محققان آمریکایی در حال طراحی آنزیم‌هایی هستند که ضایعات کشاورزی و محصولات مزرعه را به پلاستیک زیستتخریبپذیر و مستحکم تبدیل می‌کنند.
به گزارش تکناک، صنعت تولید پلاستیک تقریباً یک تریلیون دلار ارزش دارد و در سال ۲۰۲۲ بیش از ۴۰۰ میلیون تن پلاستیک تولید شد. با وجود این، فقط حدود ۱۰ درصد از این پلاستیک‌ها بازیافت می‌شوند. این حجم انبوه زباله‌های پلاستیکی در محل‌های دفن زباله و زیستگاه‌های طبیعی تهدیدی جدی برای محیط زیست و حیات‌وحش هستند.
به تازگی گروهی از پژوهشگران دانشگاهی و صنعتی با حمایت مالی بنیاد ملی علوم آمریکا (NSF)، در حال توسعه راهکارهایی برای تولید پلاستیک زیستتخریبپذیر، مقاوم و چندبارمصرف هستند. این نوع پلاستیک علاوه بر مزایای زیست‌محیطی، می‌تواند به تقویت زنجیره تأمین و صنعت تولید کمک کند.
فهرست مطالب
بودجه ۷ میلیون دلاری برای طراحی آنزیم‌های نوین
یک پژوهشگر به نام کارتیک سانکارانارایانان که استاد مهندسی کشاورزی در دانشگاه پردو است، به همراه همکاران خود موفق به دریافت بودجه ۷ میلیون دلاری از بنیاد ملی علوم آمریکا شدند. هدف آنها طراحی آنزیم‌های جدیدی است که بتوانند مواد زیستی مختلف را به پلاستیک زیستتخریبپذیر تبدیل کنند.
این آنزیم‌ها به گونه‌ای طراحی می‌شوند که مقاومت و انعطاف‌پذیری مشابه پلاستیک‌های مرسوم داشته باشند، اما به جای مواد شیمیایی نفت‌پایه، از خوراک‌های کشاورزی بومی مانند ذرت، شکر یا ضایعات کشاورزی تولید شوند.
مزایای پلاستیک زیستتخریبپذیر
سانکارانارایانان توضیح داد که تقریباً همه پلاستیک‌هایی که امروز استفاده می‌کنیم از مواد نفتی یا گازی ساخته می‌شوند و بیشتر آنها از خارج آمریکا وارد می‌شوند. او تأکید کرد که هدف آنها استفاده از منابع محلی، به خصوص محصولات کشاورزی ایالت ایندیانا، برای تولید پلاستیک‌های سازگار با محیط زیست است.
او بیان کرد که پلاستیک‌های زیستتخریبپذیر نوع PHAs که در این پروژه ساخته می‌شوند، قابلیت بازیافت بسیار بالایی دارند و می‌توان آنها را به اجزای اولیه تجزیه کرد و دوباره برای ساخت محصولات جدید مورد استفاده قرار داد.
چالش‌های پایداری پلاستیک زیستتخریبپذیر
پلاستیک‌های زیستتخریبپذیر نوع PHA حدود صد سال پیش کشف شدند، اما از آنجایی که در برابر گرما ضعیف هستند و راحت می‌شکنند، نتوانسته‌اند در محصولات روزمره یا تجهیزات پزشکی به طور گسترده استفاده شوند.
هدف پژوهشگران این است که ساختار شیمیایی این پلاستیک‌ها را به شکلی تقویت کنند که هم محکم‌تر شوند و هم در برابر دمای بالا مقاوم باشند. این دو ویژگی باعث می‌شود که بتوان از این نوع پلاستیک‌ها در بسته‌بندی‌ها و حتی وسایل پزشکی استفاده کرد.
همکاری دانشگاه‌ها در طراحی آنزیم‌ها
این پروژه بر اساس روشی به نام بیوکاتالیز طراحی شده است؛ یعنی به‌جای استفاده از مواد شیمیایی خطرناک یا شرایط سخت آزمایشگاهی، از آنزیم‌ها کمک می‌گیرند تا واکنش‌های شیمیایی سریع‌تر و ایمن‌تر انجام شوند.
در این پروژه، چند دانشگاه نقش‌های مختلفی دارند:
- دانشگاه پردو: الگوریتم‌هایی طراحی می‌کند تا بتوان آنزیم‌های مناسب را برای این واکنش‌ها انتخاب کرد.
- دانشگاه UCSF (کالیفرنیا، سان‌فرانسیسکو): با کمک هوش مصنوعی و یادگیری عمیق، آنزیم‌ها را مهندسی می‌کند تا عملکرد بهتری داشته باشند.
- دانشگاه استنفورد: آنزیم‌های طراحی‌شده را آزمایش می‌کند تا مطمئن شود که خوب کار می‌کنند.
- دانشگاه UC برکلی: ویژگی‌های آنزیم‌ها را بررسی می‌کند، امکان تجاری‌سازی آنها را ارزیابی می‌کند و روش‌هایی برای تولید آنها در مقیاس صنعتی توسعه می‌دهد.
غلبه بر موانع مهندسی آنزیم‌ها
یکی از چالش‌های کلیدی در تولید پلاستیک زیستتخریبپذیر، کار با آنزیم‌های پیچیده‌ای به نام سنتازهای پلی‌کتید (PKSs) است، که در تولید آنتی‌بیوتیک‌ها نقش دارند. این آنزیم‌ها برای فرایندهای صنعتی تولید پلاستیک‌های زیستتخریبپذیر طراحی نشده‌اند. پژوهشگران در تلاش هستند هم واکنش‌های طبیعی آنها را تغییر دهند تا پلاستیک‌های زیستتخریبپذیر با کیفیت مطلوب تولید کنند و هم پایداری آنها را برای تولید انبوه بهبود بخشند.
شرکت Twist Bioscience به عنوان شریک این پروژه، فناوری لازم برای غلبه بر موانع ژنتیکی و تولید توالی‌های DNA پیچیده را فراهم کرده است. به گفته مدیرعامل این شرکت، همکاری با دانشگاه پردو به تولید صنعتی توالی‌های سخت‌ساز کمک می‌کند.
علاوه بر انجام تحقیقات علمی، این پروژه فرصت‌های آموزشی زیادی برای دانشجویان فراهم می‌کند. ابزارها و روش‌هایی که برای طراحی آنزیم‌ها استفاده می‌شوند، به صورت رایگان و عمومی در دسترس قرار می‌گیرند. این ابزارها نه‌تنها در این پروژه کاربرد دارند، بلکه می‌توان از آنها در زمینه‌هایی مثل داروسازی، تولید مواد شیمیایی مورد نیاز کشاورزی و حتی ساخت لاستیک هم استفاده کرد.
