Природную ДНК превратили в устойчивый биопластик

Группе китайских химиков удалось разработать устойчивый биопластик на основе природной ДНК. Полученный материал устойчив к сильному охлаждению, органическим растворителям и различным деформациям, однако быстро размягчается под действием воды. Кроме того, ученые нашли способ повторно использовать их материал и эффективно разлагать с помощью доступных ферментов. Работа опубликована в Journal of the American Chemical Society.

Один из способов уменьшить загрязнение окружающей среды полимерами — делать пластик на основе биомолекул. Ученые уже получали пластики из целлюлозы, крахмала, белков и других биополимеров. Однако в процессе получения и переработки большинства таких материалов ученым приходится использовать высокие температуры, давления или органические растворители.

Синтез пластика на основе ДНК — одного из самых распространенных биополимеров на Земле — до сих пор оставался нерешенной задачей, хоть химики и умеют получать из него биоразлагаемые гидрогели и наночастицы. При этом запасы естественной ДНК на Земле практически неисчерпаемы, что делает ее подходящим сырьем для синтеза новых пластиков.

Группа химиков под руководством Ян Даюна (Dayong Yang) из Университета Тяньцзиня предложила получить биопластик из гидрогеля на основе ДНК, выделенной из биомассы, и иономера, связывающего цепи ДНК друг с другом. Авторы начали с синтеза иономера на основе биоразлагаемого сополимера этиленоксида и эпихлоргидрина. Им удалось получить иономеры с разной плотностью заряда в результате взаимодействия сополимера с 1-бутилимидазолом. Химики превратили смесь гидрогеля из ДНК и иономера в биопластик с помощью лиофилизации (охлаждения и отгонки воды в вакууме).

Чтобы исследовать способность биопластика сохранять свою форму, химики провели эксперименты по деформации. Кусок пластика в форме цилиндра изгибали на 180 градусов, и он возвращался в исходную форму, даже когда эксперимент проводили при −80 градусах Цельсия. Авторы подчеркивают, что такая способность восстанавливать свою форму не характерна для большинства распространенных полимеров.

Однако химики заметили, что их биопластик размягчается под действием воды. Они попробовали выдержать куски пластика в течение трех дней при разной относительной влажности среды. Оказалось, что пластик не размягчается при относительной влажности в 80 процентов (обычная влажность для дождливого дня), но быстро теряет свою форму при влажности в 95 процентов. При этом, когда пластик выдерживали три дня в этиловом спирте или петролейном эфире, он не терял свои механические свойства. И хотя неустойчивость полимера к воде ограничивает область его применения, химики научились соединять куски пластика между собой, используя воду, как клей.

Чтобы найти способ повторно использовать полученный материал, ученые первым делом попробовали размягчать подлежащий переработке пластик водой, а затем снова проводить процедуру лиофилизации. К удивлению авторов исследования, этот экологичный и неэнергозатратный метод не привел к ухудшению механических свойств материала. Для утилизации химики решили использовать фермент ДНКазу. Реакция расщепления успешно протекала в течение четырех часов в буферном растворе. Однако авторы считают, что в промышленности легче разлагать их пластик более дешевым бычьим сывороточным альбумином.

По оценкам химиков, потребление энергии для лиофилизации биопластика на основе ДНК составляет примерно пять процентов от расходов на синтез полистирола. А выбросы углекислого газа при производстве их пластика ученые оценили в три процента от выбросов при производстве полистирола. Авторы статьи считают, что процедуры синтеза и переработки их материала приводят к значительно меньшим загрязнениям окружающей среды, чем такие же процедуры для всех известных пластиков.

В отличие от биопластика на основе ДНК, биоразлагаемый материал на основе природных лигнина и целлюлозы устойчив к действию воды. Ранее мы писали о том, как химики смогли получить его из древесных опилок.

Михаил Бойм