Mikroby będą jak fabryki. Koreańczycy szykują naukową rewolucję

Ropa naftowa to zasób kojarzący się przede wszystkim z energią. To jednak zaledwie część potencjału wykorzystania tego paliwa kopalnego. Bez ropy cały przemysł tworzyw sztucznych zapewne by nie istniał. Odkrycie koreańskich naukowców może zmienić ten stan rzeczy.

Plastik zły i dobry

Co prawda bardzo często w mediach przewija się temat konieczności rezygnacji z tworzyw sztucznych i szkodliwości plastiku. Raz, że większość tworzyw sztucznych pochodzi z przetwórstwa ropy naftowej, a dwa, że gros wytwarzanych tworzyw wciąż nie jest biodegradowalna.

Ilość nieistniejących naturalnie substancji w otaczającym nas środowisku stale wzrasta (doskonałym przykładem jest PFAS). Co gorsza, rośnie też ilość niewidocznego gołym okiem mikroplastiku, który może wpływać na nasze zdrowie.

Jednak globalna cywilizacja nie jest w stanie natychmiastowo zrezygnować z tworzyw sztucznych ani tym bardziej z paliw kopalnych. Niemniej, jak informuje serwis ArsTechnica, zespołowi koreańskich badaczy udała się nie lada sztuka. Naukowcom udało się tak zmodyfikować specjalny szczep bakterii, aby te produkowały biodegradowalne polimery.

Zatem nie tylko nie potrzeba ropy naftowej do wytworzenia tworzyw sztucznych, ale na dodatek wyprodukowane przez bakterie polimery dzięki biodegradowalności mają znacznie mniejszy wpływ na środowisko od istniejących dziś materiałów.

Naukowcy wykorzystali enzym naturalnie obecny w bakteriach, dostosowując go do przekształcania glukozy (pełniącej, jak w przypadku wielu typów bakterii, a także w naszych własnych komórkach, rolę paliwa) w biodegradowalne plastiki. To przełomowe osiągnięcie, opisane w Nature Chemical Biology, otwiera drzwi do bardziej zrównoważonej produkcji materiałów, które mogą zastąpić tradycyjne plastiki oparte na paliwach kopalnych.

Bakterie jako fabryki

Kluczowym elementem badania jest wykorzystanie enzymu, który bakterie produkują w nietypowych warunkach żywieniowych, gdy zmuszone są do magazynowania energii w formie polimerów. Naukowcy zidentyfikowali i zmodyfikowali ten mechanizm, umożliwiając bakteriom przekształcanie glukozy – prostego cukru – w różnorodne polimery o potencjalnie szerokim zastosowaniu. Co istotne, dzięki enzymatycznemu procesowi produkcji, uzyskane materiały są niemal na pewno biodegradowalne, co stanowi ogromną zaletę w kontekście globalnego problemu odpadów plastikowych.

Co mają wspólnego enzymy z biodegradowalnością? Tutaj konieczne jest pewne wyjaśnienie. Związek „enzymatycznego procesu” z biodegradowalnością polega na tym, że enzymy często są naturalnymi katalizatorami, które umożliwiają tworzenie materiałów z naturalnych, organicznych składników lub tworzą struktury, które są łatwiej rozkładane przez mikroorganizmy w środowisku.

Enzymy są białkami, które przyspieszają reakcje chemiczne. W procesach produkcyjnych mogą być wykorzystywane do łączenia naturalnych monomerów (małych cząsteczek) w większe polimery (duże łańcuchy cząsteczek), które tworzą materiał.

Jeśli te monomery są pochodzenia naturalnego (np. skrobia, celuloza, białka), to materiał stworzony z nich przy użyciu enzymów również będzie miał naturalny charakter, a tym samym będzie podatny na biodegradację w stopniu podobnym co wejściowe materiały naturalnego pochodzenia. Właśnie ta idea przyświecała koreańskim badaczom.

Różnica polega na tym, że „procesem produkcyjnym” w tym przypadku jest biochemia przemiany materii przez bakterie, a nie klasyczna fabryka chemiczna.

Imponująca elastyczność, ale są i wady

System opracowany przez Koreańczyków wyróżnia się niezwykłą elastycznością. Badacze mogą dostosowywać skład chemiczny polimerów, wprowadzając różne substancje, co pozwala na uzyskanie materiałów o zróżnicowanych właściwościach – od elastycznych po bardziej sztywne. Taka wszechstronność może znaleźć zastosowanie w wielu dziedzinach, od opakowań po biomedycynę.

Mimo obiecujących rezultatów, technologia nie jest pozbawiona wad. Jednym z głównych ograniczeń jest brak pełnej kontroli nad składem polimerów. Choć naukowcy mogą wpływać na proporcje określonych składników, enzym nadal włącza do struktury losowe substancje pochodzące z metabolizmu komórkowego, co może komplikować uzyskanie jednolitego produktu.

