پلاستیک زنده ای که با فرمان فعال و سریع تجزیه می شود

زیست‌شناسی درون‌ساخت، فعال‌شونده با فرمان

پژوهشگران برای مقابله با زباله‌های پلاستیکی رویکردی بنیادین در پیش گرفته‌اند: به جای آنکه امیدوار باشند اشیای دورریخته‌شده روزی خودبه‌خود تجزیه شوند، قابلیت تجزیه را از ابتدا در خود ماده ساخته‌اند. ایده ساده و در عین حال هوشمندانه است. میکروب‌ها یا آنزیم‌هایی را که این میکروب‌ها تولید می‌کنند، درون یک پلیمر جای می‌دهند تا شیء در زمان استفاده مانند هر پلاستیک معمولی رفتار کند و سپس، وقتی محرک مناسب دریافت کرد، زیست‌شناسی نهفته در آن بیدار شود و ماده را به اجزای مولکولی‌اش تجزیه کند.

در مقاله‌ای در نشریه ای‌سی‌اس اپلاید پلیمر متریالز، دانشمندانی به سرپرستی ژووجون دای دقیقا چنین دستاوردی را گزارش کرده‌اند. آن‌ها با مهندسی باکتری باسیلوس سوبتیلیس، آن را واداشتند دو آنزیم همکار تولید کند که یک پلیمر رایج به نام پلی‌کاپرولاکتون را به صورت مرحله‌به‌مرحله می‌شکنند. آنزیم نخست در طول زنجیره‌های بلند پلیمر برش ایجاد می‌کند و قطعات کوتاه‌تری می‌سازد. آنزیم دوم سپس این قطعات را از انتهای زنجیره‌ها تا رسیدن به مونومرها خرد می‌کند. این دو آنزیم در کنار هم پلاستیک بادوام را با سرعت زیاد دوباره به بلوک‌های شیمیایی سازنده‌اش برمی‌گردانند.

یک پلاستیک زنده با دو آنزیم همکار و تخریب‌کننده پلاستیک، طی شش روز ماده را به طور کامل تجزیه کرد. 

آزمایش چگونه انجام شد و چه چیزی نشان داد

این گروه در مرحله ساخت، هاگ‌های خفته باسیلوس سوبتیلیس را با پلی‌کاپرولاکتون مخلوط کرد. هاگ‌ها انتخابی هوشمندانه هستند، زیرا در شرایط سخت زنده می‌مانند و بی‌سروصدا منتظر رسیدن نشانه‌های مناسب می‌مانند. این کامپوزیت از نظر ظاهر و کاربرد بسیار شبیه فیلم معمولی پلی‌کاپرولاکتون بود، پلیمری که در چاپ سه‌بعدی و برخی بخیه‌های پزشکی استفاده می‌شود. بنابراین عملکرد مکانیکی ماده قربانی زیست‌تخریب‌پذیری آن نشد.

فعال‌سازی زمانی رخ داد که پژوهشگران ماده را همراه با یک محلول مغذی تا ۵۰ درجه سلسیوس گرم کردند، دمایی که در آن هاگ‌ها جوانه زدند و تولید آنزیم آغاز شد. طی شش روز، سامانه دوآنزیمی فیلم را به طور کامل به مونومرهایش دپلیمریزه کرد. نکته کلیدی این بود که چون آنزیم‌ها به شکل همکارانه و پی‌درپی عمل می‌کردند، فرایند شکست ماده قطعات میکروپلاستیکی برجا نگذاشت، مسئله‌ای که در روش‌های تخریب مکانیکی و تخریب شیمیایی ناقص، نگرانی رایجی به شمار می‌آید.

برای نشان دادن کاربرد عملی، این گروه یک الکترود پلاستیکی پوشیدنی از کامپوزیت زنده ساخت. این دستگاه مطابق انتظار عمل کرد و سپس در شرایط فعال‌سازی، طی حدود دو هفته به طور کامل تجزیه شد.

پیامدها و گام‌های بعدی

جاسازی زیست‌تخریب‌پذیری برنامه‌ریزی‌شده می‌تواند نگاه طراحان به دورریختنی بودن محصولات را تغییر دهد. بسته‌بندی‌هایی که در یک مرکز کنترل‌شده با حرارت، خود را محو می‌کنند. تجهیزات پزشکی که طبق زمان‌بندی مشخص حل می‌شوند. این همان چشم‌انداز امیدوارکننده است. با این حال، پیش از آنکه پلاستیک‌های زنده در مقیاس گسترده به کار گرفته شوند، چند مانع مهم باقی مانده است: روش‌های فعال‌سازی مناسب برای محیط‌هایی مانند رودخانه‌ها و اقیانوس‌ها، ارزیابی‌های مقرراتی و ایمنی برای رهاسازی میکروب‌های مهندسی‌شده، و سازگار کردن این راهبرد با طیف گسترده پلیمرهایی که در محصولات مصرفی به کار می‌روند.

ژووجون دای در توضیح انگیزه این پژوهش گفت: «این واقعیت که پلاستیک‌های سنتی قرن‌ها در محیط باقی می‌مانند، در حالی که بسیاری از کاربردها مانند بسته‌بندی عمر کوتاهی دارند، ما را به این پرسش رساند: آیا می‌توانیم تجزیه را مستقیما در چرخه عمر ماده بسازیم؟»

پژوهش‌های آینده تلاش خواهند کرد هاگ‌ها را در محیط‌های آبی فعال کنند و این رویکرد را فراتر از پلی‌کاپرولاکتون، به پلیمرهای به‌کاررفته در اقلام یک‌بارمصرف گسترش دهند. اگر این چالش‌های فنی و اجتماعی مدیریت شوند، پلاستیک‌های آنزیمی برنامه‌پذیر می‌توانند به ابزاری قدرتمند برای مقابله با آلودگی پلاستیکی و کاهش تولید میکروپلاستیک تبدیل شوند.