Wissenschaftler aus Harvard haben herausgefunden, dass Salze wie Lithiumbromid feste Proteine, darunter auch Keratin, zersetzen. Diese revolutionäre Entdeckung ebnet den Weg für eine sauberere und nachhaltigere Art der Verarbeitung von Wolle, Federn und Haaren. Diese können in wertvolle Materialien umgewandelt werden, die Plastik ersetzen.
Kürzlich haben wir berichtet, dass Chemiker der Northwestern University im US-Bundesstaat Illinois davon überzeugt sind, dass ihre Entdeckung die weltweite Kunststoffverarbeitung revolutionieren wird. Sie haben einen Katalysator entwickelt, der die Verarbeitung von Kunststoffen, insbesondere der schädlichsten Einwegkunststoffe, erheblich erleichtert. Sie sind von ihrer Errungenschaft so überzeugt, dass sie ihrer Meinung nach sogar das Ende der Plastiksortierung bedeuten könnte.
Nun gibt es wieder gute Nachrichten aus den USA. Wissenschaftler der John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences der Harvard University haben einen Mechanismus entdeckt, durch den bestimmte Salzverbindungen Proteinabfälle wie Wolle und Federn zersetzen. Dadurch wird der Prozess der Proteinverwertung schonender und nachhaltiger.
Komplexes Upcycling von Proteinen
Nur wenige Menschen wissen, dass die Textil- und Fleischindustrie jährlich Milliarden Tonnen Abfall in Form von Federn, Wolle und Haaren produziert. All diese Materialien sind reich an Keratin – einem starken Faserprotein, das hauptsächlich in Haaren, Haut und Nägeln vorkommt.
Die Umwandlung all dieser tierischen Abfälle in nützliche Produkte – von Wundverbänden bis hin zu umweltfreundlichen Textilien – wäre ein Segen für die Umwelt und würde zur Entwicklung neuer, nachhaltiger Industriezweige beitragen. Die Verarbeitung von Proteinen ist jedoch ein sehr komplexer Prozess. Die Zersetzung, d. h. die Denaturierung von Proteinen in ihre Bestandteile, erfordert in der Regel den Einsatz aggressiver Chemikalien in großen, umweltbelastenden Betrieben. Dieses Problem bestand bisher.
Keratin stellt die Haarstruktur wieder her und verhindert Haarbruch. Jetzt weiß man, wie man es verarbeiten kann.
Revolutioniert Salz die Abfallverwertung?
Wie in Nature Communications zu lesen ist, ist das Ergebnis der Studie das Ergebnis langjähriger Forschungen zur Denaturierung und zu Keratin. Wir dachten, dass es eine Lücke zwischen dem aktuellen Wissen über die Wirkung der Denaturierung und dem, was wir beobachtet haben, geben könnte, sagte Ichong Wang, Chemiestudent und Mitautor der Studie.
Das Team unter der Leitung von Keith Parker, Professor für Bioingenieurwesen und angewandte Physik der Familie Tarr an der SEAS, kombinierte Experimente und molekulare Simulationen, um die Mechanismen besser zu verstehen, mit denen Salze die Entwicklung von Proteinen bewirken. Sie zeigten, dass eine konzentrierte Lithiumbromidlösung (eine Salzzverbindung) auf völlig unerwartete Weise mit Proteinmolekülen (einschließlich Keratin) interagiert. Sie bindet sich nicht direkt an Proteine, sondern verändert die Struktur der sie umgebenden Wassermoleküle. Auf diese Weise schafft sie ein für die Proteinentwicklung günstigeres Umfeld.
Dies ermöglichte es den Wissenschaftlern, einen schonenderen und ausgewogeneren Prozess zur Extraktion von Keratin zu entwickeln, bei dem das Protein ohne den Einsatz starker Chemikalien leicht aus der Lösung abgetrennt werden kann.
Keratinforschung – der Beginn einer Revolution in der Abfallverwertung
Wie sich herausstellte, kann aus Lithiumbromid gewonnenes Keratin dichte, formbare Gele bilden. Diese lassen sich wiederum leicht von der umgebenden Lösung trennen und härten fast sofort nach dem erneuten Eintauchen in Wasser aus.
Um diese Frage genauer zu untersuchen, wandte sich das Team an das Labor von Professor Eugene Shahnovich vom Fachbereich Chemie und Chemische Biologie, der sich auf die Biophysik von Proteinen spezialisiert hat. Molekulare Simulationen ermöglichten es ihnen zu beobachten, dass Lithiumbromidverbindungen nicht auf Proteine, sondern auf das sie umgebende Wasser einwirkten.
Es stellte sich heraus, dass Lithiumbromid-Ionen die Wassermoleküle dazu bringen, sich in zwei verschiedene Gruppen zu bewegen – normales Wasser und Wassermoleküle, die von Salzionen gebunden werden. Mit der Verringerung des Volumens des normalen Wassers beginnen sich die Proteine infolge einer thermodynamischen Verschiebung in der Umgebung zu entwickeln und zerfallen nicht direkt, wie bei anderen Denaturierungsmethoden.
Eine neue Ära in der Abfallverwertung?
Die Ergebnisse der amerikanischen Wissenschaftler sind vielversprechend. Denn ein besseres Verständnis und die Entwicklung weniger energieintensiver Methoden zur Proteinextraktion könnten neue Möglichkeiten für die proteinverarbeitende Industrie eröffnen.
Dieser Prozess könnte den Weg für eine völlig neue Biomaterialindustrie ebnen, die riesige Mengen an Abfällen, darunter Haare und Federn, zu kostengünstigen, recycelbaren Materialien verarbeiten könnte. Dies könnte eine Alternative zu herkömmlichen Kunststoffen darstellen.
