Adezivi ecologici produși de bacterii din glucoză
Cercetătorii de la Institutul Avansat de Știință și Tehnologie din Coreea (KAIST) au demonstrat că microorganismele pot produce o alternativă biosintetică la materialele derivate din petrol pentru adezivii termofuzibili. Acești adezivi, activați prin căldură, sunt folosiți pe scară largă în ambalaje, mobilă, electronice și automobile.
Echipa a folosit bacteria Escherichia coli pentru a produce un polimer nou din glucoză, cu performanțe adezive și proprietăți termice care îl fac potrivit ca adeziv termofuzibil. Cercetarea, condusă de profesorul Sang Yup Lee de la Departamentul de Inginerie Chimică și Biomoleculară, a fost publicată în Nature Communications.
Prin ingineria metabolică sistemică, cercetătorii au reproiectat căile metabolice ale bacteriei E. coli și au obținut două materiale adezive din glucoză: poly(4HB-co-PhLA) și poly(3HB-co-4HB-co-PhLA), ambele din familia polimerilor biodegradabili PHA.
Adezivii termofuzibili sunt materiale solide care se topesc la căldură pentru lipire și se solidifică la răcire. Nu necesită solvenți organici separați și permit lipirea rapidă, dar majoritatea sunt bazați pe polimeri derivați din petrol, precum etilen-vinil acetatul, care nu se degradează ușor în natură și pot genera deșeuri și microplastice.
Chiar și atunci când se folosesc ambalaje biodegradabile, dacă adezivul nu se degradează, biodegradabilitatea și reciclarea întregului produs pot fi reduse. De aceea, echipa s-a concentrat pe PHA, un plastic biodegradabil produs de microorganisme din materii prime regenerabile precum glucoza, cu proprietăți ajustabile de flexibilitate, rezistență și rezistență termică.
Cercetătorii au incorporat în același polimer 4-hidroxibutirat (4HB), care contribuie la moliciune și aderență, și fenilactat (PhLA), care crește rigiditatea și rezistența termică. Variind proporțiile celor două componente, s-au modificat proprietățile termice și performanța adezivă. Polimerii cu aproximativ 24–34 mol% 4HB au avut cea mai bună performanță adezivă.
Echipa a proiectat căi metabolice intracelulare astfel încât E. coli să consume glucoză, să producă 4HB și PhLA și să le lege în polimeri. Pentru a corecta dezechilibrele metabolice apărute la producerea simultană a mai multor monomeri, cercetătorii au ajustat puterea și momentul exprimării genelor, au adăugat o CoA transferază și au folosit un model metabolic la scară genomică pentru a identifica și optimiza căile asociate cu aportul insuficient de precursori și cu blocajele de producție.
Prin fermentare fed-batch, în care nutrienții sunt furnizați continuu în timpul cultivării microbiene, echipa a produs 10,2 g de poly(4HB-co-PhLA) per litru de mediu de cultură. Prin introducerea suplimentară a unei căi biosintetice pentru producerea de 3HB, a fost obținut până la 52,8 g/L de poly(3HB-co-4HB-co-PhLA).
Într-un test de rezistență la forfecare prin suprapunere pe substrat de oțel inoxidabil, poly(4HB-co-PhLA) a înregistrat o rezistență de 4,58 MPa, mai mare decât cea de 4,20 MPa a unui adeziv comercial EVA. Poly(3HB-co-4HB-co-PhLA) a avut performanțe comparabile cu EVA într-un test de lipire a lemnului. În plus, poly(4HB-co-PhLA) și-a păstrat o parte importantă din rezistența adezivă după topiri și relipiri repetate, iar componenta PhLA a îmbunătățit rezistența termică.
După tratamentul cu lipază, o enzimă care descompune grăsimile, s-au observat deteriorări ale suprafeței polimerilor, iar masa moleculară și masa totală a acestora au scăzut, ceea ce indică faptul că noul PHA aromatic poate fi degradat enzimatic.
Studiul este semnificativ atât pentru dezvoltarea unui adeziv ecologic, cât și pentru demonstrarea potențialului ingineriei metabolice de a produce materiale funcționale cu proprietăți reglabile. Abordarea ar putea fi extinsă într-o tehnologie de bioprocesare care ajustează rezistența adezivă, flexibilitatea și rezistența termică pentru aplicații specifice și produce astfel de materiale cu ajutorul microorganismelor.
Metoda permite obținerea din materii prime regenerabile, precum glucoza, a unor polimeri funcționali produși tradițional prin procese petrochimice. Aceasta ar putea deveni o tehnologie de producție durabilă nu doar pentru adezivi, ci și pentru o gamă largă de materiale polimerice funcționale.
„Acest studiu demonstrează că, prin inginerie metabolică microbiană, este posibil să depășim simpla producere de polimeri și să producem direct materiale funcționale. În viitor, folosind diverși monomeri non-naturali și fabrici celulare microbiene, această abordare ar putea fi extinsă în tehnologii de bioprocesare pentru producția durabilă nu doar a alternativelor la adezivii pe bază de petrol, ci și a unei game largi de polimeri funcționali”, a declarat Lee.
