Produkte aus Polymeren – von Plastiktüten über Kleidung und Kochgeschirr bis hin zu Elektronikartikeln – bieten viele Annehmlichkeiten und unterstützen den heutigen Lebensstandard. Da sie sich jedoch nicht so leicht zersetzen, stellen sie langfristige Umweltprobleme dar. Die Entwicklung von Polymeren, einer großen Materialklasse, mit einem nachhaltigeren Lebenszyklus ist ein entscheidender Schritt auf dem Weg zu einer grünen Wirtschaft und zur Bewältigung dieses Teils der globalen Klimakrise. Die Entwicklung biologisch abbaubarer Polymere wird jedoch durch die derzeitigen Testmethoden für den biologischen Abbau weiterhin begrenzt.
Um dieser Einschränkung zu begegnen, hat ein Team von MIT-Forschern unter der Leitung von Bradley D. Olsen, Alexander und I. Michael Kasser (1960), Professor an der Fakultät für Chemieingenieurwesen, einen umfangreichen Datensatz zum biologischen Abbau entwickelt, um festzustellen, ob es sich um ein Polymer handelt oder nicht ist biologisch abbaubar.
Ihre Ergebnisse wurden kürzlich in der veröffentlicht Tagungsband der National Academy of Sciences (PNAS). Das MIT-Team wird von Olsen und Ph.D. geleitet. Kandidaten Katharina A. Fransen und Sarah HM Av-Ron sowie der Postdoktorand Dylan J. Walsh und die Bachelor-Studenten Tess R. Buchanan, Dechen T. Rota und Lana Van Note.
„Obwohl Polymerabfälle bekanntermaßen einen erheblichen Beitrag zur Klimakrise leisten, war die Untersuchung des biologischen Abbaus von Polymeren auf eine kleine Anzahl von Polymeren beschränkt, da die aktuellen Testmethoden für den biologischen Abbau zeit- und ressourcenintensiv sind“, sagt Olsen. „Dieser begrenzte Spielraum verlangsamt die Innovation neuer Materialien, daher arbeiten wir daran, sie für ein viel breiteres Materialportfolio zu öffnen.“
Einzigartiger Hochdurchsatzansatz
Der von Olsens Team entwickelte Datensatz umfasst mehr als 600 verschiedene Polyesterchemien.
„Der Einfallsreichtum unserer Arbeit treibt das Screening auf Hochdurchsatz voran, was das Entdeckungstempo beschleunigt“, sagt Av-Ron. Hochdurchsatz-Synthesemethoden ermöglichen das schnelle Screening großer Probenmengen und die Identifizierung von Produkten mit der gewünschten Eigenschaft oder Funktion. In diesem Fall wurde der Hochdurchsatzansatz mit einer Methode namens „Clear-Zone-Assay“ durchgeführt, die die Biofragmentierung von Polymeren nachweist und polymerabbauende Bakterien identifiziert.
Der Datensatz zum biologischen Abbau kann dann zu Struktur-Eigenschafts-Beziehungen führen, einem Konzept, das für die Materialwissenschaft und -technik von zentraler Bedeutung ist und bei dem Beziehungen zwischen chemischen Details und Eigenschaften hergestellt und zur Erstellung eines Vorhersagemodells für den biologischen Abbau verwendet werden können. Bei der Entwicklung dieser Modelle zur Vorhersage des biologischen Abbaus waren die Forscher daran interessiert, die potenzielle Linearität und Nichtlinearität der Beziehungen zwischen Struktur und biologischer Abbaubarkeit zu untersuchen.
„Wir betrachten unseren wissenschaftlichen Durchbruch darin, über diesen großen Datensatz zu verfügen und die qualitativen Beziehungen und Vorhersagemodelle, die eine so große Datenmenge ermöglichen, zu ermöglichen“, fügt Av-Ron hinzu. „Es war faszinierend herauszufinden, wie man die hohe Komplexität der chemischen Darstellung von Polymeren mit Vorhersagemodellen für maschinelles Lernen integrieren kann. Ich war sehr gespannt, eine Validierungsgenauigkeit von 82 % für eine Kombination aus Darstellung und Modell zu erhalten. Mit zusätzlichen Daten könnten wir das vielleicht schaffen.“ um unsere Vorhersagen noch weiter zu verbessern.“
Die Arbeit des Teams konzentriert sich hauptsächlich auf Polyester; Die Entwicklung biologisch abbaubarer Polyester stellt eine wichtige Chance zur Bewältigung der Polymer-Nachhaltigkeitskrise und zur Reduzierung der Umweltbelastung durch den Polymerlebenszyklus dar.
Ein Bakterienstamm, viele Chemikalien
Der anhand dieser Daten erstellte biologische Abbautest ist zugänglich und kostengünstig durchzuführen. Das erste Feedback der Branche war positiv. Die Datensätze sind zudem besser reproduzierbar als viele andere Standards in diesem Bereich.
„Bei unserer Methode gibt es einen Bakterienstamm, sodass Sie genau wissen, was Sie testen“, sagt Av-Ron. Dies spricht für die Einzigartigkeit des Ansatzes des Teams.
„Wenn Polymere entwickelt werden, wird normalerweise zuerst die Festigkeit des Materials untersucht, und sobald das Material entwickelt ist, kommt an zweiter Stelle die Frage, ob es biologisch abbaubar ist oder nicht“, sagt Fransen.
Olsen und sein Team untersuchen das Gegenteil: Sie entwickeln zunächst den Bildschirm zur biologischen Abbaubarkeit, um zu filtern und zu fokussieren, worauf in einem Material zu achten ist. Auf diese Weise kann die Infrastruktur des Teams viele verschiedene Optionen schnell bewerten.
„Bei der Entwicklung nachhaltiger Polymere hat es in letzter Zeit große Fortschritte gegeben“, schlussfolgert Fransen. „So etwas zu haben, das schnell, greifbar und relativ kostengünstig ist, könnte für diese Gemeinschaft einen großen Mehrwert schaffen.“
Fransen erhielt für diese Arbeit ein J-WAFS-Stipendium 2022, und sie und Av-Ron gewannen gemeinsam den zweiten Platz beim J-WAFS-Studentenvideowettbewerb zum Welternährungstag 2022, da diese Forschung zur Entwicklung nachhaltigerer Lebensmittelverpackungen eingesetzt werden kann.
Mehr Informationen:
Katharina A. Fransen et al., Hochdurchsatzexperimente zur Entdeckung biologisch abbaubarer Polyester, Verfahren der Nationalen Akademie der Wissenschaften (2023). DOI: 10.1073/pnas.2220021120
Diese Geschichte wurde mit freundlicher Genehmigung von MIT News erneut veröffentlicht (web.mit.edu/newsoffice/), eine beliebte Website mit Neuigkeiten über MIT-Forschung, Innovation und Lehre.