遺傳密碼重塑：DNA變身塑料原料，開啟綠色材料新紀(jì)元
核心提示：隨著全球?qū)沙掷m(xù)材料的需求日益增長，利用生物技術(shù)將DNA轉(zhuǎn)化為塑料的研究逐漸受到關(guān)注。美國康奈爾大學(xué)的生物學(xué)家羅丹所帶領(lǐng)的
隨著全球?qū)沙掷m(xù)材料的需求日益增長，利用生物技術(shù)將DNA轉(zhuǎn)化為塑料的研究逐漸受到關(guān)注。
美國康奈爾大學(xué)的生物學(xué)家羅丹所帶領(lǐng)的團隊在其中找到了DNA的用武之地。DNA與塑料的本質(zhì)相似，都是由碳?xì)浣M成的高分子鏈，如果能在DNA鏈中加入其他物質(zhì)改變其機械性能，DNA也許就能發(fā)揮出與塑料相似的功能。
用DNA做塑料原料的優(yōu)勢很明顯。與人造高分子材料不同，DNA作為地球上天然生產(chǎn)且歷史悠久的高分子，幾乎所有生物都具有分解DNA的酶，用DNA作為塑料完全不用擔(dān)心出現(xiàn)無法降解的問題；另一個明顯優(yōu)勢是，現(xiàn)在的塑料原料主要來源是化石能源，化石能源總有枯竭的一天。而DNA不同，地球有這么多的生物，它們幾乎時時刻刻在制造DNA，將DNA作為原料，可謂是取之不盡用之不竭。
DNA，這個承載著生命遺傳信息的分子，其獨特的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)為材料科學(xué)帶來了全新的可能性。塑料，作為廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域的重要材料，一直以來都面臨著環(huán)境可持續(xù)性等諸多問題。如果能夠利用 DNA 來制造塑料，不僅有望解決塑料行業(yè)的一些難題，還可能開創(chuàng)出一系列具有優(yōu)異性能的新型材料。
1、DNA如何變塑料
那么，該如何將DNA變成塑料呢？首先是收集原料，幾乎所有生物的體內(nèi)都有DNA，但是珍稀動植物或者農(nóng)業(yè)種植、養(yǎng)育的動植物當(dāng)然不適合作為DNA的來源。此外，從提純的角度考慮，較小的生物體含有的DNA以外的物質(zhì)較少，更適合用于提取DNA。
基于以上考慮，羅丹的研究團隊選取的是大海中的微生物和藻類、釀酒廠和制藥廠等各種發(fā)酵工廠使用過后的微生物殘渣等，從這些生物體內(nèi)可以收集到方便且廉價的天然DNA。未來，如果DNA塑料真正形成了產(chǎn)業(yè)鏈，也可以像發(fā)酵工廠那樣，建造一個個大型培養(yǎng)罐，用工業(yè)法高密度培養(yǎng)細(xì)菌，更快地獲取大量DNA。
獲取了DNA后，要將螺旋狀的DNA鏈解開成為單鏈，方便后續(xù)添加其他物質(zhì)，按用途改變其性質(zhì)。此前，已經(jīng)有許多團隊在嘗試將生物高分子材料多糖和蛋白質(zhì)等制成塑料。但是在解旋和重組的過程中，由于沒有合適的交聯(lián)劑，往往需要大量的能量才能完成這個過程。這次，羅丹的團隊幸運地解決了這個問題。在經(jīng)過許多次實驗后，研究團隊找到了一種適宜的小分子交聯(lián)劑，將它與天然DNA共同溶解在水中，在室溫下兩者就可以發(fā)生反應(yīng)，最快半小時就能將DNA解旋，一個個小分子交聯(lián)劑連接到DNA單鏈上，最終將許多條DNA單鏈交聯(lián)成一個完整的凝膠狀物質(zhì)。
研究團隊通過調(diào)節(jié)反應(yīng)時間和天然DNA的濃度等條件調(diào)控凝膠的機械性能，制備出了像橡膠一樣柔軟的凝膠，也制出了與塑料玩具一樣堅硬的凝膠。柔軟且輕薄的DNA凝膠在鋁離子和甘油的幫助下涂覆在銅線上，由于DNA是絕緣體，因此這些DNA涂層像塑料膜一樣顯示出完全的電絕緣性，涂在銅線上就制成了一根電線。堅硬的DNA凝膠則被研究團隊制成了一個拼圖玩具，涂上了紅、綠、橙、黑等各種顏色的DNA凝膠塊，看上去與真正的塑料玩具毫無差別。