Co więcej, proces produkcyjny jest stosunkowo powolny w porównaniu do przemysłowych metod opartych na ropie naftowej, a oczyszczenie polimerów z resztek komórkowych stanowi kolejne wyzwanie techniczne.

Zatem jakkolwiek rezultaty są imponujące z naukowego punktu widzenia, do komercjalizacji tego pomysłu i faktycznego zastąpienia ropopochodnych tworzyw, biodegradowalnymi polimerami stanowiącymi twór bakteryjnej biochemii komórkowej jeszcze daleka droga. Jednak praca koreańskich badaczy przynajmniej wyznaczyła kierunek. Wiemy, w którą stronę iść.

Ekologia w parze z ekonomią

W naszym silnie uzależnionym od uznaniowych wskaźników ekonomicznych świecie, jakiekolwiek rozwiązanie musi być opłacalne, by znalazło szybką drogę do komercjalizacji. Z drugiej jednak strony nie sposób pominąć faktu, że koszty, zarówno te bieżące, jak i społeczne, a przede wszystkim środowiskowe, tradycyjnej produkcji plastiku opartej na chemikaliach pochodzących z paliw kopalnych wciąż rosną.

Tradycyjna produkcja tworzyw sztucznych nie tylko wzmacnia naszą zależność od nieodnawialnych zasobów, ale także generuje odpady, które rozkładają się przez setki lat, zanieczyszczając środowisko. W odpowiedzi na te problemy naukowcy od lat poszukują alternatyw w biologii.

Odkrycia takie jak to koreańskiego zespołu są krokiem naprzód w kierunku bardziej zrównoważonej przyszłości. Możliwość wytwarzania plastiku z glukozy – surowca odnawialnego i powszechnie dostępnego – mogłaby znacząco zmniejszyć ślad węglowy przemysłu tworzyw sztucznych.

Co więcej, fakt, że polimery te są biodegradowalne, daje nadzieję na rozwiązanie problemu mikroplastiku, który przenika do ekosystemów, wód i organizmów żywych, w tym ludzi. Jeśli technologia zostanie dopracowana i wdrożona na szeroką skalę, może przyczynić się do stworzenia obiegu zamkniętego w produkcji plastiku – od surowca, przez użytkowanie, aż po naturalny rozkład i potencjalnie ponowne wykorzystanie produktów rozkładu.

Perspektywy i dalsze kroki

Koreańscy naukowcy nie zamierzają poprzestać na obecnym etapie. Planują dalsze badania, które pozwolą zwiększyć wydajność produkcji i lepiej kontrolować właściwości końcowego produktu. Ich praca wpisuje się w szerszy trend w biotechnologii, gdzie organizmy żywe, takie jak bakterie czy drożdże, są wykorzystywane jako miniaturowe fabryki do wytwarzania wszystkiego – od leków po paliwa. W kontekście plastiku podobne podejście testowano już wcześniej, np. w przypadku bakterii zdolnych do rozkładu PET, ale możliwość produkcji nowych materiałów od podstaw to zupełnie nowy rozdział.

Dzięki biofabrykacji możemy nie tylko ograniczyć szkody wyrządzane środowisku, ale także tworzyć materiały, których właściwości przewyższają te oferowane przez tradycyjne plastiki. To też kolejny dowód na to, że biologia może dostarczyć odpowiedzi na jedne z najpilniejszych wyzwań współczesności.

Choć droga do komercjalizacji jest jeszcze długa, sukcesy takie jak ten napawają optymizmem. W obliczu kryzysu klimatycznego i rosnącej góry odpadów plastikowych, które w niektórych rejonach świata są widoczne z orbity wokółziemskiej, każda innowacja przybliżająca nas do zrównoważonej produkcji jest na wagę złota. Czy za kilkanaście lat bakterie staną się kluczowymi graczami w przemyśle tworzyw sztucznych? Czas pokaże, ale jedno jest pewne – nauka nie przestaje nas zaskakiwać.

Źródło: ArsTechnica, Nature Chemical Biology,. Zdjęcie otwierające: Edward Jenner / Pexels.

Część odnośników to linki afiliacyjne lub linki do ofert naszych partnerów. Po kliknięciu możesz zapoznać się z ceną i dostępnością wybranego przez nas produktu – nie ponosisz żadnych kosztów, a jednocześnie wspierasz niezależność zespołu redakcyjnego.

Artykuł Mikroby będą jak fabryki. Koreańczycy szykują naukową rewolucję pochodzi z serwisu ANDROID.COM.PL - społeczność entuzjastów technologii.