用天然DNA做出“塑料勺”

 

目前，天然多糖類、蛋白質已經被開發(fā)用于制作傳統(tǒng)塑料制品，并展示了極大的潛力。然而，這些天然資源在這方面的應用存在一些缺點：1）這些轉化過程類似于石油形成過程，需要對天然大分子進行人工降解和再聚合以制造最終塑料制品。這當中會消耗大量能源及其它資源。2）上述人工再聚合過程中會用到大量有機溶劑，并伴隨著其它副產物和廢物的產生，這個過程本身會對環(huán)境產生不良影響。3）上述這些天然資源通常來源于農作物，潛在地會與農業(yè)資源像農田和水等爭奪資源，比如蛋白和淀粉的提取和使用常常會占用人們的食物資源。

 

如何利用可再生資源植被生物可降解的塑料產品就成為一個緊迫的誘人的重大課題。天然DNA作為一種天然生物大分子具有獨特的物化性質包括基因編碼能力、低的提取成本和環(huán)保的提取過程、良好的水處理能力以及完美的生物降解能力。

 

基于這些認識，近日，美國康奈爾大學羅丹教授研究組（第一作者為王棟博士）在Journal of the American Chemical Society雜志上發(fā)表文章Transformation of Biomass DNA into Biodegradable Materials from Gels to Plastics for Reducing Petrochemical Consumption，創(chuàng)新性地提出利用天然DNA來作為一種可再生資源來制造塑料制品以取代傳統(tǒng)塑料。研究人員提出的轉化過程利用天然DNA對一種小分子交聯(lián)劑快速化學反應，將天然DNA溶解在水中室溫下就可完成轉化。此過程非常簡單、高效、綠色低廉且無需對天然DNA做任何預處理，也對天然DNA來源沒有限制。利用此一步式轉化過程，通過調節(jié)轉化過程中對溶劑和催化劑等，天然DNA可以被轉化為凝膠材料、復合薄膜、圖案化薄膜和日常塑料制品包括電線絕緣皮層、餐具和玩具等。

 

圖1. DNA分子交聯(lián)和DNA塑料的準備過程(圖片來源JACS)

圖1. DNA分子交聯(lián)和DNA塑料的準備過程(圖片來源JACS)

在水中交聯(lián)天然DNA可以得到水凝膠，通過調節(jié)交聯(lián)時間和天然DNA的濃度等參數(shù)可以調控水凝膠的機械性能，甚至可以制備像橡膠一樣的水凝膠。通過引入能表達特定蛋白的的基因片段，他們的水凝膠就可以高效率的生產蛋白質。同時，也能可控地緩釋蛋白等藥物分子。細胞實驗也顯示天然DNA水凝膠具有非常好的生物相容性。這些特性不僅使得天然DNA具有和石化分子基水凝膠類似的機械性能，更重要是具有那些石化分子基不可能具備的性質----蛋白生產能力。

 

圖2. DNA水凝膠的特性和功能(圖片來源JACS)

圖2. DNA水凝膠的特性和功能(圖片來源JACS)

用甘油置換轉化過程中的水，研究人員首次制備了基于DNA的有機凝膠。由于甘油極低的蒸氣壓、生物相容性和可抗凍特性，天然DNA有機凝膠具有非常高的機械強度的同時也保持了非常驚人的可拉伸性。研究人員意外地發(fā)現(xiàn)天然DNA有機凝膠可以很好地粘附在各種表面上。特別是可以粘附在用于不粘鍋涂層的特富龍表面上。由于甘油的抗凍性，天然DNA有機凝膠可以不僅在零下三十度仍然保持柔軟凝膠狀態(tài)，而且粘附強度大大增強。利用這個特性，研究人員可以用僅有小拇指大小的天然DNA有機凝膠在零下二十度通過粘附提起一部手機。這個例子證明天然DNA展示了非常出色的有機凝膠形成能力，并且天然地具有特殊的粘附性能。也展示了其在特殊氣候條件下，在柔性電子學和機器人領域的應用潛力。

 

圖3.DNA有機凝膠 (圖片來源JACS)

圖3.DNA有機凝膠 (圖片來源JACS)

