นักวิจัยได้สร้างวัสดุจากพืช ยั่งยืน ปรับขนาดได้ ซึ่งสามารถแทนที่พลาสติกแบบใช้ครั้งเดียวทิ้งในสินค้าอุปโภคบริโภคจำนวนมาก
นักวิจัยจากมหาวิทยาลัยเคมบริดจ์ ได้สร้างฟิล์มโพลีเมอร์โดยเลียนแบบคุณสมบัติของใยแมงมุม ซึ่งเป็นหนึ่งในวัสดุที่แข็งแรงที่สุดในธรรมชาติ วัสดุใหม่นี้มีความแข็งแรงพอๆ กับพลาสติกทั่วไปที่ใช้กันในปัจจุบัน และสามารถใช้แทนพลาสติกในผลิตภัณฑ์ในครัวเรือนทั่วไปได้
วัสดุนี้ถูกสร้างขึ้นโดยใช้วิธีการใหม่ในการรวบรวมโปรตีนจากพืชให้เป็นวัสดุที่เลียนแบบไหมในระดับโมเลกุล วิธีการประหยัดพลังงานซึ่งใช้ส่วนผสมที่ยั่งยืน ส่งผลให้เป็นฟิล์มแบบยืนอิสระเหมือนพลาสติก ซึ่งสามารถผลิตได้ในระดับอุตสาหกรรม สี ‘โครงสร้าง’ ที่ไม่ซีดจางสามารถเติมลงในโพลีเมอร์ได้ และยังสามารถใช้ทำสารเคลือบกันน้ำได้อีกด้วย
วัสดุดังกล่าวสามารถย่อยสลายได้เองที่บ้าน ในขณะที่พลาสติกชีวภาพประเภทอื่นๆ ต้องใช้โรงงานปุ๋ยหมักทางอุตสาหกรรมในการย่อยสลาย นอกจากนี้ วัสดุที่พัฒนาโดยเคมบริดจ์ไม่ต้องดัดแปลงทางเคมีกับโครงสร้างตามธรรมชาติ เพื่อให้สามารถย่อยสลายได้อย่างปลอดภัยในสภาพแวดล้อมทางธรรมชาติส่วนใหญ่
เป็นเรื่องน่าประหลาดใจที่พบว่างานวิจัยของเราสามารถแก้ไขปัญหาใหญ่ในด้านความยั่งยืน นั่นคือ มลภาวะจากพลาสติก
Tuomas Knowles
ผลิตภัณฑ์ใหม่นี้จะจำหน่ายโดย Xampla ซึ่งเป็นบริษัทที่แยกตัวออกจากมหาวิทยาลัยเคมบริดจ์ซึ่งกำลังพัฒนาผลิตภัณฑ์ทดแทนพลาสติกแบบใช้ครั้งเดียวและไมโครพลาสติก บริษัทจะเปิดตัวซองและแคปซูลแบบใช้ครั้งเดียวในปลายปีนี้ ซึ่งสามารถทดแทนพลาสติกที่ใช้ในผลิตภัณฑ์ประจำวัน เช่น แท็บเล็ตสำหรับเครื่องล้างจานและแคปซูลน้ำยาซักผ้า รายงานผลการวิจัยใน วารสาร Nature Communications
เป็นเวลาหลายปีที่ศาสตราจารย์ Tuomas Knowles ในภาควิชาเคมี Yusuf Hamied ของ Cambridge ได้ทำการค้นคว้าเกี่ยวกับพฤติกรรมของโปรตีน งานวิจัยส่วนใหญ่ของเขามุ่งเน้นไปที่สิ่งที่เกิดขึ้นเมื่อโปรตีนคลาดเคลื่อนหรือ ‘ทำงานผิดปกติ’ และสิ่งนี้เกี่ยวข้องกับสุขภาพและโรคของมนุษย์อย่างไร โดยเฉพาะอย่างยิ่งโรคอัลไซเมอร์
“ปกติแล้วเราจะตรวจสอบว่าปฏิกิริยาของโปรตีนที่ใช้งานได้ช่วยให้เรามีสุขภาพดีได้อย่างไรและปฏิสัมพันธ์ที่ผิดปกติมีส่วนเกี่ยวข้องกับโรคอัลไซเมอร์อย่างไร” Knowles ซึ่งเป็นผู้นำการวิจัยในปัจจุบันกล่าว “เป็นเรื่องน่าประหลาดใจที่พบว่างานวิจัยของเราสามารถแก้ไขปัญหาใหญ่ในด้านความยั่งยืน นั่นคือปัญหามลภาวะจากพลาสติก”
