Plastiques vivants : une nouvelle solution pour la dégradation des plastiques grâce à la biologie synthétique
Une étude propose une nouvelle méthode de fabrication de plastiques verts
Le groupe de recherche du Dr DAI Zhuojun du Shenzhen Institute of Advanced Technology (SIAT) de l'Académie chinoise des sciences (CAS) a publié une étude intitulée "Degradable Living Plastics Programmed by Engineered Spores" (Plastiques vivants dégradables programmés par des spores modifiées) dans Nature Chemical Biology. L'étude tire parti de la résilience naturelle des spores, qui peuvent supporter des conditions environnementales extrêmes, en les programmant pour qu'elles sécrètent des enzymes dégradant le plastique dans des circonstances spécifiques. Ces spores sont incorporées dans des matrices en plastique par des méthodes de traitement du plastique standard, telles que la haute température, la haute pression ou l'utilisation de solvants organiques. Dans des conditions normales, les spores restent dormantes, ce qui garantit la stabilité des performances du plastique. Cependant, lorsqu'elles sont exposées à des déclencheurs spécifiques tels que l'érosion de surface ou le compostage, les spores s'activent et entament le processus de dégradation, ce qui entraîne la décomposition complète du plastique.
Les plastiques sont largement utilisés mais difficiles à dégrader, ce qui pose un défi écologique. Une équipe de SIAT a mis au point des "plastiques vivants" dégradables en utilisant la biologie synthétique et l'ingénierie des polymères. Ils ont modifié des spores de Bacillus subtilis pour qu'elles produisent la lipase de Burkholderia cepacia (BC-lipase), une enzyme qui décompose le plastique. Ces spores ont été mélangées à du poly(caprolactone) (PCL) pour créer les plastiques, en conservant les propriétés physiques du matériau. Lorsque la surface du plastique est érodée, les spores libèrent l'enzyme, ce qui entraîne une dégradation presque complète du plastique.
DAI Zhuojun
Contexte de la recherche
L'invention du plastique a amélioré notre vie quotidienne, mais la production massive et l'élimination inadéquate des déchets plastiques ont fait de la pollution plastique un problème environnemental majeur. En 2016, Yoshida et al. ont découvert une bactérie, Ideonella sakaiensis, dans un sol contaminé par du poly(éthylène téréphtalate) (PET) près d'une installation de recyclage au Japon. Cette bactérie peut se développer en utilisant le PET comme principale source de carbone en produisant deux enzymes clés : PETase et MHETase. Depuis lors, de nombreuses recherches en biologie synthétique se sont concentrées sur la découverte, la conception et l'évolution des enzymes de dégradation des plastiques, mais peu de méthodes innovantes ont été explorées pour créer des plastiques dégradables.
Spores dormantes et plastiques vivants
Depuis des milliards d'années, les micro-organismes ont développé des mécanismes intrinsèques de défense contre les conditions difficiles. Un exemple classique est la formation de spores qui résistent à la sécheresse, aux températures élevées et à la haute pression (conditions similaires à celles de la transformation des matières plastiques). En utilisant la biologie synthétique, l'équipe de recherche a conçu un Bacillus subtilis avec un circuit génétique pour contrôler la sécrétion d'une enzyme dégradant le plastique (la lipase BC de Burkholderia cepacia). Sous l'effet des ions de métaux lourds, Bacillus subtilis forme des spores. L'équipe a mélangé ces spores modifiées à des granulés de plastique poly (caprolactone) (PCL) et a produit des plastiques contenant des spores par extrusion à haute température ou par dissolution dans un solvant. Les tests ont montré que ces "plastiques vivants" avaient des propriétés physiques similaires à celles des plastiques PCL ordinaires. Lors d'une utilisation quotidienne, les spores restent dormantes, ce qui garantit la stabilité des performances du plastique.
Libération des spores et initiation de la dégradation
La première étape clé de la dégradation du plastique consiste à libérer les spores incorporées dans le plastique vivant pour la revitalisation des cellules. Les chercheurs ont d'abord démontré deux méthodes de libération des spores. La première méthode utilise une enzyme (lipase CA) pour éroder la surface du plastique. Les spores libérées ont ensuite germé et exprimé la lipase BC, qui s'est liée aux extrémités des chaînes de polymère PCL et a dégradé presque complètement les molécules de PCL (poids moléculaire final <500 g/mol). Les résultats ont montré que le plastique vivant pouvait se dégrader efficacement en 6-7 jours, alors que le plastique PCL ordinaire soumis uniquement à des dommages de surface (lipase CA) présentait encore une grande quantité de débris de plastique après 21 jours.
Le compostage est une autre méthode de libération des spores. En l'absence d'agents exogènes supplémentaires, les plastiques vivants dans le sol peuvent se dégrader complètement en 25 à 30 jours, alors que le plastique PCL traditionnel prend environ 55 jours pour se dégrader jusqu'à un niveau invisible à l'œil nu.
Au-delà des plastiques PCL
Comme indiqué précédemment, les conditions de traitement du PCL sont relativement "douces" parmi les plastiques. Pour vérifier l'applicabilité générale du système, l'équipe a continué à tester d'autres systèmes plastiques commerciaux. Ils ont mélangé des spores portant des plasmides d'expression de la GFP avec du PBS (polybutylène succinate), du PBAT (polybutylène adipate-co-teréphtalate), du PLA (acide polylactique), du PHA (polyhydroxyalcanoates) et même du PET (poly(éthylène téréphtalate)) et ont traité le mélange à des températures allant jusqu'à 300oC. En libérant les spores par broyage physique, ils ont constaté avec surprise que les spores pouvaient encore revivre et exprimer la GFP. Ces résultats ont jeté des bases solides pour étendre la méthode à d'autres types de plastiques.
Pour valider le potentiel de mise à l'échelle du système, l'équipe de recherche a également effectué un test industriel à petite échelle sur le système PCL à l'aide d'une extrudeuse à vis unique. Le PCL vivant généré présente toujours une propriété de dégradation rapide et efficace (dégradation en 7 jours). En l'absence de facteurs externes, le PCL vivant a conservé une forme stable, démontrant sa robustesse pendant le service (stable dans Sprite pendant deux mois). Cette étude fournit une nouvelle méthode de fabrication de plastiques verts qui peuvent fonctionner de manière stable lorsque les spores sont latentes et se dégrader lorsque les spores sont éveillées, et jette un éclairage sur le développement de matériaux pour le développement durable.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
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