由于水溶液中天然DNA轉化過程非常迅速，如何使這個快速的交聯(lián)過程變得均勻緩慢、可控是開發(fā)多種形式天然DNA材料的關鍵，比如制備天然DNA薄膜。為此，研究人員引入氣體催化劑概念，首次利用氣體把天然DNA轉化為薄膜材料。通過這個可控的轉化過程可以將各種材料復合到天然DNA薄膜中，包括碳納米材料、金屬或金屬氧化物納米顆粒、高分子、高分子單體、金屬離子等。這個策略也可將不同的復合材料像焊接一樣連接在一起形成復雜復合結構材料，比如一個天然DNA“花朵”。引入微電子加工領域光刻蝕概念后，對天然DNA復合薄膜進行正刻蝕和負刻蝕形成了不同的圖案化薄膜。這個方法在微納結構材料領域顯示了巨大潛力。

 

圖4. DNA膜(圖片來源JACS)

圖4. DNA膜(圖片來源JACS)

最后研究人員將天然DNA轉化為日常生活中常見的塑料制品比如電線的絕緣皮，拼圖玩具和勺子。這進一步驗證了天然DNA可以作為一種可再生可降解的天然資源用于取代石油化學產品的可行性和巨大潛力。

 

圖5. DNA七巧板. (圖片來源JACS)

圖5. DNA七巧板. (圖片來源JACS)

總之，上述研究結果顯示天然DNA具有多方面的材料開發(fā)能力和多功能性，能被制作成許多由石化原料制造的產品。某些方面還顯示了石化產品不具備的功能，包括可降解性以及生物功能。這些發(fā)現(xiàn)為未來整個石化產品資源消耗引起的資源匱乏和環(huán)境污染等問題提供了一個可持續(xù)的、經濟的、新興的和誘人的解決方案。

 

BioArt & 作者問答：

 

問：估計什么時候能有第一個產品??？

 

答：不知道。這個研究成果論文剛剛發(fā)出。產業(yè)化取決于今后有多少人和多少資源投入到后續(xù)的研究、研發(fā)、中試、工業(yè)化商業(yè)化，等等。保守的估計，小規(guī)模產品應該至少3-5 年吧。大規(guī)模替代塑料至少5-8年。大規(guī)模取代塑料至少得十年。當然，協(xié)同合作的力量高不可估。天時地利人和的化，可以加快產出。

 

問：已經有研究組將生物質纖維素轉化成塑料；也有用生物質蛋白做樹脂等材料。生物質DNA有什么優(yōu)勢？

 

纖維素的主要功能是支撐保護生物體，其結構不會輕易被打破。所以纖維素的分離提純很困難。需要高溫強酸等極端條件。還不太不溶于水。蛋白質也有類似問題。而且蛋白質種類太多，彼此組分性質千變萬化。很難控制。同時，纖維素主要來源于作物，蛋白質是人類食品的重要部分。用他們做塑料都會和農業(yè)競爭。最重要的區(qū)別是，用纖維素做材料，首先需要把纖維素降解成小分子，然后再化工合成大分子如塑料。整個過程和用石油做塑料差不多。用生物質DNA做塑料是直接交聯(lián)，一步到位。完全不需要最耗能、最耗時、最污染的前期處理過程。

 

問：DNA會不會很不穩(wěn)定？能否控制降解時間？

 

 

答：DNA在沒有水的情況下是極其穩(wěn)定的（木乃伊的DNA可以在干燥環(huán)境下保存幾千年就是一個例證）。降解時間的控制是可實現(xiàn)的，正在探索。

 

問：產品的生物安全問題。天然DNA吃下去沒有毒嗎？

 

答：人們每時每刻都在吃天然DNA（各種有益或無益的細菌）。所有食品，無論葷素，都含有DNA。生食的食物比如水果，生魚片，沙拉等，天然DNA就直接進入消化道了。

 

問：雖然天然DNA在自然界到處都是，從工業(yè)化角度，如何大規(guī)模收集生物質DNA做原料？

 

答：因為實驗室研究成果才剛剛發(fā)表，這個工業(yè)化問題還沒有透徹地研究過。但已經有很多有啟發(fā)性的線索了。比如，污染大江大湖以及海洋的藻類，大海中的微生物，所有釀酒廠的酵母，果汁廠的果渣，制藥廠的菌渣等等，都可以相對方便地收集到工業(yè)規(guī)模的天然DNA。也可以像石油工業(yè)有巨大無比的儲油罐那樣，用工業(yè)法高密度培養(yǎng)細菌（每二十分鐘DNA就加倍）。等等。這些都不和農業(yè)競爭。和石油開發(fā)過程相比（需要勘探，鉆井，開采，儲運，提煉等），投入要小很多。