随着全球对可持续材料的需求日益增长，利用生物技术将DNA转化为塑料的研究逐渐受到关注。
美国康奈尔大学的生物学家罗丹所带领的团队在其中找到了DNA的用武之地。DNA与塑料的本质相似，都是由碳氢组成的高分子链，如果能在DNA链中加入其他物质改变其机械性能，DNA也许就能发挥出与塑料相似的功能。
用DNA做塑料原料的优势很明显。与人造高分子材料不同，DNA作为地球上天然生产且历史悠久的高分子，几乎所有生物都具有分解DNA的酶，用DNA作为塑料完全不用担心出现无法降解的问题；另一个明显优势是，现在的塑料原料主要来源是化石能源，化石能源总有枯竭的一天。而DNA不同，地球有这么多的生物，它们几乎时时刻刻在制造DNA，将DNA作为原料，可谓是取之不尽用之不竭。
DNA，这个承载着生命遗传信息的分子，其独特的结构和性质为材料科学带来了全新的可能性。塑料，作为广泛应用于各个领域的重要材料，一直以来都面临着环境可持续性等诸多问题。如果能够利用 DNA 来制造塑料，不仅有望解决塑料行业的一些难题，还可能开创出一系列具有优异性能的新型材料。
1、DNA如何变塑料
那么，该如何将DNA变成塑料呢？首先是收集原料，几乎所有生物的体内都有DNA，但是珍稀动植物或者农业种植、养育的动植物当然不适合作为DNA的来源。此外，从提纯的角度考虑，较小的生物体含有的DNA以外的物质较少，更适合用于提取DNA。
基于以上考虑，罗丹的研究团队选取的是大海中的微生物和藻类、酿酒厂和制药厂等各种发酵工厂使用过后的微生物残渣等，从这些生物体内可以收集到方便且廉价的天然DNA。未来，如果DNA塑料真正形成了产业链，也可以像发酵工厂那样，建造一个个大型培养罐，用工业法高密度培养细菌，更快地获取大量DNA。
获取了DNA后，要将螺旋状的DNA链解开成为单链，方便后续添加其他物质，按用途改变其性质。此前，已经有许多团队在尝试将生物高分子材料多糖和蛋白质等制成塑料。但是在解旋和重组的过程中，由于没有合适的交联剂，往往需要大量的能量才能完成这个过程。这次，罗丹的团队幸运地解决了这个问题。在经过许多次实验后，研究团队找到了一种适宜的小分子交联剂，将它与天然DNA共同溶解在水中，在室温下两者就可以发生反应，最快半小时就能将DNA解旋，一个个小分子交联剂连接到DNA单链上，最终将许多条DNA单链交联成一个完整的凝胶状物质。
研究团队通过调节反应时间和天然DNA的浓度等条件调控凝胶的机械性能，制备出了像橡胶一样柔软的凝胶，也制出了与塑料玩具一样坚硬的凝胶。柔软且轻薄的DNA凝胶在铝离子和甘油的帮助下涂覆在铜线上，由于DNA是绝缘体，因此这些DNA涂层像塑料膜一样显示出完全的电绝缘性，涂在铜线上就制成了一根电线。坚硬的DNA凝胶则被研究团队制成了一个拼图玩具，涂上了红、绿、橙、黑等各种颜色的DNA凝胶块，看上去与真正的塑料玩具毫无差别。
2、DNA 塑料的优点
DNA 塑料作为一种新兴的材料，具有许多显著的优点，为材料科学和相关应用领域带来了新的机遇和可能性。
首先，DNA 塑料具有出色的生物相容性。由于 DNA 是生物体内天然存在的重要分子，基于 DNA 制备的塑料在与生物体接触时，表现出较低的毒性和免疫原性。这使得 DNA 塑料在生物医学领域有着广阔的应用前景，例如可用于制造体内植入物，如心脏支架、人工关节等，减少了异物排斥反应的风险。在药物输送方面，DNA 塑料制成的纳米载体能够更有效地将药物递送到病变部位，提高治疗效果的同时降低副作用。
其次，DNA 塑料具备良好的可降解性。与传统塑料在自然环境中难以分解、造成严重污染的情况不同，DNA 塑料可以在特定的条件下被生物酶或微生物分解为无害的物质。这对于解决当前日益严重的塑料污染问题具有重要意义。随着环保意识的不断提高，对可降解材料的需求日益增长，DNA 塑料有望成为替代传统不可降解塑料的理想选择，减轻对生态环境的压力，保护自然资源和生态平衡。
