I ricercatori dell’Università di Cambridge hanno creato un film polimerico imitando le proprietà della seta di ragno, uno dei materiali più resistenti in natura. Il nuovo materiale è resistente quanto molte plastiche comuni in uso oggi e potrebbe sostituire la plastica in molti comuni prodotti per la casa.
Il materiale è stato creato utilizzando un nuovo approccio per sintetizzare le proteine vegetali in materiali che imitano la seta a livello molecolare. Il metodo ad alta efficienza energetica, che utilizza ingredienti sostenibili, produce una pellicola autoportante che sembra plastica e può essere prodotta su scala industriale. Al polimero può essere aggiunto un colore “strutturale” che non sbiadisce e può essere utilizzato anche per realizzare rivestimenti impermeabili.
Questo materiale è biodegradabile in casa, mentre altri tipi di bioplastiche richiedono impianti di compostaggio industriale per degradarsi. Inoltre, i materiali sviluppati da Cambridge non richiedono modifiche chimiche ai loro elementi costitutivi naturali, quindi possono degradarsi in sicurezza nella maggior parte degli ambienti naturali.
Il nuovo prodotto sarà commercializzato da Xampla, una società dell’Università di Cambridge che sta sviluppando alternative alla plastica monouso e al particolato. L’azienda introdurrà una gamma di bustine e capsule monouso entro la fine dell’anno, che potrebbero sostituire la plastica utilizzata nei prodotti di uso quotidiano come le pastiglie per lavastoviglie e le capsule di detersivo per bucato. Il Risultati È stato riportato sulla rivista Nature Communications.
Per molti anni, il professor Thomas Knowles del Dipartimento di Chimica Youssef Hamid di Cambridge ha studiato il comportamento delle proteine. Gran parte della sua ricerca si è concentrata su cosa succede quando le proteine si piegano in modo errato o si “comportano male”, e come questo si collega alla salute e alle malattie umane, in particolare il morbo di Alzheimer.
“In genere studiamo come le interazioni funzionali delle proteine ci consentono di rimanere sani e come le interazioni disregolate siano implicate nell’Alzheimer”, ha detto Knowles, che ha guidato l’attuale ricerca. “È stata una sorpresa scoprire che la nostra ricerca può anche affrontare un importante problema di sostenibilità: il problema dell’inquinamento da plastica”.
Come parte della loro ricerca sulle proteine, Knowles e il suo gruppo si sono interessati al motivo per cui sostanze come la seta di ragno sono così forti quando hanno legami molecolari così deboli. “Abbiamo scoperto che una delle caratteristiche principali che conferisce alla seta di ragno la sua forza sono i legami idrogeno che sono disposti regolarmente nello spazio e ad altissima densità”, ha detto Knowles.
Il coautore, il dott. Marc Rodriguez Garcia, ricercatore post-dottorato nel gruppo di Knowles e ora capo della ricerca e sviluppo presso Xampla, ha deciso di indagare su come questo regolare autoassemblaggio viene replicato in altre proteine. Le proteine hanno una propensione all’autoregolazione molecolare e all’autoassemblaggio, e le proteine vegetali, in particolare, sono abbondanti e ottenute in modo sostenibile come sottoprodotti dell’industria alimentare.
“Si sa molto poco sull’autoassemblaggio delle proteine vegetali, ed è entusiasmante sapere che colmando questa lacuna di conoscenza possiamo trovare alternative alla plastica monouso”, ha affermato Ayaka Kamada, dottoranda, prima autrice della ricerca. carta.
I ricercatori sono riusciti a replicare le strutture trovate sulla seta di ragno usando l’isolato di proteine della soia, una proteina con una composizione completamente diversa. “Poiché tutte le proteine sono costituite da catene polipeptidiche, nelle giuste condizioni, possiamo fare in modo che le proteine vegetali si autoassemblano proprio come la seta di ragno”, ha detto Knowles, che è anche un membro del St. John’s College. “Nel ragno, la proteina della seta viene sciolta in una soluzione acquosa, che poi si assembla in fibre molto resistenti attraverso un processo di filatura che richiede pochissima energia”.
“Altri ricercatori stanno lavorando direttamente con materiali di seta come alternativa alla plastica, ma è ancora un prodotto animale”, ha detto Rodriguez Garcia. “In qualche modo, siamo arrivati alla ‘seta di ragno vegetale’: abbiamo realizzato lo stesso materiale senza il ragno”.
Qualsiasi alternativa alla plastica richiede un altro polimero: i due tipi che si trovano in abbondanza in natura sono i polisaccaridi ei polipeptidi. La cellulosa e la nanocellulosa sono polisaccaridi e sono stati utilizzati in una vasta gamma di applicazioni, ma spesso richiedono una qualche forma di reticolazione per formare materiali resistenti. Le proteine si autoassemblano e possono formare materiali resistenti come la seta senza alcuna modifica chimica, ma sono molto più difficili da lavorare.
I ricercatori hanno utilizzato l’isolato di proteine della soia (SPI) come proteina vegetale sperimentale, perché è facilmente disponibile come sottoprodotto della produzione di olio di soia. Le proteine vegetali come SPI sono scarsamente solubili in acqua, il che rende difficile controllare il loro autoassemblaggio in strutture ordinate.
La nuova tecnologia utilizza una miscela ecologica di acido acetico e acqua, combinata con ultrasuoni e temperature elevate, per migliorare la solubilità di SPI. Questo metodo produce strutture proteiche con interazioni intermolecolari potenziate guidate dalla formazione di legami idrogeno. Nella seconda fase, il solvente viene rimosso, ottenendo un film insolubile in acqua.
Il materiale ha prestazioni equivalenti a tecnopolimeri ad alte prestazioni come il polietilene a bassa densità. La sua forza risiede nella disposizione regolare delle catene polipeptidiche, il che significa che non c’è bisogno di reticolazione chimica, che viene spesso utilizzata per migliorare le prestazioni e la resistenza dei film di biopolimero. Gli agenti reticolanti più comunemente usati sono insostenibili e potenzialmente tossici, mentre gli elementi tossici non sono richiesti per la tecnologia sviluppata da Cambridge.
“Questo è il culmine di qualcosa su cui abbiamo lavorato per oltre un decennio, che è capire come la natura genera materiali dalle proteine”, ha detto Knowles. “Non abbiamo iniziato a risolvere la sfida della sostenibilità: eravamo motivati dalla curiosità su come creare materiali forti da interazioni deboli”.
“La svolta chiave qui è la capacità di controllare l’autoassemblaggio, quindi ora possiamo produrre materiali ad alte prestazioni”, ha affermato Rodriguez Garcia. “È emozionante far parte di questo viaggio. C’è un enorme, enorme problema di inquinamento da plastica nel mondo e siamo in una posizione fortunata per poter fare qualcosa al riguardo”.
La tecnologia Xampla è brevettata da Cambridge Enterprise, la divisione marketing dell’università. Cambridge Enterprise e Amadeus Capital Partners hanno co-guidato un round di finanziamento seme di 2 milioni di sterline per Xampla, insieme a Sky Ocean Ventures e University of Cambridge Enterprise Fund VI, gestito da Parkwalk.
Riferimento:
un. Kamada et al. “Autoassemblaggio di proteine vegetali in membrane nanostrutturate multifunzionali ad alte prestazioniComunicazioni sulla natura (2021) DOI: 10.1038/s41467-021-23813-6
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