2、DNA 塑料的優(yōu)點
DNA 塑料作為一種新興的材料，具有許多顯著的優(yōu)點，為材料科學(xué)和相關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域帶來了新的機遇和可能性。
首先，DNA 塑料具有出色的生物相容性。由于 DNA 是生物體內(nèi)天然存在的重要分子，基于 DNA 制備的塑料在與生物體接觸時，表現(xiàn)出較低的毒性和免疫原性。這使得 DNA 塑料在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景，例如可用于制造體內(nèi)植入物，如心臟支架、人工關(guān)節(jié)等，減少了異物排斥反應(yīng)的風(fēng)險。在藥物輸送方面，DNA 塑料制成的納米載體能夠更有效地將藥物遞送到病變部位，提高治療效果的同時降低副作用。
其次，DNA 塑料具備良好的可降解性。與傳統(tǒng)塑料在自然環(huán)境中難以分解、造成嚴(yán)重污染的情況不同，DNA 塑料可以在特定的條件下被生物酶或微生物分解為無害的物質(zhì)。這對于解決當(dāng)前日益嚴(yán)重的塑料污染問題具有重要意義。隨著環(huán)保意識的不斷提高，對可降解材料的需求日益增長，DNA 塑料有望成為替代傳統(tǒng)不可降解塑料的理想選擇，減輕對生態(tài)環(huán)境的壓力，保護(hù)自然資源和生態(tài)平衡。
再者，DNA 塑料具有高度的定制化特性。通過精確設(shè)計 DNA 的堿基序列，可以對塑料的物理、化學(xué)和生物學(xué)性能進(jìn)行精細(xì)調(diào)控。這意味著可以根據(jù)不同的應(yīng)用需求，定制出具有特定強度、柔韌性、導(dǎo)電性、光學(xué)性質(zhì)等的塑料材料。例如，在電子領(lǐng)域，可以制備出具有特定電學(xué)性能的柔性電路；在組織工程中，可以合成與人體組織相似的力學(xué)性能的支架材料。這種定制化能力為滿足多樣化和個性化的應(yīng)用需求提供了極大的便利。
此外，DNA 塑料的資源可持續(xù)性也是其顯著優(yōu)點之一。傳統(tǒng)塑料的生產(chǎn)通常依賴于有限的石油資源，而 DNA 可以從生物廢棄物中提取和合成，或者通過生物技術(shù)進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)。這不僅減少了對不可再生資源的依賴，還有助于實現(xiàn)廢棄物的資源化利用，促進(jìn)循環(huán)經(jīng)濟的發(fā)展。同時，與從石油提取和加工的過程相比，DNA 塑料的生產(chǎn)過程往往能耗更低，排放更少，符合可持續(xù)發(fā)展的要求。
DNA 塑料在性能穩(wěn)定性方面也表現(xiàn)出色。其獨特的分子結(jié)構(gòu)賦予了材料良好的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性，能夠在較寬的溫度范圍和不同的化學(xué)環(huán)境中保持性能的穩(wěn)定。這使得 DNA 塑料在極端條件下的應(yīng)用成為可能，如航空航天、深海探測等領(lǐng)域，拓寬了材料的應(yīng)用范圍。
另外，DNA 塑料還具有良好的加工性能。它可以采用多種傳統(tǒng)的塑料加工方法，如注塑成型、擠出成型等，便于大規(guī)模生產(chǎn)和制造復(fù)雜形狀的產(chǎn)品。而且，DNA 塑料在加工過程中對設(shè)備的磨損較小，降低了生產(chǎn)成本和設(shè)備維護(hù)費用。
