Se alzi lo sguardo dallo schermo e ti guardi intorno, è quasi certo che ci sarà qualcosa di plastica sintetica a portata di mano (forse anche i vestiti che indossi). Gli esseri umani producono solo plastica da circa 100 anni, ma ne abbiamo già prodotti circa 8, 300 milioni di tonnellate di esso dagli anni '50, che è all'incirca il peso di 25, 000 Empire State Building. E, perché la stragrande maggioranza delle materie plastiche non si biodegrada, quasi tutta la plastica di quel secolo rimane da qualche parte sul pianeta Terra, dalle viscere dei pesci e degli uccelli marini alle discariche che avvelenano l'acqua fino al Great Pacific Garbage Patch. E anche se non possiamo vederli, le microplastiche ora permeano l'aria che respiriamo e possono finire nei nostri polmoni, e i loro effetti sulla salute non sono ancora noti.

Le materie plastiche sono diventate onnipresenti perché presentano molti vantaggi rispetto ai materiali naturali:possono essere incredibilmente resistenti ma leggere, possono essere flessibili o rigidi (o entrambi), sono impermeabili, e sono economici da produrre e spedire. L'ingrediente segreto che rende la plastica così robusta e versatile sono i polimeri di idrocarburi, lunghe catene di atomi di carbonio e idrogeno legati insieme la cui disposizione conferisce loro quelle preziose proprietà. L'aggiunta di altri elementi agli idrocarburi, come ossigeno, azoto, e zolfo—crea diversi tipi di plastica che si adattano in modo ottimale a diversi compiti, dal delicato polietilene a bassa densità (LDPE) utilizzato per realizzare l'involucro di plastica al policarbonato incredibilmente resistente, che è 200 volte più resistente del vetro.

Dalla panacea al problema

Le primissime plastiche furono create nei primi anni del 1900 da industriali che stavano sperimentando alcuni dei sottoprodotti prodotti dalla raffinazione del carbone, un combustibile fossile ricco di idrocarburi. Quando gli Stati Uniti entrarono nella seconda guerra mondiale nel 1941, la domanda di plastica è esplosa quando le risorse naturali sono diventate rapidamente scarse. La plastica veniva usata per fabbricare forniture cruciali in tempo di guerra come paracadute, corde, parabrezza, e si stanca dei grandi volumi di cui l'esercito aveva bisogno per equipaggiare le sue forze. La domanda di materie plastiche era così grande che il governo degli Stati Uniti ha fornito sussidi per incoraggiare le aziende a costruire impianti di produzione basati su petrolio più accessibile (un altro combustibile fossile a base di carbonio) piuttosto che carbone.

Finita la guerra, i produttori di materie plastiche hanno spostato la loro attenzione sulla sfera domestica, pubblicizzare alternative alla plastica come più igieniche, a buon mercato, e moderni rispetto ai prodotti esistenti. La plastica ha iniziato a sostituire i materiali tradizionali in molti oggetti come le bottiglie di soda, capi di abbigliamento, e confezionamento, e ha creato prodotti completamente nuovi come i controsoffitti in formica, Tupperware, e polistirolo. Sembrava che quasi ogni aspetto della vita fosse destinato a plastificarsi. Negli anni '60, però, gli effetti dell'abbraccio a braccia aperte del mondo della plastica hanno cominciato a destare allarme. La gente ha iniziato a notare detriti di plastica che si depositavano sulle spiagge, e sono aumentate le prove che gli additivi chimici che fuoriescono dai prodotti di plastica erano dannosi sia per l'uomo che per l'ambiente.

Nonostante queste preoccupazioni, alternative più sostenibili alla plastica non l'hanno ancora sostituita con successo. Le aziende petrolchimiche ricevono ancora decine di miliardi di dollari in sussidi governativi ogni anno che mantengono a buon mercato la plastica a base di petrolio, e le "bioplastiche" più ecologiche derivate da materiali biologici rappresentano attualmente meno dell'1% del mercato totale delle materie plastiche. La maggior parte delle bioplastiche sono prodotte dalla fermentazione degli amidi, zuccheri, e cellulosa che si trova nelle piante per produrre etanolo, o acido lattico, che viene poi raffinato negli elementi costitutivi chimici utilizzati per produrre la plastica. Però, aumentare questo processo per soddisfare l'attuale domanda mondiale richiederebbe così tanta terra per coltivare le piante necessarie che distruggeremmo interi habitat e minaccerebbe la nostra stessa offerta di cibo.

Fortunatamente per il mondo, Shannon Nangle, ricercatori del Wyss Institute, dottorato di ricerca e Marika Ziesack, dottorato di ricerca stanno affrontando questo problema sviluppando una fonte economica di plastica biodegradabile, non richiedono affatto l'uso di piante, e hanno un'impronta di carbonio trascurabile:i microbi.

