Om du tittar upp från skärmen och tittar runt dig, det är nästan säkert att det kommer att finnas något av syntetisk plast inom räckhåll för armen (kanske till och med kläderna du bär). Människor har bara tillverkat plast i cirka 100 år, men vi har redan producerat cirka 8, 300 miljoner ton av det sedan 1950 -talet - det är ungefär 25 vikt, 000 Empire State -byggnader. Och, eftersom de allra flesta plaster inte bryts ned biologiskt, nästan hela det århundradets värde av plast finns kvar någonstans på planeten jorden, från fiskens och havsfåglarnas tarmar till vattenförgiftande deponier till Great Pacific Garbage Patch. Och även om vi inte kan se dem, mikroplast genomsyrar nu luften vi andas och kan hamna i våra lungor, och deras hälsoeffekter är ännu inte kända.

Plast har blivit allestädes närvarande eftersom de har många fördelar jämfört med naturligt förekommande material:de kan vara otroligt starka men ändå lätta, de kan vara flexibla eller styva (eller båda), de är vattentäta, och de är billiga att tillverka och skicka. Den hemliga ingrediensen som gör plast så robust och mångsidig är kolvätepolymerer - långa kedjor av kol- och väteatomer sammankopplade vars arrangemang ger dem de värdefulla egenskaperna. Tillsats av andra element till kolväten - såsom syre, kväve, och svavel - skapar olika typer av plast som är optimalt lämpade för olika uppgifter, från den känsliga lågdensitetspolyeten (LDPE) som används för att göra plastfolie till det otroligt hållbara polykarbonatet, som är 200 gånger starkare än glas.

Från universalmedel till problem

Den allra första plasten skapades i början av 1900 -talet av industrimän som experimenterade med några av de biprodukter som producerades från raffinering av kol, ett fossilt bränsle som är rikt på kolväten. När USA gick in i andra världskriget 1941, efterfrågan på plast exploderade när naturresurser snabbt blev knappa. Plast användes för att tillverka viktiga krigstillbehör som fallskärmar, tågvirke, vindrutor, och tröttnar på de stora volymer som militären behövde för att utrusta sina styrkor. Efterfrågan på plast var så stor att den amerikanska regeringen gav bidrag för att uppmuntra företag att bygga tillverkningsanläggningar baserade på billigare, mer tillgänglig petroleum (ett annat kolbaserat fossilt bränsle) snarare än kol.

Efter att kriget var över, plastproducenter flyttade fokus till den inhemska sfären, prata plastalternativ som mer sanitära, billig, och modernare än befintliga produkter. Plast började ersätta traditionella material i många föremål som läskflaskor, Kläder, och förpackningar, och skapade helt nya produkter som Formica bänkskivor, Tupperware, och frigolit. Det verkade som att nästan alla aspekter av livet var avsedda att bli mjukade. Vid 1960 -talet, dock, effekterna av världens öppna armar av plast började väcka oro. Folk började märka plastrester som tvättades upp på stränder, och bevis på att kemiska tillsatser som läcker ut ur plastprodukter var skadliga för både människor och miljö.

Trots dessa bekymmer, mer hållbara alternativ till plast har ännu inte framgångsrikt ersatt det. Petrokemiska företag får fortfarande tiotals miljarder dollar i statliga subventioner årligen som håller oljebaserad plast billig, och mer miljövänliga "bioplaster" från biologiska material utgör för närvarande mindre än 1% av den totala plastmarknaden. De flesta bioplaster produceras genom att jäsa stärkelsen, sockerarter, och cellulosa som finns i växter för att producera etanol, eller mjölksyra, som sedan förädlas till de kemiska byggstenarna som används för att tillverka plast. Dock, att skala upp denna process för att möta världens nuvarande efterfrågan skulle kräva så mycket mark för att odla de nödvändiga växterna att vi skulle förstöra hela livsmiljöer och hota vår egen matförsörjning.

Lyckligtvis för världen, Wyss Institute forskare Shannon Nangle, Ph.D. och Marika Ziesack, Ph.D. tar sig an detta problem genom att utveckla en billig plastkälla som är biologiskt nedbrytbar, kräver inte alls användning av växter, och har ett försumbart koldioxidavtryck:mikrober.

Möt mikroberna

Medan de flesta av oss tänker på bakterier som "buggar" som antingen är "bra" (de som lever i våra tarmar) eller "dåliga" (de som orsakar infektioner), Nangle och Ziesack ser dem som små fabriker som kan konstrueras för att lättare och mer hållbart producera polymerens byggstenar av plast än att förädla dem från petroleum eller växter.