再者，DNA 塑料具有高度的定制化特性。通过精确设计 DNA 的碱基序列，可以对塑料的物理、化学和生物学性能进行精细调控。这意味着可以根据不同的应用需求，定制出具有特定强度、柔韧性、导电性、光学性质等的塑料材料。例如，在电子领域，可以制备出具有特定电学性能的柔性电路；在组织工程中，可以合成与人体组织相似的力学性能的支架材料。这种定制化能力为满足多样化和个性化的应用需求提供了极大的便利。
此外，DNA 塑料的资源可持续性也是其显著优点之一。传统塑料的生产通常依赖于有限的石油资源，而 DNA 可以从生物废弃物中提取和合成，或者通过生物技术进行大规模生产。这不仅减少了对不可再生资源的依赖，还有助于实现废弃物的资源化利用，促进循环经济的发展。同时，与从石油提取和加工的过程相比，DNA 塑料的生产过程往往能耗更低，排放更少，符合可持续发展的要求。
DNA 塑料在性能稳定性方面也表现出色。其独特的分子结构赋予了材料良好的热稳定性和化学稳定性，能够在较宽的温度范围和不同的化学环境中保持性能的稳定。这使得 DNA 塑料在极端条件下的应用成为可能，如航空航天、深海探测等领域，拓宽了材料的应用范围。
另外，DNA 塑料还具有良好的加工性能。它可以采用多种传统的塑料加工方法，如注塑成型、挤出成型等，便于大规模生产和制造复杂形状的产品。而且，DNA 塑料在加工过程中对设备的磨损较小，降低了生产成本和设备维护费用。
在光学性能方面，DNA 塑料具有独特的优势。通过调整 DNA 分子的结构和组成，可以实现对光的吸收、发射和传输的精确控制，从而制备出具有优异光学性能的材料，如发光材料、光学传感器等，在光电器件和生物成像等领域具有潜在的应用价值。
综上所述，DNA 塑料凭借其生物相容性、可降解性、定制化、资源可持续性、性能稳定性、加工性能和光学性能等诸多优点，展现出了巨大的发展潜力和应用前景。随着相关技术的不断进步和完善，相信 DNA 塑料将在未来的材料领域发挥重要作用，为解决一系列实际问题提供创新的解决方案。
3、DNA 塑料的市场规模
目前 DNA 塑料的市场规模相对较小，但该领域的发展潜力较大。
由于 DNA 塑料是一种新兴的材料，其市场仍处于发展阶段。然而，随着人们对可持续和环保材料的需求不断增加，以及相关技术的不断进步，DNA 塑料的市场有望逐渐扩大。
例如，天津大学仰大勇教授团队联合中石油石化研究院成功研发的新型 DNA 生物塑料，原料来源丰富，生产、使用和回收处理全过程均与生态环境友好兼容，且可以低能耗无损回收，在部分应用领域展现出替代石油基塑料的潜力。这种塑料具有优异的可折叠性和低温稳定性，可应用于生物传感、药物递送和组织工程等生物医学领域，也有望在其他领域发挥作用。
虽然目前没有确切的关于 DNA 塑料市场规模的具体数据，但一些报告对整个生物降解塑料市场的规模进行了预测。根据 Polaris Market Research 的一项新报告，2023 年全球消费后再生塑料市场价值 110.9 亿美元，预计在 2024 - 2032 年将以 10.60%的复合年增长率增长，到 2032 年，全球消费后再生塑料市场规模预计将达到 273.4 亿美元。
需要注意的是，DNA 塑料的市场规模受到多种因素的影响，如技术成熟度、成本降低、市场认可度、政策支持等。未来，随着这些因素的积极变化，DNA 塑料的市场规模可能会有显著的增长。但要获取关于 DNA 塑料市场规模的准确数据，建议关注相关市场研究机构的最新报告以及该领域的发展动态。
DNA不仅是神奇的遗传分子，指导生物们的生理特性和生化过程，现在，DNA还能变成万能的材料分子，装点生物体外的大千世界，给世界带来更多改变。
DNA变塑料的技术展示了生物技术在解决环境问题上的巨大潜力。尽管目前这项技术仍处于发展阶段，且面临着成本、规模化生产和市场接受度等挑战，但其在未来的环境友好型材料领域中无疑将扮演重要角色。随着研究的深入和技术的进步，我们有理由相信，生物合成塑料将在不久的将来成为塑料产业的主流产品，为我们的地球带来更加绿色和可持续的未来。
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来源：贤集网
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