DNA有很多方便的用途。它储存了遗传密码的蓝图。它有助于引导物种的进化。
除此之外，它还可能制造出更强、更可持续的勺子。
康奈尔领导的一项合作正在将有机物(如洋葱、鱼和藻类)中的DNA转化为可生物降解的凝胶和塑料。由此产生的材料可用于制造日常塑料制品、异常强的粘合剂、多功能复合材料和更有效的药物传递方法，而不会像石化材料那样对环境造成损害。
该团队的论文《将生物质DNA转化为可降解材料，从凝胶到塑料，以减少石化消耗》发表在5月11日的《美国化学学会杂志》上。
这项合作由农业与生命科学学院生物与环境工程教授罗丹领导。罗的团队一直在探索利用生物质DNA作为一种新型聚合物的特性，将其作为一种遗传材料和通用材料。
“有很多很多的原因可以解释为什么DNA作为一种通用材料是如此的好，”罗说。“DNA是可编程的。它有4000多种纳米工具——这些是酶——可以用来操纵DNA。DNA是生物相容的。你一直在吃DNA。无毒、可降解。基本上你可以用它来堆肥。”
也许生物质DNA最大的优点就是它的丰富。据罗的团队估计，地球上约有500亿吨生物质，其中不到1%可以满足全球一年的塑料需求。与此同时，以石油化工为基础的产品对环境造成了巨大的破坏——从石油和天然气的勘探和提炼，到塑料的工业合成，再到丢弃在陆地和海洋而没有降解的数百万吨产品。
虽然生物量以前已经转化为可生物降解的材料，但这个过程——在这个过程中，纤维素等多糖被分解并重新合成聚合物——需要额外的能量和极端温度，这也会对环境造成压力。
罗的团队通过开发一种一步交联的方法，绕过了分解合成的过程，这种方法保持了DNA作为聚合物的功能，而不会破坏它的化学键。这个过程出奇的简单:研究人员从任何有机来源——如细菌、藻类、鲑鱼或苹果渣——提取DNA，然后将其溶解在水中。在碱调整溶液的pH值后，研究人员加入聚乙二醇双丙烯酸酯，它与DNA聚合物发生化学反应，形成水凝胶。
然后，这种凝胶可以被脱水，从而产生一系列密度更大的材料，比如塑料和胶水。
“这是一个比传统合成简单得多的过程，”罗说。“整个过程更可行，更经济，而且规模更大，因为你不需要预处理生物质DNA。你只要直接把它们交联到塑料里就行了。”
交联的另一个好处是，研究人员可以调整具有不同寻常性质的新材料。例如，博士后研究员王东发明了一种可以在零下20摄氏度粘在特富龙上的胶水，这个温度会冻结传统的水性粘合剂。王还制作了一种生物质“花”，它含有磁性纳米粒子，可以用磁场操纵。
“产品的应用取决于我们所能承受的性能，”罗说。“你可以让它发光，让它导电或不导电，让它更强。你能想到的任何东西。”
罗说，除了生产玩具、器具、建筑物的衣服和皮肤，水凝胶还特别适合用于控释药物。研究人员还能够生产出游离蛋白，这在石油化工产品中是不可能的。
“我们的交联方法非常普遍，”该论文的第一作者王说。“它可以扩展到其他聚合物和分子。”
在目前的实验室环境下，转化每克物质的成本约为1美元，其中近90%的费用用于从生物质中提取DNA所需的乙醇。罗估计，如果实现工业化生产，成本将大幅降低一百倍甚至一千倍。
一个潜在的挑战是获取足够多的生物质来提取DNA。研究人员仍然需要弄清楚如何控制这些材料的寿命以及它们降解所需的时间。
“我们也在努力使生物质DNA材料更有功能，制造不同类型的材料，使它们超级强，超级软，”罗说。“但我们永远不会忘记，它是一种基于dna的物质。只要有可能，我们都想利用DNA的遗传作用。”
前博士后研究员杨大勇是该论文的共同高级作者。共同作者包括博士后研究员胡悦和滨田shogo;博士生Yehudah Pardo;访问博士生崔金辉;以及来自中国科学院、天津大学、苏州大学和上海交通大学的研究人员。
该研究由国家科学基金会的工程理事会支持，并利用康奈尔材料研究中心，该中心由国家科学基金会的材料研究科学和工程中心项目支持。
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