Forskare konstruerar bakterier som äter plast och tillverkar mångsidigt spindelsilke

Silkeproteiner som genereras av bakterier som konstruerats för att omvandla polyeten till detta multifunktionella material. Kredit: Rensselaer Polytechnic Institute
Silkeproteiner som genereras av bakterier som konstruerats för att omvandla polyeten till detta multifunktionella material. Kredit: Rensselaer Polytechnic Institute

Flytta på dig Spindelmannen: Forskare vid Rensselaer Polytechnic Institute har utvecklat en bakteriestam som kan förvandla plastavfall till ett biologiskt nedbrytbart spindelsilke med flera användningsområden.

Deras nya studie, som publiceras i Microbial Cell Factories, är första gången som forskare har använt bakterier för att omvandla polyetenplast – den typ som används i många engångsartiklar – till en proteinprodukt med högt värde.

Produkten, som forskarna kallar ”bioinspirerat spindelsilke” på grund av dess likhet med det silke som spindlar använder för att spinna sina nät, har tillämpningar inom textil, kosmetika och till och med medicin.

”Spindelsilke är naturens Kevlar”, säger Helen Zha, Ph.D., biträdande professor i kemisk och biologisk teknik och en av RPI-forskarna som leder projektet. ”Det kan vara nästan lika starkt som stål under spänning. Det har dock sex gånger lägre densitet än stål, så det är mycket lätt. Som bioplast är det töjbart, segt, giftfritt och biologiskt nedbrytbart.”

Alla dessa egenskaper gör den till ett utmärkt material för en framtid där förnybara resurser och undvikande av ihållande plastföroreningar är normen, säger Zha.

Polyetenplast, som finns i produkter som plastpåsar, vattenflaskor och livsmedelsförpackningar, är den största bidragande orsaken till plastföroreningar globalt och kan ta upp till 1 000 år att bryta ned på naturlig väg. Endast en liten del av polyetenplasten återvinns, så de bakterier som användes i studien skulle kunna bidra till att ”uppcykla” en del av det återstående avfallet.

Pseudomonas aeruginosa, den bakterie som användes i studien, kan naturligt konsumera polyeten som en näringskälla. RPI-teamet tog sig an utmaningen att få denna bakterie att omvandla kolatomerna i polyeten till ett genetiskt kodat silkesprotein. Överraskande nog fann de att deras nyutvecklade bakterier kunde tillverka silkesproteinet med en avkastning som konkurrerade med vissa bakteriestammar som används mer konventionellt inom biotillverkning.

Den underliggande biologiska processen bakom denna innovation är något som människor har använt i årtusenden.

”I grund och botten fermenterar bakterierna plasten. Fermentering används för att tillverka och konservera alla typer av livsmedel, som ost, bröd och vin, och inom biokemisk industri används det för att tillverka antibiotika, aminosyror och organiska syror”, säger Mattheos Koffas, PhD, Dorothy and Fred Chau ʼ71 Career Development Constellation Professor in Biocatalysis and Metabolic Engineering, och den andra forskaren som leder projektet och som – tillsammans med Zha – är medlem av Center for Biotechnology and Interdisciplinary Studies vid Rensselaer.

För att få bakterier att fermentera polyeten måste plasten först ”försmältas”, säger Zha. Precis som människor måste skära och tugga maten i mindre bitar innan våra kroppar kan använda den, har bakterierna svårt att äta de långa molekylkedjorna, eller polymererna, som polyeten består av.

I studien samarbetade Zha och Koffas med forskare vid Argonne National Laboratory, som depolymeriserade plasten genom att värma den under tryck, vilket gav en mjuk, vaxartad substans. Därefter lade teamet ett lager av det plastderiverade vaxet på botten av kolvar, som fungerade som näringskälla för bakteriekulturen. Detta skiljer sig från typisk fermentering, som använder sockerarter som näringskälla.

”Det är som om vi istället för att mata bakterierna med en tårta matar dem med ljusen på tårtan”, säger Zha.

När en värmeplatta försiktigt virvlade runt kolvarnas innehåll började bakterierna sedan arbeta. Efter 72 timmar silade forskarna ut bakterierna från vätskekulturen, renade silkesproteinet och frystorkade det. I det skedet kunde proteinet, som liknade upprivna bomullstussar, potentiellt spinnas till tråd eller göras till andra användbara former.

”Det som verkligen är spännande med den här processen är att den, till skillnad från hur plast produceras idag, är energisnål och inte kräver användning av giftiga kemikalier”, säger Zha. ”De bästa kemisterna i världen skulle inte kunna omvandla polyeten till spindelsilke, men det kan dessa bakterier. Vi utnyttjar verkligen det som naturen har utvecklat för att tillverka åt oss.”

Men innan återvunna spindelsilkeprodukter kan bli verklighet måste forskarna först hitta sätt att tillverka silkesproteinet mer effektivt.

”Den här studien visar att vi kan använda dessa bakterier för att omvandla plast till spindelsilke. I vårt framtida arbete kommer vi att undersöka om vi kan skala upp produktionen genom att justera bakterierna eller andra aspekter av processen”, säger Koffas.

”Professorerna Zha och Koffas representerar den nya generationen av kemiska och biologiska ingenjörer som kombinerar biologisk ingenjörskonst med materialvetenskap för att tillverka miljövänliga produkter. Deras arbete är ett nytt sätt att skydda miljön och minska vårt beroende av icke-förnybara resurser”, säger Shekhar Garde, Ph.D., dekanus för RPI:s School of Engineering.

Studien genomfördes av försteförfattaren Alexander Connor, som tog sin doktorsexamen vid RPI 2023, och medförfattarna Jessica Lamb och Massimiliano Delferro vid Argonne National Laboratory.

Ytterligare information: Alexander Connor et al, Two-step conversion of polyethylene into recombinant proteins using a microbial platform, Microbial Cell Factories (2023). DOI: 10.1186/s12934-023-02220-0

Bli först med att kommentera

Lämna ett svar

Din e-postadress kommer inte att publiceras.