来自植物的塑料？美国国家科学基金会资助威廉希尔亚洲真人平台的研究人员探索植物聚合物支架，寻找化石燃料的替代品

随着人们越来越意识到化石燃料对环境的影响，俄亥俄大学的研究人员开始了一项新的冒险，为最广泛使用的材料之一——聚合物——寻找可持续的替代品。几十年来，聚合物一直是现代生活的基石，从日常用品到电子、食品、化妆品和医药的高科技解决方案。然而，这些材料大多来自基于化石燃料的化学原料，这可能对环境构成威胁。因此，科学家们正在寻找新的、可持续的来源来制造这些重要的材料。

俄亥俄大学的研究人员Mick Held博士和Katherine Cimatu博士正在研究一个项目，通过美国国家科学基金会（NSF）的多年资助来开发植物基聚合物。Held是分子和细胞生物学项目的副教授和研究生主席，Cimatu是化学副教授、研究生主席和Roenigk化学主席，他们是化学、生物化学和材料科学方面的专家；他们聚集在一起研究植物基生物聚合物的聚合，这种聚合物被称为延伸蛋白。这些蛋白质存在于植物细胞壁中，对植物的生长、防御和结构至关重要。

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“大自然母亲是一位非凡的化学家，”赫尔德说，他指的是植物，尤其是它们的细胞壁，是由生物聚合物组成的，而生物聚合物对植物的生长和结构至关重要。“超过80%的植物在光合作用中固定的碳最终以这些复杂分子的形式存在。作为一种可再生的碳源，植物细胞壁是开发新材料的一种有前途的可持续原料。”

这项研究的一个令人兴奋的方面是它的跨学科方法，结合不同领域的专业知识来解决复杂的问题。

“我的背景是物理化学和材料科学，而米克的专长是生物化学和分子生物学，”西马图解释说。“我们汇集了两个不同领域的专业知识，以全面的方式解决这个问题。”

这个团队包括本科生和研究生，他们正在使用原子力显微镜研究延伸蛋白激发聚合物的自组装。这项尖端技术使他们能够观察到这些生物聚合物的分子行为。

“这些基于植物的聚合物自行组装成晶格状结构，这是研究的有趣之处，”Cimatu说。“我们正在研究不同的因素，如pH值和其他条件，如何影响这些聚合物的组装和性能。通过了解这些动态，我们希望创造出模仿天然延伸蛋白特性的生物聚合物，同时为一系列应用提供新功能，从生物医学用途，如伤口愈合，到食品增强和电子产品。”

通过研究自组装过程，该团队希望揭示这些聚合物的生物物理特性，并了解如何利用它们来创造新型的可持续材料——在各个行业中有可能取代石油基聚合物。

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除了来自Held和Cimatu的跨学科方法外，研究团队还由几名俄亥俄学生组成，包括本科生Jack Kenny和Gavin Mumma，研究生Tharushi Ambagaspitiya，化学和生物化学博士候选人Abdul-Hakeem Al Bulushi和Allan K. Regunton。每个学生都积极参与实验，纯化蛋白质和/或分析结果，同时在实验室获得宝贵的经验。

Al Bulushi正在研究与生物聚合物相关的蛋白质表达，并已经取得了重大进展，从这些蛋白质中产生了有价值的数据。

Al Bulushi说：“这项研究从创造合成基因开始，并选择DNA的最佳部分来构建它们。”“然后，我们使用植物细胞来表达编码的蛋白质，然后将其组装在高度有序的火石石墨（HOPG）表面。”

根据Al Bulushi的说法，一旦蛋白质被表达出来，它需要经过几个步骤进行纯化，以确保它没有污染物。纯化后，分析蛋白质的氨基酸组成和糖基化（糖附着），这可能会影响其性质。这一过程对于了解蛋白质的行为以及如何将其用于生物聚合物应用至关重要。经过自聚合后，蛋白质可以在石墨表面交联形成网络。这种交联过程至关重要，因为它将蛋白质结构锁定为固定的模式。通过控制这些网络的形成方式，该团队希望创造出具有特定性能的新材料。

Al Bulushi补充说：“如果我们能够控制这些网络的形成方式，它将为创造具有独特特性的新材料开辟可能性。”“通过改变条件和蛋白质的特性，我们可以探索不同的形状和形式，比如分支模式。”

Regunton还致力于合成植物细胞壁中的蛋白质，这是地球上最丰富的自然资源之一。

Regunton说：“这些蛋白质以其自我组装能力而闻名，可以彻底改变我们处理材料设计的方式。”“这项研究旨在了解这些蛋白质如何相互作用，形成可用于各种行业的结构，为化石燃料衍生材料提供环保替代品。”

两位博士候选人都在研究通过修改蛋白质来控制这一过程的方法，以观察它们在表面组装时的行为。这包括了解蛋白质组装模式以及如何影响这些模式以创建有用的材料。

Regunton说：“这个项目不仅有望提高我们对植物生物学的理解，而且还具有提供新的、可持续的材料的潜力，可以解决紧迫的环境挑战。”“这项研究将在生物聚合物领域取得重大进展，为来自自然、环保和广泛工业兼容的材料铺平道路。”

利用原子力显微镜（AFM）获取和分析了木霉伸展蛋白自组装聚合的图像。一旦她从赫尔德的实验室收到延伸蛋白糖蛋白单体原液，她首先将样品进行必要的稀释，然后将溶液沉积在超净HOPG底物上。在培养过程中，延伸蛋白单体开始聚合成网络。

Ambagaspitiya说：“我的目标是使用原子力显微镜（AFM），捕捉聚合过程中浓度、时间、pH值和其他参数的变化。”“在获得地形图像后，我通过确定聚合物段的长度、高度和宽度来分析聚合的性质和程度，以评估端到端、横向和堆叠自组装。”

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赫尔德和西马图的实验室之间的跨学科方法不仅加强了研究，而且为参与研究的学生提供了宝贵的学习经验。通过与不同专业领域的科学家一起工作，学生们获得了合作解决问题的第一手经验。这种环境教会他们如何从多个角度应对挑战——无论是通过生物化学、材料科学还是物理化学——向他们展示，即使拥有不同的技能，所有人都是为了同一个目标而团结在一起的。这种协作氛围使学生能够学习如何跨学科沟通，并利用彼此的优势找到更有效和全面的解决方案。

Ambagaspitiya补充说：“这对我来说是一个很好的机会，可以体验与天然植物生物聚合物的合作，因为我以前只与合成聚合物合作过。”“作为一个物理化学家，这个项目让我扩大了我的兴趣，了解生物分子的自组装过程。”

该团队目前的研究重点是这一过程的遗传方面，他们开发和表征了生产这些生物聚合物所需的基因。一旦蛋白质被表达和纯化，它们将被传递给其他研究人员，以推进下一阶段的材料开发。

“我们希望培养下一代科学家，他们不仅精通自己的研究，而且能够批判性地思考他们的工作如何对世界产生更广泛的影响，”Held补充说。

这项研究为聚合物世界的未来发展奠定了基础，为可持续材料开辟了新的机会，可以彻底改变工业。

“我们正在开发的技术和我们获得的知识将为未来的研究打开许多大门，使我们能够探索广泛的植物蛋白和生物聚合物，”Cimatu补充说。“这个项目最终可能会改变我们对材料及其对地球影响的看法。”