แบคทีเรียสร้างพลาสติก "ปลอดน้ำมัน": PDCA ที่แสดงศักยภาพเหนือกว่า PET

แบคทีเรียสร้างพลาสติก "ปลอดน้ำมัน": PDCA ที่แสดงศักยภาพเหนือกว่า PET

2025年09月06日 09:44

"แม้จะแข็งแรง แต่ก็สามารถย่อยสลายได้อย่างเหมาะสม"—ข้อกำหนดที่ขัดแย้งกันที่ถูกเรียกร้องจากพลาสติกมาโดยตลอด ตอนนี้มีการเคลื่อนไหวจากญี่ปุ่น ทีมวิศวกรรมชีวภาพจากมหาวิทยาลัยโกเบได้ผลิตสารตั้งต้นพลาสติกที่ย่อยสลายได้ทางชีวภาพ "PDCA (2,5-pyridinedicarboxylic acid)" ในปริมาณสูงโดยใช้แบคทีเรีย E. coli และแสดงให้เห็นถึงความเป็นไปได้ที่สมบัติของวัสดุที่รวม PDCA จะเทียบเท่าหรือเหนือกว่า PET ข่าวด่วนนี้ถูกเผยแพร่โดย Phys.org เมื่อวันที่ 4 กันยายน 2025 และบทความต้นฉบับถูกตีพิมพ์ออนไลน์ในวารสาร Metabolic Engineering (25 สิงหาคม) Phys.orgPubMed


ทำไมต้อง "PDCA"—กำแพงของ PET และโครงสร้างที่มีไนโตรเจน

PET (Polyethylene Terephthalate) มีน้ำหนักเบา แข็งแรง โปร่งใส และขึ้นรูปง่าย เนื่องจากเป็น "นักเรียนดีเด่น" จึงมีปัญหาการเก็บรวบรวมและย่อยสลายล่าช้า รวมถึงปัญหามลพิษจากไมโครพลาสติก แม้ว่าจะมี PLA และ PHA เป็นตัวเลือกทดแทน แต่การที่จะมีคะแนนรวมในด้านความแข็งแรง ทนความร้อน และการแปรรูปที่เหนือกว่า PET นั้นไม่ใช่เรื่องง่าย


ดังนั้น PDCA ที่มีวงแหวนไพริดีนจึงได้รับความสนใจ การมีPDCAที่มีไนโตรเจน (N)ในโครงสร้างทำให้มีโอกาสในการออกแบบปฏิสัมพันธ์ระหว่างโมเลกุลมากขึ้น และเป็นหน่วยโครงสร้างที่น่าสนใจสำหรับพอลิเมอร์ประสิทธิภาพสูง แต่ประสิทธิภาพการผลิตทางชีวภาพเป็นปัญหา ทีมจากมหาวิทยาลัยโกเบได้ท้าทายปัญหานี้ด้วยการใช้การเผาผลาญไนโตรเจนของเซลล์ซึ่งเป็นการเปลี่ยนแปลงแนวคิดในด้านวิศวกรรมเมตาบอลิซึม Phys.orgมหาวิทยาลัยโกเบ


อะไรที่ใหม่—การสังเคราะห์ที่สะอาด "ไม่มีผลพลอยได้" และความเข้มข้นที่สูงกว่า 7 เท่า

ตามบทความ ทีมวิจัยได้ใช้เส้นทาง p-aminobenzoic acid (PABA)เป็นฐาน โดยผสมผสานเอนไซม์จากภายนอก AhdAและPobA ที่ปรับปรุงแล้วเข้าด้วยกันเป็นขั้นตอนๆ เพื่อสร้างการสังเคราะห์ทางชีวภาพที่เชื่อมตรงจากกลูโคส→PABA→PDCA ในหลอดทดลองสามารถผลิตได้1.84 g/L ใน 72 ชั่วโมง และในไบโอรีแอคเตอร์สามารถผลิตได้10.6 g/L ใน 144 ชั่วโมง ซึ่งเป็นความเข้มข้นที่สูงกว่ารายงานก่อนหน้านี้กว่า 7 เท่า และเป็นครั้งแรกที่แสดงให้เห็นถึงแนวทางการผลิตด้วยการหมักในระดับใหญ่ สิ่งที่สำคัญยิ่งกว่านั้นคือการออกแบบเส้นทางที่ไม่ก่อให้เกิดผลพลอยได้ที่ไม่ต้องการ ซึ่งคาดว่าจะลดภาระในการทำให้บริสุทธิ์ในขั้นตอนต่อไป PubMedมหาวิทยาลัยโกเบ


กลุ่มวิจัยกล่าวว่า "การใช้ปฏิกิริยาการเผาผลาญที่รวมไนโตรเจนและสามารถสังเคราะห์ผลิตภัณฑ์เป้าหมายโดยไม่มีผลพลอยได้" (จากการเผยแพร่ของมหาวิทยาลัยโกเบ) มหาวิทยาลัยโกเบ


