隨著全球對可持續材料的需求日益增長，利用生物技術將DNA轉化為塑料的研究逐漸受到關注。
美國康奈爾大學的生物學家羅丹所帶領的團隊在其中找到了DNA的用武之地。DNA與塑料的本質相似，都是由碳氫組成的高分子鏈，如果能在DNA鏈中加入其他物質改變其機械性能，DNA也許就能發揮出與塑料相似的功能。
用DNA做塑料原料的優勢很明顯。與人造高分子材料不同，DNA作為地球上天然生產且歷史悠久的高分子，幾乎所有生物都具有分解DNA的酶，用DNA作為塑料完全不用擔心出現無法降解的問題；另一個明顯優勢是，現在的塑料原料主要來源是化石能源，化石能源總有枯竭的一天。而DNA不同，地球有這么多的生物，它們幾乎時時刻刻在制造DNA，將DNA作為原料，可謂是取之不盡用之不竭。
DNA，這個承載著生命遺傳信息的分子，其獨特的結構和性質為材料科學帶來了全新的可能性。塑料，作為廣泛應用于各個領域的重要材料，一直以來都面臨著環境可持續性等諸多問題。如果能夠利用 DNA 來制造塑料，不僅有望解決塑料行業的一些難題，還可能開創出一系列具有優異性能的新型材料。
1、DNA如何變塑料
那么，該如何將DNA變成塑料呢？首先是收集原料，幾乎所有生物的體內都有DNA，但是珍稀動植物或者農業種植、養育的動植物當然不適合作為DNA的來源。此外，從提純的角度考慮，較小的生物體含有的DNA以外的物質較少，更適合用于提取DNA。
基于以上考慮，羅丹的研究團隊選取的是大海中的微生物和藻類、釀酒廠和制藥廠等各種發酵工廠使用過后的微生物殘渣等，從這些生物體內可以收集到方便且廉價的天然DNA。未來，如果DNA塑料真正形成了產業鏈，也可以像發酵工廠那樣，建造一個個大型培養罐，用工業法高密度培養細菌，更快地獲取大量DNA。
獲取了DNA后，要將螺旋狀的DNA鏈解開成為單鏈，方便后續添加其他物質，按用途改變其性質。此前，已經有許多團隊在嘗試將生物高分子材料多糖和蛋白質等制成塑料。但是在解旋和重組的過程中，由于沒有合適的交聯劑，往往需要大量的能量才能完成這個過程。這次，羅丹的團隊幸運地解決了這個問題。在經過許多次實驗后，研究團隊找到了一種適宜的小分子交聯劑，將它與天然DNA共同溶解在水中，在室溫下兩者就可以發生反應，最快半小時就能將DNA解旋，一個個小分子交聯劑連接到DNA單鏈上，最終將許多條DNA單鏈交聯成一個完整的凝膠狀物質。
研究團隊通過調節反應時間和天然DNA的濃度等條件調控凝膠的機械性能，制備出了像橡膠一樣柔軟的凝膠，也制出了與塑料玩具一樣堅硬的凝膠。柔軟且輕薄的DNA凝膠在鋁離子和甘油的幫助下涂覆在銅線上，由于DNA是絕緣體，因此這些DNA涂層像塑料膜一樣顯示出完全的電絕緣性，涂在銅線上就制成了一根電線。堅硬的DNA凝膠則被研究團隊制成了一個拼圖玩具，涂上了紅、綠、橙、黑等各種顏色的DNA凝膠塊，看上去與真正的塑料玩具毫無差別。
2、DNA 塑料的優點
DNA 塑料作為一種新興的材料，具有許多顯著的優點，為材料科學和相關應用領域帶來了新的機遇和可能性。
首先，DNA 塑料具有出色的生物相容性。由于 DNA 是生物體內天然存在的重要分子，基于 DNA 制備的塑料在與生物體接觸時，表現出較低的毒性和免疫原性。這使得 DNA 塑料在生物醫學領域有著廣闊的應用前景，例如可用于制造體內植入物，如心臟支架、人工關節等，減少了異物排斥反應的風險。在藥物輸送方面，DNA 塑料制成的納米載體能夠更有效地將藥物遞送到病變部位，提高治療效果的同時降低副作用。
其次，DNA 塑料具備良好的可降解性。與傳統塑料在自然環境中難以分解、造成嚴重污染的情況不同，DNA 塑料可以在特定的條件下被生物酶或微生物分解為無害的物質。這對于解決當前日益嚴重的塑料污染問題具有重要意義。隨著環保意識的不斷提高，對可降解材料的需求日益增長，DNA 塑料有望成為替代傳統不可降解塑料的理想選擇，減輕對生態環境的壓力，保護自然資源和生態平衡。
