В Корее смогли получить высокоэффективный термопластичный клей из кишечной палочки вместо нефти
Корреспондент Гу Бон Хёк
- Производство биоразлагаемого полимера из кишечной палочки, питающейся глюкозой
- Увеличение адгезии на 9 % по сравнению с существующими материалами, повышение термостойкости и повторной адгезии
Кан Мин Чжу (слева направо), аспирант факультета биохимической инженерии KAIST, профессор Ли Сан Ёп, доктора Ли Ён Чжун и Ким Ки Бэ [Фото предоставлено KAIST]
Южнокорейские ученые разработали технологию производства клея из кишечной палочки вместо нефти. Биополимер, полученный из кишечной палочки, питаемой глюкозой, продемонстрировал более высокую адгезию по сравнению с существующими клеями на нефтяной основе.
17 сентября Корейский институт передовых технологии (KAIST) сообщил, что исследовательская группа под руководством профессора Ли Сан Ёпа с факультета биохимической инженерии разработала «микробиологическую клеточную фабрику», которая, благодаря высокоточному проектированию генов и метаболических путей E. coli, производит высокоэффективный материал для клея из глюкозы.
Термопластичный клей, широко используемый в различных областях — от посылочных коробок до мебели, электроники и автомобилей, — представляет собой материал, который плавится под воздействием тепла и затвердевает при остывании, склеивая предметы. В настоящее время в основном используются полимеры нефтяного происхождения, такие как этилен-винилацетат (EVA). Однако их недостатком является то, что они не разлагаются в природе, что может привести к проблемам с отходами и микропластиком.
Исследовательская группа обратила внимание на биоразлагаемый полимер «полигидроксиалканоат (PHA)», который микроорганизмы могут производить из возобновляемого сырья.
Ключевой задачей было одновременное повышение адгезии и термостойкости. Исследователи объединили 4-гидроксибутират (4HB), придающий материалу мягкость и хорошую адгезию, с фениллактатом (PhLA), повышающим жёсткость и термостойкость. Метод заключается в регулировании соотношения этих двух компонентов для получения желаемых физико-механических свойств.
Для этого была перепроектирована метаболическая цепь внутри кишечной палочки и оптимизированы экспрессия генов и действие ферментов. С помощью компьютерной модели метаболизма удалось устранить узкие места в производственном процессе.
В результате удалось получить 10,2 г нового полимера «poly(4HB-co-PhLA)» на 1 литр культуральной среды. Полимер с добавлением еще одного компонента, 3HB, позволил увеличить выход до 52,8 г на 1 литр.
Адгезионные свойства также превзошли показатели существующих коммерческих продуктов.
Схематическое изображение результатов исследования [Предоставлено KAIST]
В результате испытаний на сдвиговую адгезию, проведённых исследовательской группой на нержавеющей стали, адгезионная прочность новоразработанного полимера составила 4,58 МПа, что примерно на 9 % выше, чем у существующего клея EVA, доступного на рынке (4,20 МПа). В испытаниях на склеивание древесины другие биополимеры также продемонстрировали характеристики, сопоставимые с коммерческими EVA.
В частности, даже после многократного оттаивания и повторного склеивания сохранялась значительная сила сцепления. Благодаря добавлению компонента PhLA также улучшились термостойкие свойства.
Была доказана и биоразлагаемость материала. При воздействии на полимер липазы — фермента, расщепляющего жиры — поверхность полимера повредилась, а молекулярная и общая масса уменьшились. Однако, по объяснению исследовательской группы, скорость разложения в реальных природных условиях и возможность коммерческого применения требуют дополнительной проверки.
