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|JACS | 神奇：天然DNA有希望取代石油做塑料


本文来自微信公众号：X-MOLNews
作者：王栋 博士 ， 罗丹 教授 (康奈尔大学 生物工程和环境工程系)
随着石化原料的不断开发与使用 ， 石化产品造成的环境污染逐渐着影响地球的生态环境 。 传统石油基塑料 ， 尤其是一次性塑料制品的使用每年大约会造成八百万吨塑料垃圾流向海洋 。 将可生物降解且可再生的天然资源转化为传统塑料替代品有望解决这些环境问题 。 目前 ， 天然多糖类、蛋白质已经被开发用于制作传统塑料制品 ， 并展示了极大的潜力 。 然而 ， 这些天然资源在这方面的应用存在一些缺点：1）这些转化过程类似于石油形成过程 ， 需要对天然大分子进行人工降解和再聚合以制造最终塑料制品 。 这当中会消耗大量能源及其它资源 。 2）上述人工再聚合过程中会用到大量有机溶剂 ， 并伴随着其它副产物和废物的产生 ， 这个过程本身会对环境产生不良影响 。 3）上述这些天然资源通常来源于农作物 ， 潜在地会与农业争夺像农田和水等资源 ， 而且蛋白和淀粉的提取和使用常常会占用人们的食物资源 。
如何利用可再生资源制备生物可降解的塑料产品就成为一个紧迫而吸引人的重大课题 。 天然DNA作为一种天然生物大分子具有独特的物化性质包括基因编码能力、低提取成本和环保的提取过程、良好的水处理能力以及完美的生物降解能力 。 基于这些认识 ， 美国康奈尔大学罗丹教授研究组创新性地提出利用天然DNA作为一种可再生资源来制造塑料制品以取代传统塑料 。 研究人员提出的转化过程中 ， 天然DNA与一种小分子交联剂发生快速化学反应 ， 将天然DNA溶解在水中室温下就可完成转化 。 此过程非常简单、高效、绿色、成本低廉且无需对天然DNA做任何预处理 ， 也对天然DNA来源没有限制 。 利用此一步式转化过程 ， 通过调节转化过程中对溶剂和催化剂等 ， 天然DNA可以被转化为凝胶材料、复合薄膜、图案化薄膜和日常塑料制品包括电线绝缘皮层、餐具和玩具等 。 该成果近期以长论文（Article）形式发表在化学领域的顶尖杂志《美国化学会志》（Journal of the American Chemical Society)上 ， 第一作者为罗丹实验室博士后王栋博士 ， 主要合作者还包括崔金辉、甘明哲、刘培峰和仰大勇等教授 。
|JACS | 神奇：天然DNA有希望取代石油做塑料
本文插图

Figure 1. Mechanism of molecular cross-linking and preparations of biomass DNA materials. (A) Aza-Michael addition-based cross-linking of biomass DNA. (B–I) Biomass DNA hydrogels made from blue-green algae, E. coli, onion, and salmon testes. (Top) Photographs of DNA hydrogels; (bottom) fluorescence images of DNA hydrogels stained by DNA specific dyes: GelRed or SYBR Green I. (J and K) A photograph and an SYBR Green I-stained fluorescence image, respectively, of a biomass DNA organogel. (L and M) A photograph and a GelRed-stained fluorescence image, respectively, of biomass DNA membrane triggered by ammonia. (N) A photograph of T-puzzle toys made from biomass DNA materials. The colors were from food dyes. (O) A photograph of a meter scale biomass DNA hydrogel on a glass plate. (图片来源：JACS)
在水中交联天然DNA可以得到水凝胶 ， 通过调节交联时间和天然DNA的浓度等参数可以调控水凝胶的机械性能 ， 甚至可以制备像橡胶一样的水凝胶 。 通过引入能表达特定蛋白质的的基因片段 ， 他们的水凝胶就可以高效率的生产蛋白质 。 同时 ， 也能可控地缓释蛋白质等药物分子 。 细胞实验也显示天然DNA水凝胶具有非常好的生物相容性 。 这些特性不仅使得天然DNA具有和石化分子基水凝胶类似的机械性能 ， 更重要是具有那些石化分子基不可能具备的性质——蛋白质生产能力 。


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