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研究人员首次使用细菌对废弃聚乙烯进行“升级改造”。
超越蜘蛛侠:伦斯勒理工学院的研究人员开发了一种细菌菌株，可以将塑料垃圾转化为具有多种用途的生物降解蜘蛛丝。
他们的新研究标志着科学家首次利用细菌将聚乙烯塑料——许多一次性物品中使用的那种——转化为高价值的蛋白质产品。
该产品被研究人员称为“仿生蜘蛛丝”，因为它与蜘蛛用来织网的蛛丝相似，可应用于纺织品、化妆品甚至医药领域。
“蜘蛛丝是自然界的凯夫拉纤维，”化学和生物工程助理教授、领导该项目的RPI研究人员之一Helen Zha博士说。“在张力下，它几乎可以像钢一样坚固。然而，它的密度比钢小六倍，因此非常轻便。作为一种生物塑料，它有弹性、坚韧、无毒、可生物降解。”
Zha说，所有这些特性使其成为未来可再生资源和避免持续塑料污染的理想材料。
塑料袋、水瓶和食品包装等产品中的聚乙烯塑料是全球塑料污染的最大来源，可能需要1000年以上的时间才能自然降解。只有一小部分聚乙烯塑料被回收，因此研究中使用的细菌可以帮助“升级”一些剩余的废物。
研究中使用的细菌铜绿假单胞菌可以自然消耗聚乙烯作为食物来源。RPI团队解决了改造这种细菌的挑战，将聚乙烯的碳原子转化为基因编码的丝蛋白。令人惊讶的是，他们发现他们新开发的细菌可以制造丝蛋白，其产量可与一些更常用于生物制造的细菌菌株相媲美。
这项创新背后的潜在生物过程是人们已经使用了几千年的东西。
“本质上，细菌正在发酵塑料”，生物催化和代谢工程专业71岁职业发展星座教授Mattheos Koffas博士说:“发酵被用于制作和保存各种食品，如奶酪、面包和葡萄酒，在生物化学工业中，发酵被用于制造抗生素、氨基酸和有机酸。”他与Zha一起是伦斯勒生物技术和跨学科研究中心的成员。
Zha说，为了让细菌发酵聚乙烯，首先要对塑料进行“预消化”。就像人类需要将食物切成小块才能使用一样，细菌很难吃掉包含聚乙烯的长分子链或聚合物。
在这项研究中，Zha和Koffas与阿贡国家实验室的研究人员合作，通过在压力下加热塑料来解聚塑料，产生一种柔软的蜡状物质。接下来，研究小组在烧瓶底部涂上一层塑料蜡，作为细菌培养的营养来源。这与使用糖作为营养源的典型发酵形成对比。
Zha说:“这就好像我们不是给细菌喂蛋糕，而是给它喂蛋糕上的蜡烛。”
然后，当加热板轻轻搅动烧瓶中的物质时，细菌开始工作。72小时后，科学家们从液体培养物中过滤出细菌，纯化丝蛋白，并将其冷冻干燥。在那个阶段，这种类似于被撕碎的棉球的蛋白质有可能被纺成线或制成其他有用的形式。
“这个过程真正令人兴奋的是，与今天生产塑料的方式不同，我们的过程是低能耗的，不需要使用有毒化学物质，”Zha说。“世界上最好的化学家无法将聚乙烯转化为蜘蛛丝，但这些细菌可以。我们真的在利用大自然开发的东西为我们制造产品。”
然而，在高级蜘蛛丝产品成为现实之前，研究人员首先需要找到更有效地制造丝蛋白的方法。
“这项研究表明，我们可以利用这些细菌将塑料转化为蜘蛛丝。Koffas说:“我们未来的工作将调查调整细菌或工艺的其他方面是否会使我们扩大生产规模。”
“Zha教授和Koffas教授代表了新一代化学和生物工程师，他们将生物工程与材料科学相结合，制造环保产品。他们的工作是保护环境和减少我们对不可再生资源依赖的一种新方法，”RPI工程学院院长Shekhar Garde博士说。
这项研究由第一作者Alexander Connor和阿贡国家实验室的Jessica Lamb和Massimiliano Delferro共同进行，发表在《微生物细胞工厂》杂志上。
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