再者，DNA 塑料具有高度的定制化特性。通過精確設計 DNA 的堿基序列，可以對塑料的物理、化學和生物學性能進行精細調控。這意味著可以根據不同的應用需求，定制出具有特定強度、柔韌性、導電性、光學性質等的塑料材料。例如，在電子領域，可以制備出具有特定電學性能的柔性電路；在組織工程中，可以合成與人體組織相似的力學性能的支架材料。這種定制化能力為滿足多樣化和個性化的應用需求提供了極大的便利。
此外，DNA 塑料的資源可持續性也是其顯著優點之一。傳統塑料的生產通常依賴于有限的石油資源，而 DNA 可以從生物廢棄物中提取和合成，或者通過生物技術進行大規模生產。這不僅減少了對不可再生資源的依賴，還有助于實現廢棄物的資源化利用，促進循環經濟的發展。同時，與從石油提取和加工的過程相比，DNA 塑料的生產過程往往能耗更低，排放更少，符合可持續發展的要求。
DNA 塑料在性能穩定性方面也表現出色。其獨特的分子結構賦予了材料良好的熱穩定性和化學穩定性，能夠在較寬的溫度范圍和不同的化學環境中保持性能的穩定。這使得 DNA 塑料在極端條件下的應用成為可能，如航空航天、深海探測等領域，拓寬了材料的應用范圍。
另外，DNA 塑料還具有良好的加工性能。它可以采用多種傳統的塑料加工方法，如注塑成型、擠出成型等，便于大規模生產和制造復雜形狀的產品。而且，DNA 塑料在加工過程中對設備的磨損較小，降低了生產成本和設備維護費用。
在光學性能方面，DNA 塑料具有獨特的優勢。通過調整 DNA 分子的結構和組成，可以實現對光的吸收、發射和傳輸的精確控制，從而制備出具有優異光學性能的材料，如發光材料、光學傳感器等，在光電器件和生物成像等領域具有潛在的應用價值。
綜上所述，DNA 塑料憑借其生物相容性、可降解性、定制化、資源可持續性、性能穩定性、加工性能和光學性能等諸多優點，展現出了巨大的發展潛力和應用前景。隨著相關技術的不斷進步和完善，相信 DNA 塑料將在未來的材料領域發揮重要作用，為解決一系列實際問題提供創新的解決方案。
3、DNA 塑料的市場規模
目前 DNA 塑料的市場規模相對較小，但該領域的發展潛力較大。
由于 DNA 塑料是一種新興的材料，其市場仍處于發展階段。然而，隨著人們對可持續和環保材料的需求不斷增加，以及相關技術的不斷進步，DNA 塑料的市場有望逐漸擴大。
例如，天津大學仰大勇教授團隊聯合中石油石化研究院成功研發的新型 DNA 生物塑料，原料來源豐富，生產、使用和回收處理全過程均與生態環境友好兼容，且可以低能耗無損回收，在部分應用領域展現出替代石油基塑料的潛力。這種塑料具有優異的可折疊性和低溫穩定性，可應用于生物傳感、藥物遞送和組織工程等生物醫學領域，也有望在其他領域發揮作用。
雖然目前沒有確切的關于 DNA 塑料市場規模的具體數據，但一些報告對整個生物降解塑料市場的規模進行了預測。根據 Polaris Market Research 的一項新報告，2023 年全球消費后再生塑料市場價值 110.9 億美元，預計在 2024 - 2032 年將以 10.60%的復合年增長率增長，到 2032 年，全球消費后再生塑料市場規模預計將達到 273.4 億美元。
需要注意的是，DNA 塑料的市場規模受到多種因素的影響，如技術成熟度、成本降低、市場認可度、政策支持等。未來，隨著這些因素的積極變化，DNA 塑料的市場規模可能會有顯著的增長。但要獲取關于 DNA 塑料市場規模的準確數據，建議關注相關市場研究機構的最新報告以及該領域的發展動態。
DNA不僅是神奇的遺傳分子，指導生物們的生理特性和生化過程，現在，DNA還能變成萬能的材料分子，裝點生物體外的大千世界，給世界帶來更多改變。
DNA變塑料的技術展示了生物技術在解決環境問題上的巨大潛力。盡管目前這項技術仍處于發展階段，且面臨著成本、規模化生產和市場接受度等挑戰，但其在未來的環境友好型材料領域中無疑將扮演重要角色。隨著研究的深入和技術的進步，我們有理由相信，生物合成塑料將在不久的將來成為塑料產業的主流產品，為我們的地球帶來更加綠色和可持續的未來。
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來源：賢集網