在光學(xué)性能方面，DNA 塑料具有獨特的優(yōu)勢。通過調(diào)整 DNA 分子的結(jié)構(gòu)和組成，可以實現(xiàn)對光的吸收、發(fā)射和傳輸?shù)木_控制，從而制備出具有優(yōu)異光學(xué)性能的材料，如發(fā)光材料、光學(xué)傳感器等，在光電器件和生物成像等領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價值。
綜上所述，DNA 塑料憑借其生物相容性、可降解性、定制化、資源可持續(xù)性、性能穩(wěn)定性、加工性能和光學(xué)性能等諸多優(yōu)點，展現(xiàn)出了巨大的發(fā)展?jié)摿蛻?yīng)用前景。隨著相關(guān)技術(shù)的不斷進(jìn)步和完善，相信 DNA 塑料將在未來的材料領(lǐng)域發(fā)揮重要作用，為解決一系列實際問題提供創(chuàng)新的解決方案。
3、DNA 塑料的市場規(guī)模
目前 DNA 塑料的市場規(guī)模相對較小，但該領(lǐng)域的發(fā)展?jié)摿^大。
由于 DNA 塑料是一種新興的材料，其市場仍處于發(fā)展階段。然而，隨著人們對可持續(xù)和環(huán)保材料的需求不斷增加，以及相關(guān)技術(shù)的不斷進(jìn)步，DNA 塑料的市場有望逐漸擴大。
例如，天津大學(xué)仰大勇教授團隊聯(lián)合中石油石化研究院成功研發(fā)的新型 DNA 生物塑料，原料來源豐富，生產(chǎn)、使用和回收處理全過程均與生態(tài)環(huán)境友好兼容，且可以低能耗無損回收，在部分應(yīng)用領(lǐng)域展現(xiàn)出替代石油基塑料的潛力。這種塑料具有優(yōu)異的可折疊性和低溫穩(wěn)定性，可應(yīng)用于生物傳感、藥物遞送和組織工程等生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，也有望在其他領(lǐng)域發(fā)揮作用。
雖然目前沒有確切的關(guān)于 DNA 塑料市場規(guī)模的具體數(shù)據(jù)，但一些報告對整個生物降解塑料市場的規(guī)模進(jìn)行了預(yù)測。根據(jù) Polaris Market Research 的一項新報告，2023 年全球消費后再生塑料市場價值 110.9 億美元，預(yù)計在 2024 - 2032 年將以 10.60%的復(fù)合年增長率增長，到 2032 年，全球消費后再生塑料市場規(guī)模預(yù)計將達(dá)到 273.4 億美元。
需要注意的是，DNA 塑料的市場規(guī)模受到多種因素的影響，如技術(shù)成熟度、成本降低、市場認(rèn)可度、政策支持等。未來，隨著這些因素的積極變化，DNA 塑料的市場規(guī)?？赡軙酗@著的增長。但要獲取關(guān)于 DNA 塑料市場規(guī)模的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，建議關(guān)注相關(guān)市場研究機構(gòu)的最新報告以及該領(lǐng)域的發(fā)展動態(tài)。
DNA不僅是神奇的遺傳分子，指導(dǎo)生物們的生理特性和生化過程，現(xiàn)在，DNA還能變成萬能的材料分子，裝點生物體外的大千世界，給世界帶來更多改變。
DNA變塑料的技術(shù)展示了生物技術(shù)在解決環(huán)境問題上的巨大潛力。盡管目前這項技術(shù)仍處于發(fā)展階段，且面臨著成本、規(guī)模化生產(chǎn)和市場接受度等挑戰(zhàn)，但其在未來的環(huán)境友好型材料領(lǐng)域中無疑將扮演重要角色。隨著研究的深入和技術(shù)的進(jìn)步，我們有理由相信，生物合成塑料將在不久的將來成為塑料產(chǎn)業(yè)的主流產(chǎn)品，為我們的地球帶來更加綠色和可持續(xù)的未來。
原文鏈接：https://www.xianjichina.com/special/detail_552045.html
