Si vous levez les yeux de votre écran et regardez autour de vous, il est presque certain qu'il y aura quelque chose en plastique synthétique à portée de main (peut-être même les vêtements que vous portez). Les humains ne fabriquent des plastiques que depuis environ 100 ans, mais nous en avons déjà produit environ 8, 300 millions de tonnes depuis les années 1950, c'est à peu près le poids de 25, 000 bâtiments de l'Empire State. Et, car la grande majorité des plastiques ne se biodégradent pas, presque tout le plastique de ce siècle reste quelque part sur la planète Terre, des entrailles des poissons et des oiseaux de mer aux décharges empoisonnant l'eau jusqu'au Great Pacific Garbage Patch. Et même si on ne les voit pas, les microplastiques imprègnent désormais l'air que nous respirons et peuvent se retrouver dans nos poumons, et leurs effets sur la santé ne sont pas encore connus.

Les plastiques sont devenus omniprésents car ils présentent de nombreux avantages par rapport aux matériaux naturels :ils peuvent être incroyablement résistants mais légers, ils peuvent être souples ou rigides (ou les deux), ils sont étanches, et ils sont bon marché à fabriquer et à expédier. L'ingrédient secret qui rend les plastiques si robustes et polyvalents sont les polymères d'hydrocarbures, de longues chaînes d'atomes de carbone et d'hydrogène enchaînées dont la disposition leur confère ces propriétés précieuses. L'ajout d'autres éléments aux hydrocarbures, tels que l'oxygène, azote, et le soufre - crée différents types de plastiques parfaitement adaptés à différentes tâches, du délicat polyéthylène basse densité (LDPE) utilisé pour fabriquer le film plastique au polycarbonate incroyablement durable, qui est 200 fois plus résistant que le verre.

De la panacée au problème

Les tout premiers plastiques ont été créés au début des années 1900 par des industriels qui expérimentaient certains des sous-produits issus du raffinage du charbon, un combustible fossile riche en hydrocarbures. Lorsque les États-Unis sont entrés dans la Seconde Guerre mondiale en 1941, la demande de plastique a explosé alors que les ressources naturelles se sont rapidement raréfiées. Les plastiques ont été utilisés pour fabriquer des fournitures cruciales en temps de guerre comme des parachutes, Cordes, pare-brise, et des pneus aux gros volumes dont l'armée avait besoin pour équiper ses forces. La demande de matières plastiques était si importante que le gouvernement américain a accordé des subventions pour encourager les entreprises à construire des usines de fabrication basées sur des produits moins chers, pétrole plus accessible (un autre combustible fossile à base de carbone) plutôt que le charbon.

Après la fin de la guerre, les producteurs de plastique se sont tournés vers la sphère domestique, vantant les alternatives plastiques comme plus hygiéniques, pas cher, et moderne que les produits existants. Le plastique a commencé à remplacer les matériaux traditionnels dans de nombreux objets comme les bouteilles de soda, Vêtements, et emballage, et créé des produits entièrement nouveaux comme les comptoirs Formica, Tupperware, et de la mousse de polystyrène. Il semblait que presque tous les aspects de la vie étaient destinés à se plastifier. Dans les années 1960, cependant, les effets de l'étreinte mondiale des plastiques à bras ouverts ont commencé à donner l'alarme. Les gens ont commencé à remarquer que des débris de plastique s'échouaient sur les plages, et les preuves se sont accumulées que les additifs chimiques s'échappant des produits en plastique étaient nocifs à la fois pour les humains et pour l'environnement.

Malgré ces inquiétudes, des alternatives plus durables au plastique ne l'ont pas encore remplacé avec succès. Les sociétés pétrochimiques reçoivent toujours des dizaines de milliards de dollars de subventions gouvernementales chaque année qui maintiennent les plastiques à base de pétrole bon marché, et les « bioplastiques » plus respectueux de l'environnement dérivés de matériaux biologiques représentent actuellement moins de 1 % du marché total des plastiques. La plupart des bioplastiques sont produits par fermentation des amidons, sucres, et la cellulose trouvée dans les plantes pour produire de l'éthanol, ou acide lactique, qui est ensuite raffiné dans les blocs de construction chimiques utilisés pour fabriquer des plastiques. Cependant, L'intensification de ce processus pour répondre à la demande mondiale actuelle nécessiterait tellement de terres pour cultiver les plantes nécessaires que nous détruirions des habitats entiers et menacerions notre propre approvisionnement alimentaire.

Heureusement pour le monde, Scientifiques de recherche de l'Institut Wyss Shannon Nangle, doctorat et Marika Ziesack, doctorat s'attaquent à ce problème en développant une source bon marché de plastiques biodégradables, ne nécessitent pas du tout l'utilisation de plantes, et ont une empreinte carbone négligeable :les microbes.

