Текстильная промышленность производит значительную часть всех отходов в мире, при этом лишь около 12% волокнистых материалов отправляются на переработку. Кроме того, на долю текстиля приходится большая часть микропластика в океанах. При каждой стирке синтетические волокна выделяют микропластик, который смывается в канализацию и в конечном итоге попадает в водную среду. Увеличение объемов переработки текстиля само по себе не решит эту проблему, поскольку большинство волокон на основе продуктов нефтехимии трудно поддаются переработке и продолжают выделять стойкий микропластик на протяжении всего своего жизненного цикла.

У инженеров из Вашингтонского университета в Сент-Луисе, возможно, есть решение благодаря целенаправленной работе в области синтетической биологии в лаборатории Фучжуна Чжана, профессора Фрэнсиса Ф. Ахмана на кафедре энергетики, экологии и химической инженерии в Инженерной школе Маккелви и содиректора Центра исследований в области синтетической биологии и производства передовых материалов (SMARC).

В результате этой работы, результаты которой теперь опубликованы в журнале Advanced Materials, были созданы материалы на основе белка, которые производятся в биореакторах (подумайте о гигантских чанах для пивоварения) с помощью генетически модифицированных микроорганизмов. Эти материалы можно легко переработать после использования и превратить в те же волокна, из которых они были изготовлены, после нескольких циклов. Кроме того, любые микрочастицы, которые могут высвободиться из этих волокон при стирке, будут биоразлагаемыми.

«Мы разработали перерабатываемые белковые волокна, которые растворяются в растворе муравьиной кислоты за считаные секунды, но при этом остаются стабильными в воде и прочными после высыхания», — сказал Чжан.

Раствор муравьиной кислоты — это доступный летучий растворитель, который широко используется в промышленности, для консервации кормов для животных, обработки кожи, традиционного окрашивания тканей, очистки и во многих других процессах. В данном случае растворитель разрушает белковые связи, которые скрепляют волокна, не изменяя сам белок. После испарения растворителя остаются необработанные белковые материалы, из которых можно восстановить волокна с их первоначальной прочностью и свойствами.

Индустрия переработки отходов уже давно пытается сделать повторное использование пластика более практичным и экономически выгодным. Пластик можно переплавить и снова сформовать из него изделие, но переработанный пластик часто оказывается менее прочным, особенно если в нем содержатся добавки или примеси. Другие методы переработки предполагают разрушение химических связей в полимерах с последующим их восстановлением путем ресинтеза, но это может значительно увеличить затраты и выбросы. В целом, чем прочнее материал, тем сложнее его переработать, поскольку при переработке часто приходится разрушать те же связи, которые придают материалу прочность.

Чтобы решить эту проблему, команда обратилась за вдохновением к природе. Они взяли генетические последовательности белков, из которых состоят ножки мидий, паучьего шёлка и амилоидов (белковых агрегатов) и «соткали» их вместе, используя сложные методы белковой инженерии, чтобы можно было независимо контролировать прочность и возможность вторичной переработки полученного материала.

Материал на основе белка называется SAM — гибрид шелка, амилоида и белка мидий. Липкие белковые последовательности мидий помогают контролировать способность материала растворяться в растворе муравьиной кислоты. Последовательности паучьего шелка и амилоидного белка обеспечивают прочное взаимодействие, которое «восстанавливает» полимерные цепочки после переработки.

«Мы оптимизируем последовательности в створках мидий, чтобы волокна из самособирающегося материала можно было перерабатывать, и при этом они не сжимались при намокании», — говорит Чжан.

Команда продемонстрировала этот процесс, многократно растворяя и воссоздавая самоорганизующиеся волокна, в результате чего они приобрели стабильно высокую прочность. Переработанные белки также можно использовать для создания адгезивных гидрогелей для различных целей, которые в дальнейшем можно снова превратить в волокна или гидрогели.

Использование замкнутой системы переработки также помогает снизить стоимость этих материалов. Биопроизводство — недешевое удовольствие, поэтому исследователи часто ограничивались разработкой материалов для люксовых товаров. Но при использовании циклической системы использования ресурсов затраты на биопроизводство резко снижаются.

«Повторное использование конечного продукта в несколько циклов может значительно снизить производственные затраты с течением времени», — заключил Чжан.