目前，天然多糖類、蛋白質(zhì)已經(jīng)被開發(fā)用于制作傳統(tǒng)塑料制品，并展示了極大的潛力。然而，這些天然資源在這方面的應(yīng)用存在一些缺點(diǎn)：1）這些轉(zhuǎn)化過程類似于石油形成過程，需要對(duì)天然大分子進(jìn)行人工降解和再聚合以制造最終塑料制品。這當(dāng)中會(huì)消耗大量能源及其它資源。2）上述人工再聚合過程中會(huì)用到大量有機(jī)溶劑，并伴隨著其它副產(chǎn)物和廢物的產(chǎn)生，這個(gè)過程本身會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生不良影響。3）上述這些天然資源通常來(lái)源于農(nóng)作物，潛在地會(huì)與農(nóng)業(yè)資源像農(nóng)田和水等爭(zhēng)奪資源，比如蛋白和淀粉的提取和使用常常會(huì)占用人們的食物資源。

 

如何利用可再生資源植被生物可降解的塑料產(chǎn)品就成為一個(gè)緊迫的誘人的重大課題。天然DNA作為一種天然生物大分子具有獨(dú)特的物化性質(zhì)包括基因編碼能力、低的提取成本和環(huán)保的提取過程、良好的水處理能力以及完美的生物降解能力。

 

基于這些認(rèn)識(shí)，近日，美國(guó)康奈爾大學(xué)羅丹教授研究組（第一作者為王棟博士）在Journal of the American Chemical Society雜志上發(fā)表文章Transformation of Biomass DNA into Biodegradable Materials from Gels to Plastics for Reducing Petrochemical Consumption，創(chuàng)新性地提出利用天然DNA來(lái)作為一種可再生資源來(lái)制造塑料制品以取代傳統(tǒng)塑料。研究人員提出的轉(zhuǎn)化過程利用天然DNA對(duì)一種小分子交聯(lián)劑快速化學(xué)反應(yīng)，將天然DNA溶解在水中室溫下就可完成轉(zhuǎn)化。此過程非常簡(jiǎn)單、高效、綠色低廉且無(wú)需對(duì)天然DNA做任何預(yù)處理，也對(duì)天然DNA來(lái)源沒有限制。利用此一步式轉(zhuǎn)化過程，通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)化過程中對(duì)溶劑和催化劑等，天然DNA可以被轉(zhuǎn)化為凝膠材料、復(fù)合薄膜、圖案化薄膜和日常塑料制品包括電線絕緣皮層、餐具和玩具等。

 

圖1. DNA分子交聯(lián)和DNA塑料的準(zhǔn)備過程(圖片來(lái)源JACS)

圖1. DNA分子交聯(lián)和DNA塑料的準(zhǔn)備過程(圖片來(lái)源JACS)

在水中交聯(lián)天然DNA可以得到水凝膠，通過調(diào)節(jié)交聯(lián)時(shí)間和天然DNA的濃度等參數(shù)可以調(diào)控水凝膠的機(jī)械性能，甚至可以制備像橡膠一樣的水凝膠。通過引入能表達(dá)特定蛋白的的基因片段，他們的水凝膠就可以高效率的生產(chǎn)蛋白質(zhì)。同時(shí)，也能可控地緩釋蛋白等藥物分子。細(xì)胞實(shí)驗(yàn)也顯示天然DNA水凝膠具有非常好的生物相容性。這些特性不僅使得天然DNA具有和石化分子基水凝膠類似的機(jī)械性能，更重要是具有那些石化分子基不可能具備的性質(zhì)----蛋白生產(chǎn)能力。

 

圖2. DNA水凝膠的特性和功能(圖片來(lái)源JACS)

圖2. DNA水凝膠的特性和功能(圖片來(lái)源JACS)

用甘油置換轉(zhuǎn)化過程中的水，研究人員首次制備了基于DNA的有機(jī)凝膠。由于甘油極低的蒸氣壓、生物相容性和可抗凍特性，天然DNA有機(jī)凝膠具有非常高的機(jī)械強(qiáng)度的同時(shí)也保持了非常驚人的可拉伸性。研究人員意外地發(fā)現(xiàn)天然DNA有機(jī)凝膠可以很好地粘附在各種表面上。特別是可以粘附在用于不粘鍋涂層的特富龍表面上。由于甘油的抗凍性，天然DNA有機(jī)凝膠可以不僅在零下三十度仍然保持柔軟凝膠狀態(tài)，而且粘附強(qiáng)度大大增強(qiáng)。利用這個(gè)特性，研究人員可以用僅有小拇指大小的天然DNA有機(jī)凝膠在零下二十度通過粘附提起一部手機(jī)。這個(gè)例子證明天然DNA展示了非常出色的有機(jī)凝膠形成能力，并且天然地具有特殊的粘附性能。也展示了其在特殊氣候條件下，在柔性電子學(xué)和機(jī)器人領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。

 

圖3.DNA有機(jī)凝膠 (圖片來(lái)源JACS)

圖3.DNA有機(jī)凝膠 (圖片來(lái)源JACS)

