Паучий шелк считается одним из самых прочных и жестких материалов на Земле. Инженеры из Вашингтонского университета в Сент-Луисе разработали гибридные белки амилоид-шелк и создали их в модифицированных бактериях.

Получаемые волокна более жесткие и прочные по сравнению с некоторыми натуральными паутинными шелками. Исследование было опубликовано в журнале ACS Nano.

В частности, искусственный шелк, известный как «полимерное амилоидное» волокно, был произведен с использованием бактерий в лаборатории. Бактерии были генетически сконструированы в лаборатории Фучжун Чжана, профессора факультета энергетики, окружающей среды и химической инженерии инженерной школы МакКелви.

Чжан раньше работал с паучьим шелком. В 2018 году в его лаборатории была создана бактерия для производства рекомбинантного паучьего шелка, механические свойства которого очень близки к его естественным аналогам.

После нашей предыдущей работы я подумал, можем ли мы создать что-то лучше, чем паучий шелк, используя нашу платформу синтетической биологии .

Фучжун Чжан, профессор кафедры энергетики, окружающей среды и химической инженерии инженерной школы МакКелви Вашингтонского университета в Сент-Луисе

Цзинъяо Ли, аспирант лаборатории Чжана, также был частью исследовательской группы. Команда изменила аминокислотную последовательность белков паучьего шелка для развития новых свойств, сохранив при этом некоторые привлекательные свойства паучьего шелка.

Проблема, которая тесно связана с волокном рекомбинантного паучьего шелка, – это потребность в производстве β-нанокристаллов, которые являются основным компонентом натурального паучьего шелка, придающим материалу прочность. Однако это необходимо сделать без внесения заметных изменений в последовательность паучьего шелка.

Пауки выяснили, как скручивать волокна с желаемым количеством нанокристаллов. Но когда люди используют процессы искусственного прядения, количество нанокристаллов в синтетическом шелковом волокне часто ниже, чем в его натуральном аналоге .

Фучжун Чжан, профессор кафедры энергетики, окружающей среды и химической инженерии инженерной школы МакКелви Вашингтонского университета в Сент-Луисе

Чтобы решить эту проблему, исследователи переработали последовательность шелка, добавив амилоидную последовательность с высокой тенденцией к образованию β-нанокристаллов. Различные полимерные амилоидные белки были получены с помощью трех хорошо изученных амилоидных последовательностей в качестве представителей. Концевые белки имеют низкую повторяющуюся аминокислотную последовательность по сравнению с шелком паука, что облегчает их производство искусственно созданными бактериями.

Наконец, бактерии генерировали гибридный полимерный амилоидный белок со 128 повторяющимися единицами. Рекомбинантная экспрессия белка шелка пауков с аналогичными повторяющимися единицами имеет тенденцию к затруднениям.

Длина белка определяет прочность и жесткость волокна. Белки с 128 повторами дали волокно с гигапаскальной прочностью (мера того, сколько силы требуется для разрыва волокна фиксированного диаметра), обладающее большей прочностью, чем у обычной стали.

Прочность волокна (мера того, сколько энергии требуется для разрыва волокна) выше по сравнению с кевларом и всеми предыдущими рекомбинантными шелковыми волокнами. Достигнутые прочность и жесткость выше, чем у натуральных волокон паучьего шелка.

В сотрудничестве с Юн-Шин Джун, профессором кафедры энергетики, окружающей среды и химической инженерии, и ее аспирантом Ягуанг Чжу, исследователи установили, что высокие механические свойства полимерных амилоидных волокон являются результатом улучшенного количества β-нанокристаллы.

Недавно разработанные протеины и синтетические волокна с высокими эксплуатационными характеристиками, полученные в лаборатории Чжана, все еще имеют потенциал для импровизации.

« Это демонстрирует, что мы можем разработать биологию, чтобы производить материалы, которые превосходят лучшие материалы в природе », – добавил Чжан.

Исследователи только что обнаружили три из тысяч амилоидных последовательностей, способных улучшать свойства натурального паучьего шелка.

Кажется, существуют неограниченные возможности в разработке высококачественных материалов с использованием нашей платформы. Вполне вероятно, что вы сможете использовать другие последовательности, внедрить их в нашу конструкцию, а также получить волокно с улучшенными характеристиками .

Цзинъяо Ли, аспирант факультета энергетики, окружающей среды и химической инженерии Вашингтонского университета в Сент-Луисе.

Ссылка на журнал:

Ли, Дж., и др. . (2021) Микробиологически синтезированное полимерное амилоидное волокно способствует образованию β-нанокристаллов и демонстрирует гигапаскальную прочность на разрыв. ACS Nano . doi.org/10.1021/acsnano.1c02944.

Источник: https://wustl.edu/[19459009visible