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美國康奈爾大學的生物學家羅丹所帶領的團隊在其中找到了DNA的用武之地。DNA與塑料的本質相似，都是由碳氫組成的高分子鏈，如果能在DNA鏈中加入其他物質改變其機械性能，DNA也許就能發揮出與塑料相似的功能。
用DNA做塑料原料的優勢很明顯。與人造高分子材料不同，DNA作為地球上天然生產且歷史悠久的高分子，幾乎所有生物都具有分解DNA的酶，用DNA作為塑料完全不用擔心出現無法降解的問題；另一個明顯優勢是，現在的塑料原料主要來源是化石能源，化石能源總有枯竭的一天。而DNA不同，地球有這么多的生物，它們幾乎時時刻刻在制造DNA，將DNA作為原料，可謂是取之不盡用之不竭。
DNA，這個承載著生命遺傳信息的分子，其獨特的結構和性質為材料科學帶來了全新的可能性。塑料，作為廣泛應用于各個領域的重要材料，一直以來都面臨著環境可持續性等諸多問題。如果能夠利用 DNA 來制造塑料，不僅有望解決塑料行業的一些難題，還可能開創出一系列具有優異性能的新型材料。
1、DNA如何變塑料
那么，該如何將DNA變成塑料呢？首先是收集原料，幾乎所有生物的體內都有DNA，但是珍稀動植物或者農業種植、養育的動植物當然不適合作為DNA的來源。此外，從提純的角度考慮，較小的生物體含有的DNA以外的物質較少，更適合用于提取DNA。
基于以上考慮，羅丹的研究團隊選取的是大海中的微生物和藻類、釀酒廠和制藥廠等各種發酵工廠使用過后的微生物殘渣等，從這些生物體內可以收集到方便且廉價的天然DNA。未來，如果DNA塑料真正形成了產業鏈，也可以像發酵工廠那樣，建造一個個大型培養罐，用工業法高密度培養細菌，更快地獲取大量DNA。
獲取了DNA后，要將螺旋狀的DNA鏈解開成為單鏈，方便后續添加其他物質，按用途改變其性質。此前，已經有許多團隊在嘗試將生物高分子材料多糖和蛋白質等制成塑料。但是在解旋和重組的過程中，由于沒有合適的交聯劑，往往需要大量的能量才能完成這個過程。這次，羅丹的團隊幸運地解決了這個問題。在經過許多次實驗后，研究團隊找到了一種適宜的小分子交聯劑，將它與天然DNA共同溶解在水中，在室溫下兩者就可以發生反應，最快半小時就能將DNA解旋，一個個小分子交聯劑連接到DNA單鏈上，最終將許多條DNA單鏈交聯成一個完整的凝膠狀物質。
研究團隊通過調節反應時間和天然DNA的濃度等條件調控凝膠的機械性能，制備出了像橡膠一樣柔軟的凝膠，也制出了與塑料玩具一樣堅硬的凝膠。柔軟且輕薄的DNA凝膠在鋁離子和甘油的幫助下涂覆在銅線上，由于DNA是絕緣體，因此這些DNA涂層像塑料膜一樣顯示出完全的電絕緣性，涂在銅線上就制成了一根電線。堅硬的DNA凝膠則被研究團隊制成了一個拼圖玩具，涂上了紅、綠、橙、黑等各種顏色的DNA凝膠塊，看上去與真正的塑料玩具毫無差別。
2、DNA 塑料的優點
DNA 塑料作為一種新興的材料，具有許多顯著的優點，為材料科學和相關應用領域帶來了新的機遇和可能性。
首先，DNA 塑料具有出色的生物相容性。由于 DNA 是生物體內天然存在的重要分子，基于 DNA 制備的塑料在與生物體接觸時，表現出較低的毒性和免疫原性。這使得 DNA 塑料在生物醫學領域有著廣闊的應用前景，例如可用于制造體內植入物，如心臟支架、人工關節等，減少了異物排斥反應的風險。在藥物輸送方面，DNA 塑料制成的納米載體能夠更有效地將藥物遞送到病變部位，提高治療效果的同時降低副作用。
其次，DNA 塑料具備良好的可降解性。與傳統塑料在自然環境中難以分解、造成嚴重污染的情況不同，DNA 塑料可以在特定的條件下被生物酶或微生物分解為無害的物質。這對于解決當前日益嚴重的塑料污染問題具有重要意義。隨著環保意識的不斷提高，對可降解材料的需求日益增長，DNA 塑料有望成為替代傳統不可降解塑料的理想選擇，減輕對生態環境的壓力，保護自然資源和生態平衡。
