DNA heeft veel handige toepassingen. Het slaat de blauwdruk van de genetische code op. Het helpt de evolutie van soorten in te luiden.

Het zou mogelijk ook een sterkere, duurzamere lepel, onder andere.

Een door Cornell geleide samenwerking is het omzetten van DNA uit organisch materiaal, zoals uien, vissen en algen - tot biologisch afbreekbare gels en plastics. De resulterende materialen kunnen worden gebruikt om alledaagse plastic voorwerpen te maken, ongewoon sterke lijmen, multifunctionele composieten en effectievere methoden voor medicijnafgifte, zonder het milieu te schaden zoals op petrochemische stoffen gebaseerde materialen.

De krant van het team, "Transformatie van biomassa-DNA in biologisch afbreekbare materialen van gels naar kunststoffen voor het verminderen van het petrochemische verbruik, " gepubliceerd op 11 mei in de Tijdschrift van de American Chemical Society .

De samenwerking wordt geleid door Dan Luo, hoogleraar biologische en milieutechniek aan het College of Agriculture and Life Sciences. Luo's groep heeft manieren onderzocht om biomassa-DNA te gebruiken als genetisch en generiek materiaal, profiteren van zijn eigenschappen als een nieuw polymeer.

"Er zijn veel, vele redenen waarom DNA zo goed is als generiek materiaal, " zei Luo. "DNA is programmeerbaar. Het heeft meer dan 4, 000 nanotools - dat zijn enzymen - die kunnen worden gebruikt om het DNA te manipuleren. En DNA is biocompatibel. Je eet de hele tijd DNA. Het is niet giftig en afbreekbaar. In wezen kun je het composteren."

Misschien is de grootste deugd van biomassa-DNA de enorme overvloed. Er is naar schatting 50 miljard ton biomassa op aarde, en minder dan 1% van dat bedrag zou een jaar lang kunnen voorzien in de wereldwijde behoefte aan plastic, volgens het team van Luo. In de tussentijd, op petrochemische producten gebaseerde producten eisen een enorme tol van het milieu - van olie- en gasexploratie en raffinage, tot de industriële synthese van plastic, tot de miljoenen tonnen producten die het land en de oceanen vervuilen zonder te verslechteren.

Terwijl biomassa eerder is omgezet in biologisch afbreekbare materialen, dat proces - waarbij polysachariden zoals cellulose worden afgebroken en opnieuw gesynthetiseerd tot polymeren - vereist extra energie en extreme temperaturen die ook het milieu belasten.

Het team van Luo omzeilde dat afbraaksyntheseproces door een eenstaps verknopingsmethode te ontwikkelen die de functie van DNA als polymeer handhaaft zonder de chemische bindingen te verbreken. Het proces is verrassend eenvoudig:de onderzoekers halen het DNA uit elke organische bron, zoals bacteriën, algen, zalm of appelpulp - en los het op in water. Nadat de pH van de oplossing is aangepast met alkali, de onderzoekers voegen polyethyleenglycoldiacrylaat toe, die zich chemisch verbindt met het DNA-polymeer en een hydrogel vormt.

De gel kan vervolgens worden gedehydrateerd om een ​​reeks dichtere materialen te produceren, zoals plastic en lijm.

"Het is een veel eenvoudiger proces dan conventionele synthese, " zei Luo. "Het hele proces is beter uitvoerbaar, zuiniger en [kan worden gedaan] op grotere schaal, omdat je het biomassa-DNA niet hoeft voor te behandelen. Je verknoopt ze gewoon direct tot plastic."

Een bijkomend voordeel van cross-linking is dat onderzoekers de nieuwe materialen met ongebruikelijke eigenschappen kunnen aanpassen. Bijvoorbeeld, postdoctoraal onderzoeker Dong Wang heeft een lijm gemaakt die bij min 20 graden Celsius aan teflon kan kleven, een temperatuur die traditionele lijmen op waterbasis zou bevriezen. Wang maakte ook een biomassa-"bloem" die magnetische nanodeeltjes bevatte en kon worden gemanipuleerd met een magnetisch veld.

"De toepassing van het product hangt af van de eigenschappen die we eraan toekennen, " zei Luo. "Je kunt het lichtgevend maken, geleidend of niet-geleidend maken, veel sterker maken. Alles wat je maar kunt bedenken."

Naast het genereren van alles, van speelgoed en gebruiksvoorwerpen tot kleding en huid voor gebouwen, Luo zei dat hydrogels bijzonder geschikt zouden kunnen zijn voor geneesmiddelen met gecontroleerde afgifte. De onderzoekers konden ook celvrije eiwitproductie bereiken die niet mogelijk was in op petrochemische producten gebaseerde producten.

"Onze crosslink-methode is erg algemeen, " zei Wang, hoofdauteur van de krant. "Het kan worden uitgebreid naar andere polymeren, andere moleculen."

De conversiekosten in de huidige laboratoriumomgeving zijn ongeveer $ 1 per gram materiaal, waarbij bijna 90% van de kosten naar de ethanol gaan die nodig is om het DNA uit de biomassa te halen. Indien vervaardigd op industriële schaal, Luo schat dat de kosten drastisch zouden dalen, honderdvoudig of zelfs duizendvoudig.

Een mogelijke uitdaging is het verkrijgen van voldoende grote hoeveelheden biomassa om het DNA te extraheren. De onderzoekers moeten nog uitzoeken hoe ze de levensduur van de materialen kunnen beheersen en de tijd die nodig is om ze af te breken.

"We werken er ook aan om de biomassa-DNA-materialen veel functioneler te maken, verschillende soorten materialen maken, waardoor ze super sterk zijn, Super zacht, " zei Luo. "Maar we zullen nooit vergeten dat het een op DNA gebaseerd materiaal is. Wanneer mogelijk, we willen profiteren van de genetische rol van DNA."