken

By | January 25, 2024

Dit artikel is beoordeeld in overeenstemming met het redactionele proces en de richtlijnen van Science X. De redactie heeft de volgende kenmerken benadrukt en tegelijkertijd de geloofwaardigheid van de inhoud gewaarborgd:

op feiten gecontroleerd

betrouwbare bron

Proeflezen


Zijdeproteïnen geproduceerd door bacteriën die zijn ontworpen om polyethyleen om te zetten in dit multifunctionele materiaal. Fotocredit: Rensselaer Polytechnisch Instituut

× dichtbij


Zijdeproteïnen geproduceerd door bacteriën die zijn ontworpen om polyethyleen om te zetten in dit multifunctionele materiaal. Fotocredit: Rensselaer Polytechnisch Instituut

Geen Spider-Man meer: ​​Onderzoekers van het Rensselaer Polytechnic Institute hebben een bacteriestam ontwikkeld die plastic afval kan omzetten in biologisch afbreekbare spinnenzijde met verschillende toepassingen.

Hun nieuwe studie, gepubliceerd in Microbiële celfabriekenis de eerste keer dat wetenschappers bacteriën hebben gebruikt om polyethyleenplastic – dat in veel wegwerpartikelen wordt gebruikt – om te zetten in een hoogwaardig eiwitproduct.

Dit product, dat onderzoekers ‘bio-geïnspireerde spinnenzijde’ noemen vanwege de gelijkenis met de zijde die spinnen gebruiken om hun web te spinnen, heeft toepassingen in textiel, cosmetica en zelfs in de geneeskunde.

“Spinnenzijde is het Kevlar van de natuur”, zegt Helen Zha, Ph.D., universitair docent chemische en biologische technologie en een van de RPI-onderzoekers die het project leidde. “Het kan bijna net zo sterk zijn als staal onder spanning. Het is echter zes keer minder dicht dan staal en daarom erg licht. Als bioplastic is het rekbaar, sterk, niet giftig en biologisch afbreekbaar.”

Al deze eigenschappen maken het tot een geweldig materiaal voor een toekomst waarin hernieuwbare hulpbronnen en het vermijden van aanhoudende plasticvervuiling de norm zijn, zei Zha.

Polyethyleenplastic, dat wordt aangetroffen in producten zoals plastic zakken, waterflessen en voedselverpakkingen, levert de grootste bijdrage aan de plasticvervuiling ter wereld en het kan wel 1000 jaar duren voordat het op natuurlijke wijze wordt afgebroken. Omdat slechts een klein deel van het polyethyleenplastic wordt gerecycled, kunnen de bacteriën die in het onderzoek worden gebruikt, helpen een deel van het resterende afval te ‘upcyclen’.

Pseudomonas aeruginosa, de bacterie die in het onderzoek werd gebruikt, kan van nature polyethyleen als voedselbron consumeren. Het RPI-team ging de uitdaging aan om deze bacterie te manipuleren om de koolstofatomen van polyethyleen om te zetten in een genetisch gecodeerd zijde-eiwit. Verrassend genoeg ontdekten ze dat hun nieuw ontwikkelde bacteriën het zijde-eiwit konden produceren met een opbrengst die kon wedijveren met sommige bacteriestammen die gewoonlijk in de bioproductie worden gebruikt.

Het biologische proces dat ten grondslag ligt aan deze innovatie is iets dat mensen al duizenden jaren gebruiken.

“In wezen fermenteren de bacteriën het plastic. Fermentatie wordt gebruikt om allerlei soorten voedsel te produceren en te conserveren, zoals kaas, brood en wijn, en in de biochemische industrie wordt het gebruikt om antibiotica, aminozuren en organische zuren te produceren”, aldus Mattheos Koffas, Ph.D., Dorothy en Fred. Chau ʼ71 Career Development Constellation Hoogleraar Biokatalyse en Metabolic Engineering en de andere onderzoeker die het project leidt en die – samen met Zha – lid is van het Centrum voor Biotechnologie en Interdisciplinaire Studies in Rensselaer.

Om bacteriën polyethyleen te laten fermenteren, wordt het plastic eerst ‘voorverteerd’, zei Zha. Net zoals mensen ons voedsel in kleinere stukjes moeten snijden en erop moeten kauwen voordat ons lichaam het kan gebruiken, hebben de bacteriën moeite met het eten van de lange ketens van moleculen, of polymeren, waaruit polyethyleen bestaat.

In het onderzoek werkten Zha en Koffas samen met onderzoekers van het Argonne National Laboratory, die het plastic depolymeriseerden door het onder druk te verhitten, waardoor een zachte, wasachtige substantie ontstond. Vervolgens plaatste het team een ​​laag van de uit plastic afkomstige was op de bodem van de kolven, die diende als voedingsbron voor de bacteriecultuur. Dit in tegenstelling tot de typische fermentatie, waarbij suiker als bron van voedingsstoffen wordt gebruikt.

“Het is alsof we in plaats van de bacteriecake te voeden, de kaarsen op de taart voeden”, zei Zha.

Toen een verwarmingsplaat de inhoud van de flessen zachtjes ronddraaide, gingen de bacteriën aan het werk. Na 72 uur filterden de wetenschappers de bacteriën uit de vloeibare cultuur, zuiverden het zijdeproteïne en vriesdroogden het. Op dit punt zou het eiwit, dat leek op gescheurde wattenbolletjes, mogelijk tot draden kunnen worden gesponnen of tot andere nuttige vormen kunnen worden verwerkt.

“Wat echt spannend is aan dit proces is dat ons proces, in tegenstelling tot de huidige productie van kunststoffen, weinig energie verbruikt en geen giftige chemicaliën vereist”, aldus Zha. “De beste chemici ter wereld kunnen polyethyleen niet omzetten in spinnenzijde, maar deze bacteriën wel. We profiteren echt van wat de natuur heeft ontwikkeld om de productie voor ons te doen.”

Voordat geüpcyclede producten gemaakt van spinnenzijde echter werkelijkheid worden, moeten onderzoekers eerst manieren vinden om het zijde-eiwit efficiënter te produceren.

“Uit dit onderzoek blijkt dat we deze bacteriën kunnen gebruiken om plastic om te zetten in spinnenzijde. Ons toekomstige werk zal onderzoeken of we de productie kunnen verhogen door de bacteriën of andere aspecten van het proces te optimaliseren”, aldus Koffas.

“Professoren Zha en Koffas vertegenwoordigen de nieuwe generatie chemische en bio-ingenieurs die bio-engineering combineren met materiaalkunde om milieuvriendelijke producten te produceren. Hun werk is een nieuwe benadering om het milieu te beschermen en onze afhankelijkheid van niet-hernieuwbare hulpbronnen te verminderen”, zegt Shekhar Garde, Ph.D., decaan van RPI’s School of Engineering.

Het onderzoek werd uitgevoerd door eerste auteur Alexander Connor, die in 2023 promoveerde aan RPI, en co-auteurs Jessica Lamb en Massimiliano Delferro van het Argonne National Laboratory.

Meer informatie:
Alexander Connor et al., Tweestapsconversie van polyethyleen in recombinante eiwitten met behulp van een microbieel platform, Microbiële celfabrieken (2023). DOI: 10.1186/s12934-023-02220-0

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *