پژوهشگران ماده‌ای گیاهی، تجدیدپذیر و مقیاس‌پذیر ایجاد کرده‌اند که می‌تواند در بسیاری از محصولات مصرفی جایگزین پلاستیک‌های یک‌بار مصرف شود.
محققانی از دانشگاه کمبریج با تقلید از ویژگی‌های تار عنکبوت که یکی از محکم‌ترین مواد در طبیعت است فیلمی پلیمری ایجاد کردند. ماده جدید به اندازه بسیاری از پلاستیک‌های رایج که امروزه از آن استفاده می‌شود، محکم است و می‌تواند جایگزین پلاستیک در بسیاری از محصولات خانگی رایج شود.
این ماده با استفاده از رویکردی جدید برای کنار هم قرار دادن پروتئین‌های گیاهی و تبدیل آن‌ها به موادی ایجاد شده است که در سطح مولکولی مشابه تار عنکبوت هستند. در این روش با استفاده از ترکیبات تجدیدپذیر و با صرف انرژی کم یک فیلم خود ایستا و پلاستیک مانند ایجاد می‌شود که می‌تواند در مقیاس صنعتی تولید شود. رنگ «ساختاری» غیر محو شده می‌تواند به پلیمر اضافه شود و از آن می‌توان برای ساختن پوشش‌های مقاوم در برابر آب استفاده کرد.
این ماده می‌تواند به کمپوست خانگی تبدیل شود، در حالی که انواع دیگر بیوپلاستیک برای تخریب به امکانات کمپوست‌سازی صنعتی نیاز دارند. علاوه بر این، ماده ساخته‌شده در کمبریج به هیچ گونه تغییر شیمیایی در مواد اولیه طبیعی خود نیاز ندارد، به همین دلیل می‌تواند به طور ایمن در اکثر محیط‌های طبیعی تخریب شود.
این محصول جدید را شرکت Xampla تجاری‌سازی خواهد کرد. این شرکت، شرکتی برآمده از دانشگاه کمبریج است که در حال توسعه محصولاتی برای جایگزینی با پلاستیک یک‌بارمصرف و میکروپلاستیک است. این شرکت در اواخر امسال دسته‌ای از ساشه‌ها و کپسول‌های یک‌بار مصرف را معرفی خواهد کرد که می‌توانند جایگزین پلاستیک به‌کاررفته در محصولات روزمره مانند قرص ماشین ظرف‌شویی و کپسول مواد شوینده لباسشویی شوند. نتایج این مطالعه در ژورنال Nature Communications گزارش شده است.
پروفسور توماس نولز (Tuomas Knowles) سال‌هاست که در گروه شیمی یوسف حمید در کمبریج در مورد رفتار پروتئین‌ها تحقیق می‌کند. بیشتر پژوهش‌های وی بر این موضوع متمرکز شده است تا دریابد هنگامی که پروتئین‌ها دچار تاخوردگی اشتباه می‌شوند یا رفتار نادرستی دارند چه اتفاقی می‌افتد و چگونه این وضعیت به سلامتی و بیماری‌های انسانی و به‌ویژه بیماری آلزایمر ارتباط می‌یابد.
دکتر نولز که هدایت تحقیق حاضر را برعهده داشته است گفت: «ما به طور معمول بررسی می‌کنیم که چگونه میانکنش‌های کارآمد پروتئین امکان سلامت به ما می‌دهند و چگونه میانکنش‌های نامنظم در بیماری آلزایمر نقش دارند.» وی ادامه داد: «تعجب‌برانگیز بود که دریافتیم تحقیقات ما می‌تواند مشکل بزرگی در محیط‌زیست یعنی مسئله آلودگی پلاستیک را حل کند.»
نولز و گروهش به عنوان بخشی از تحقیقات خود در مورد پروتئین، به این موضوع علاقه‌مند شدند که چرا موادی مانند تار عنکبوت با اینکه پیوندهای مولکولی بسیار ضعیفی دارند بسیار مقاوم هستند. دکتر نولز گفت: «دریافتیم که یکی از ویژگی‌های کلیدی که به تار عنکبوت قدرت می‌بخشد آن است که پیوندهای هیدروژنی به‌طور منظم در فضا و با تراکم بسیار زیاد مرتب شده‌اند.»
دکتر مارک رودریگز گارسیا (Marc Rodriguez Garcia)، نویسنده همکار این مطالعه و محقق فوق دکترا در گروه نولز است که اکنون ریاست تحقیق و توسعه در Xampla را بر عهده دارد. وی بررسی کرد که چگونه این خود تجمعی (self-assembly) منظم را در سایر پروتئین‌ها ایجاد کند. پروتئین‌ها به خود سازمان‌یابی و خود تجمعی مولکولی تمایل دارند. از سوی دیگر پروتئین‌های گیاهی فراوان هستند و می‌توان آن‌ها را به عنوان محصولات جانبی صنایع غذایی به طور تجدیدپذیری تهیه کرد.
ایاکا کمادا (Ayaka Kamada) نویسنده اول مقاله که دانشجوی دکتری است، گفت: «اطلاعات کمی در مورد خود تجمعی پروتئین‌های گیاهی شناخته شده است و جالب است بدانید که با پر کردن این خلأ دانش می‌توانیم جایگزین‌های برای پلاستیک‌های یک‌بار مصرف پیدا کرد.»
محققان ساختارهای موجود روی تار عنکبوت را با موفقیت تکرار کردند. آن‌ها برای این کار از ایزوله پروتئین سویا (SPI) استفاده کردند که پروتئینی با ترکیبی کاملاً متفاوت است. نولز گفت: «ازآنجاکه تمام پروتئین‌ها از زنجیره‌های پلی‌پپتیدی ساخته شده‌اند، در شرایط مناسب می‌توانیم سبب خود تجمعی پروتئین‌های گیاهی شویم، درست مانند آنچه در تار عنکبوت روی می‌دهد.» «در عنکبوت، پروتئین تار در محلولی آبی حل می‌شود، سپس از طریق یک فرایند تابیدن که به انرژی بسیار کمی نیاز دارد، به فیبری بسیار قوی تبدیل می‌شود.»
رودریگز گارسیا گفت: «سایر محققان به عنوان جایگزین پلاستیک به طور مستقیم با مواد تار کار می‌کنند که البته هنوز یک محصول حیوانی است.» «اما در روشی که ما طی کرده‌ایم با تار عنکبوت گیاهی مواجهیم. ما همان ماده را بدون عنکبوت ایجاد کرده‌ایم.»
هرگونه جایگزینی برای پلاستیک به پلیمر دیگری نیاز دارد. دو پلیمری که در طبیعت به وفور وجود دارند پلی‌ساکاریدها و پلی‌پپتیدها هستند. سلولز و نانوسلولز پلی‌ساکارید هستند و در طیف وسیعی از کاربردها استفاده شده‌اند، اما برای تشکیل مواد محکم غالباً به نوعی پیوند عرضی نیاز دارند. پروتئین‌ها خود تجمعی دارند و می‌توانند مواد محکمی مانند را ابریشم بدون هیچ‌گونه تغییر شیمیایی ایجاد کنند، اما کار با آن‌ها بسیار دشوارتر است.
محققان به عنوان پروتئین آزمایشگاهی گیاهی از ایزوله پروتئین سویا استفاده کردند، زیرا به راحتی به عنوان محصول جانبی تولید روغن سویا در دسترس قرار دارد. پروتئین‌های گیاهی مانند ایزوله پروتئین سویا به‌زحمت در آب حل می‌شوند که این ویژگی کنترل خود تجمعی آن‌ها در ساختارهای منظم را دشوار می‌کند.
در روش جدید از مخلوط سازگار با محیط‌زیست شامل اسید استیک و آب همراه با اولتراسونیکاسیون و دمای بالا استفاده می‌شود تا حلالیت ایزوله پروتئین سویا بهبود یابد. این روش ساختارهای پروتئینی را با میانکنش‌های بین مولکولی افزایش‌یافته که با تشکیل پیوند هیدروژنی هدایت شده‌اند ایجاد می‌کند. در مرحله دوم حلال خارج می‌شود که به تشکیل فیلمی نامحلول در آب منجر می‌شود.
تصویر نمادی از سازوکار پیشنهاد شده برای خود تجمعی ایزوله پروتئین سویا (SPI). از طریق تیمار اولتراسونیکاسیون در محلول اسید استیک، توده‌های نامحلول اولیه، محلول شده و باز می‌شوند که سبب می‌شود برای تشکیل میانکنش‌های بین‌مولکولی جدید در دسترس باشند. به محض خنک شدن، ساختارهای جدید بین مولکولی جدید بین صفحات بتا تشکیل می‌شود. حذف حلال منجر به تشکیل نانوکریستال های صفحات بتا درون فیلم می‌شود.
این ماده عملکردی معادل با پلاستیک‌های مهندسی با کارایی بالا مانند پلی اتیلن با چگالی کم دارد. قدرت آن در آرایش منظم زنجیره‌های پلی‌پپتیدی نهفته است، یعنی نیازی به اتصالات عرضی شیمیایی نیست. این نوع اتصالات غالباً برای بهبود عملکرد و مقاومت فیلم‌های بیوپلیمر استفاده می‌شوند. متداول‌ترین مواد مورد استفاده برای اتصالات عرضی تجدیدپذیر نیستند و حتی می‌توانند سمی باشند، در حالی که برای تکنیک توسعه‌یافته در کمبریج به هیچ ماده سمی نیازی نیست.
دکتر نولز گفت: «این نقطه اوج چیزی است که ما بیش از ده سال روی آن کار کرده‌ایم و آن درک آن است که چگونه طبیعت از پروتئین‌ها موادی تولید می‌کند.» وی می‌افزاید: «ما برای حل چالش تجدیدپذیری کار خود را شروع نکردیم، بلکه به وسیله کنجکاوی انگیزه پیدا کردیم که چگونه مواد قوی را با میانکنش‌های ضعیف ایجاد کنیم. «
رودریگز گارسیا گفت: «موفقیت کلیدی در اینجا امکان کنترل خود تجمعی است، بنابراین ما اکنون می‌توانیم موادی با عملکرد بالا ایجاد کنیم.» او افزود: «بخشی از این سفر بودن، هیجان‌انگیز است. آلودگی پلاستیک مسئله بزرگ و عظیمی در جهان است و ما در خوشبخت هستیم که می‌توانیم در این زمینه کاری انجام دهیم.»
Original Reference: Kamada, Ayaka, Marc Rodriguez-Garcia, Francesco Simone Ruggeri, Yi Shen, Aviad Levin, and Tuomas P. J. Knowles. “Controlled Self-Assembly of Plant Proteins into High-Performance Multifunctional Nanostructured Films.” Nature Communications ۱۲, no. 1 (2021): 3529. https://doi.org/10.1038/s41467-021-23813-6.
منبع: EurekAlert و Nature Communications