由于水溶液中天然DNA轉(zhuǎn)化過程非常迅速，如何使這個(gè)快速的交聯(lián)過程變得均勻緩慢、可控是開發(fā)多種形式天然DNA材料的關(guān)鍵，比如制備天然DNA薄膜。為此，研究人員引入氣體催化劑概念，首次利用氣體把天然DNA轉(zhuǎn)化為薄膜材料。通過這個(gè)可控的轉(zhuǎn)化過程可以將各種材料復(fù)合到天然DNA薄膜中，包括碳納米材料、金屬或金屬氧化物納米顆粒、高分子、高分子單體、金屬離子等。這個(gè)策略也可將不同的復(fù)合材料像焊接一樣連接在一起形成復(fù)雜復(fù)合結(jié)構(gòu)材料，比如一個(gè)天然DNA“花朵”。引入微電子加工領(lǐng)域光刻蝕概念后，對(duì)天然DNA復(fù)合薄膜進(jìn)行正刻蝕和負(fù)刻蝕形成了不同的圖案化薄膜。這個(gè)方法在微納結(jié)構(gòu)材料領(lǐng)域顯示了巨大潛力。

 

圖4. DNA膜(圖片來(lái)源JACS)

圖4. DNA膜(圖片來(lái)源JACS)

最后研究人員將天然DNA轉(zhuǎn)化為日常生活中常見的塑料制品比如電線的絕緣皮，拼圖玩具和勺子。這進(jìn)一步驗(yàn)證了天然DNA可以作為一種可再生可降解的天然資源用于取代石油化學(xué)產(chǎn)品的可行性和巨大潛力。

 

圖5. DNA七巧板. (圖片來(lái)源JACS)

圖5. DNA七巧板. (圖片來(lái)源JACS)

總之，上述研究結(jié)果顯示天然DNA具有多方面的材料開發(fā)能力和多功能性，能被制作成許多由石化原料制造的產(chǎn)品。某些方面還顯示了石化產(chǎn)品不具備的功能，包括可降解性以及生物功能。這些發(fā)現(xiàn)為未來(lái)整個(gè)石化產(chǎn)品資源消耗引起的資源匱乏和環(huán)境污染等問題提供了一個(gè)可持續(xù)的、經(jīng)濟(jì)的、新興的和誘人的解決方案。

 

BioArt & 作者問答：

 

問：估計(jì)什么時(shí)候能有第一個(gè)產(chǎn)品啊？

 

答：不知道。這個(gè)研究成果論文剛剛發(fā)出。產(chǎn)業(yè)化取決于今后有多少人和多少資源投入到后續(xù)的研究、研發(fā)、中試、工業(yè)化商業(yè)化，等等。保守的估計(jì)，小規(guī)模產(chǎn)品應(yīng)該至少3-5 年吧。大規(guī)模替代塑料至少5-8年。大規(guī)模取代塑料至少得十年。當(dāng)然，協(xié)同合作的力量高不可估。天時(shí)地利人和的化，可以加快產(chǎn)出。

 

問：已經(jīng)有研究組將生物質(zhì)纖維素轉(zhuǎn)化成塑料；也有用生物質(zhì)蛋白做樹脂等材料。生物質(zhì)DNA有什么優(yōu)勢(shì)？

 

纖維素的主要功能是支撐保護(hù)生物體，其結(jié)構(gòu)不會(huì)輕易被打破。所以纖維素的分離提純很困難。需要高溫強(qiáng)酸等極端條件。還不太不溶于水。蛋白質(zhì)也有類似問題。而且蛋白質(zhì)種類太多，彼此組分性質(zhì)千變?nèi)f化。很難控制。同時(shí)，纖維素主要來(lái)源于作物，蛋白質(zhì)是人類食品的重要部分。用他們做塑料都會(huì)和農(nóng)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)。最重要的區(qū)別是，用纖維素做材料，首先需要把纖維素降解成小分子，然后再化工合成大分子如塑料。整個(gè)過程和用石油做塑料差不多。用生物質(zhì)DNA做塑料是直接交聯(lián)，一步到位。完全不需要最耗能、最耗時(shí)、最污染的前期處理過程。

 

問：DNA會(huì)不會(huì)很不穩(wěn)定？能否控制降解時(shí)間？

 

 

答：DNA在沒有水的情況下是極其穩(wěn)定的（木乃伊的DNA可以在干燥環(huán)境下保存幾千年就是一個(gè)例證）。降解時(shí)間的控制是可實(shí)現(xiàn)的，正在探索。

 

問：產(chǎn)品的生物安全問題。天然DNA吃下去沒有毒嗎？

 

答：人們每時(shí)每刻都在吃天然DNA（各種有益或無(wú)益的細(xì)菌）。所有食品，無(wú)論葷素，都含有DNA。生食的食物比如水果，生魚片，沙拉等，天然DNA就直接進(jìn)入消化道了。

 

問：雖然天然DNA在自然界到處都是，從工業(yè)化角度，如何大規(guī)模收集生物質(zhì)DNA做原料？

 

答：因?yàn)閷?shí)驗(yàn)室研究成果才剛剛發(fā)表，這個(gè)工業(yè)化問題還沒有透徹地研究過。但已經(jīng)有很多有啟發(fā)性的線索了。比如，污染大江大湖以及海洋的藻類，大海中的微生物，所有釀酒廠的酵母，果汁廠的果渣，制藥廠的菌渣等等，都可以相對(duì)方便地收集到工業(yè)規(guī)模的天然DNA。也可以像石油工業(yè)有巨大無(wú)比的儲(chǔ)油罐那樣，用工業(yè)法高密度培養(yǎng)細(xì)菌（每二十分鐘DNA就加倍）。等等。這些都不和農(nóng)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)。和石油開發(fā)過程相比（需要勘探，鉆井，開采，儲(chǔ)運(yùn)，提煉等），投入要小很多。