Incontra i microbi

Mentre la maggior parte di noi pensa ai batteri come "insetti" che sono "buoni" (quelli che vivono nel nostro intestino) o "cattivi" (quelli che causano infezioni), Nangle e Ziesack li vedono come minuscole fabbriche che possono essere progettate per produrre i mattoni polimerici della plastica in modo più semplice e sostenibile rispetto alla raffinazione dal petrolio o dalle piante.

"Come tutti gli organismi viventi, i batteri hanno bisogno di assumere cibo, estrarre energia e sostanze nutritive da esso, ed espellere i rifiuti per sopravvivere. I batteri sono molto facili da coltivare e controllare, così gli scienziati hanno studiato a lungo il loro funzionamento interiore, e ora siamo a un punto in cui possiamo manipolarli geneticamente e metabolicamente per cambiare ciò che mangiano e ciò che producono, ", ha detto Ziesack.

Lei e Nangle hanno sperimentato plastiche a base di microbi dal 2017, quando sono stati ispirati dal progetto Bionic Leaf che il loro consigliere, Pamela Silver, membro della facoltà di Wyss Core, dottorato di ricerca, co-creato. Si sono concentrati su un microbo specifico chiamato Cupriavidus necator, che assorbe idrogeno e anidride carbonica e utilizza un processo chiamato fermentazione del gas per convertirli in molecole essenziali. Uno dei composti che il microbio produce è un polimero chiamato PHB, un tipo di poliestere che utilizza come forma di accumulo di energia. Il PHB in sé non è un ottimo polimero per la plastica - è molto fragile ed è difficile da fabbricare oggetti - ma Ziesack e Nangle hanno trovato un modo per modificare il metabolismo del microbio in modo che produca invece un poliestere simile chiamato PHA, che è più flessibile ed è già oggetto di studio come alternativa alla plastica biodegradabile.

"I PHA biodegradabili non sono un'idea nuova, ma finora nessuno è stato in grado di produrli abbastanza a buon mercato da poter competere con i poliesteri a base di petrolio. I nostri microbi possono ridurre drasticamente il prezzo di produzione di questi polimeri perché li stiamo alimentando con gas anziché costosi composti precursori, e stiamo evitando tutti i costi economici e ambientali dell'agricoltura industriale che sono incorporati nel prezzo delle bioplastiche a base vegetale, ", ha detto Nangle.

Mentre i poliesteri come il PHA sono solo uno dei tanti tipi di polimeri che oggi entrano nei diversi tipi di plastica, Nangle e Ziesack pensano che con la giusta ingegneria, il loro sistema potrebbe produrre poliesteri con proprietà diverse che imitano altri tipi di polimeri. "La bellezza dei PHA è che possono essere ampiamente modificati, quindi se possiamo espandere la portata dei composti che i nostri microbi possono produrre, potremmo creare materiali con caratteristiche equivalenti ad altri petrolchimici, anche se la loro struttura chimica è diversa, ", ha detto Ziesack.

Al mondo reale, e oltre

Incoraggiati dal loro successo in laboratorio e dal potenziale del loro progetto di aiutare a risolvere il "problema della plastica" mondiale, " Ziesack e Nangle hanno presentato una domanda di Institute Project per il loro progetto, ora chiamata Circe, e e hanno lavorato con industriali, investimento, e partner di sviluppo aziendale per far progredire ulteriormente la loro tecnologia tecnicamente e commercialmente per massimizzare il successo commerciale a breve termine. Sebbene far funzionare il loro sistema in laboratorio fosse una sfida scientifica significativa, portarlo fuori dal laboratorio e in un impianto di produzione è un insieme completamente diverso di ostacoli che stanno superando un passo alla volta.

"Vogliamo creare un business plan per un sistema che sia effettivamente pienamente sostenibile dall'inizio alla fine, dove abbiamo pensato e pianificato ogni fase del ciclo di vita di un prodotto in modo che quando un consumatore ha finito di usarlo, si prenderà cura di sé [biodegradando], " ha detto Nangle. "Può essere difficile convincere gli investitori che un esperimento su scala di laboratorio accademico è commercialmente fattibile, e ricevere supporto come Progetto dell'Istituto è stato fondamentale per consentirci di dimostrare che questo sistema può funzionare nel mondo reale, e può avere un impatto reale".

I creatori di Circe hanno persino piani su come i loro microbi potrebbero essere usati oltre il "mondo reale" in luoghi dove non sono disponibili né combustibili fossili né piante, come lo spazio esterno. Un giorno, questi microbi potrebbero essere trasportati in insediamenti umani su altri pianeti dove potrebbero essere utilizzati per fabbricare qualsiasi cosa, dai materiali da costruzione al cibo e supportare l'esplorazione di altri mondi da parte della nostra specie.

"Non sappiamo ancora quali siano i limiti di questa tecnologia, perché la produzione di plastica dai microbi su larga scala è stata sviluppata e implementata solo di recente. Ma ci impegniamo a portare questo progetto il più lontano possibile, e se un giorno questo significherà Marte, sarà fantastico, ", ha detto Ziesack.