來源：賢集網(wǎng)
著作權(quán)歸作者所有。商業(yè)轉(zhuǎn)載請聯(lián)系作者獲得授權(quán)，非商業(yè)轉(zhuǎn)載請注明出處。
美國康奈爾大學(xué)的生物學(xué)家羅丹所帶領(lǐng)的團隊在其中找到了DNA的用武之地。DNA與塑料的本質(zhì)相似，都是由碳?xì)浣M成的高分子鏈，如果能在DNA鏈中加入其他物質(zhì)改變其機械性能，DNA也許就能發(fā)揮出與塑料相似的功能。
用DNA做塑料原料的優(yōu)勢很明顯。與人造高分子材料不同，DNA作為地球上天然生產(chǎn)且歷史悠久的高分子，幾乎所有生物都具有分解DNA的酶，用DNA作為塑料完全不用擔(dān)心出現(xiàn)無法降解的問題；另一個明顯優(yōu)勢是，現(xiàn)在的塑料原料主要來源是化石能源，化石能源總有枯竭的一天。而DNA不同，地球有這么多的生物，它們幾乎時時刻刻在制造DNA，將DNA作為原料，可謂是取之不盡用之不竭。
DNA，這個承載著生命遺傳信息的分子，其獨特的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)為材料科學(xué)帶來了全新的可能性。塑料，作為廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域的重要材料，一直以來都面臨著環(huán)境可持續(xù)性等諸多問題。如果能夠利用 DNA 來制造塑料，不僅有望解決塑料行業(yè)的一些難題，還可能開創(chuàng)出一系列具有優(yōu)異性能的新型材料。
1、DNA如何變塑料
那么，該如何將DNA變成塑料呢？首先是收集原料，幾乎所有生物的體內(nèi)都有DNA，但是珍稀動植物或者農(nóng)業(yè)種植、養(yǎng)育的動植物當(dāng)然不適合作為DNA的來源。此外，從提純的角度考慮，較小的生物體含有的DNA以外的物質(zhì)較少，更適合用于提取DNA。
基于以上考慮，羅丹的研究團隊選取的是大海中的微生物和藻類、釀酒廠和制藥廠等各種發(fā)酵工廠使用過后的微生物殘渣等，從這些生物體內(nèi)可以收集到方便且廉價的天然DNA。未來，如果DNA塑料真正形成了產(chǎn)業(yè)鏈，也可以像發(fā)酵工廠那樣，建造一個個大型培養(yǎng)罐，用工業(yè)法高密度培養(yǎng)細(xì)菌，更快地獲取大量DNA。
獲取了DNA后，要將螺旋狀的DNA鏈解開成為單鏈，方便后續(xù)添加其他物質(zhì)，按用途改變其性質(zhì)。此前，已經(jīng)有許多團隊在嘗試將生物高分子材料多糖和蛋白質(zhì)等制成塑料。但是在解旋和重組的過程中，由于沒有合適的交聯(lián)劑，往往需要大量的能量才能完成這個過程。這次，羅丹的團隊幸運地解決了這個問題。在經(jīng)過許多次實驗后，研究團隊找到了一種適宜的小分子交聯(lián)劑，將它與天然DNA共同溶解在水中，在室溫下兩者就可以發(fā)生反應(yīng)，最快半小時就能將DNA解旋，一個個小分子交聯(lián)劑連接到DNA單鏈上，最終將許多條DNA單鏈交聯(lián)成一個完整的凝膠狀物質(zhì)。
研究團隊通過調(diào)節(jié)反應(yīng)時間和天然DNA的濃度等條件調(diào)控凝膠的機械性能，制備出了像橡膠一樣柔軟的凝膠，也制出了與塑料玩具一樣堅硬的凝膠。柔軟且輕薄的DNA凝膠在鋁離子和甘油的幫助下涂覆在銅線上，由于DNA是絕緣體，因此這些DNA涂層像塑料膜一樣顯示出完全的電絕緣性，涂在銅線上就制成了一根電線。堅硬的DNA凝膠則被研究團隊制成了一個拼圖玩具，涂上了紅、綠、橙、黑等各種顏色的DNA凝膠塊，看上去與真正的塑料玩具毫無差別。
2、DNA 塑料的優(yōu)點
DNA 塑料作為一種新興的材料，具有許多顯著的優(yōu)點，為材料科學(xué)和相關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域帶來了新的機遇和可能性。