การต่อสู้กับ "บอส"—การทำลายเอนไซม์โดย H₂O₂

อย่างไรก็ตาม เส้นทางไม่ได้ราบรื่น หนึ่งในเอนไซม์ที่นำเข้ามาสร้างไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์ (H₂O₂) ในกระบวนการรอง และ H₂O₂ ที่เกิดขึ้นโจมตีเอนไซม์ทำให้มันเสื่อมสภาพ ทีมวิจัยได้ปรับสภาพการเพาะเลี้ยงและเพิ่มสารกำจัด H₂O₂เพื่อแก้ไขปัญหา ในระดับโรงงาน การเพิ่มสารอาจเป็นปัญหาในด้านต้นทุนและการขนส่ง แต่ยังมีโอกาสในการแก้ไขด้วยการควบคุมกระบวนการหรือการปรับปรุงตัวเร่งปฏิกิริยา มหาวิทยาลัยโกเบ


ความหมายของ "เหนือกว่า PET"—จากมุมมองการออกแบบวัสดุ

Phys.org เน้นว่า"วัสดุที่รวม PDCA มีสมบัติเทียบเท่าหรือเหนือกว่า PET" จุดสำคัญคือ"PDCA ไม่ใช่พลาสติกสำเร็จรูป แต่เป็นบล็อกสร้างที่ประกอบเป็นพอลิเมอร์ประสิทธิภาพสูง" ขึ้นอยู่กับอัตราส่วนการร่วมพอลิเมอร์และการออกแบบสารเติมแต่งจุดที่เหมาะสมของความแข็งแรง ทนความร้อน และทนต่อแรงกระแทกจะเปลี่ยนไป ดังนั้นควรมองว่าเป็นการเข้าสู่ขั้นตอนการค้นหาทางเลือกที่ชนะตามการใช้งาน เช่นฟิล์ม เส้นใย พลาสติกวิศวกรรมแทนที่จะเป็นการแทนที่ขวด PET โดยตรง Phys.org


"อุปสรรคถัดไป" สำหรับการนำไปใช้

  1. ต้นทุนของวัตถุดิบและการหมัก: แม้ว่า 10.6 g/L จะเป็นตัวเลขที่แข็งแกร่ง แต่ราคาต่อแกลลอนจะเป็นตัวตัดสิน ความยั่งยืนของแหล่งน้ำตาลและการใช้วัตถุดิบรอง (เช่น น้ำตาลจากเซลลูโลส) ก็เป็นกุญแจสำคัญเช่นกัน PubMed

  2. การทำให้บริสุทธิ์ในขั้นตอนต่อไป (DSP): ใช้ประโยชน์จากข้อดีที่มีผลพลอยได้น้อยเพื่อลดการใช้พลังงานในการสกัดและการตกผลึก

  3. ความเข้ากันได้ในการพอลิเมอร์และการขึ้นรูป: สามารถปรับปรุงให้น้อยที่สุดเพื่อให้เข้ากับสายการผลิตที่มีอยู่ (การหลอม การยืด การฉีด การปั่นเส้นใย) ได้หรือไม่

  4. การกำหนดมาตรฐานของการย่อยสลาย: การย่อยสลายภายใต้เงื่อนไขใดและใช้เวลานานเท่าใด (การทำปุ๋ยหมัก ดิน น้ำทะเล ฯลฯ) จะต้องได้รับการตรวจสอบให้สอดคล้องกับมาตรฐานสากล

  5. LCA/PCF: **การประเมินวัฏจักรชีวิต (LCA) และรอยเท้าคาร์บอนของผลิตภัณฑ์ (PCF)** เพื่อวัดการลด CO₂ เมื่อเทียบกับ PET ที่มาจากปิโตรเลียม ซึ่งจะเชื่อมโยงกับการออกแบบกฎระเบียบและแรงจูงใจ


มหาวิทยาลัยโกเบกล่าวว่า **"แสดงให้เห็นว่าสามารถผลิตได้ในปริมาณเพียงพอในไบโอรีแอคเตอร์และเห็นเส้นทางสู่การใช้งานจริง" การร่วมมือระหว่างอุตสาหกรรมและมหาวิทยาลัยเพื่อปรับปรุงเอนไซม์ที่มีความทนทานต่อสารเร่งปฏิกิริยาและการควบคุมการเพาะเลี้ยง** จะช่วยลดการพึ่งพาสารกำจัดได้ มหาวิทยาลัยโกเบ


ตำแหน่งของไบโอพลาสติกที่มีอยู่

  • PLA/PHA: แม้จะมีการย่อยสลายทางชีวภาพที่นำหน้า แต่การใช้งานมักถูกจำกัดในด้านความทนทานต่อความร้อนและแรงกระแทก

  • ระบบ PDCA: การใช้โครงสร้างวงแหวนอะโรมาติกที่มีไนโตรเจนเพื่อให้มีโอกาสในการออกแบบที่สามารถเน้นความแข็งแรงและความทนทานต่อความร้อน ทีมจากมหาวิทยาลัยโกเบได้ประกาศ**"โรงงานจุลินทรีย์สำหรับพลาสติกสีเขียวคุณภาพสูง"ในปี 2024 และกำลังเพิ่มตัวเลือกในการทำให้กระบวนการต่อเนื่องและการออกแบบวัสดุ มหาวิทยาลัยโกเบ


การอ่านข้อมูลเพื่อเข้าใจการบุกเบิก

  • 1.84 g/L (72h, หลอดทดลอง) → 10.6 g/L (144h, ไบโอรีแอคเตอร์): เพิ่มขึ้นอย่างมั่นคงตามเวลาและขนาด เป็น**"เส้นคาดการณ์" ของการผลิตด้วยการหมักที่มีศักยภาพ PubMed

  • "มาก

← กลับไปที่รายการบทความ