"Liksom alla levande organismer, bakterier behöver ta upp mat, extrahera energi och näringsämnen från det, och utsöndra avfall för att överleva. Bakterier är mycket lätta att växa och kontrollera, så forskare har studerat sitt inre arbete länge, och vi är nu vid en punkt där vi kan manipulera dem genetiskt och metaboliskt för att ändra vad de äter och vad de producerar, sa Ziesack.

Hon och Nangle har experimenterat med mikrobaserad plast sedan 2017, när de inspirerades av Bionic Leaf -projektet som deras rådgivare, Wyss Core -fakultetsmedlem Pamela Silver, Ph.D., medskapade. De finslipade på en specifik mikrobe som heter Cupriavidus necator, som tar in väte- och koldioxidgaser och använder en process som kallas gasjäsning för att omvandla dem till väsentliga molekyler. En av föreningarna som mikroben producerar är en polymer som kallas PHB, en sorts polyester som den använder som en form av energilagring. PHB i sig är inte en bra polymer för plast - den är mycket spröd och är svår att tillverka föremål från - men Ziesack och Nangle har hittat ett sätt att justera mikrobens metabolism så att den producerar en liknande polyester som heter PHA istället, som är mer flexibel och redan undersöks som ett biologiskt nedbrytbart plastalternativ.

"Bionedbrytbara PHA är inte en ny idé, men hittills har ingen kunnat göra dem så billigt att de kan konkurrera med petroleumbaserade polyestrar. Våra mikrober kan dramatiskt sänka priset på att producera dessa polymerer eftersom vi matar dem gaser snarare än dyra prekursorföreningar, och vi slipper alla ekonomiska och miljömässiga kostnader för industriellt jordbruk som ligger bakom priset på växtbaserad bioplast, sa Nangle.

Medan polyestrar som PHA bara är en av de många typerna av polymerer som går in i olika plasttyper idag, Nangle och Ziesack tror att med rätt teknik, deras system kan producera polyestrar med olika egenskaper som efterliknar andra typer av polymerer. "Det fina med PHA är att de kan ändras i stor utsträckning, så om vi kan utöka omfattningen av föreningar som våra mikrober kan producera, vi kan skapa material med egenskaper som motsvarar andra petrokemikalier, även om deras kemiska struktur är annorlunda, sa Ziesack.

Till den verkliga världen, och vidare

Uppmuntras av deras framgång i labbet och projektets potential att hjälpa till att lösa det globala "plastproblemet, "Ziesack och Nangle lämnade in en institutprojektansökan för sitt projekt, heter nu Circe, och och har arbetat med industri, investering, och affärsutvecklingspartner för att vidareutveckla sin teknik tekniskt och kommersiellt för att maximera kommersiell framgång på kort sikt. Samtidigt som det var en betydande vetenskaplig utmaning att få sitt system att arbeta i labbet, att få ut det från labbet och in i en produktionsanläggning är en helt annan uppsättning hinder som de övervinner ett steg i taget.

"Vi vill skapa en affärsplan för ett system som faktiskt är fullt hållbart från början till slut, där vi har tänkt igenom och planerat för varje steg i en produkts livscykel så att när en konsument är klar med att använda den, det kommer att sköta sig själv [genom biologisk nedbrytning], "sa Nangle." Det kan vara svårt att övertyga investerare om att ett experiment i laboratorieskala är kommersiellt gångbart, och att få stöd som ett institutprojekt har varit avgörande för att vi har kunnat visa att detta system kan fungera i den verkliga världen, och kan påverka verkligt. "

Circes skapare har till och med planer på hur deras mikrober skulle kunna användas bortom den "riktiga världen" på platser där varken fossila bränslen eller växter är tillgängliga - som yttre rymden. En dag, dessa mikrober kan transporteras till mänskliga bosättningar på andra planeter där de kan användas för att tillverka allt från byggmaterial till mat och stödja vår arts utforskning av andra världar.

"Vi vet verkligen ännu inte vad gränserna för denna teknik är, eftersom tillverkning av plast av mikrober i stor skala bara nyligen har utvecklats och implementerats. Men vi är fast beslutna att ta detta projekt så långt det kan gå, och om det en dag betyder Mars - det kommer att bli fantastiskt, sa Ziesack.