首先，DNA 塑料具有出色的生物相容性。由于 DNA 是生物體內(nèi)天然存在的重要分子，基于 DNA 制備的塑料在與生物體接觸時，表現(xiàn)出較低的毒性和免疫原性。這使得 DNA 塑料在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景，例如可用于制造體內(nèi)植入物，如心臟支架、人工關(guān)節(jié)等，減少了異物排斥反應(yīng)的風(fēng)險。在藥物輸送方面，DNA 塑料制成的納米載體能夠更有效地將藥物遞送到病變部位，提高治療效果的同時降低副作用。
其次，DNA 塑料具備良好的可降解性。與傳統(tǒng)塑料在自然環(huán)境中難以分解、造成嚴(yán)重污染的情況不同，DNA 塑料可以在特定的條件下被生物酶或微生物分解為無害的物質(zhì)。這對于解決當(dāng)前日益嚴(yán)重的塑料污染問題具有重要意義。隨著環(huán)保意識的不斷提高，對可降解材料的需求日益增長，DNA 塑料有望成為替代傳統(tǒng)不可降解塑料的理想選擇，減輕對生態(tài)環(huán)境的壓力，保護(hù)自然資源和生態(tài)平衡。
再者，DNA 塑料具有高度的定制化特性。通過精確設(shè)計 DNA 的堿基序列，可以對塑料的物理、化學(xué)和生物學(xué)性能進(jìn)行精細(xì)調(diào)控。這意味著可以根據(jù)不同的應(yīng)用需求，定制出具有特定強度、柔韌性、導(dǎo)電性、光學(xué)性質(zhì)等的塑料材料。例如，在電子領(lǐng)域，可以制備出具有特定電學(xué)性能的柔性電路；在組織工程中，可以合成與人體組織相似的力學(xué)性能的支架材料。這種定制化能力為滿足多樣化和個性化的應(yīng)用需求提供了極大的便利。
此外，DNA 塑料的資源可持續(xù)性也是其顯著優(yōu)點之一。傳統(tǒng)塑料的生產(chǎn)通常依賴于有限的石油資源，而 DNA 可以從生物廢棄物中提取和合成，或者通過生物技術(shù)進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)。這不僅減少了對不可再生資源的依賴，還有助于實現(xiàn)廢棄物的資源化利用，促進(jìn)循環(huán)經(jīng)濟的發(fā)展。同時，與從石油提取和加工的過程相比，DNA 塑料的生產(chǎn)過程往往能耗更低，排放更少，符合可持續(xù)發(fā)展的要求。
DNA 塑料在性能穩(wěn)定性方面也表現(xiàn)出色。其獨特的分子結(jié)構(gòu)賦予了材料良好的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性，能夠在較寬的溫度范圍和不同的化學(xué)環(huán)境中保持性能的穩(wěn)定。這使得 DNA 塑料在極端條件下的應(yīng)用成為可能，如航空航天、深海探測等領(lǐng)域，拓寬了材料的應(yīng)用范圍。
另外，DNA 塑料還具有良好的加工性能。它可以采用多種傳統(tǒng)的塑料加工方法，如注塑成型、擠出成型等，便于大規(guī)模生產(chǎn)和制造復(fù)雜形狀的產(chǎn)品。而且，DNA 塑料在加工過程中對設(shè)備的磨損較小，降低了生產(chǎn)成本和設(shè)備維護(hù)費用。
在光學(xué)性能方面，DNA 塑料具有獨特的優(yōu)勢。通過調(diào)整 DNA 分子的結(jié)構(gòu)和組成，可以實現(xiàn)對光的吸收、發(fā)射和傳輸?shù)木_控制，從而制備出具有優(yōu)異光學(xué)性能的材料，如發(fā)光材料、光學(xué)傳感器等，在光電器件和生物成像等領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價值。
