天津大學科學家研發(fā)可持續(xù)DNA生物塑料，生產(chǎn)全流程綠色環(huán)保，廢棄后加點水就能回收
很多人都知道 DNA 是生命的遺傳物質(zhì)，而在科學家眼里，DNA 還能做成塑料。
日前，天津大學化工學院仰大勇教授團隊制備出一種 DNA 生物塑料，并做出一只塑料杯子作為展示。
圖 | DNA 塑料杯子（來源：JACS）
由于原料和 DNA 有關(guān)，他們還用該塑料做出兩個 DNA 雙螺旋結(jié)構(gòu)的展示品。
圖 | 用該塑料做出兩個 DNA 雙螺旋結(jié)構(gòu)的展示品（來源：JACS）
此外，DNA 塑料可以加工成任意形狀，如長方體、三角形棱柱和圓柱體。
（來源：JACS）
11 月 14 日，相關(guān)論文以《Sustainable Bioplastic Made fromBiomass DNA and Ionomers》（由生物質(zhì) DNA 和離聚物制成的可持續(xù)生物塑料）為題發(fā)表在 JACS 上[1]。
圖 | 相關(guān)論文（來源：JACS）
天津大學化工學院博士 & 現(xiàn)浙江大學博士后韓金鵬為第一作者，仰大勇教授擔任通訊作者，中石油石化研究院教授張坤玉參與合作。
什么樣的生物材料，才能真正 “治本”？
目前，全世界每年都有 5100-8800 萬噸塑料垃圾，增長速度亦很驚人。不少科學家都在研發(fā)生物塑料，它們一般由多種生物質(zhì)制成，比如纖維素、殼聚糖、植物油、蛋白質(zhì)和淀粉。
盡管比石油基塑料更環(huán)保，但一些生物塑料的生產(chǎn)、使用和報廢，并未嚴格遵循綠色方法。其次，不少原料來自農(nóng)作物，因此會和人口糧食產(chǎn)生競爭。
（來源：JACS）
另外在回收工藝上，主要利用高溫、強酸、強堿條件，以及使用可產(chǎn)生活性物質(zhì)的催化劑，這會降低回收后塑料的機械性能。
如何從根源上緩解石油基塑料帶來的問題？仰大勇教授團隊認為，只有原料來源豐富、加工過程綠色、可降解且可循環(huán)使用的新材料，才可真正做到 “治本”。由于該小組一直專注 DNA 研究，為此他們打算制備 DNA 塑料。
地球蘊含 500 億公噸 DNA，可很好滿足塑料使用需求
DNA 是一種攜帶遺傳密碼、并可在活細胞內(nèi)形成扭曲的雙螺旋結(jié)構(gòu)，近年來它已成為一類功能性納米材料，并被用于合成聚合物材料如 DNA 納米顆粒、水凝膠和樹枝狀 DNA 結(jié)構(gòu)等。
作為一種取之不盡、用之不竭的生物高分子，DNA 可從動植物和微生物等生物體內(nèi)提取。當前地球的 DNA 總儲量大約在 500 億公噸，只需把一小部分轉(zhuǎn)為 DNA 塑料，即可讓塑料使用需求得到更好的滿足。
（來源：JACS）
此次制備出的 DNA 塑料由鮭魚精 DNA 和離聚物制成。這些 DNA 長鏈與源自生物甘油的離聚物相互作用，將這些鏈結(jié)合在一起，就會產(chǎn)生一種柔軟且具有延展性的水凝膠，這時使用模具，即可塑造成不同的形狀，再進行冷凍和干燥，即可去除水分并使其固化。
除了 DNA，塑料的另一主要成分是離聚物，它也是一種生物可再生資源。作為一類分子鏈結(jié)構(gòu)中具備陰陽離子基團的聚合物，離聚物同時具備高分子和離子液體等優(yōu)點，其在智能響應(yīng)材料和自修復(fù)材料等領(lǐng)域的應(yīng)用潛力也得到驗證。
一般來說，聚合物被熱壓入塑料中，需要高溫才能熔化和加工聚合物，這等于是一個高能量消耗的過程，包括聚合物鏈的斷裂和塑料質(zhì)量的下降。
為改善上述情況，仰大勇教授和團隊提出一種完全不同的冷凍干燥過程，將物理交聯(lián)的 DNA 水凝膠轉(zhuǎn)化為可持續(xù)的 DNA 塑料，即可實現(xiàn)較低能量的消耗。
圖 | DNA 網(wǎng)絡(luò)（來源：JACS）
用冷凍干燥法處理 DNA 塑料的流程如下：首先，制備超軟 DNA 凝膠，并符合模具的形狀。然后應(yīng)用冷凍干燥，通過在真空條件下去除剩余的水，將 DNA 凝膠轉(zhuǎn)化為形狀塑料。
圖 | 用冷凍干燥法處理DNA塑料的流程（來源：JACS）
作為演示，他們制備了一種具有 DNA 雙螺旋結(jié)構(gòu)形狀的 DNA 塑料。在紫外線下，用 DNA 特異性染料(GelRed)染色的 DNA 塑料顯示出亮紅色熒光，這表明整個塑料都是由 DNA 組成的。
在實際應(yīng)用中，塑料的變形、損壞、老化不可避免，嚴重縮短了塑料的使用壽命。因此，迫切需要可回收和無損地使用塑料。
值得注意的是，而 DNA 塑料可以實現(xiàn)這個目標。該團隊用最綠色的溶劑水來軟化 DNA 塑料，即可形成不成形的凝膠。為了將 DNA 塑料加工成 3D 結(jié)構(gòu)，該團隊開發(fā)了一種水觸發(fā)的分子組裝過程，并使用這種工藝制備出文章開頭的塑料杯。