再者，DNA 塑料具有高度的定制化特性。通過精確設計 DNA 的堿基序列，可以對塑料的物理、化學和生物學性能進行精細調控。這意味著可以根據不同的應用需求，定制出具有特定強度、柔韌性、導電性、光學性質等的塑料材料。例如，在電子領域，可以制備出具有特定電學性能的柔性電路；在組織工程中，可以合成與人體組織相似的力學性能的支架材料。這種定制化能力為滿足多樣化和個性化的應用需求提供了極大的便利。
此外，DNA 塑料的資源可持續性也是其顯著優點之一。傳統塑料的生產通常依賴于有限的石油資源，而 DNA 可以從生物廢棄物中提取和合成，或者通過生物技術進行大規模生產。這不僅減少了對不可再生資源的依賴，還有助于實現廢棄物的資源化利用，促進循環經濟的發展。同時，與從石油提取和加工的過程相比，DNA 塑料的生產過程往往能耗更低，排放更少，符合可持續發展的要求。
DNA 塑料在性能穩定性方面也表現出色。其獨特的分子結構賦予了材料良好的熱穩定性和化學穩定性，能夠在較寬的溫度范圍和不同的化學環境中保持性能的穩定。這使得 DNA 塑料在極端條件下的應用成為可能，如航空航天、深海探測等領域，拓寬了材料的應用范圍。
另外，DNA 塑料還具有良好的加工性能。它可以采用多種傳統的塑料加工方法，如注塑成型、擠出成型等，便于大規模生產和制造復雜形狀的產品。而且，DNA 塑料在加工過程中對設備的磨損較小，降低了生產成本和設備維護費用。
在光學性能方面，DNA 塑料具有獨特的優勢。通過調整 DNA 分子的結構和組成，可以實現對光的吸收、發射和傳輸的精確控制，從而制備出具有優異光學性能的材料，如發光材料、光學傳感器等，在光電器件和生物成像等領域具有潛在的應用價值。
綜上所述，DNA 塑料憑借其生物相容性、可降解性、定制化、資源可持續性、性能穩定性、加工性能和光學性能等諸多優點，展現出了巨大的發展潛力和應用前景。隨著相關技術的不斷進步和完善，相信 DNA 塑料將在未來的材料領域發揮重要作用，為解決一系列實際問題提供創新的解決方案。
3、DNA 塑料的市場規模
目前 DNA 塑料的市場規模相對較小，但該領域的發展潛力較大。
由于 DNA 塑料是一種新興的材料，其市場仍處于發展階段。然而，隨著人們對可持續和環保材料的需求不斷增加，以及相關技術的不斷進步，DNA 塑料的市場有望逐漸擴大。
例如，天津大學仰大勇教授團隊聯合中石油石化研究院成功研發的新型 DNA 生物塑料，原料來源豐富，生產、使用和回收處理全過程均與生態環境友好兼容，且可以低能耗無損回收，在部分應用領域展現出替代石油基塑料的潛力。這種塑料具有優異的可折疊性和低溫穩定性，可應用于生物傳感、藥物遞送和組織工程等生物醫學領域，也有望在其他領域發揮作用。
雖然目前沒有確切的關于 DNA 塑料市場規模的具體數據，但一些報告對整個生物降解塑料市場的規模進行了預測。根據 Polaris Market Research 的一項新報告，2023 年全球消費后再生塑料市場價值 110.9 億美元，預計在 2024 - 2032 年將以 10.60%的復合年增長率增長，到 2032 年，全球消費后再生塑料市場規模預計將達到 273.4 億美元。
需要注意的是，DNA 塑料的市場規模受到多種因素的影響，如技術成熟度、成本降低、市場認可度、政策支持等。未來，隨著這些因素的積極變化，DNA 塑料的市場規模可能會有顯著的增長。但要獲取關于 DNA 塑料市場規模的準確數據，建議關注相關市場研究機構的最新報告以及該領域的發展動態。
DNA不僅是神奇的遺傳分子，指導生物們的生理特性和生化過程，現在，DNA還能變成萬能的材料分子，裝點生物體外的大千世界，給世界帶來更多改變。
DNA變塑料的技術展示了生物技術在解決環境問題上的巨大潛力。盡管目前這項技術仍處于發展階段，且面臨著成本、規模化生產和市場接受度等挑戰，但其在未來的環境友好型材料領域中無疑將扮演重要角色。隨著研究的深入和技術的進步，我們有理由相信，生物合成塑料將在不久的將來成為塑料產業的主流產品，為我們的地球帶來更加綠色和可持續的未來。
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