ギズモード・サイエンスフェア：バクテリアが生み出した永久リサイクル可能なプラスチック

ローレンス・バークレー国立研究所の科学者たちが、無限にリサイクルできるプラスチックを開発した功績により、2024年ギズモード・サイエンス・フェアの優勝者となった。

質問

永久にリサイクル可能で、化石燃料で作られた従来のプラスチックよりも実際に優れた新しいタイプのプラスチックを設計できますか?

結果

ローレンス・バークレー国立研究所（バークレー研究所）の科学者たちは、石油化学製品を使わずに新しいタイプのプラスチックを開発することに成功しました。彼らはこの発明をポリジケトエナミン（PDK）と名付けました。これは、かなり奇妙な製造工場、つまり大腸菌を使って製造されます。そう、下痢を引き起こすあの細菌です。

しかし、このプロジェクトにおいて大腸菌は全く異なる役割を果たしました。バークレー研究所分子ファウンドリー部門のスタッフサイエンティストで、このプロジェクトを率いたブレット・ヘルムズ氏によると、チームは大腸菌内に新たなタンパク質を導入する遺伝子を開発し、このタンパク質が細菌内に自然に存在する分子の一部をPDKのモノマーへと変換しました。モノマーはプラスチックの構成要素であり、これが互いに結合してポリマーを形成します。

化石燃料由来のプラスチックはリサイクルが難しく、通常は1回しかリサイクルできませんが、PDKは永久にリサイクル可能であると研究グループは述べています。さらに、PDKは耐熱性において化石燃料由来のプラスチックよりも優れていることも発見しました。PDKの動作温度範囲は最大60℃でした。

バークレー研究所エネルギー技術部門に所属するプロジェクトメンバーのコリン・スコーウン氏は、この研究は微調整可能なプラスチックの基礎を築いたと語った。

「これは、現在石油化学製品から製造できるものよりもさらに優れた材料を製造するための総合的なプラットフォームです」とスコーウン氏は語った。

なぜ彼らはそれをしたのか

ヘルムズ氏、スコーウン氏、そしてバークレー研究所のチームメンバーは、長年にわたり、無限にリサイクル可能なプラスチックの開発に取り組んできました。石油化学製品由来のプラスチックのリサイクルがいかに困難で、リサイクル量も極めて少ないかを知ったことが、チーム独自のプラスチック開発のきっかけとなりました。彼らはまた、プラスチック廃棄物が人体や環境に与える影響についても懸念を抱いていました。

「プラスチックを「作って、取って、捨てる」というアプローチが環境にどのような影響を与えているのか、私たちはまだその表面をかすめたに過ぎないと思います。ここ数年でマイクロプラスチックやPFASについてどれだけ多くのことが分かってきたか考えてみてください」とスコーウン氏は述べた。「私たちは循環型の方向へ進まなければなりません。そうでなければ、これらの物質は埋め立て地に蓄積され続け、環境に漏れ出し続けることになるからです。」

PDKプラスチックは溶液に入れると分解する — PDKプラスチックが酸性溶液中で分解する様子を示すGIF画像。酸が樹脂モノマーと化学添加剤を分離し、モノマーを新しい製品に完全に再利用できるようにする。画像：ピーター・クリステンセン/バークレー研究所

彼らが勝者である理由

石油化学プラスチックは、世界中で生産されるプラスチックの99%を占めています。このタイプのプラスチックをリサイクルするには、現在、異なる種類のプラスチックを一緒にリサイクルできないため、徹底した分別が必要です。気候完全性センターの最近の報告書によると、同じ種類のプラスチックで作られた製品であっても、着色剤などの添加剤が異なるため、一緒にリサイクルできないことがよくあります。石油化学製品から新しいバージンプラスチックを製造する方が、リサイクルするよりもはるかに安価です。

プラスチックのリサイクルがいかに困難であるかを考えると、残されるのは数億トンものプラスチック廃棄物です。地球規模で見ると、人類は年間約4億トンのプラスチック廃棄物を生み出しています。国連環境計画の推定によると、すでに70億トンのプラスチック廃棄物が排出されていますが、そのうちリサイクルされているのはわずか10%程度です。プラスチックの使用をやめればいいと言うのは簡単ですが、プラスチックは私たちの社会や生活に深く根付いています。ですから、真にリサイクルされ、永遠に再利用できるプラスチックが大規模に導入されれば、大きな意味を持つでしょう。

次は何か

ヘルムズ氏とスコーウン氏は、プロジェクトのもう一人のパートナーであるバークレー研究所のジェイ・キースリング氏と共に、スタートアップ企業「サイクロス・マテリアルズ」を共同設立しました。同社は、無限にリサイクル可能なプラスチック技術の商業化を進めており、現在主流となっている石油由来プラスチックの代替となることを目指しています。ヘルムズ氏によると、同社は来年中にPDKプラスチックを使用した製品のサンプル提供を開始し、約3年後には製品の発売を開始する予定です。

チームは、自社の素材が実際に生産に使用できるかどうかを知りたがるブランドのプロダクトデザイナーから関心を集めています。さらに、新たなビジネスチャンスを探している、現在プラスチックを生産している化学企業からも注目を集めています。

しかし、技術を世界に発表する準備が整ったからといって、研究者たちがプラスチックの再利用とリサイクルの科学の進歩に注力するのをやめたわけではありません。4月初旬、ヘルムズ氏は、様々な種類のMRI手法を用いて分解中のプラスチックを明らかにする新たな研究論文の共著者となりました。「私たちはリサイクルプロセスそのものを用いて、材料をどのように構成すれば、可能な限り効率的にリサイクルできるのかを解明しようとしています」とヘルムズ氏は述べています。