塑料杯的制備流程如下：首先，一個塑料杯的三個結(jié)構(gòu)部分，包括手柄、底座和機身，分別通過冷凍干燥進行處理。之后，在這些部件的接頭處涂上一點水，以軟化塑料，使接頭處的 DNA 網(wǎng)絡(luò)顯示出類似液體的性質(zhì)，以促進組裝過程。將塑料杯風干 2min 后，制備一個獨立、穩(wěn)定的 DNA 塑料杯。
（來源：JACS）
使用低溫加工方法，DNA 和離聚物之間的非共價鍵相互作用可得到巧妙利用，這時 DNA 和離聚物的復(fù)合水凝膠，即可轉(zhuǎn)為生物塑料，期間無需使用有機溶劑，也不會產(chǎn)生化學副產(chǎn)物。相比石油基塑料的熔融加工法，DNA 塑料在常溫加工中僅產(chǎn)生不到 5% 的能耗。
為了驗證尺寸的穩(wěn)定性，他們將一個圓柱形的 DNA 塑料在室溫下孵育 2 個月。結(jié)果表明，該塑料在 2 個月內(nèi)保持了原來的形狀且沒有降解?？紤]到 DNA 在干燥狀態(tài)下的良好穩(wěn)定性，其認為 DNA 塑料可以在較長的時間內(nèi)保持尺寸穩(wěn)定性。
（來源：JACS）
為了驗證紫外線輻射對 DNA 塑料穩(wěn)定性和可回收性的影響，將 GelRed 染色的三角形棱柱形 DNA 塑料在封閉室中進行紫外線輻射 40min。輻射強度是來自陽光的 1 萬倍。43 在 40min 范圍內(nèi)，未觀察到形狀變形和剛度的變化，這表明 DNA 塑料在紫外線輻射下具有良好的耐久性。
（來源：JACS）
而為了驗證 DNA 塑料的生物相容性，該團隊進行了細胞毒性試驗。結(jié)果證實了 DNA 塑料具有較高的生物相容性。此外，DNA 塑料可以用作細胞生長的細胞培養(yǎng)基質(zhì)。
廢棄 DNA 塑料的處理有兩種辦法：其一，可使用無損回收策略，將其重新制成塑料，回收時高分子鏈不會斷裂，具備簡易、無損、低能耗等優(yōu)勢；其二，可借助 DNA 酶的作用，實現(xiàn)可控降解。即在使用壽命結(jié)束時，通過受控酶促過程，就能在溫和條件下實現(xiàn)回收或降解處理；其三，通過可再生和非破壞性使用，還可延長 DNA 衍生生物塑料的使用壽命。
有望同時應(yīng)用于生醫(yī)領(lǐng)域和日常生活
盡管 DNA 的大規(guī)模生產(chǎn)仍然是一個挑戰(zhàn)，但該團隊已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了幾種實現(xiàn)噸級 DNA 生產(chǎn)的潛在方法。
（來源：JACS）
比如，在食品工業(yè)中，水果產(chǎn)量每年產(chǎn)生 2.66 億噸浮渣廢棄物，可用于提取 27 萬噸 DNA。
在生物制藥行業(yè)，抗生素生產(chǎn)期間每年產(chǎn)生的微生物殘留量為 1400 萬噸，每年提供 14 萬噸 DNA。
在生物乙醇行業(yè)，數(shù)據(jù)顯示商業(yè)市場每年可提供 200 萬噸干酵母，提取 6000 噸 DNA。
在開花的藻類工業(yè)中，干藻類的商業(yè)產(chǎn)量為每年 1.5 萬噸，每年提取 DNA450 噸。
為了在工業(yè)環(huán)境中快速生產(chǎn) DNA，從藻類和細菌中提取 DNA 更加成熟和容易，一般生產(chǎn)周期約為 3 天。
（來源：JACS）
鑒于 DNA 的高度生物相容性，再加上 DNA 分子本身的獨特生物學特性，因此可用于生物醫(yī)學領(lǐng)域。比如，DNA 塑料可被做成生物貼片和多腔室微結(jié)構(gòu)，進而在生物傳感、藥物釋放上發(fā)揮重要作用。
圖 | 由生物質(zhì) DNA 和離聚物為原料制備的可持續(xù) DNA 生物塑料（來源：JACS）
DNA 塑料即使在 ?80° 的低溫下也表現(xiàn)出良好的折疊回收性，因此在極寒冷天氣條件下的電子皮膚和軟機器人中具有很大的應(yīng)用潛力。
而它的低溫穩(wěn)定性和可折疊性，也是用于柔性電子皮膚和軟機器人等領(lǐng)域的 “材料種子選手”。此外，在水溶性聚合物薄膜的應(yīng)用前景激勵之下，若干年內(nèi)老百姓也有望用上 DNA 塑料。
仰大勇教授表示，未來通過進一步研究開發(fā)，有望在部分應(yīng)用領(lǐng)域替代石油基塑料，從而緩解當前石油基塑料使用所引起的環(huán)境和社會問題。
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參考：
1、Jinpeng Han, Yanfei Guo, Hang Wang, Kunyu Zhang, and Dayong Yang.
Journal of the American Chemical Society 2021 143 (46), 19486-19497
DOI: 10.1021/jacs.1c08888
來源：麻省理工科技
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