Rencontrez les microbes

Alors que la plupart d'entre nous considèrent les bactéries comme des "insectes" qui sont soit "bons" (ceux qui vivent dans nos intestins) soit "mauvais" (ceux qui causent des infections), Nangle et Ziesack les voient comme de minuscules usines qui peuvent être conçues pour produire les blocs de construction polymères des plastiques plus facilement et de manière plus durable que de les raffiner à partir de pétrole ou de plantes.

"Comme tous les organismes vivants, les bactéries ont besoin d'absorber de la nourriture, en extraire énergie et nutriments, et excréter des déchets pour survivre. Les bactéries sont très faciles à cultiver et à contrôler, les scientifiques étudient donc leur fonctionnement interne depuis longtemps, et nous sommes maintenant à un point où nous pouvons les manipuler génétiquement et métaboliquement pour changer ce qu'ils mangent et ce qu'ils produisent, " a déclaré Ziesack.

Elle et Nangle expérimentent des plastiques à base de microbes depuis 2017, quand ils ont été inspirés par le projet Bionic Leaf que leur conseiller, Pamela Silver, membre du corps professoral de Wyss Core, Doctorat., co-créé. Ils se sont penchés sur un microbe spécifique appelé Cupriavidus necator, qui absorbe les gaz d'hydrogène et de dioxyde de carbone et utilise un processus appelé fermentation gazeuse pour les convertir en molécules essentielles. L'un des composés produits par le microbe est un polymère appelé PHB, une sorte de polyester qu'il utilise comme forme de stockage d'énergie. Le PHB lui-même n'est pas un excellent polymère pour les plastiques - il est très cassant et difficile à fabriquer des objets - mais Ziesack et Nangle ont trouvé un moyen de modifier le métabolisme du microbe afin qu'il produise un polyester similaire appelé PHA à la place, qui est plus flexible et est déjà à l'étude comme alternative au plastique biodégradable.

« Les PHA biodégradables ne sont pas une idée nouvelle, mais jusqu'à présent, personne n'a été en mesure de les fabriquer à un prix suffisamment bas pour concurrencer les polyesters à base de pétrole. Nos microbes peuvent réduire considérablement le prix de production de ces polymères parce que nous les alimentons en gaz plutôt qu'en composés précurseurs coûteux, et nous évitons tous les coûts économiques et environnementaux de l'agriculture industrielle qui sont intégrés dans le prix des bioplastiques d'origine végétale, " dit Nangle.

Alors que les polyesters comme le PHA ne sont qu'un des nombreux types de polymères qui entrent aujourd'hui dans différents types de plastique, Nangle et Ziesack pensent qu'avec la bonne ingénierie, leur système pourrait produire des polyesters avec des propriétés différentes qui imitent d'autres types de polymères. « La beauté des PVVIH est qu'ils peuvent être considérablement modifiés, donc si nous pouvions élargir le champ des composés que nos microbes peuvent produire, nous pourrions créer des matériaux avec des caractéristiques équivalentes à d'autres produits pétrochimiques, même si leur structure chimique est différente, " a déclaré Ziesack.

Au monde réel, et au-delà

Encouragés par leur succès en laboratoire et le potentiel de leur projet à aider à résoudre le "problème des plastiques" mondial, " Ziesack et Nangle ont soumis une demande de projet d'institut pour leur projet, maintenant appelé Circé, et et ont travaillé avec l'industrie, investissement, et les partenaires de développement commercial pour faire progresser leur technologie sur le plan technique et commercial afin de maximiser le succès commercial à court terme. Bien que faire fonctionner leur système en laboratoire était un défi scientifique important, le sortir du laboratoire et l'entrer dans une installation de production est un ensemble d'obstacles complètement différent qu'ils surmontent un pas à la fois.

« Nous voulons créer un plan d'affaires pour un système qui soit réellement entièrement durable du début à la fin, où nous avons réfléchi et planifié chaque étape du cycle de vie d'un produit afin que lorsqu'un consommateur a fini de l'utiliser, il s'occupera de lui-même [en se biodégradant], " a déclaré Nangle. " Il peut être difficile de convaincre les investisseurs qu'une expérience universitaire à l'échelle d'un laboratoire est commercialement viable, et recevoir un soutien en tant que projet d'institut a été essentiel pour nous permettre de démontrer que ce système peut fonctionner dans le monde réel, et peut avoir un réel impact."

Les créateurs de Circé ont même des plans sur la façon dont leurs microbes pourraient être utilisés au-delà du "monde réel" dans des endroits où ni les combustibles fossiles ni les plantes ne sont disponibles, comme l'espace extra-atmosphérique. Un jour, ces microbes pourraient être transportés vers des établissements humains sur d'autres planètes où ils pourraient être utilisés pour tout fabriquer, des matériaux de construction à la nourriture et soutenir l'exploration d'autres mondes par notre espèce.

"On ne sait vraiment pas encore quelles sont les limites de cette technologie, parce que la fabrication de plastiques à partir de microbes à grande échelle n'a été développée et mise en œuvre que récemment. Mais nous nous engageons à pousser ce projet aussi loin qu'il peut aller, et si un jour cela signifie Mars, ce sera incroyable, " a déclaré Ziesack.