Jedes Jahr fallen weltweit 400 Millionen Tonnen Plastikmüll an. Zwischen 19 und 23 Millionen Tonnen dieses Plastikmülls gelangen in aquatische Ökosysteme, der Rest landet im Boden. Jährlich fallen zusätzlich 92 Millionen Tonnen Stoffabfälle an.
Challa Kumar, emeritierte Professorin für Chemie, hatte die Nase voll von der enormen Menge an Giftmüll, die die Menschen ständig in die Umwelt pumpen, und fühlte sich gezwungen, etwas zu tun. Als Chemiker bedeutete etwas zu tun, sein Fachwissen zu nutzen, um neue, nachhaltige Materialien zu entwickeln.
„Jeder sollte darüber nachdenken, auf fossilen Brennstoffen basierende Materialien durch natürliche Materialien zu ersetzen, wo immer er kann, um unserer Zivilisation zum Überleben zu verhelfen“, sagt Kumar. „Das Haus brennt, wir können es kaum erwarten. Wenn das Haus brennt und man anfängt, einen Brunnen zu graben, wird das nicht funktionieren. Es ist Zeit, Wasser über das Haus zu gießen.“
Kumar hat zwei Technologien entwickelt, die Proteine bzw. Stoff verwenden, um neue Materialien herzustellen. UConns Technology Commercialization Services (TCS) hat vorläufige Patente für beide Technologien angemeldet.
Inspiriert von der Fähigkeit der Natur, eine Vielzahl funktionaler Materialien herzustellen, entwickelten Kumar und sein Team eine Methode zur Herstellung kontinuierlich einstellbarer ungiftiger Materialien.
„Die Chemie ist das Einzige, was uns im Weg steht“, sagt Kumar. „Wenn wir die Proteinchemie verstehen, können wir Proteinmaterialien so stark wie ein Diamant oder so weich wie eine Feder herstellen.“
Die erste Innovation ist ein Verfahren zur Umwandlung natürlich vorkommender Proteine in kunststoffähnliche Materialien. Kumars Student, Ankarao Kalluri ’23 Ph.D., arbeitete an diesem Projekt.
Proteine verfügen auf ihrer Oberfläche über „Reaktorgruppen“, die mit Substanzen reagieren können, mit denen sie in Kontakt kommen. Mithilfe seines Wissens über die Funktionsweise dieser Gruppen nutzten Kumar und sein Team eine chemische Verbindung, um Proteinmoleküle miteinander zu verbinden.
Durch diesen Prozess entsteht ein Dimer – ein Molekül, das aus zwei Proteinen besteht. Von dort aus wird das Dimer mit einem anderen Dimer verbunden, um ein Tetramer zu bilden, und so weiter, bis es zu einem großen dreidimensionalen Molekül wird. Dieser 3D-Aspekt der Technologie ist einzigartig, da die meisten synthetischen Polymere lineare Ketten sind.
Diese neuartige 3D-Struktur ermöglicht es dem neuen Polymer, sich wie ein Kunststoff zu verhalten. Genau wie die Proteine, aus denen es besteht, kann sich das Material dehnen, seine Form ändern und falten. Somit kann das Material über die Chemie für eine Vielzahl spezifischer Anwendungen maßgeschneidert werden.
Da Kumars Material im Gegensatz zu synthetischen Polymeren aus Proteinen und einer biovernetzenden Chemikalie besteht, kann es biologisch abgebaut werden, genau wie pflanzliche und tierische Proteine auf natürliche Weise.
„Die Natur baut Proteine ab, indem sie die darin enthaltenen Amidbindungen aufreißt“, sagt Kumar. „Es verfügt über Enzyme, die mit dieser Art von Chemie umgehen können. Wir haben die gleichen Amidbindungen in unseren Materialien. Daher sollten dieselben Enzyme, die in der Biologie arbeiten, auch an diesem Material arbeiten und es auf natürliche Weise biologisch abbauen.“
Im Labor stellte das Team fest, dass sich das Material in saurer Lösung innerhalb weniger Tage zersetzt. Jetzt untersuchen sie, was passiert, wenn sie dieses Material in der Erde vergraben, was das Schicksal vieler Post-Consumer-Kunststoffe ist.
Sie haben gezeigt, dass das proteinbasierte Material eine Vielzahl kunststoffähnlicher Produkte bilden kann, darunter Kaffeetassendeckel und dünne transparente Folien. Es könnte auch zur Herstellung feuerfester Dachziegel oder hochwertigerer Materialien wie Autotüren, Raketenkegelspitzen oder Herzklappen verwendet werden.
Die nächsten Schritte dieser Technologie bestehen darin, ihre mechanischen Eigenschaften wie Festigkeit oder Flexibilität sowie Toxizität weiter zu testen.
„Ich denke, wir müssen ein gesellschaftliches Bewusstsein dafür entwickeln, dass wir keine giftigen Materialien in die Umwelt gelangen lassen“, sagt Kumar. „Wir können es einfach nicht. Wir müssen damit aufhören. Und wir können auch keine Materialien verwenden, die aus fossilen Brennstoffen stammen.“
Kumars zweite Technologie nutzt ein ähnliches Prinzip, verwendet jedoch statt nur Proteine Proteine, die mit Naturfasern, insbesondere Baumwolle, verstärkt sind.
„Aufgrund der sich schnell verändernden Modebranche erzeugen wir jedes Jahr eine Menge Textilmüll“, sagt Kumar. „Warum also nicht diesen Abfall nutzen, um nützliche Materialien herzustellen – Abfall in Wohlstand umwandeln?“
Genau wie die kunststoffähnlichen Proteinmaterialien („Proteios“, abgeleitet von griechischen Originalwörtern) geht Kumar davon aus, dass Verbundmaterialien aus Proteinen und Naturfasern biologisch abbaubar sind, ohne dass giftige Abfälle entstehen.
Im Labor schuf Kumars ehemaliger Student, der Doktorand Adekeye Damilola, viele Objekte aus Protein-Stoff-Verbundwerkstoffen, darunter kleine Schuhe, Schreibtische, Blumen und Stühle. Dieses Material enthält Textilfasern, die als Verbindungsmittel mit den Proteinen dienen, und nicht die vernetzende Chemikalie, die Kumar für die proteinbasierten Kunststoffe verwendet.
Durch die Vernetzung erhält das neuartige Material die Festigkeit, dem Gewicht standzuhalten, das beispielsweise auf einem Stuhl oder einem Tisch lastet. Die natürliche Affinität zwischen Fasern und Proteinen ist der Grund, warum es so schwierig ist, Lebensmittelflecken aus der Kleidung zu entfernen. Die gleiche Anziehungskraft macht starke Proteingewebematerialien aus.
Während Kumars Team bisher nur mit Baumwolle gearbeitet hat, gehen sie davon aus, dass sich andere Fasermaterialien wie Hanffasern oder Jute aufgrund ihrer inhärenten, aber mit Baumwolle gemeinsamen chemischen Eigenschaften ähnlich verhalten würden.
„Das Protein haftet auf natürliche Weise an der Proteinoberfläche“, sagt Kumar. „Wir nutzten dieses Verständnis, um zu sagen: ‚Hey, wenn es sich so fest an Baumwolle bindet, warum machen wir dann nicht ein Material daraus?‘ Und es funktioniert, es funktioniert erstaunlich.“