จากการวิจัยด้านโปรตีนของพวกเขา Knowles และกลุ่มของเขาเริ่มสนใจว่าทำไมวัสดุอย่างใยแมงมุมถึงแข็งแรงเมื่อมีพันธะโมเลกุลที่อ่อนแอเช่นนี้ “เราพบว่าหนึ่งในคุณสมบัติหลักที่ทำให้ใยแมงมุมมีความแข็งแรงคือพันธะไฮโดรเจนถูกจัดเรียงอย่างสม่ำเสมอในอวกาศและมีความหนาแน่นสูงมาก” Knowles กล่าว
ผู้เขียนร่วม Dr Marc Rodriguez Garcia นักวิจัยดุษฎีบัณฑิตในกลุ่ม Knowles ซึ่งปัจจุบันเป็นหัวหน้าฝ่ายวิจัยและพัฒนาที่ Xampla เริ่มมองหาวิธีการทำซ้ำการประกอบตัวเองตามปกติในโปรตีนอื่น ๆ โปรตีนมีแนวโน้มที่จะจัดระเบียบตัวเองในระดับโมเลกุลและการประกอบตัวเอง โดยเฉพาะอย่างยิ่งโปรตีนจากพืชนั้นมีมากมายและสามารถหาแหล่งที่มาได้อย่างยั่งยืนเป็นผลพลอยได้จากอุตสาหกรรมอาหาร
“ไม่ค่อยมีใครรู้จักเกี่ยวกับการประกอบตัวเองของโปรตีนจากพืช และเป็นเรื่องที่น่าตื่นเต้นที่รู้ว่าการเติมช่องว่างความรู้นี้ เราสามารถหาทางเลือกอื่นแทนพลาสติกแบบใช้ครั้งเดียวทิ้ง” ผู้สมัครระดับปริญญาเอก Ayaka Kamada ผู้เขียนคนแรกของหนังสือพิมพ์กล่าว
นักวิจัยประสบความสำเร็จในการจำลองโครงสร้างที่พบในใยแมงมุมโดยใช้โปรตีนถั่วเหลืองไอโซเลต ซึ่งเป็นโปรตีนที่มีองค์ประกอบแตกต่างไปจากเดิมอย่างสิ้นเชิง “เนื่องจากโปรตีนทั้งหมดทำจากสายโซ่โพลีเปปไทด์ ภายใต้สภาวะที่เหมาะสม เราสามารถทำให้โปรตีนจากพืชรวมตัวกันได้เหมือนกับใยแมงมุม” Knowles ซึ่งเป็น Fellow of St John’s College กล่าว “ในแมงมุม โปรตีนไหมจะละลายในสารละลายที่เป็นน้ำ ซึ่งจะประกอบเป็นเส้นใยที่แข็งแรงมหาศาลผ่านกระบวนการปั่นด้ายซึ่งใช้พลังงานเพียงเล็กน้อย”
“นักวิจัยคนอื่นๆ ได้ทำงานโดยตรงกับวัสดุไหมเพื่อทดแทนพลาสติก แต่พวกเขายังคงเป็นผลิตภัณฑ์จากสัตว์” โรดริเกซ การ์เซีย กล่าว “ในทางใดทางหนึ่ง เราได้ ‘ใยแมงมุมมังสวิรัติ’ – เราได้สร้างวัสดุแบบเดียวกันโดยไม่มีแมงมุม”
การทดแทนพลาสติกใดๆ ต้องใช้พอลิเมอร์ชนิดอื่น โดยธรรมชาติมีอยู่ 2 ชนิดคือพอลิแซ็กคาไรด์และโพลีเปปไทด์ เซลลูโลสและนาโนเซลลูโลสเป็นพอลิแซ็กคาไรด์และถูกใช้เพื่อการใช้งานที่หลากหลาย แต่มักต้องการการเชื่อมขวางบางรูปแบบเพื่อสร้างวัสดุที่แข็งแรง โปรตีนประกอบขึ้นเองและสามารถสร้างวัสดุที่แข็งแรง เช่น ไหม โดยไม่มีการดัดแปลงทางเคมีใดๆ แต่พวกมันใช้งานได้ยากกว่ามาก
