Kemister har ägnat det senaste århundradet åt att försöka tillverka plast som bryts ner i havsvatten. Som det är verkar det ta århundraden för de flesta plaster att brytas ned helt i havet. Det är en anledning till att plast utgör 80 procent av havets skräp. Men det kan ändras. Forskare har precis designat en ny plast som kan brytas ned i havsvatten inom veckor, inte decennier eller mer.
Förklarare: Vad är polymerer?
Redan på 1930-talet skapade forskare en nu populär plast av majs- och potatisstärkelse. Det är känt som polylaktid eller PLA. Det är en polymer, som är en molekyl som görs genom att länka många byggstenar – kallade monomerer – till en lång sträng. Forskare hade hoppats att PLA snabbt skulle bryta ner i miljön. Och på vissa ställen, som kompostgropar, gör det det. Men inte i havsvatten. Även efter tre år i havsvatten förblir PLA i stort sett oförändrad.
Timo Rheinberger är doktorand vid University of Twente i Nederländerna. Hans arbete med polymerer har fokuserat på att öka PLA:s nedbrytning. Som en del av det arbetet blev han en del av ett team som precis lade till några biologiinspirerade brytpunkter till PLA. De sätter dessa brytpunkter till platser där monomerer i PLA-molekylerna är länkade.
De försvagade länkarna som sammanfogade upp till 15 procent av en PLA:s monomerer. Sedan blötlade de sina prover i konstgjort havsvatten och mätte hur snabbt dessa finjusterade versioner av PLA gick sönder. Den förväntade slutprodukten av PLA:s nedbrytning var en liten molekyl som kallas mjölksyra. Så de testade för det också.
Som teamet hade hoppats attackerade havsvatten de försvagade länkarna mellan monomerer och slet isär polymerkedjan. Ju fler brytpunkter forskarna lade till polymeren, desto snabbare bröts PLA ner.
När de försvagade 15 procent av PLA:s monomerlänkar, bröts polymeren ner helt inom bara två veckor. När de bara försvagade 3 procent av länkarna tog nedbrytningen cirka 2 år. Detta tyder på att teamet kan designa hur snabbt PLA kommer att brytas ned i vatten genom att justera hur många försvagade länkar det har.
Forskarna delade sitt arbete 4 oktober i Journal of the American Chemical Society. Rheinberger säger att detta är “det första dokumentet som tittar på att påskynda nedbrytningen av PLA i havsvatten på molekylär nivå.”
Låna från genetik
Tänk på en PLA-molekyl som ett halsband av pärlor, där varje pärla är en monomer. Normalt förblir dessa pärlor fast sammanlänkade. Det är därför normal PLA motstår att gå sönder. Men med rätt kemisk reaktion kan dessa pärlor separeras.
Illustrationen visar hur RNA-inspirerade “brytpunkter” kan påskynda nedbrytningen av PLA, en typ av plast. PLA-molekylen (röd tråd) skärs av på mitten av havsvatten (sax) vid “brytpunkterna” (limebollar). Reaktionen skär PLA-molekylen i fragment. Så småningom bryts PLA-bitar ner till mjölksyra.
Timo Rheinberger/University of Twente
Andra kemister försökte riva isär PLA genom att byta ut några PLA-monomerer för andra, svagare typer. Kemister försökte också blanda ren PLA med andra ämnen – material som gör bryts ned i miljön. Exempel var växtbaserade fibrer som lin eller hampa.
Först verkade det fungera. “Fibrerna bryts ner”, säger Rheinberger. “Och strukturen blir svag och faller isär.” Men PLA i sig var inte förnedrande, tillägger han. Dess polymerer förblev intakta.
Det var då hans grupp bestämde sig för att ändra kopplingarna mellan monomerer. Deras inspiration till hur man gör detta kom från genetiken.
Allt levande innehåller DNA och RNA. Tillsammans hjälper dessa molekyler till att skapa och driva levande varelser. DNA lagrar instruktionerna. RNA använder dessa instruktioner för att göra saker. Liksom PLA är båda polymerer. Men de är gjorda av olika monomerer.
Som den ultimata bruksanvisningen är DNA gjort för att hålla. RNA är det inte. Dess molekyler “har ett kort liv”, säger Rheinberger. Varje RNA-molekyl är gjord för ett jobb. När det är klart bryts RNA ned och frigör dess monomerer för återanvändning.
De monomererna innehåller fler grupper av syre- och väteatomer – kallade hydroxyler – än DNA. Det är viktigt. Dessa hydroxyler är där RNA:s nedbrytning börjar. Hydroxyler attraherar vatten, vilket gör det lättare för vattenmolekyler att attackera en RNA-molekyl. Fler hydroxyler innebär en snabbare nedbrytning.
Förklarare: Vad är RNA?
Rheinberger och hans team kopierade denna hydroxyl -innehållande del av RNA och använde den för att länka några av PLA:s monomerer.
Den hydroxylhaltiga delen av RNA är inte en hel RNA-monomer. Varje RNA-monomer har en femsidig “sockerring” och en grupp av atomer som kallas “fosfat”. För att få den hydroxylhaltiga biten “tar vi bara fosfatet och tre bindningar i sockerringen”, säger Rheinberger. Brytpunkterna har fått sitt namn från det fosfatet. De heter phosphoester (Foss-foh-ES-tur) länkar.
Vad kommer härnäst?
Mehlika Karamanlioglu undervisar i biomedicinsk teknik vid Istanbul Gelisim University. Det är i Turkiet, strax öster om Italien och Bulgarien. Även hon har studerat miljönedbrytning av PLA. “Det är ett nytt tillvägagångssätt”, säger hon om den holländska tekniken. Deras är också “en preliminär studie”, säger Karamanlioglu. Så fler tester måste följa. Forskare vill veta hur styrkan hos det nya PLA är jämfört med gamla PLA.
Rheinberger håller med. “Du behöver mycket material för att påbörja de studierna”, tillägger han. Och hittills har hans team bara gjort små mängder av den modifierade PLA.
Karamanlioglu noterar att det holländska laget också testade nedbrytningen av sin PLA i konstgjort havsvatten. “Jag undrar om de kollade för kontaminering”, tillägger hon. Om den var besmittad med mikrober, kan dessa mikrober ha producerat molekyler som kallas enzymer som påskyndade PLA:s nedbrytning.
Engångsmuggar och bestick kan en dag göras av den nya PLA. I teorin kan denna nya plast ersätta vilken gammal PLA som helst, inklusive den typ som används i många 3D-skrivare. Och kanske kan forskare lägga till RNA-inspirerade brytpunkter till andra plastpolymerer också.
En annan plats där den nya PLA kan visa sig användbar, säger Karamanlioglu, är inom biomedicin. PLA används redan för att göra tråden som används för att sy sår. Suturer och medicinska implantat måste hydrolysera, vilket betyder att lösas upp. “Ibland vill man inte att implantatet ska hydrolysera så snabbt”, konstaterar hon. Kanske kan RNA-inspirerade brytpunkter, säger hon, ge ett nytt verktyg för att skräddarsy hur snabbt dessa medicinska implantat går sönder.
Detta är en i en serie som presenterar nyheter om teknik och innovation, möjliggjort med generösa stöd från Lemelson Foundation.
Leave a Reply