Рис. 1: Схематическое представление процесса получения ароматических сополимеров ПХА и характеристик поли(4HB-ко-PhLA), синтезированного с добавлением Na4HB.
a Метаболические пути, участвующие в синтезе поли(4HB-ко-PhLA) и поли(3HB-ко-4HB-ко-PhLA). Красные стрелки обозначают гены, модифицированные для сверхэкспрессии или гетерологичной экспрессии. Синие пунктирные стрелки указывают на гены с пониженной экспрессией, а красные рамки обозначают удаленные гены. Несколько последовательных стрелок означают, что промежуточные реакции опущены. Сокращения метаболитов и ферментов приведены в Дополнительном примечании 2. b Титр полимера, содержание и молярная доля 4HB, полученные при культивировании в колбах со встряхиванием штамма E. coli TLF17BPAL с добавлением Na4HB (n = 3 биологически независимых культур). c Спектры 1H ЯМР полученного поли(4HB-ко-PhLA). В качестве внутреннего стандарта использовался тетраметилсилан (TMS), а в качестве растворителя — дейтерированный хлороформ (CDCl3). d Прочность сцепления (n = 3 независимо подготовленных клеевых соединений) и Tg полученного поли(4HB-ко-PhLA) с различными молярными долями 4HB. Все данные представлены в виде среднего значения ± стандартное отклонение, а открытые символы обозначают исходные точки данных. Исходные данные для данного рисунка доступны в файле Исходные данные.
Рис. 2: Метаболическая инженерия для производства поли(4HB-ко-PhLA) из глюкозы.
a Схематическое изображение систем гетерологичной экспрессии генов (ES1–ES6) и результаты культивирования в колбах со встряхиванием штамма 4P0, несущего каждую из этих систем. b Результаты культивирования в колбах со встряхиванием штамма 4P0, несущего системы экспрессии ES7-1–ES7-4. c Профиль ферментации в режиме fed-batch штамма 4P0, несущего систему ES7-2. d Результаты культивирования в колбах со встряхиванием штамма 4P0 с использованием различных SPP (ES8-1–ES8-7). e Профиль ферментации в режиме «fed-batch» штамма 4P0, несущего систему ES8-2. Для экспериментов по культивированию в колбах со встряхиванием в (a), (b) и (d) n = 3 биологически независимых культивуемых штамма. Все данные представлены в виде среднего значения ± стандартное отклонение, а открытые символы обозначают исходные точки данных. Для (c) и (e) использованный штамм и система экспрессии плазмиды указаны в сером поле. Сокращения метаболитов и ферментов приведены в Дополнительном примечании 2. Исходные данные для данного рисунка доступны в файле «Исходные данные». Статистическая значимость определялась с помощью двустороннего t-критерия Стьюдента без поправки на множественные сравнения.
P < 0,05 и **P < 0,0005. Точные значения P приведены в файле исходных данных.
Рис. 3: Создание штаммов, сверхпродуцирующих поли(4HB-ко-PhLA), с использованием iBridge и получение терполимера поли(3HB-ко-4HB-ко-PhLA).
a Результаты культивирования в колбах с встряхиванием штаммов 4P1 с пониженной экспрессией каждого целевого гена (гены serA, alaA, alaC, icd, accA и accC). (b) Результаты культивирования в колбах со встряхиванием штаммов 4P2 с сверхэкспрессией каждого целевого гена (pckA и ilvE). Для экспериментов по культивированию в колбах со встряхиванием, представленных в (a) и (b), n = 3 биологически независимые культуры. c Результаты ферментации методом «fed-batch» штамма 4P3, несущего плазмидные конструкции ES8-2. (d) Результаты ферментации методом «фед-батч» штамма 4P3, несущего плазмиды pPs619C1437TM-HadA-phaAB и pBBR1_ficAs4D_orfZ. Все данные представлены в виде среднего значения ± стандартное отклонение, а открытые символы обозначают исходные точки данных. Исходные данные для данного рисунка доступны в файле Source Data.