綜上所述，DNA 塑料憑借其生物相容性、可降解性、定制化、資源可持續(xù)性、性能穩(wěn)定性、加工性能和光學(xué)性能等諸多優(yōu)點，展現(xiàn)出了巨大的發(fā)展?jié)摿蛻?yīng)用前景。隨著相關(guān)技術(shù)的不斷進(jìn)步和完善，相信 DNA 塑料將在未來的材料領(lǐng)域發(fā)揮重要作用，為解決一系列實際問題提供創(chuàng)新的解決方案。
3、DNA 塑料的市場規(guī)模
目前 DNA 塑料的市場規(guī)模相對較小，但該領(lǐng)域的發(fā)展?jié)摿^大。
由于 DNA 塑料是一種新興的材料，其市場仍處于發(fā)展階段。然而，隨著人們對可持續(xù)和環(huán)保材料的需求不斷增加，以及相關(guān)技術(shù)的不斷進(jìn)步，DNA 塑料的市場有望逐漸擴大。
例如，天津大學(xué)仰大勇教授團隊聯(lián)合中石油石化研究院成功研發(fā)的新型 DNA 生物塑料，原料來源豐富，生產(chǎn)、使用和回收處理全過程均與生態(tài)環(huán)境友好兼容，且可以低能耗無損回收，在部分應(yīng)用領(lǐng)域展現(xiàn)出替代石油基塑料的潛力。這種塑料具有優(yōu)異的可折疊性和低溫穩(wěn)定性，可應(yīng)用于生物傳感、藥物遞送和組織工程等生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，也有望在其他領(lǐng)域發(fā)揮作用。
雖然目前沒有確切的關(guān)于 DNA 塑料市場規(guī)模的具體數(shù)據(jù)，但一些報告對整個生物降解塑料市場的規(guī)模進(jìn)行了預(yù)測。根據(jù) Polaris Market Research 的一項新報告，2023 年全球消費后再生塑料市場價值 110.9 億美元，預(yù)計在 2024 - 2032 年將以 10.60%的復(fù)合年增長率增長，到 2032 年，全球消費后再生塑料市場規(guī)模預(yù)計將達(dá)到 273.4 億美元。
需要注意的是，DNA 塑料的市場規(guī)模受到多種因素的影響，如技術(shù)成熟度、成本降低、市場認(rèn)可度、政策支持等。未來，隨著這些因素的積極變化，DNA 塑料的市場規(guī)?？赡軙酗@著的增長。但要獲取關(guān)于 DNA 塑料市場規(guī)模的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，建議關(guān)注相關(guān)市場研究機構(gòu)的最新報告以及該領(lǐng)域的發(fā)展動態(tài)。
DNA不僅是神奇的遺傳分子，指導(dǎo)生物們的生理特性和生化過程，現(xiàn)在，DNA還能變成萬能的材料分子，裝點生物體外的大千世界，給世界帶來更多改變。
DNA變塑料的技術(shù)展示了生物技術(shù)在解決環(huán)境問題上的巨大潛力。盡管目前這項技術(shù)仍處于發(fā)展階段，且面臨著成本、規(guī)模化生產(chǎn)和市場接受度等挑戰(zhàn)，但其在未來的環(huán)境友好型材料領(lǐng)域中無疑將扮演重要角色。隨著研究的深入和技術(shù)的進(jìn)步，我們有理由相信，生物合成塑料將在不久的將來成為塑料產(chǎn)業(yè)的主流產(chǎn)品，為我們的地球帶來更加綠色和可持續(xù)的未來。
原文鏈接：https://www.xianjichina.com/special/detail_552045.html
來源：賢集網(wǎng)
著作權(quán)歸作者所有。商業(yè)轉(zhuǎn)載請聯(lián)系作者獲得授權(quán)，非商業(yè)轉(zhuǎn)載請注明出處。
更多>同類橡機資訊