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神奇!DNA或许能成为理想的可降解塑料原料?

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本文来源 | 新材料研习社

 

石化产品在日常生活中无处不在,这决定了基于石化的材料在我们现代社会的许多方面的普遍性。例如,凝胶,薄膜和塑料形式的材料对于实际应用非常有用。它们中的大多数是由石油和天然气制成的,而石油和天然气是通过几亿年的地质过程从古生物质中提取的。它们天生就难以降解。
 
尤其是塑料,每年正污染着地球的生态系统,估计有超过八百万吨的废物流入海洋。生物质是一种可再生和可降解的资源,已被用作替代石化产品的替代选择。地球上所有分类单元的生物质总和约为550千兆碳,这使生物质成为地球上最丰富的可持续性物质。目前,生物质多糖和蛋白质已被开发用于生物塑料。
 
但是,仍然存在三个主要问题:首先,主要的转化方法与石化产品的形成非常相似,其中在合成最终塑料之前,首先需要断开聚合物链。聚合物链的分解过程需要额外的能量和高温下的其他资源。第二,聚合物的合成过程涉及大量的有机溶剂,副产物和废物。第三,原料是与包括农田和水在内的农业资源竞争的作物。因此,即使当前生物质材料取得了进步,要真正替代生物材料仍存在巨大挑战。
 
说起DNA,大家都很熟悉了,作为生物体的“总工程师”,DNA对生物体的作用十分重大。但你知道吗?DNA还具有一些工业原材料的优良特性,未来,DNA也许会在工业、制造业中大放异彩。
 
 

DNA可以变塑料

白色污染已经成为迫在眉睫的环境危机,世界各国都不得不将“禁塑”提上日程。但是,已经习惯塑料的人类,在无塑可用时一定会感到十分不便,因此,制造塑料替代品也成为了人们迫切的需求。最近,有科学家发现,DNA也许能成为理想的塑料原料

 

 

DNA是怎么与塑料扯上关系的?美国康奈尔大学的生物学家罗丹所带领的团队在其中找到了DNA的用武之地。DNA与塑料的本质相似,都是由碳氢组成的高分子链,如果能在DNA链中加入其他物质改变其机械性能,DNA也许就能发挥出与塑料相似的功能。

 

用DNA做塑料原料的优势很明显。与人造高分子材料不同,DNA作为地球上天然生产且历史悠久的高分子,几乎所有生物都具有分解DNA的酶,用DNA作为塑料完全不用担心出现无法降解的问题;另一个明显优势是,现在的塑料原料主要来源是化石能源,化石能源总有枯竭的一天。而DNA不同,地球有这么多的生物,它们几乎时时刻刻在制造DNA,将DNA作为原料,可谓是取之不尽用之不竭。

 

DNA如何变塑料

那么,该如何将DNA变成塑料呢?所有生物质都具有由四个碱基组成的DNA分子。具体而言,来自核苷,腺嘌呤(A),鸟嘌呤(G)和胞嘧啶(C)的胺基是亲核加成反应的反应性基团。

 

作者推断出,通过添加迈克尔加成受体(例如聚乙二醇二丙烯酸酯(PEGDA)),基于氮杂-迈克尔加成机理,G的胺基会攻击PEGDA丙烯酸酯的碳-碳双键而形成氮碳键,将生物质DNA交联在一起(图1A)。

 

正如预期,生物质DNA被交联,在室温下形成DNA水凝胶(图1B–I)。在这种策略中,碱不仅用作迈克尔加成的催化剂,而且还用作DNA双链的变性剂。该交联不需要热变性。反应简单(一步),温和(室温和大气压),绿色(原子经济,无副产物,无废料),高效(数分钟)。

 

基于相同的反应机理,通过简单地调节溶剂或交联引发剂就制备了三种基于生物质-DNA的材料,包括有机凝胶,复合膜和塑料(图1J–N)。值得注意的是,作者采用了包括细菌和真核生物在内的几乎所有生活域的生物质-DNA,跨越了包括真细菌在内的至少三个种类(蓝-绿藻,图1B,C;大肠杆菌,图1D,E), 植物届(洋葱,图1F,G)和动物届(鲑鱼睾丸,图1H,I)。通过在氨气室中交联旋涂的生物质DNA溶液成功制造了DNA膜(图1L,M)。

 

生物质DNA水凝胶很容易通过脱水而无需任何聚合即可转化为塑料(图1N)。实现了米级生物质DNA水凝胶(图1O)和膜的大规模制备。

 

图1.分子交联机理和材料的制备。

 

DNA塑料大变样

 

加入不同的物质,DNA凝胶还表现出不同的性能,比如用甘油替代水作为交联反应的溶剂,研究人员得到了另一种DNA凝胶。由于甘油具有极低的蒸气压(气液共存时的大气压),甘油DNA凝胶具有非常高的机械强度的同时也保持了非常惊人的可拉伸性。

 

研究人员用小刀切割凝胶,它不会被切碎,而是将小刀弹开;这种凝胶还像不粘锅的表面涂层特氟龙一样,具有强大的黏附力,一小块小拇指大小的凝胶黏附在一部手机上,就可以轻松将手机提起来,而且凝胶不会被拉断。这样看来,用DNA凝胶制成的塑料袋的强度和承重能力也不必担心。

 

罗丹的研究团队还在DNA凝胶中加入了许多新型材料,包括生物酶、碳纳米材料、金属或金属氧化物纳米颗粒、高分子单体和金属离子等,这些杂质不会干扰DNA凝结,而是赋予它一些新的特性和功能。

 

 

Cas12a是一种可在特定位点切割DNA的DNA剪切酶,当Cas12a受到刺激时,它会将DNA切开,这样DNA制成的凝胶的形状会发生变化甚至完全溶解,释放凝胶内容物。运用这个特性,DNA凝胶被制成了病菌检测仪。当DNA凝胶检测到来自埃博拉病毒和金黄色葡萄球菌等病原体的遗传物质时,DNA凝胶中的Cas12a酶被激活,将凝胶切断,这时检测仪就知道病菌的存在了。

 

罗丹的研究团队还尝试在凝胶中加磁性纳米颗粒,这让凝胶获得磁性,可以随着变动的磁场舞动,将之涂覆在不带有磁性的物体上,就获得了一个新磁体;DNA凝胶本身不具有导电性,但如果里面掺杂了金颗粒或碳纳米管等导电材料,就有望做成可导电的塑料;稀土材料、荧光材料和石墨烯等物质的加入都与DNA凝胶碰撞出了新的火花,出现了各种千奇百怪的新材料。未来,这些新型塑料能发挥怎样的功能,让我们拭目以待。

 

DNA不仅是神奇的遗传分子,指导生物们的生理特性和生化过程,现在,DNA还能变成万能的材料分子,装点生物体外的大千世界,给世界带来更多改变。

 
 


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