นักวิจัยใช้ถั่วเหลืองโปรตีนไอโซเลต (SPI) เป็นโปรตีนจากพืชทดสอบ เนื่องจากเป็นผลิตภัณฑ์พลอยได้จากการผลิตน้ำมันถั่วเหลือง โปรตีนจากพืชเช่น SPI ละลายได้ไม่ดีในน้ำ ทำให้ยากต่อการควบคุมการรวมตัวของพวกมันในโครงสร้างที่เป็นระเบียบ
เทคนิคใหม่นี้ใช้ส่วนผสมที่เป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อมของกรดอะซิติกและน้ำ รวมกับ Ultrasonication และอุณหภูมิสูง เพื่อปรับปรุงความสามารถในการละลายของ SPI วิธีนี้จะทำให้เกิดโครงสร้างโปรตีนที่มีปฏิสัมพันธ์ระหว่างโมเลกุลที่ได้รับการปรับปรุงซึ่งชี้นำโดยการสร้างพันธะไฮโดรเจน ในขั้นตอนที่สอง ตัวทำละลายจะถูกลบออก ซึ่งส่งผลให้ฟิล์มไม่ละลายน้ำ
วัสดุนี้มีประสิทธิภาพเทียบเท่ากับพลาสติกวิศวกรรมประสิทธิภาพสูง เช่น โพลีเอทิลีนความหนาแน่นต่ำ จุดแข็งอยู่ที่การจัดวางสายโซ่โพลีเปปไทด์เป็นประจำ ซึ่งหมายความว่าไม่จำเป็นต้องมีการเชื่อมขวางทางเคมี ซึ่งมักใช้เพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพและความต้านทานของฟิล์มไบโอโพลีเมอร์ สารเชื่อมขวางที่ใช้บ่อยที่สุดไม่ยั่งยืนและอาจเป็นพิษได้ ในขณะที่เทคนิคที่พัฒนาขึ้นของเคมบริดจ์ไม่จำเป็นต้องใช้องค์ประกอบที่เป็นพิษ
“นี่คือจุดสุดยอดของบางสิ่งที่เราได้ดำเนินการมาเป็นเวลากว่าสิบปีแล้ว ซึ่งก็คือการทำความเข้าใจว่าธรรมชาติสร้างวัสดุจากโปรตีนได้อย่างไร” Knowles กล่าว “เราไม่ได้ตั้งเป้าหมายที่จะแก้ปัญหาที่ท้าทายด้านความยั่งยืน — เราได้รับแรงบันดาลใจจากความอยากรู้เกี่ยวกับวิธีสร้างวัสดุที่แข็งแกร่งจากการโต้ตอบที่อ่อนแอ”
โรดริเกซ การ์เซีย กล่าวว่า “ความก้าวหน้าครั้งสำคัญที่นี่คือการควบคุมการประกอบตัวเอง ดังนั้นเราจึงสามารถสร้างวัสดุที่มีประสิทธิภาพสูงได้” “มันน่าตื่นเต้นที่ได้เป็นส่วนหนึ่งของการเดินทางครั้งนี้ โลกมีปัญหาเรื่องมลพิษจากพลาสติกและใหญ่มาก และเราอยู่ในสถานะที่โชคดีที่สามารถทำอะไรกับมันได้”
เทคโนโลยีของ Xampla ได้รับการจดสิทธิบัตรโดย Cambridge Enterprise ซึ่งเป็นหน่วยงานเชิงพาณิชย์ของมหาวิทยาลัย Cambridge Enterprise และ Amadeus Capital Partners เป็นผู้นำในการระดมทุนรอบ Seed มูลค่า 2 ล้านปอนด์สำหรับ Xampla โดยร่วมกับ Sky Ocean Ventures และ University of Cambridge Enterprise Fund VI ซึ่งบริหารจัดการโดย Parkwalk
อ้างอิง:
A. Kamada et al. ‘ การประกอบตัวเองของโปรตีนจากพืชให้เป็นภาพยนตร์ที่มีโครงสร้างนาโนที่มีประสิทธิภาพสูงแบบมัลติฟังก์ชั่น ‘ การสื่อสารธรรมชาติ (2564). ดอย: 10.1038/s41467-021-23813-6