Рис. 4: Свойства полученных поли(4HB-ко-PhLA) и поли(3HB-ко-4HB-ко-PhLA).
a Результаты ДСК (кривая второго нагрева) и b ТГА различных ПХА. Треугольники, направленные вверх, обозначают положения Tg, треугольники, направленные вправо, — положения Tcc, а треугольники, направленные вниз, — положения Tm (Tm1, Tm2) соответствующих полимеров. Исходные кривые ТГА с увеличенными вставками приведены на дополнительном рис. 8. c Прочность сцепления различных HMA на подложках из нержавеющей стали (n = 3 независимо подготовленных склеенных соединений). d Прочность склеивания 4P-1, EVA и 34P-1 на различных подложках (n = 3 независимо подготовленных склеенных соединений). e Повторное испытание прочности склеивания 4P-1 на пластине из нержавеющей стали (n = 3 независимо подготовленных склеенных соединений для каждого цикла). Все данные представлены в виде среднего значения ± стандартное отклонение, а открытые символы обозначают исходные точки данных. Основания из нержавеющей стали, склеенные с помощью (f) EVA, (g) 4P-1 и (h) 34P-1, были подвергнуты испытаниям на подъем различных грузов, в ходе которых было показано, что EVA не выдержала нагрузки в 14 кг, тогда как 4P-1 подняла 14 кг без разрушения. Сокращения: P(3HB) — поли(3HB); 3P — поли(3HB-ко-6,5 моль% PhLA); 34P-1 — поли(3HB-ко-2,7 моль% 4HB-ко-5,6 моль% PhLA); 34P-2 — поли(3HB-со-1,9 моль% 4HB-со-6,3 моль% PhLA); 34P-3 — поли(3HB-со-4,4 моль% 4HB-со-22,1 моль% PhLA), 4P-1 — поли(32,7 моль% 4HB-со-PhLA); 4P-2, поли(24,4 моль% 4HB-ко-PhLA). Исходные данные для данного рисунка доступны в файле «Исходные данные».
Рис. 5: Ферментативное разложение ароматических ПГА.
Изображения поверхностей полимерных пленок, полученные с помощью сканирующего электронного микроскопа (SEM), до и после ферментативного разложения в PBS, содержащем CalB, при 45 °C. На изображениях показан поли(4HB-co-PhLA) через (a) 0 ч и (b) 96 ч, а также поли(3HB-co-4HB-co-PhLA) через (c) 0 ч и (d) 96 ч. Зависимость изменений морфологии поверхности от времени в ходе ферментативного разложения показана на дополнительном рис. 17. Изменения среднечисленной молекулярной массы (Mn) (e) поли(4HB-ко-PhLA) и (f) поли(3HB-ко-4HB-ко-PhLA) в течение 96 ч ферментативного разложения (n = 3 независимо подготовленных образца полимерной пленки для каждого временного интервала). Остаточная масса (g) поли(4HB-ко-PhLA) и (h) поли(3HB-ко-4HB-ко-PhLA) в ходе ферментативного разложения (n = 3 независимо подготовленных образца полимерной пленки для каждого временного интервала). Все данные представлены в виде среднего значения ± стандартное отклонение, а открытые символы обозначают исходные точки данных. Исходные данные для данного рисунка доступны в файле Исходные данные.
Данный результат имеет важное значение, поскольку демонстрирует возможность непосредственного производства функциональных полимеров с помощью микроорганизмов, вместо использования нефтехимических процессов. Материал может найти применение в сфере упаковки, например, для временной фиксации деталей из нержавеющей стали, фиксации положения металлических листов, приклеивания съемных пленок к металлическим поверхностям, склеивания крафт-бумаги, герметизации гофрокартона и сборки бумажной упаковки.
«Данное исследование показало, что благодаря высокоточному проектированию метаболизма микроорганизмов можно не просто производить полимеры, но и напрямую создавать функциональные материалы» - отметил профессор Ли Сан Ёп, добавив: «В будущем эту технологию можно будет расширить до биопроизводства не только клеев на нефтяной основе, но и различных функциональных полимеров с использованием устойчивых методов».
Результаты данного исследования опубликованы в международном научном журнале «Nature Communications».
Комментарии