Po co przetwarzać włosy? Naukowcy zaskoczeni badaniami nad keratyną

Ostatnio informowaliśmy, że chemicy z Northwestern University w stanie Illinois w USA są przekonani, że ich odkrycie zrewolucjonizuje recykling plastiku na świecie. Opracowali oni katalizator, który znacznie ułatwia przetwarzanie tworzyw sztucznych i to szczególnie tych najgorszych, jednorazowych. Są tak pewni swojego osiągnięcia, że według nich oznaczać może to nawet koniec sortowania plastiku.

Teraz znowu płyną dobre informacje ze Stanów Zjednoczonych. Naukowcy z Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences odkryli mechanizm, dzięki któremu niektóre związki soli rozkładają odpady białkowe, takie jak wełna i pióra. Pozwala to na łagodniejszy i bardziej zrównoważony proces recyklingu białek.

Mało kto wie, ale przemysł tekstylny i mięsny wytwarzają rocznie miliardy ton odpadów w postaci piór, wełny i włosów. Wszystkie te materiały są bogate w keratynę – mocne, włókniste białko, które występuje przede wszystkim we włosach, skórze i paznokciach.

Przekształcenie wszystkich tych zwierzęcych odpadów w użyteczne produkty – od opatrunków na rany po ekologiczne tekstylia – byłoby dobrodziejstwem dla środowiska i rozwinęłoby nowe, zrównoważone gałęzie przemysłu. Jednak upcykling białek jest bardzo trudny. Otóż rozkład, czyli denaturacja białek na ich części składowe, zazwyczaj wymaga stosowania żrących chemikaliów w dużych, zanieczyszczających środowisko zakładach. Taki problem był do teraz.

Sól zrewolucjonizuje recykling?

Jak można przeczytać na łamach Nature Communications efekt badań jest skutkiem wieloletnich badań nad denaturacją i keratyną.

Myśleliśmy, że może istnieć luka między obecną wiedzą na temat działania denaturacji a tym, co obserwowaliśmy

---

Zespół kierowany przez Kita Parkera, profesora bioinżynierii i fizyki stosowanej im. rodziny Tarr w SEAS, połączył eksperymenty i symulacje molekularne, aby lepiej zrozumieć mechanizmy, za pomocą których sole powodują rozwijanie się białek. Wykazali, że roztwór stężonego bromku litu, (związek soli), oddziałuje z cząsteczkami białek, (w tym z keratyną), w zupełnie nieoczekiwany sposób. Otóż nie wiąże się z białkami bezpośrednio, ale zmienia strukturę otaczających go cząsteczek wody. Tym samym tworzy środowisko bardziej sprzyjające rozwijaniu się białek.

Pozwoliło to naukowcom zaprojektować łagodniejszy i bardziej zrównoważony proces ekstrakcji keratyny, który by umożliwiał łatwe oddzielenie białka od roztworu – bez użycia silnych środków chemicznych.

Badania nad keratyną początkiem rewolucji w recyklingu

Jak okazuje się keratyna ekstrahowana z bromku litu może tworzyć gęste, nadające się do kształtowania żele. Te z kolei łatwo oddzielają się od otaczającego roztworu i zestalają się niemal natychmiast po ponownym umieszczeniu w wodzie.

Aby zbadać sprawę dokładniej, zespół zwrócił się do laboratorium profesora Eugene’a Shakhnovicha z Wydziału Chemii i Biologii Chemicznej, którego specjalizacją jest biofizyka białek. Symulacje dynamiki molekularnej pozwoliły im zaobserwować, że bromki litu nie oddziaływały w ogóle na białka, lecz na otaczającą je wodę.

Okazuje się, że jony bromku litu powodują, że cząsteczki wody przesuwają się w dwie różne populacje – wodę normalną i cząsteczki wody uwięzione przez jony soli. Wraz ze spadkiem objętości wody normalnej, białka zaczynają się rozwijać w wyniku przesunięcia termodynamicznego w środowisku, a nie są bezpośrednio rozrywane, jak w innych metodach denaturacji.

Wyniki badań amerykańskich naukowców są obiecujące. Albowiem lepsze zrozumienie i zaprojektowanie mniej energochłonnych metod ekstrakcji białek, może otworzyć nowe możliwości dla przemysłu zajmującego się recyklingiem białek.

Proces ten może utorować drogę zupełnie nowemu przemysłowi biomateriałów, który miałby możliwość przetwarzanie ogromnej ilości odpadów, w tym włosów czy pióra, na tanie materiały nadające się do recyklingu. Mogłaby to być alternatywa dla tradycyjnych tworzyw sztucznych.